IDENTIFYING UPPER MIOCENE – LOWER PLIOCENE LACUSTRINE SEDIMENTS IN DRY TUNKA BASIN OF THE BAIKAL RIFT ZONE

We present results of lithogeochemical, diatomic and palynological studies of sediments from the Tunka-13 well that was drilled in the southeastern part of dry Tunka basin in the Baikal rift zone. At the base of the section, there is an eroded basaltic flow of 16–15 Ma. From lithogeochemical signatures, we identify nine sedimentary units. The seven lower ones (interval 7.2–86.5 m) belong to the Tankhoi formation, the eighth (interval 2.7–6.6 m) to the Anosov formation, the ninth (interval <2.4 m) to the sandy stratum. We determined local sources of clastic material of basaltic and silicic compositions for units 1 and 2, respectively, and remote sources of silicic compositions for the overlaying units. The section shows a change from alluvial facies (units 1–3) through avandelta (unit 4) and lacustrine ones (units 5–7), again to alluvial facies (unit 8) and then to lacustrine-eolian ones (unit 9). Spore and pollen spectra from sediments of units 1–7 are divided into three palynozones (PZ), reflecting the vegetation change in the Late Miocene – Early Pliocene: PZ-1 – coniferous and deciduous forests with a small participation of thermophilic broadleaved species in moderately warm, humid climatic conditions; PZ-2 – enhancing the role of hemlock and more diverse thermophilic deciduous rocks in more humid and warm conditions; PZ-3 – a gradual reduction in the number of hemlock and other dark coniferous species, removing broad-leaved species by birch and alder, growing grassy communities in wetlands due to climate cooling. We identified layers of lacustrine facies by occurrence of fossil diatoms that are absent in the layers of the alluvial and avandelta facies. In lacustrine sediments, we distinguish four diatom zones: DZ-1 denotes a relatively deep Late Miocene paleolake, marked by planktonic species, DZ-2, DZ-3 and DZ-4 – a shallow Early Pliocene lake with a developed littoral zone and short transgression. The Late-Miocene paleolake transgression, indicated by changing facies, is associated with structural reorganization, accompanied by volcanic extinction in the Tunka valley about 9–8 Ma, and the Early Pliocene short transgression with a new reorganization, reflected in volcanic rejuvenation about 4.0 Ma.

1. Akulov N.I., Mashchuk I.M., Akulova V.V., 2015. Pleistocene Deposits of Lake Baikal: Composition and Stratigraphic Correlation. Stratigraphy. Geological Correlation 23 (1), 1–21 (in Russian) [Акулов Н.И., Мащук И.М., Акулова В.В. Плейстоценовые отложения озера Байкал: вещественный состав и стратиграфическая корреляция // Стратиграфия. Геологическая корреляция. 2015. Т. 23. № 1. С. 1–21]. https://doi.org/10.7868/S0869592X15010020.

2. Belonin M.D., Golubeva V.A., Skublov G.L., 1982. Factor Analysis in Geology. Nedra, Moscow, 269 p. (in Russian) [Белонин М.Д., Голубева В.А., Скублов Г.Т. Факторный анализ в геологии. М.: Недра, 1982. 269 с.].

3. Berglund В.E., Ralska-Jasiewiczowa M., 1986. Pollen Analysis and Pollen Diagrams. Handbook of Holocene Palaeoecology and Palaeohydrology 455, 484–486. Cheremisinova E.A., 1973. Diatom Flora of Neogenic Sediments in Pribaikalie. Siberian Branch, Nauka, Novosibirsk, 83 p. (in Russian) [Черемисинова Е.А. Диатомовая флора неогеновых отложений Прибайкалья. Новосибирск: Наука, 1973. 83 с.].

4. Chernyaeva G.P., Lyamina N.A., Rasskazov S.V., Rezanov I.N., Savinova V.V., 2007. Biostratigraphy and Deposition Environments of the Middle – Late Miocene Volcanosedimentary Section in the Dzhilinda Basin, Western Transbaikalia. Russian Geology and Geophysics 48 (4), 361–370. http://dx.doi.org/10.1016/j.rgg.2006.01.002.

