Geological and biological reasons for the collapse of reef formation, Paleozoic

Full Text

Рифовые сооружения являются одним из важных элементов осадочного чехла. Их геологическое значение весьма велико — это один из наиболее показательных объектов для исследования во-первых, биогенного карбонатообразования и последующих преобразований пород, во-вторых, взаимовлияния жизни и геологических процессов.

Рифовая биоценотическая система представляет собой один из наиболее сложных биологических объектов на планете, как по составу и разнообразию участвующих в ней организмов, так и по способам их функционирования и взаимосвязям, что является результатом длительной эволюции.

В целом, жизнь в течение геологического времени, включая созданные организмами биоценозы, развивались и усложнялись не прямолинейно — в геологической истории отмечаются как периоды бурного расцвета, так и периоды большего или меньшего затухания, вплоть до массовых вымираний, однако, несмотря на подобную неравномерность развитие идет по пути последовательного усложнения. Это, в частности, прослеживается в формировании палеозойских рифов. Их развитие, равно как и исчезновение, обусловлено как геологическими, так и биологическими причинами. Анализ влияния тех и других факторов составило цель настоящей статьи.

ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ И ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ

Рифовые образования представляют собой своеобразные объекты, в формировании которых тесно взаимодействуют и переплетаются геологические и биологические факторы, поэтому они являются как геологическими, так и биологическими, а ископаемые — палеобиологическими объектами. В биоценозе большинства рифов организмы представлены скелетными, в том числе, каркасными формами, но существуют постройки, созданные бактериально-водорослевыми сообществами, которые, несколько утрируя, часто описываются обобщенным термином «иловые холмы».

С точки зрения геологии, риф — это карбонатный массив, сложенный, по крайней мере, частично, остатками организмов и продуктами их разрушения, возвышающийся в период своего формирования над дном окружающего моря и образующий волнолом. Поскольку скорость роста рифа превышает скорость накопления окружающих осадков, его мощность больше мощности вмещающих синхронных отложений, что и определяет холмовидную форму последнего. При этом локализация рифов, их развитие и, соответственно, строение, а также развитие в истории Земли, связанное с общей эволюцией планеты, подтверждают отнесение рифов к объектам геологического профиля.

С точки зрения биологии эти объекты являются продуктами жизнедеятельности организмов, образующих сложный биоценоз, характеризующийся значительным разнообразием функционально различных организмов — активных и пассивных рифостроителей, рифолюбов. Эта сложная экосистема система функционирует в определенных условиях и видоизменяется согласно общей эволюции органического мира.

В геологической истории Земли были эпохи широкого развития рифов и, напротив, эпохи резкого ослабления рифообразования и даже отсутствия рифов. В частности, в палеозое установлено пять этапов активного развития рифов — ранний кембрий, средний–поздний ордовик, силур–фран, поздний визе–серпухов, пермь–триас.

Прекращение рифообразования, как правило, связывают с геологическими причинами — изменениями палеогеографической ситуации, климата, регрессиями и другими геологическими факторами. Вместе с тем, установлены и другие, биологические, причины этого феномена. Анализ соотношения этих факторов, двойного воздействия как причин прекращения развития рифов на примере палеозойского этапа геологической истории составил содержание настоящего сообщения.

РАЗВИТИЕ РИФОВ В ПАЛЕОЗОЕ

Поставленную проблему целесообразно рассмотреть в историческом аспекте, поэтому, прежде всего, необходимо дать краткий обзор палеозойского рифообразования и его соотношения с крупнейшими биотическими событиями — массовыми вымираниями, которые установлены на границах раннего и среднего кембрия, ордовика и силура, франского и фаменского, серпуховского и башкирского веков, перми и триаса.

В венде, при относительном разнообразии, многоклеточные были мягкотелыми, бесскелетными и не обладали способностью создавать какие-либо твердые и, тем более, каркасные образования. Формой нахождения бактерий, в том числе, цианей, были биопленки, биоматы, что обусловило формирование слоистых строматолитов. Столбчатые строматолиты, как показали И. К. Королюк [1960], В. П. Маслов [1960], см. также [Кузнецов, 2008] возвышались над дном водоема на несколько сантиметров и также не формировали рельефных форм.

Само появление рифов, в указанном узком смысле, было обусловлено становлением и развитием в кембрии групп организмов с известковым скелетом, способных к тому же создавать определенный каркас.

