Проекты

Название проекта:

Проект РНФ № 20-77-00028 «Проверка гипотезы о существовании эпох обратной полярности в туронском, коньякском и сантонском веках (поздний мел)»

Сроки выполнения:

2020-2022 гг.

Руководитель:

Гужикова А.А. (Саратов, СГУ)

Исполнитель:

Рябов И.П. (Саратов, СГУ)

Краткое содержание проекта:

Рисунок 1 — **Рис. 1.** Сводный магнитостратиграфический разрез турона–сантона Нижнего и Среднего Поволжья (слева) и корреляция отдельных разрезов турона–сантона по палеомагнитным и микрофаунистическим данным.

Проект направлен на выяснение истинного характера геомагнитного поля в туронском, коньякском и сантонском веках. Проблема заключается в том, что туронский–сантонский интервал Шкалы геомагнитной полярности (GPTS) (Gradstein et al., 2020) характеризуется исключительно нормальной полярностью, но отечественный вариант палеомагнитной шкалы – Общая магнитостратиграфическая шкала (Храмов, Шкатова, 2000) включает магнитозону обратного знака, так называемую «Клюевскую R-зону», соответствующую коньякскому ярусу. Существуют данные по разным регионам, указывающие на неоднократные инверсии поля в туроне–сантоне (Гнибиденко, 2012; 2014; Гужиков и др., 2003; Еремин и др., 1995; Фомин, Еремин, 1993; Печерский, 1970; Montgomery et al., 1998 и др.), в том числе соответствующие современным требованиям к методике палеомагнитных исследований и точности магнитометрического оборудования. В последнее время появились сведения о магнитозонах обратной полярности в туронских, коньякских и сантонских отложениях Нижнего Поволжья, удовлетворяющие большинству критериев, предъявляемым к достоверности магнитостратиграфических данных (Guzhikova et al., 2019; Pervushov et al., 2019). Таким образом, противоречивой информации о палеомагнетизме турона–сантона накопилось достаточно для того, чтобы ее тщательно проанализировать и предпринять дополнительные исследования с целью проверки гипотезы о существовании эпох обратной полярности в туронском, коньякском и сантонском веках.

Рисунок 2 — **Рис. 2.** Местоположения изученных разрезов турона–сантона Нижнего и Среднего Поволжья: 1 – Каменный Брод, 2 – Мирошники, 3 – Меловатка, 4 – Большой Каменный овраг (БКО), 5 – Липовка-1, 6-8 – Озерки-1, -2, -3, 9 – Нижняя Банновка, 10 – Коммунар, 11 – Новодевичье, 12 – Подвалье, 13 – Сплавнуха, 14 – Пудовкино, 15 – Чухонастовка, 16 – Липовка-2. Фиолоетовым цветом показана зона распространения четвертичных оледенений.

В августе, сентябре 2020 г. и августе 2021 г. организованы и проведены три экспедиции по изучению опорных разрезов турона–сантона Волгоградского, Саратовского и Самарского Поволжья. Проведены геологические описания 10 разрезов, изученных в 15 естественных и искусственных обнажениях. В Волгоградском Правобережье опробованы 4 разреза турона–коньяка: Большой Каменный овраг (г. Жирновск), Меловатка (Жирновский район), Мирошники (Котовский район) и Чухонастовка (Камышинский район). В Саратовском Правобережье изучены 4 разреза турона–сантона: карьер «Коммунар» (г. Вольск), Пудовкино (Саратовский район), Сплавнуха (Красноармейский район) и Липовка-2 (Лысогорский район), который удалось нарастить вниз, ~ на 10 м, по сравнению с ранее изученной частью разреза. На севере Самарского Правобережья исследованы 2 разреза турона–сантона: Новодевичье и Подвалье (Шигонский район). С учетом ранее изученных разрезов: Каменный брод (Волгоградское Правобережье), Озерки-1, -2, -3, Липовка-1 и Нижняя Банновка (Саратовское Правобережье) рым общее число изученных в палеомагнитном отношении разрезов турона–сантона Нижнего и Среднего Поволжья составило 16, а количество стратиграфических уровней, с которых были взяты ориентированные штуфы – 566, при суммарной мощности разрезов ~ 240 м. Кроме того, в большинстве разрезов между палеомагнитными образцами были взяты неориентированные образцы для петромагнитных исследований, и таким образом, в общей сложности, детальному магнитостратиграфическому опробованию подверглись около 1 000 разных уровней.