5. Chuvashova I.S., Rasskazov S.V., 2014. Sources of Magmatism in the Mantle of the Evolving Earth. ISU Publishing House, Irkutsk, 291 p. (in Russian) [Чувашова И.С., Рассказов С.В. Источники магматизма в мантии эволюционирующей Земли. Иркутск: Изд-во ИГУ, 2014. 291 с.].

6. Cox R., Lowe D.R., Cullers R.L., 1995. The Influence of Sediment Recycling and Basement Composition on Evolution of Mudrock Chemistry in the South-Western United States. Geochimica et Cosmochimica Acta 59, 2919–2940. https://doi.org/10.1016/0016-7037(95)00185-9.

7. Cullers R.L., 2002. Implications of Elemental Concentrations for Provenance, Redox Conditions, and Metamorphic Studies of Shales and Limestones near Pueblo. Chemical Geology 191 (4), 305–327. https://doi.org/10.1016/S0009-2541(02)00133-X.

8. Faizulina Z.Kh., Kozlova E.P., 1966. Results of the Palinological Study of the Tertiary Sediments Cut by Deep Drilling. In: Geology and Oil-Bearing Capacities of East Siberia. Nedra, Moscow, p. 362–366 (in Russian) [Файзулина З.Х., Козлова Е.П. Результаты палинологического изучения третичных отложений, вскрытых глубоким бурением // Геология и нефтегазоносность Восточной Сибири. М.: Недра, 1966. С. 362–366].

9. Florensov N.A., 1960. Mesozoic and Cenozoic Depressions of Pribaikalie. USSR Academy of Sciences Publishing House, Moscow–Leningrad, 257 p. (in Russian) [Флоренсов Н.А. Мезозойские и кайнозойские впадины Прибайкалья. М.–Л.: Изд-во АН СССР, 1960. 257 с.].

10. Florensov N.A., 1968. Baikal Rift Zone and Some Problems of Its Study. In: Baikal Rift. Nauka, Moscow, p. 40–56 (in Russian) [Флоренсов Н.А. Байкальская рифтовая зона и некоторые задачи ее изучения // Байкальский рифт. М.: Наука, 1968. C. 40–56].

11. Florensov N.A. (Ed.), 1974. Highlands of Pribaikalie and Zabaikalie. Nauka, Moscow, 359 p. (in Russian) [Нагорья Прибайкалья и Забайкалья / Ред. Н.А. Флоренсов. М.: Наука, 1974. 359 с.].

12. Fradkina А.F., 1995. Palynostratigraphy of Paleogene and Neogene Sediments of North-Eastern Russia. United Institute of Geology, Geophysics and Mineralogy SB RAS, Novosibirsk, 82 p. (in Russian) [Фрадкина А.Ф. Палиостратиграфия палеогеновых и неогеновых отложений северо-востока России. Новосибирск: ОИГГМ СО РАН, 1995. 82 с.].

13. Gleser S.I., Jousé A.P., Makarova I.V., Proschkina-Lavrenko A.I., Sheshukova-Poretzkaya V.S., 1974. The Diatoms of the USSR, Fossil and Recent. Nauka, Leningrad, Vol. I, 403 p.

14. Hassan A., Usol’tseva M., Rasskazov S., Chuvashova I., Titova L., 2019. First Study of Fossil Diatom Flora from Middle Miocene – Lower Pliocene Lacustrine Sediments in Barguzin Valley, Baikal Rift Zone. Quaternary International 524, 24– 30. https://doi.org/10.1016/j.quaint.2019.03.024.

15. Horiuchi K., Matsuzaki H., Kobayashi K., Goldberg E.L., Shibata Y., 2003. 10Be Record and Magnetostratigraphy of a Miocene Section from Lake Baikal: Re-Examination of the Age Model and Its Implication for Climatic Changes in Continental Asia. Geophysical Research Letters 30 (12), 1602– 1605. https://doi.org/10.1029/2003GL017488.

16. Houk V., 2003. Atlas of Freshwater Centric Diatoms with a Brief Key and Descriptions. Part I. Melosiraceae, Orthoseiraceae, Paraliaceae and Aulacoseiraceae. Czech Phycology Supplement 1, 1–27, plus pls I–XLI (1–41).

17. Houk V., Klee R., 2007. Atlas of Freshwater Centric Diatoms with a Brief Key and Descriptions. Part II, Melosiraceae and Aulacoseiraceae (Supplement to Part I). Fottea 7, 85–255.