Наиболее полно кембрийские рифы развиты и изучены на Сибирской платформе и в пределах Алтае-Саянской складчатой области.

Биогермы и биогермные массивы, созданные, в том числе, археоциатами, появились на Сибирской платформе практически с начала кембрия, а рифы — с середины томмотского века. Первые образования были микробиально-водорослевыми. Становление именно рифов было обусловлено появлением кубковидных археоциат и индивидуализированных организмов, выделенных В. А. Лучининой [1989, 1990] в особую группу кальцибионтов, или, по другой терминологии, кальцимикробов — ренальцисов, хабаковий и, особенно, ветвистых вертикально растущих эпифитонов. Конечно, тончайшие хрупкие веточки последних были не очень стойкими, но все же росли вверх и задерживали карбонатный ил.

Археоциатово-водорослевые рифы закончили свое развитие с вымиранием археоциат к на- чалу среднего кембрия. Они, в частности, образуют Западно-Якутский барьерно-рифовый комплекс на границе Юдомо-Оленекского глубоководного бассейна с черносланцевой седиментацией на северо-востоке (в современных координатах) с расположенным западнее и юго-западнее шельфовым Турухано-Иркутско-Олекминским бассейном. Другая группа рифов обрамляет отдельные отмели в пределах шельфового бассейна — Непско-Ботуобинскую, Байкитскую и в пределах бассейна — Далдыно-Мархинскую и Туруханскую [Кузнецов и др., 2000; Стратиграфия …, 2016]. Позднее, в начале среднего кембрия, рифообразование было чисто микробиально-водорослевым (рис. 1).

 

Рис. 1. Схема стратиграфического распределения рифов в кембрии Сибирской платформы. Интервалы развития археоциатовых рифов заштрихованы.

 

В Алтае-Саянской области археоциаты появились позже, и рифы формировались начиная с атдабанского века (базаихский подгоризонт местной стратиграфической шкалы), в ряде случаев закончили свое развитие в ботомском веке, но в отдельных районах продолжали формироваться и в обручевское время, сопоставимое с тойонским веком общей шкалы (рис. 2). Прекращение образования рифов с археоциатами в раннем и продолжение микробиально-водорослевого в среднем кембрии отмечено и в глобальном масштабе [Zhuravlev, 2001]. Ситуация существенно, изменилась, когда в результате великой ордовикской биодиверсификации спектр организмов-рифостроителей значительно расширился и включил табулят, ругоз, строматопороидей, мшанок при постоянном присутствии микробиально-водорослевых сообществ. Созданные ими рифы достаточно широко развиты в среднем ордовике, сандбийском и низах катийского яруса верхнего ордовика. Рифы этого возраста известны в Северном и Центральном Казахстане, на Пай-Хое и Печорском Урале, частично, Прибалтике [Антошкина, 1994, 2003; Львова и др., 1964; Мянниль, Эйнасто, 1968; Никитин и др., 1974; Copper, 2001a, b; Webby, 2002].

 

Рис. 2. Схема стратиграфического распределения рифов в кембрии Алтае-Саянской области [Задорожная, 1986]. 1 — усинская свита (массивные археоциатово-водорослевые известняки); 2 — тонкослоистые черные известняки; 3 — тонкослоистые черные известняки и доломиты; 4 — гравелиты и конгломераты с биогермами; 5 — эффузивы, туфы с прослоями известняков и алевролитов. Свиты: as — азертальская, sl — солонцовская, bgr — баградская, dm — долгомасская, kr — куренинская, tn — тунгужульская, bg — богоюльская.

 

На Северном и Полярном Урале изучены рифы верхнего катия. Нижнехирнантские отложения представлены седиментационно-диагенетическими брекчиями бадьяшорской свиты, перекрытые, в свою очередь, мелководными карбонатами каменнобабской свиты [Антошкина и др., 2015]. Другими словами, карбонатонакопление в хирнантском веке продолжалось, но рифов не отмечено. Вместе с тем, в ряде районов — в Прибалтике, Восточной Канаде — в хирнанте продолжали формироваться небольшие постройки — микробиально-водорослевые биогермы. Каркасные, потенциально рифостроящие организмы еще существовали, но вне рифового биоценоза (рис. 3).

 

Рис. 3. Схема стратиграфического распределения рифов и биогермов в верхнем ордовике. 1 — рифы; 2 — биогермы, покрывающие рифы отложения; 3 — известняки; 4 — обломочные породы.