Во всех разрезах параллельно с их палеомагнитным изучением проводился микрофаунистический анализ (бентосные фораминиферы). Большинство палеомагнитных и микрофаунистических проб отобраны по системе «образец в образец».

Рисунок 3 — **Рис. 3.** Сопоставление сводного магнитостратиграфического разреза турона – сантона Среднего – Нижнего Поволжья с Общей магнитостратиграфической шкалой (ОМСШ) и Шкалой геологического времени (GTS).

Турон–коньяк во всех разрезах представлен преимущественно мергелями и известняками, сантон – опоками и кремнистыми глинами (исключение представляет разрез Коммунар, в котором сантон также представлен карбонатами). Изученные разрезы сходны в магнито-минералогическом отношении (основным носителем намагниченности является тонкодисперсный магнетит), но различаются по качеству палеомагнитных результатов. В разрезах Озерки-1, -2, -3, Липовка-1, -2, Большой Каменный овраг (БКО), Коммунар, Нижняя Банновка выделены характеристические компоненты намагниченности (ChRM) приемлемого качества как прямой, так и обратной полярности. В разрезах Липовка, БКО и Коммунар выделены разнополярные компоненты, для которых тест обращения положительный.

В разрезах Каменный Брод, Мирошники, Меловатка, Сплавнуха, Новодевичье и Подвалье выделены ChRM, соответствующие прямой полярности, и компоненты с аномальными направлениями (имеющими, например, склонения, типичные для одного знака полярности, а наклонение для другого). В некоторых случаях компонент естественной остаточной намагниченности (J_n) выделить не удается, но при этом фиксируются смещения векторов J_n в процессе размагничивания по дугам больших кругов. Аномальные компоненты и смещения вдоль больших кругов, часто, обусловлены сложением векторов, один из которых соответствует древнему полю обратной полярности, а другой – современному полю. Поэтому интервалы разреза, в которых закономерно группировались аномальные направления намагниченности и/или наблюдались смещения J_n вдоль больших кругов, предположительно, интерпретировались нами как магнитозоны обратной (аномальной) полярности.

Наиболее надежные палеомагнитные данные получены по разрезам Озерки-1, -2, -3, Липовка и Коммунар. В них индексы достоверности, согласно критериям, принятым для оценки надежности магнитостратиграфических данных (Храмов, Шкатова, 2000), составляют 6-7 из 8 возможных. Данные по остальным разрезам удовлетворяют 4-5 критериям, что, формально, также позволяет их использовать в магнитостратиграфических целях.

Детальное расчленение исследуемых разрезов базируется преимущественно на анализе бентосных фораминифер (БФ). При сопоставлении био- и магнитостратиграфических материалов следует иметь ввиду возможную диахронность границ микрофаунистических зон (что, в частности, определяется зависимостью составов комплексов БФ от фациальных обстановок), а также разную степень палеонтологической изученности разрезов.

Рисунок 4 — **Рис. 4.** Магнитостратиграфический разрез турона реки Басс (Северный Кавказ, Чеченская республика).

С учетом перечисленных факторов, результаты магнито- и биостратиграфического сопоставления туронских–коньякских отложений в разрезах Каменный Брод, Мирошники, Меловатка, БКО и Озерки-1, -2, -3 (рис. 1) выглядят непротиворечиво. Согласовать их с данными по разрезам Нижняя Банновка, Коммунар, Новодевичье и Подвалье можно, исходя из клиноморфного строения турона–коньяка, которое свойственно территории Нижнего и Среднего Поволжья (коньяк и особенно начало сантона – это время тектонической активизации, в результате которой формировались структурные элементы Саратовских и Доно-Медведицких дислокаций). Сантон во всех разрезах, где он был изучен (Липовка, Коммунар, Новодевичье) характеризуется преимущественно обратной полярностью.

По результатам комплексной корреляции построен вариант сводного палеомагнитного разреза турона–сантона Среднего – Нижнего Поволжья (рис. 1), в котором присутствуют, по крайней мере, две зоны обратной полярности: в среднем туроне и верхнем сантоне – нижнем кампане. Верхнему турону, коньяку и нижнему сантону свойственна, в целом, знакопеременная и/или аномальная полярность.