18. Kaplina P.A., Yanina T.A. (Eds), 2010. Methods of Paleogeographic Reconstructions: Methodical Manual. Geography Faculty of MSU, Moscow, 430 p. (in Russian) [Методы палеогеографических реконструкций: Методическое пособие / Ред. П.А. Каплина, Т.А. Янина. М.: Географический факультет МГУ, 2010. 430 с.].

19. Kashik S.A., Lomonosova T.K., 2006. Cenozoic Deposits of the Underwater Akademicheskii Ridge in Lake Baikal. Lithology and Mineral Resources 41 (4), 339–353. http://dx.doi.org/10.1134/S0024490206040018.

20. Khlystov P.A., Dekhtyareva L.V., 1970. The Main stages of the Mesozoic-Cenozoic Leveling and Weathering Crust Formation in Western Transbaikal. In: Materials on Geology and Mineral Deposits of Buryat ASSR. Buryat Publishing House, Ulan-Ude, Issue XIII, p. 50–57 (in Russian) [Хлыстов П.А., Дехтярева Л.В. Основные этапы мезо-кайнозойского выравнивания и корообразования в Западном Забайкалье // Материалы по геологии и полезным ископаемым Бурятской АССР. Улан-Удэ: Бурят. кн. издво, 1970. Вып. XIII. С. 50–57].

21. Kozyrenko T., Strelnikova N., Khursevich G., Tsoy I., Yakovschikova T., Mukhina V., Olshtynskaja A., Semina G., 2008. The Diatoms of Russia and Adjacent Countries, Fossil and Recent. St. Petersburg University Press, St. Petersburg, Vol. II, Issue 5, 171 p. (in Russian) [Диатомовые водоросли России и сопредельных стран. Ископаемые и современные. СПб.: Изд-во СПбГУ, 2008. Т. II. Вып. 5. 171 с.].

22. Kravchinsky V.A., 2017. Magnetostratigraphy of the Lake Baikal Sediments: A Unique Record of 8.4 Ma of Continuous Sedimentation in the Continental Environment. Global and Planetary Change 152, 209–226. https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2017.04.002.

23. Kuz’min M.I., Bychinskii V.A., Kerber E.V., Oshchepkova A.V., Goreglyad A.V., Ivanov E.V., 2014. Chemical Composition of Sediments in Baikal Deep-Water Boreholes as a Basis for Reconstructions of Climatic and Environmental Changes. Geology and Geophysics 55 (1), 3–22 (in Russian) [Кузьмин М.И., Бычинский В.А., Кербер Е.В., Ощепкова А.В., Горегляд А.В., Иванов Е.В. Химический состав осадков глубоководных байкальских скважин как основа реконструкции изменений климата и окружающей среды // Геология и геофизика. 2014. Т. 55. № 1. С. 3–22].

24. Kuz’min M.I., Khursevich G.K., Prokopenko A.A., Fedenya S.A., Karabanov E.B., 2009. Centric Diatom Algae of Baikal in the Late Cenozoic: Morphology, Systematics, Stratigraphic Occurrence, and Stages of Evolution (from DeepWater Drilling Data). Academic Publishing House «GEO», Novosibirsk, 374 p. (in Russian) [Кузьмин М.И., Хурсевич Г.К., Прокопенко А.А., Феденя С.А., Карабанов Е.Б. Центрические диатомовые водоросли позднего кайнозоя озера Байкал: морфология, систематика, стратиграфическое распространение, этапность развития (по материалам глубоководного бурения). Новосибирск: Академическое изд-во «ГEO», 2009. 374 c.].

25. Likhoshway E.V., Pomazkina G.V., Nikiteeva T.A., 1997. Centric Diatoms from the Miocene Deposits of the Baikal Rift Zone (Tunka Depression). Russian Geology and Geophysics 38 (9), 1445–1452 (in Russian) [Лихошвай Е.В., Помазкина Г.В., Никитеева Т.А. Центрические диатомовые водоросли из миоценовых отложений Байкальской рифтовой зоны (Тункинская котловина) // Геология и геофизика. 1997. Т. 38. № 9. С. 1445–1452].