 

После биотического кризиса и массового вымирания на границе ордовик–силур рифообразование достаточно быстро восстановилось и с теми или иными вариациями продолжалось до конца франа, до следующего кризиса на границе франа — фамена, известного как событие Келльвассер. Вообще девон — один из максимумов рифостроения в истории Земли, а в палеозое особенно. Набор рифостроителей был в целом тем же, по крайней мере, на уровне классов — строматопороидеи, ругозы, табуляты, разнообразные водоросли, в меньшей степени, мшанки.

Как и в предыдущем случае, рифы исчезли до конца франа, еще до глинистых слоев, фиксирующих указанное событие Келльвассер, причем, потенциально рифостроящие строматопороидеи встречаются даже в низах фамена, но значения в строении рифов они не имеют. Подобная картина наблюдается в девоне обрамления Прикаспийской впадины, Тимано-Печорской синеклизе, Западно-Канадском бассейне, бассейне Кэннинг Западной Австралии, Южном Китае, Гарце Германии (рис. 4) [Кузнецов, Журавлева, 2018а, б; Журавлева, 2017; Gelszetzer, 1995; Playford et al., 1989; Shen et al., 2010; Veevers, Wells, 1961; Weller, 1991].

 

Рис. 4. Схема стратиграфического распределения рифов и иловых холмов вблизи границы франа и фамена. 1 — каркасные рифы; 2 — иловые холмы; 3 — не рифовые карбонатные отложения; 4 — глинистые толщи; 5 — стратиграфические перерывы.

 

В течение этого периода рифообразования существовали рифы достаточно длительного развития. Таковы, например, «герцинские известняки» Урала — силурийско-нижнедевонский рифовый комплекс. Чаще же отдельные рифы имели более ограниченный возрастной интервал и перекрывались не карбонатными породами — солями и глинами. Примерами первых являются соленосные толщи формации Сэлайна верхнего силура Мичиганского бассейна США, Маскег, Блэк-Крик и их возрастных аналогов девона Западно-Канадского бассейна, вторых — формация Айртон того же бассейна, воробьевские, муллинские, саргаевские, мендымские, волгоградские глины девона Нижнего Поволжья и Прикаспийской впадины и др.

В фаменский век наступил длительный период формирования микробиально-водорослевых иловых холмов с редкими остатками скелетной фауны, не имеющей однако породообразующего значения, продлившийся в течение фамена, турне и значительной части визе.

Следующий, поздневизейско-серпуховский, этап интенсификации, который закончился в связи с биотическим кризисом на границе серпухов-башкир, характеризовался относительно ограниченным набором рифостроящих организмов — это мшанки, водоросли, кальцибионты, хотя присутствуют фораминиферы, кораллы, криноидеи [Кузнецов, Антошкина, 2005].

Пермское рифообразование локализовалось в двух палеогеографических областях — континентальном блоке северной Пангеи и в Палеотетисе. Рифообразование в первой происходило в ранней (восток Русской платформы), в средней и, возможно, начале поздней перми (Пермский бассейн США, цехштейн Европы). Основными рифостроителями были мшанки, тубифиты, в меньшей степени губки, различные водоросли. В биоценоз входили многочисленные и разнообразные фораминиферы, брахиоподы и другие организмы. Прекращение рифообразования во всех случаях было обусловлено палеогеографическими причинами — сменой карбонатонакопления осаждением соленосных толщ конца артинского и кунгурского ярусов в ранней перми, солей формации Очоа в США и серии Верра в Европе, и никак не связаны с биотическими событиями.

Иная картина в Тетической области. Среднепермские рифы развиты на Памире, Приморье, Южном Китае. Позднепермское рифообразование было менее интенсивным, и рифы этого возраста известны на Кавказе (урушанский горизонт) и Южном Китае в пределах платформы Янцзы. Рифовый биоценоз этих образований включал широкий спектр организмов — многочисленные и, главное, разнообразные сфинктозои, инозои, мшанки, водоросли, кальцимикробы, среди некаркасных — брахиоподы, моллюски, фораминиферы, иглокожие.

На ряде детально изученных примеров примеров рифов этого региона показано, что рифы закончили свое развитие до конца перми (рис. 5), причем, организмы — потенциальные рифостроители в это время еще существовали, как в областях рифообразования, то есть в палеогеографических, в том числе, и палеогеоморфологических условиях, благоприятных для формирования рифов (тот же Южный Китай) [Enos, 1995; Fan et al., 1982; Li Shushun et al.,1985; Liu Huaibo et al., 1991; Wu Xichin et al., 1990], так и во внерифовых обстановках, например, Закавказье [Развитие и смена …, 1965].

