На правах рукописи
ВОДОВОЗОВ Владимир Юрьевич
ПАЛЕОМАГНЕТИЗМ РАННЕПРОТЕРОЗОЙСКИХ
ОБРАЗОВАНИЙ ЮГА СИБИРСКОГО КРАТОНА
И ГЕОТЕКТОНИЧЕСКИЕ СЛЕДСТВИЯ
Специальность 25.00.03 – Геотектоника и геодинамика
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук
МОСКВА - 2010
Работа выполнена в лаборатории главного геомагнитного поля и петромагнетизма Института физики Земли им. О.Ю.Шмидта РАН и на кафедре динамической геологии геологического факультета Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова
Научный руководитель:
доктор геолого-минералогических наук ДИДЕНКО Алексей Николаевич
Официальные оппоненты:
доктор геолого-минералогических наук РОЗЕН Олег Маркович кандидат физико-математических наук ИОСИФИДИ Александр Георгиевич
Ведущая организация:
Институт земной коры Сибирского отделения Российской академии наук (ИЗК СО РАН), Иркутск
Защита состоится 26 февраля 2010 г. в 14 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 501.001.39 при Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, дом 1, Геологический факультет, аудитория 415.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Геологического факультета МГУ (Главное здание, 6 этаж).
Автореферат разослан 25 января 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, профессор, доктор геол.-мин. наук А.Г.Рябухин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Введение «Два главных направления в современных науках о Земле: ранняя история Земли и глубинная геодинамика» - так называлась статья Виктора Ефимовича Хаина, вышедшая в конце прошлого века (Вестник МГУ, 1993, № 6). Исследования палеомагнетизма докембрийских образований древних кратонов лежат в русле обоих этих направлений. Главное магнитное поле обусловлено динамикой самых глубоких сфер Земли – внутреннего и внешнего ядра, слоя D``. Историю поля, а, следовательно, и историю процессов внутренней геодинамики, мы изучаем на поверхности по отпечаткам «окаменелого геомагнетизма» (Палеомагнитология, 1982) – векторам естественной остаточной намагниченности. Изучая только фанерозой, составляющий всего 1/8 продолжительности жизни Земли, невозможно достоверно проследить эволюцию таких фундаментальных характеристик поля как частота инверсий и величина напряженности поля.
Важность палеомагнитных данных для изучения ранней истории Земли несомненна, т.к. только они позволяют количественно охарактеризовать крупномасштабные перемещения тектонических блоков, протестировать различные конфигурации гипотетических суперконтинентов. Изучая взаимные перемещения древних кратонов, можно ответить на вопрос: «Когда началась тектоника плит?»; многие, например (Stern, 2005), сомневаются, что до рифейского времени существовал современный стиль тектоники плит.
Актуальность исследования Ранний протерозой Сибирского кратона с палеомагнитной точки зрения до недавнего времени представлял собой «белое пятно». До 2002 г. для раннепротерозойских пород Сибири имелось всего 6 палеомагнитных определений, из которых только одно (Михайлова и др., 1994) удовлетворяло современным требованиям палеомагнитной надежности. Примерно такое же положение с палеомагнитными данными наблюдается для Северного Китая и Южной Америки. В то же время, для других древних кратонов получено существенно больше палеомагнитных определений: для Канадского щита и Гренландии - 247 определений, для Балтийского, Украинского щитов и Воронежского массива - определений (GPMDB-v.4.3, 2002). Эта ситуация делала практически невозможным проведение глобальных реконструкций для раннепротерозойского времени с участием Сибири. Дефицит палеомагнитных данных подчеркивался при этом большим количеством прецизионных датировок абсолютного возраста, сделанными в последнее время.
Один из основных методов глобальных палеотектонических реконструкций состоит в сравнении траекторий кажущейся миграции полюса (КМП) для различных тектонических блоков. Для Сибирского кратона относительно подробно разработана модель фанерозойского участка кривой КМП Сибири (Храмов, 1991; Печерский и Диденко, 1995; Smethurst et al., 1998). В последнее время получена удовлетворительная кривая для позднерифейско-раннекембрийского интервала (Павлов и др., 2002; Shatsillo et al., 2006). Участок ТКМП от 1.9 (рождения Сибирского кратона) до примерно 1 млрд. лет оказался «белым пятном». Усилиями, главным образом, Р.В. Веселовского и В.Э. Павлова (Веселовский, 2006; Pavlov et al, 2008) постепенно заполняется мезопротерозойская часть этой палеомагнитной лакуны.