В процессе исследований рассматривалась версия, согласно которой обратная (или аномальная) намагниченность туронских – сантонских отложений является перемагничивания пород четвертичным геомагнитным полем вследствие воздействия гляциальных и флювигляциальных процессов. Однако, как видно на рис. 2 разрезы, находящиеся как в зоне распространения оледенений, так и вне этой зоны с равным успехом обнаруживают как прямую, так и обратную (аномальную) полярность. Поэтому гипотеза о влиянии гляциальных или флювигляциальных процессов на перемагничивание пород должна быть отвергнута.

Рисунок 5 — **Рис. 5.** Стереографические проекции **ChRM** в стратиграфической системе координат: (а, б) – по верхам верхнего сантона в разрезах Чуку (обнажение 3175) и Кудрино-2 соответственно, (в) – по сантону разреза Чуку (обнажения 3177-1 и 3177-2), исключая верхи яруса, (г) – верхнему турону – сантону разреза Аксу-Дере (г). Условные обозначения: 1, 2 – проекции **ChRM** на нижнюю и верхнюю полусферы соответственно. n – количество образцов, D, I – среднее палеомагнитное склонение и наклонение соответственно, к – межпластовая кучность, α95 – радиус круга доверия среднего палеомагнитного вектора.

Можно предположить, что сантонская–кампанская R-зона соответствует низам магнитного хрона C33r, а туронская R-зона – “Клюевской R-зоне” ОМСШ (коньякский возраст Клюевской зоны в ОМСШ базируется на данных полувековой давности по разрезам верхнего мела Северо-Востока России и Средней Азии, которые не исключают их одновозрастности с туронскими отложениями Русской плиты) (рис. 3).

Рисунок 7 — **Рис. 7.** Новый вариант магнитостратиграфической шкалы меловой системы (справа) и его сопоставление с шкалой геомагнитной полярности (GPTS).

В ходе выполнения проекта предпринимались попытки палеомагнитного переизучения палеомагнитных коллекций из турона–сантона Кавказа и Копетдага, собранных в 1970-1980 гг. соттрудниками лаборатории Палеомагнетизма НИИ Геологии при СГУ. Однако образцов, пригодных для повторных палеомагнитных измерений сохранилось мало, и полноценный магнитостратиграфический результат получен только по разрезу турона реки Басс (Чеченская республика). В этом разрезе подтверждено наличие крупной магнитозоны обратной полярностью, мощностью ~ 40 м (рис. 4). Обоснование более точного стратиграфического возраста пород, к которым приурочена магнитозона обратного знака затруднительно, поскольку датировки по разным палеонтологическим группам, в известной мере, противоречат друг другу: данные по двустворчатым моллюскам свидетельствуют о раннетуронском возрасте магнитозоны, по планктонным фораминиферам – о позднесеноманском – раннетуронском, по бентосным фораминиферам о среднетуронском. Вероятно, расхождения в датировке отложений обусловлены диахронностью, свойственной, в той или иной степени, всем стратиграфическим границам палеонтологического обоснования (Гужиков, Барабошкин, 2006 и др.). Но, по совокупности биостратиграфических данных следует, заключить, что манитозона обратной полярности соответствует, скорее всего, нижней половине туронского яруса.

В ряде разрезов турона–сантона ЮЗ Крыма зафиксированы вариации характеристических компонент намагниченности (ChRM) аномально большой амплитуды, ориентационный или посториентационный генезис которых обоснован, в том числе, результатами теста складки.

Первоначально аномально большой разброс ChRM был зафиксирован в туронских–сантонских отложениях разреза Аксу-Дере. Однако однозначно связать его с особенностями режима позднемелового поля было нельзя из-за нехватки данных для надежного обоснования первичности намагниченности.