26. Logatchev N.A., 1958. Cenozoic Continental Deposits in Basins of the Baikal Type. Proceedings of the USSR Academy of Sciences. Geological Series 4, p. 18–29 (in Russian) [Логачев Н.А. Кайнозойские континентальные отложения впадин байкальского типа // Известия АН СССР. Серия геологическая. 1958. № 4. С. 18–29].

27. Logatchev N.A., 1968. Sedimentary and Volcanogenic Formations of the Baikal Rift Zone. In: N.A. Florensov (Ed.), Baikal Rift. Nauka, Novosibirsk, p. 72–101 (in Russian) [Логачев Н.А. Осадочные и вулканогенные формации Байкальской рифтовой зоны // Байкальский рифт / Ред. Н.А. Флоренсов. Новосибирск: Наука, 1968. С. 72–101].

28. Logatchev N.A., Lomonosova T.K., Klimanova V.M., 1964. Cenozoic Sediments of the Irkutsk Amphitheater. Nauka, Moscow, 195 p. (in Russian) [Логачев Н.А., Ломоносова Т.К., Климанова В.М. Кайнозойские отложения Иркутского амфитеатра. М.: Наука, 1964. 195 с.].

29. Logachev N.A., Zorin Y.A., 1992. Baikal Rift Zone: Structure and Geodynamics. Tectonophysics 208, 273–286.

30. Martinson G.G., 1951. Tertiary Fauna of Mollusks in Eastern Pribaikalie. In: Proceedings of the Baikal Limnological Station of the USSR Academy of Sciences. USSR Academy of Sciences Publishing House, Moscow, Vol. XIII, p. 5–92 (in Russian) [Мартинсон Г.Г. Третичная фауна моллюсков Восточного Прибайкалья // Труды Байкальской лимнологической станции АН СССР. М.: Изд-во АН СССР, 1951. Т. XIII. С. 5–92].

31. Martinson G.G., 1961. Mesozoic and Cenozoic Mollusks in Continental Deposits of the Siberian Platform, Transbaikalia and Mongolia. USSR Academy of Sciences Publishing House, Moscow–Leningrad, 332 p. (in Russian) [Мартинсон Г.Г. Мезозойские и кайнозойские моллюски континентальных отложений Сибирской платформы, Забайкалья и Монголии. М.–Л.: Изд-во АН СССР, 1961. 332 с.].

32. Mats V.D., Khlystov O.M., De Batist M., Ceramicola S., Lomonosova T.K., Klimansky A., 2000. Evolution of the Academician Ridge Accommodation Zone in the Central Part of the Baikal Rift, from High-Resolution Reflection Seismic Profiling and Geological Field Investigations. International Journal of Earth Sciences 89, 229–250. https://doi.org/10.1007/s005310000094.

33. Mazilov V.N., Kashik S.A., Lomonosova T.K., 1993. Oligocene Sediments of the Tunka Depression (Baikal Rift Zone). Geology and Geophysics 34 (8), 81–88 (in Russian) [Мазилов В.Н., Кашик С.А., Ломоносова Т.К. Олигоценовые отложения Тункинской впадины (Байкальская рифтовая зона) // Геология и геофизика. 1993. Т. 34. № 8. С. 81–88].

34. Mazilov V.N., Lomonosova T.K., Klimanova V.M. et al., 1972. Lithology of Tertiary Basin Sediments in the Southwestern Baikal Rift System. Nauka, Moscow, 120 p. (in Russian) [Мазилов В.Н., Ломоносова Т.К., Климанова В.М. и др. Литология третичных отложений впадин юго-западной части Байкальской рифтовой зоны. М: Наука, 1972. 120 с.].

35. McDonough W.F., Sun S.-S., 1995. The Composition of the Earth. Chemical Geology 120, 223−253. https://doi.org/10.1016/0009-2541(94)00140-4.

36. Migdisov A.A., 1960. On Titanium versus Aluminum Relations in Sedimentary Rocks. Geochemistry 2, 149–163 (in Russian) [Мигдисов А.А. О соотношении титана и алюминия в осадочных породах // Геохимия. 1960. № 2. С. 149–163].

37. Naletov P.I., 1961a. The Stratigraphy of the Central Part of the Buryat ASSR. Gosgeoltekhizdat, Moscow, 278 p. (in Russian) [Налетов П.И. Стратиграфия центральной части Бурятской АССР. М.: Госгеолтехиздат, 1961. 278 с.].