 

Рис. 5. Схема стратиграфического распределения рифов в средней и верхней перми.

 

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Приведенные выше материалы показывают, что прекращение формирования рифов на глобальном уровне, который отмечает границы основных этапов палеозойского рифообразования вообще, обусловлено биологическими причинами — массовыми вымираниями биоты, в том числе, рифостроящей, во время биотических кризисов на границах ранний‒средний кембрий, ордовик–силур, фран–фамен, серпухов–башкир и пермь–триас.

При этом ход подобного процесса несколько различен для разных этапов. В кембрии каркасные рифы прекратили свое существование одновременно с исчезновением археоциат — единственных скелетных каркасообразующих организмов той эпохи. На границах франа и фамена, перми и триаса рифы перестали формироваться до завершения биотического кризиса, когда потенциальные каркасообразующие рифостроители еще существовали. К сожалению, в интервале серпухов — башкир не удалось найти содержащих рифы разрезов с очень дробной стратиграфической разметкой, поэтому точное время прекращения рифообразования на этой границе не установлено.

Подобное обстоятельство — специфика прекращения рифообразования в моменты разных биотических кризисов можно, видимо, связывать со свойствами рифовой экосистемы и ее особенностями на разных этапах палеозойской истории.

В процессе сукцессии рифы через какое-то время достигают климаксной стадии — полного становления сложного биоценоза, одной из особенностей которого является обилие и, главное, разнообразие рифостроящих и обитающих, в том числе, поставляющих карбонатный материал, на нихорганизмов. При этом количество индивидуумов одного вида или рода может быть относительно невелико. Последнее означает, что в этих конкретных условиях сложились не только медиотопические, но и многочисленные взаимовыгодные трофические связи, которые обусловливают оптимальное развитие всей системы при данных фациально-палеогеографических и геохимических условиях внешней среды. Если же эти условия меняются, то сбалансированная, но в целом замкнутая сама на себя система, оказывается неустойчивой, быстро деградирует, т. е. рифообразование прекращается, хотя отдельные составляющие ее компоненты — потенциально рифостроящие таксоны продолжают существовать, но уже не в рифовом биоценозе. Собственно вымирание и смена таксонов происходит несколько позднее, отражая в целом сам ход этого феномена — постепенное, в геологическом смысле быстрое, но никак не одномоментное, мгновенное событие. Естественно, что при этом раньше исчезает более организованная биота — те же каркасообразующие строматопороидеи, кораллы, мшанки, кальциспонги, а более толерантные и устойчивые к изменениям условий водоросли и, особенно, бактериальные сообщества еще существуют и могут даже создавать морфологически выраженные постройки, в том числе, биостромы и биогермы, завершая предыдущее каркасное рифообразование.

После подобного кризиса в течение краткого или длительного времени, формируются микробиально-водорослевые образования — иловые холмы, хотя потенциально рифостроящая фауна в это время, может быть, еще и существует, но, повторим, вне рифовой экосистемы.

Исключение для кембрийского периода, когда рифообразование прекращается вместе с исчезновением археоциат, лишь подтверждает высказанное положение. Дело в том, что кембрийский биоценоз еще очень примитивен, биота была практически однообразна, и такой сложной экосистемы, как в более поздние времена, еще не сложилось.

Ни в коей мере не ставя задачи выяснять причины биотических кризисов и массовых вымираний, отметим, что подобное обстоятельство является одним, хотя и косвенным контраргументом идеи о причинах массовых вымираний как практически одноактных событиях, обусловленных одним катастрофическим явлением типа импактного воздействия. Процесс вымирания, хотя геологически очень быстрый, продолжается какое-то время. И сложная экосистема рифов реагирует на него быстрее, чем вся биота в целом. Так называемые события отмечают скорее завершение вымирания, а не его причину.

Иная ситуация на более низком, если можно так выразиться, региональном, уровне прекращения образования и развития рифов. Тут ведущими оказываются уже геологические факторы — вулканизм, регрессии, климатические, палеогеографические изменения, приводящие к частичной изоляции бассейнов и смене образования типов пород и т. д.