Доказательством существования необычного поведения поля на протяжении нескольких миллионов лет (не менее 5-6 млн. лет, прошедших от конца турона до окончания сантонского века) могло бы стать прослеживание аналогичных высокоамплитудных вариаций ChRM в одновозрастных отложениях других разрезов. Результаты проведенных с этой целью исследований турона разреза горы Кизыл-Чигир близ с. Трудолюбовка (~ в 8.5 км к северу от разреза Аксу-Дере) и сантона разреза Кудрино-2 (~ в 2.2 км к югу от Аксу-Дере) обнаружили высокие межпластовые кучности палеомагнитных направлений. Однако впоследствии по бентосным фораминиферам было установлено, что, по сравнению с Аксу-Дере, на Кизил-Чигире представлены более древние слои турона, а в Кудрино-2 – более молодые сантонские породы, чем в Аксу-Дере. Таким образом, вопрос о латеральной устойчивости палеомагнитных вариаций остался открытым.

Рисунок 6 — **Рис. 6.** Положения палеомагнитных полюсов, пересчитанных из **ChRM** по верхнему турону – сантону разреза Аксу-Дере и сантону разреза Чуку.

Ключевое значение для выяснения вопроса о природе высокоамплитудных вариаций палеомагнитных направлений имеют данные по сантону разреза горы Чуку, где зафиксированы вариации палеомагнитных направлений, аналогичные тем, которые были выявлены ранее в Аксу-Дере. Вместе с тем самым верхам разреза Чуку, являющихся возрастными аналогами верхов сантона в разрезе Кудрино-2, свойственна высокая концентрация ChRM (рис. 5).

Таким образом, полученные данные можно интерпретировать как запись аномального поведения древнего геомагнитного поля (рис. 6) на протяжении, по крайней мере, нескольких миллионов лет, соответствующих временному интервалу от рубежа турона–коньяка до конца сантонского века (~ от 90 до 84 млн. лет).

Предложен новый вариант магнитостратиграфической шкалы меловой системы, отличающийся от шкалы геомагнитной полярности (Gradstein et al., 2020) и других аналогов (Гужиков и др., 2007; Храмов, Шкатова, 2000) наличием магнитозоны обратной полярности в низах турона и аномальной полярности, соответствующей верхам турона, коньяку и большей части сантона (рис. 7).

В результате обобщения и анализа как имеющихся, так и полученных в рамках данного проекта данных по магнитостратиграфии турона - сантона разных регионов сделан вывод о существовании эпохи обратной полярности в первой половине туронского века. Магнитозона обратной полярности фиксируется в пределах зоны LC4 по БФ (низы среднетуронского подъяруса) как в разрезах Саратовского и Волгоградского Поволжья (Гужикова и др., 2020, 2021; Guzhikova et al., 2019), так и на Северном Кавказе (разрез Басс). По двустворчатым моллюскам и планктонным фораминиферам отложения в разрезе Басс, отмеченные обратной полярностью датируются нижним туроном и пограничным интервалом сеномана–турона соответственно. Магнитозона обратной полярности в нижней части туронского яруса (кузнецовский горизонт) зафиксирована также в Западной Сибири по материалам палеомагнитного изучения керна скважин (Гнибиденко и др., 2014).

Рисунок 8 — **Рис. 8.** Конфигурация геомагнитного поля в эпоху стабильного режима (слева) и во время инверсии (справа).

Особый интерес представляет палеомагнитная структура стратиграфического интервала от верхов турона до низов верхнего сантона, которая совершенно не согласуется в разных регионах. В Поволжье и на Туаркыре этому возрастному диапазону соответствует в целом знакопеременная или аномальная полярность, в Средиземноморье и Западной Сибири прямая или преимущественно прямая полярность, а в Крыму верхи турона, коньяк и сантон (за исключением верхов яруса) отмечены прямой полярностью, но при им свойственны вариации палеомагнитных направлений с аномально большой амплитудой. Подобное поведение геомагнитного поля, при котором в одновозрастных отложениях удаленных регионов может фиксироваться разный характер геомагнитного поля, характерны для переходных эпох (эпох инверсий), при которых вследствие падения напряженности поля дипольное состояние поля может смениться на мультипольное (рис. 8). Однако, согласно общепринятым представлениям, продолжительность переходных эпох или экскурсов не превышает 30 000 лет, в то время как надежные комплексные биостратиграфические данные по Крыму и Поволжью свидетельствуют о том, что аномальное состояние поля, свойственное переходным эпохам, возникло в конце мелового суперхрона нормальной полярности C34 и продолжалось, по крайней мере, 5 млн. лет (примерно, с конца турона до конца сантона). Подобные особенности геомагнитного поля до сих пор не были известны.