38. Naletov P.I., 1961b. The Catalogue of Deposits Locations of Fossil Fauna, Flora, Pollen and Spores in the Central Part of the Buryat ASSR. Gosgeoltekhizdat, Moscow, 63 p. (in Russian) [Налетов П.И. Каталог местонахождений ископаемых фауны, флоры, пыльцы и спор центральной части Бурятской АССР. М.: Госгеолтехиздат, 1961. 63 с.].

39. Nesbitt H.W., Young G.M., 1982. Early Proterozoic Climates and Plate Motions Inferred from Major Element Chemistry of Lutites. Nature 299, p. 715–717.

40. Popova S.M., Mats V.D., Chernyaeva G.P., Shimaraeva М.К., Kul’chitsky А.А., Vorobyova G.А., Klimanova V.М., Kononov Ye.Ye., Kravchinsky А.Ya., Kulagina N.V., Lazo F.I., Orlova L.А., Panychev V.А., Sizikov А.М., Shibanova I.V., 1989. Baikal Rift Zone: Paleolimnological Reconstructions. Nauka, Novosibirsk, 111 p. (in Russian) [Попова С.М., Мац В.Д., Черняева Г.П., Шимараева М.К., Кульчицкий А.А., Воробьева Г.А., Климанова В.М., Кононов Е.Е., Кравчинский А.Я., Кулагина Н.В., Лазо Ф.И., Орлова Л.А., Панычев В.А., Сизиков А.М., Шибанова И.В. Палеолимнологические реконструкции: Байкальская рифтовая зона. Новосибирск: Наука, 1989. 111 с.].

41. Rasskazov S.V., 1993. Magmatism of the Baikal Rift System. Nauka, Novosibirsk, 288 p. (in Russian) [Рассказов С.В. Магматизм Байкальской рифтовой системы. Новосибирск: Наука, 1993. 288 с.]. Rasskazov S.V., Batyrmurzaev A.S., Magomedov Sh.A., 1990. K–Ar Dating of Basalts from Tunka Basin. Soviet Geology 9, 62–67 (in Russian) [Рассказов С.В., Батырмурзаев А.С., Магомедов Ш.А. K–Ar датирование базальтов Тункинской долины // Советская геология. 1990. № 9. С. 62–67].

42. Rasskazov S.V., Chuvashova I.S., Yasnygina T.A., Fefelov N.N., Saranina E.V., 2012. Potassic and Potassic–Sodic Volcanic Series in the Cenozoic of Asia. Academic Publishing House «GEO», Novosibirsk, 351 p. (in Russian) [Рассказов С.В., Чувашова И.С., Ясныгина Т.А., Фефелов Н.Н., Саранина Е.В. Калиевая и калинатровая вулканические серии в кайнозое Азии. Новосибирск: Академическое изд-во «ГЕО», 2012. 351 c.].

43. Rasskazov S.V., Chuvashova I.S., Yasnygina T.A., Usol’tseva M.V., Rudneva N.A., Mit’kin D.Yu., Fedin A.Yu., 2016. Pyroclastics as the Indicator of the Uplift of the Ikatskii Ridge Relative to the Barguzinskaya Depression of the Baikal Rift Zone. Geography and Natural Resources 5, 117–127 (in Russian) [Рассказов С.В., Чувашова И.С., Ясныгина Т.А., Усольцева М.В., Руднева Н.А., Митькин Д.Ю., Федин А.Ю. Пирокластика как показатель поднятия Икатского хребта относительно Баргузинской впадины Байкальской рифтовой зоны // География и природные ресурсы. 2016. № 5. С. 117–127]. https://doi.org/10.21782/GiPR0206-1619-2016-5(117-127).

44. Rasskazov S.V., Logatchev N.A., Brandt I.S., Brandt S.B., Ivanov A.V., 2000. Geochronology and Geodynamics of Late Cenozoic (South Siberia – South and East Asia). Nauka, Novosibirsk, 288 p. (in Russian) [Рассказов С.В., Логачев Н.А., Брандт И.С., Брандт С.Б., Иванов А.В. Геохронология и геодинамика позднего кайнозоя (Южная Сибирь – Южная и Восточная Азия). Новосибирск: Наука, 2000. 288 с.].