При региональных регрессиях карбонатонакопление, в том числе, рифообразование, сменяется накоплением глинистых толщ, которые перекрывают рифы и заполняют в той или иной степени глубоководные бассейны предшествующего рифообразования. В случае аридизации климата и частичной изоляции бассейнов аналогичную функцию выполняют толщи эвапоритов. Таковы, например, песчано-глинистые пачки в разрезе силура — нижнего девона на севере Урала (рис. 6), соленосные формации Сэлайна в силуре Мичиганского и Иллинойского бассейнов США, Прериа, Маскег и глинистая Айртон Западно-Канадского бассейна (рис. 7), глинистые и песчано-глинистые отложения воробьевского, муллинского, пашийского, саргаевского, петинского горизонтов, перекрывающих рифы в районах Нижнего Поволжья и обрамления Прикаспийской впадины, серий Верра и Штассфурт в цехштейне Германии и др. Менее изученным в этом отношении является прекращение рифообразования в областях развития вулканизма, но последний также прекращал рост органогенных построек, что, в частности, зафиксировано в пределах Дедебулакской биогермной гряды в Киргизии [Тесленко и др., 1983].

 

Рис. 6. Циклическое развитие рифов верхнего ордовика–среднего девона на севере Урала [Антошкина, 2003] (изменено с учетом современной стратиграфической схемы). 1 — конгломераты; 2 — песчаники, алевролиты; 3 — кремнисто-глинистые сланцы; 4 — доломиты; 5 — известняки; 6 — глинистые известняки; 7 — рифы; 8 — биогермы, биостромы; 9 — эвапориты.

 

Рис. 7. Циклическое развитие рифов среднего и верхнего девона Западно-Канадского бассейна. 1 — рифы; 2 — мелководные известняки и доломиты; 3 — глины и глинистые сланцы; 4 — битуминозно-глинистые известняки; 5 — эвапориты (с — каменная соль, ʌ — ангидрит).

 

Если подобный геологический фактор прекращения рифообразования происходит вблизи границы вымираний, то даже после последующей трансгрессии, наличии палеогеоморфологичеких условий и возобновлении карбонатной седиментации, рифообразование не возобновляется, как это видно, в частности, на примере девона Западно-Канадского бассейна. В среднем девоне после соленакопления, прервавшего рифообразование последнее возобновилось в позднем, но завершающая франский ярус карбонатная формация Ниску рифов не содержит.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В палеозойской истории Земли намечается пять этапов каркасного рифообразования — раннекембрийский, средне–позднеордовикский, силур–франский, поздневизейско–серпуховский, пермский.

Прекращение рифостроения в глобальном масштабе на границах этапов вызвано биологическими причинами — биотическими кризисами и массовыми вымираниями организмов, в том числе, рифостроителей.

В перерывах между этапами рифостроения, как правило, шло формирование иловых холмов микробиально-водорослевой природы. Наиболее массовое и длительное развитие последних — фран–турне –начало визе.

В раннем кембрии образование рифов прекратилось одновременно с исчезновением археоциат; на других этапах оно закончилось раньше окончательного вымирания основных каркасообразующих рифостроителей. Последнее объясняется тем, что сложная, многокомпонентная внутреннесбалансированная экосистема климаксной стадии развития рифов реагирует на изменение внешних условий, приводящих в итоге к биотическому кризису, раньше окончательного вымирания, и каркасное рифообразование прекращается, когда потенциальные рифостроители еще существуют. В значительно более простой экосистемы кембрия этот феномен не наблюдается.

Прекращение рифообразования внутри этапов определяется уже геологическими причинами — регрессиями, вызывавшими смену карбонатонакопления образованием глинистых толщ, аридизацией климата, повлекшей накопление эвапоритов и т. д.

После биотических кризисов и формирования иловых холмов рифообразование возобновлялось с иным, часто принципиально иным, составом рифостроителей, в то время как в новом рифообразовании после перерыва, обусловленного геологическими причинами, состав рифостроящей биоты принципиально не менялся.

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы выражают искреннюю благодарность А. И. Антошкиной за глубокий и доброжелательный анализ рукописи, ценные советы и рекомендации, учтенные в последней редакции.

About the authors

V. G. Kuznetsov

Gubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University)

Author for correspondence.
Email: vgkuz@yandex.ru
Russian Federation, 65/1, Leninskii pr., Mosсow, 119991

L. M. Zhuravleva

Gubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University)

Email: zhurawlewa.lilia@yandex.ru
Russian Federation, 65/1, Leninskii pr., Mosсow, 119991

References

Supplementary files