Палеопротерозойская ветвь кривой из-за отсутствия надежных палеомагнитных определений построена быть не могла. Задача получения надежных палеомагнитных данных по палеопротерозою Сибирского кратона для последующего построения реконструкций на их основе была поставлена в 2000 г.
А.Н. Диденко. Начиная с 2002 г., активное участие в выполнении этих работ принимал и автор настоящей диссертационной работы.
Сибирский кратон по современным представлениям (Розен и др., 2006) образовался в результате амальгамации нескольких террейнов 1.9 млрд. лет назад, возможно как отражение образования суперконтинента Пангея-1 (Колумбия). Формирование структуры фундамента кратона продолжалось длительное время, до 150 млн. лет (Розен и др., 2006), отдельные блоки при этом, вероятно, испытывали взаимные вращения. Палеомагнитные данные могли бы помочь в изучении кинематики процесса становления структуры Сибирского кратона.
Цели и задачи исследования Получение надежных палеомагнитных данных, по сути первых для раннего протерозоя Сибири, было ориентировано на достижение следующих целей:
1) расшифровку сценария становления структуры Сибирского кратона в раннем протерозое;
2) реконструкцию палеоширотного положения Сибири в раннем протерозое.
Для достижения этих целей потребовалось выполнение ряда задач, а именно:
получение палеомагнитных определений по раннепротерозойским образованиям Сибирского кратона. Определения должны отвечать современным требованиям палеомагнитной надежности, возраст пород должен быть определен не хуже, чем ±20 млн. лет;
получение палеомагнитных полюсов, в том числе отвечающих понятию «ключевых», расчет палеоширотного положения Сибири в раннем протерозое; сравнение с имеющимися данными, выбор полярности; создание модели раннепротерозойской кривой кажущейся миграции полюса Сибири;
тестирование возможности вхождения в агломерат с другими континентальными блоками (гипотезы суперконтинентов);
построение непротиворечивой, по палеомагнитным и геологическим данным, модели раннепротерозойской истории юга Сибири.
Фактический материал и методика исследований Фактический материал, легший в основу диссертации, был получен при непосредственном участии автора в ходе полевых работ в различных районах юга Сибирского кратона. Всего было отобрано и обработано 1190 ориентированных образцов раннепротерозойских образований из 82 отдельных обнажений. Были опробованы постколлизионные граниты и гранодиориты шумихинского и саянского комплексов Шарыжалгайского выступа фундамента кратона, а также все свиты акитканской серии и базитовые дайки чайского комплекса Северо-Байкальского вулкано-плутонического пояса, географически приуроченного к Байкальскому и Акитканскому хребтам.
Методика палеомагнитных исследований была в основном стандартной (подробнее см. гл.1). Полевой отбор сопровождался геологическими исследованиями и отборами проб с целью изотопно-геохронологического изучения, проводившимися нашими иркутскими коллегами, зачастую «образец в образец».
Специфика докембрийских пород естественным образом заключается в их древнем возрасте, а точнее - малочисленности, метаморфизме, зачастую сложной локальной тектоники и запутанных стратиграфических корреляциях.
За столь долгую жизнь порода и палеомагнитная запись в ней претерпели множество изменений, здесь сильно возрастает возможность перемагничивания более поздним полем, возникает проблема сохранности первичной намагниченности. Все это потребовало более долгого выбора геологических объектов, более вдумчивого анализа палеомагнитных данных, применения ряда петромагнитных исследований, направленных на доказательство возможности сохранения первичной намагниченности.
Лабораторная обработка коллекций производилась в лаборатории главного геомагнитного поля и петромагнетизма ИФЗ РАН, в палеомагнитных лабораториях ГИН РАН и Мюнхенского университета (Германия). Петромагнитные исследования проводились на базе геофизической обсерватории «Борок» (Ярославская область). Изотопные и геохронологические исследования выполнялись в лаборатории геохронологии ГЕОХИ РАН под руководством Е.В. Бибиковой, Т.И. Кирнозовой и М.М. Фугзан, а также нашими иркутскими коллегами – Д.П. Гладкочубом, Т.В. Донской, А.М. Мазукабзовым, А.М. Станевичем, А.И.