45. Rasskazov S.V., Logatchev N.A., Ivanov A.V., Misharina V.A., Chernyaeva G.P., Brandt I.S., Brandt S.B., Skoblo V.M., Lyamina N.A., 2001. Palynological and Diatom Analyses of Sediments from the Late Cenozoic Paleo-Amalat Valley (Western Transbaikal). Russian Geology and Geophysics 42 (5), 773–785.

46. Rasskazov S.V., Lyamina N.A., Chernyaeva G.P. et al., 2007. Cenozoic Stratigraphy of the Vitim Plateau: Phenomenon of Long Rifting in the South of East Siberia. Academic Publishing House «GEO», Novosibirsk, 193 p. (in Russian) [Рассказов С.В., Лямина Н.А., Черняева Г.П. и др. Стратиграфия кайнозоя Витимского плоскогорья: феномен длительного рифтогенеза на юге Восточной Сибири. Новосибирск: Академическое изд-во «ГЕО», 2007. 193 с.].

47. Rasskazov S.V., Lyamina N.А., Luzina I.V., Chernyaeva G.P., Chuvashova I.S., Usol’tseva М.V., 2014. Sediments in the Tertiary Tankhoi Field, South Baikal Basin: Stratigraphy, Correlation and Structural Transformations in the Baikal Region. Geodynamics & Tectonophysics 5 (4), 993–1032 (in Russian) [Рассказов С.В., Лямина Н.А., Лузина И.В., Черняева Г.П., Чувашова И.С., Усольцева М.В. Отложения Танхойского третичного поля, Южно-Байкальская впадина: стратиграфия, корреляции и структурные перестройки в Байкальском регионе // Геодинамика и тектонофизика. 2014. Т. 5. № 4. С. 993–1032]. https://doi.org/10.5800/GT-2014-5-4-0165.

48. Rasskazov S.V., Sankov V.A., Ruzhich V.V., Smekalin O.P., 2010. Cenozoic Continental Rifting: Guidebook of the Geologic Excursion to the Tunka Rift Valley. Institute of the Earth’s Crust SB RAS, Irkutsk, 40 p. (in Russian) [Рассказов С.В., Саньков В.А., Ружич В.В., Смекалин О.П. Кайнозойский континентальный рифтогенез: Путеводитель геологической экскурсии в Тункинскую рифтовую долину. Иркутск: Институт земной коры СО РАН, 2010. 40 с.].

49. Sedova M.A., 1956. Miocene Spore-Pollen Complexes of the South-Eastern Pribaikalie. In: The Atlas of Miocene Spore– Pollen Complexes of the USSR Regions. Gosgeoltekhizdat, Moscow, p. 86–96 (in Russian) [Седова М.А. Миоценовые спорово-пыльцевые комплексы Юго-Восточного Прибайкалья // Атлас миоценовых спорово-пыльцевых комплексов различных районов СССР. М.: Госгеолтехиздат, 1956. С. 86–96].

50. Skoblo V.M., Lyamina N.A., 1983. Mesozoic and Cenozoic Buryatia. In: Geology and Mineral Resources of Buryatia. Buryat Publishing House, Ulan-Ude, p. 127–136 (in Russian) [Скобло В.М., Лямина Н.А. Мезозой и кайнозой Бурятии // Геология и полезные ископаемые Бурятии. УланУдэ: Бурят. кн. изд-во, 1983. С. 127–136].

51. Usoltseva M.V., Tsoy I.B., 2010. Elliptical Species of the Freshwater Genus Aulacoseira in Miocene Sediments from Yamato Rise (Sea of Japan). Diatom Research 25 (2), 397− 415. https://doi.org/10.1080/0269249X.2010.9705859.

52. Zyryanov E.V., Laukhin S.A., Polyakova E.I., 1992. Marine Diatoms and Palynocomplexes of the Miocene of Eastern Chukotka. Proceedings of the USSR Academy of Sciences. Geological Series 4, p. 97−105 (in Russian) [Зырянов Е.В., Лаухин С.А., Полякова Е.И. Морские диатомеи и палинокомплексы миоцена Восточной Чукотки // Известия АН СССР. Серия Геологическая. 1992. № 4. С. 97−105].