Ивановым (ИЗК СО РАН).
Научная новизна и значимость работы Выполнены первые систематические палеомагнитные работы на раннепротерозойских образованиях Сибирского кратона, сопровождавшиеся изотопно-геохронологическими исследованиями. Получены первые надежные палеомагнитные результаты, все объекты (кроме чайской свиты) были опробованы впервые. В два с лишним раза наращена раннепротерозойская палеомагнитная база по Сибири.
Из 8 полученных определений как минимум 3 претендуют на звание «ключевого» для докембрия (Buchan at al, 2000). На основе оригинальных данных создана новая модель раннепротерозойского сегмента ТКМП, существенно отличающаяся от первых моделей (Диденко и др., 2004; Веселовский, 2006). Сопоставление одновременных участков кривых для Сибири и Лаврентии позволило сделать вывод о принципиальной возможности совместного передвижения в интервале от 1850 до 1740 млн. лет. Полученные данные совместно с (Pavlov et al, 2008; Веселовский и др., 2009) позволяют говорить о существовании устойчивого агломерата Сибири и Лаврентии на протяжении 800 млн. лет - с 1850 до 1050 млн. лет. Вывод о региональном процессе перемагничивания, затронувшем в рифее раннепротерозойские образования Байкальского хребта, подтверждает гипотезу о едином импульсе внутриконтинентального растяжения юга Сибири, отвечающего распаду суперконтинента Родиния (Гладкочуб и др., 2007).
Защищаемые положения Предложена новая модель палеопротерозойского сегмента траектории кажущейся миграции полюса Сибири и восстановлено широтное положение Сибирского кратона в конце раннего протерозоя: с 1870 до 1750 млн. лет Сибирь передвигалась из северных приэкваториальных (13-15°) в южные приэкваториальные (8-10°) широты.
На основании хорошо датированных палеомагнитных данных установлена принципиальная возможность вхождения Сибирского кратона в структуру палеопротерозойского суперконтинента Колумбия. Причем, сочленение Сибирского и Северо-Американского кратонов могло происходить только по южной (байкальской) окраине первого и северной (канадской) окраине второго.
Основываясь на палеомагнитных данных можно утверждать, что Шарыжалгайский и Байкальский блоки Ангарской провинции с конца раннего протерозоя (1850 млн. лет) сформировали единую тектоническую провинцию юга Сибирского кратона.
В палеомагнитной записи раннепротерозойских образований Байкальского хребта установлено вторичное событие (региональное перемагничивание), которое произошло в интервале между внедрением базитовых даек чайского комплекса (1674 млн. лет) и накоплением отложений байкальской серии (поздний рифей). Этот процесс мог быть обусловлен тектоно-термальным влиянием позднепротерозойского рифтогенеза и внедрением многочисленных дайковых роев, отвечающих распаду суперконтинента Родиния.
Теоретическое и практическое значение Наши исследования позволяют сказать, что магнитное поле Земли и тектоника плит в конце раннего протерозоя принципиально не отличались от современных. Результаты проведенных исследований важны для понимания раннепротерозойской истории Сибирского кратона, для создания глобальных палеореконструкций, определения Сибири в системах различных гипотетических суперконтинентов. Выводы могут использоваться при создании палеотектонических карт, для дополнения, возможного уточнения учебных курсов по «Исторической геологии», «Общей и региональной геотектоники».
Апробация работы Результаты, полученные в ходе настоящей работы, были представлены на 15-ти российских и международных научных конференциях, совещаниях и семинарах, в частности: на семинарах «Палеомагнетизм и магнетизм горных пород» в пос. Борок (2002, 2003, 2006, 2007, 2009), Всероссийской научной конференции, посвященной 10-летию РФФИ (2002, Москва), молодежных секциях Тектонического совещания в Москве (2003, 2004, 2005), II Российской конференции по изотопной геохронологии (2003, Санкт-Петербург), международном семинаре по палеомагнетизму и магнетизму горных пород в Казани (2004), научных совещаниях в Иркутске (2004, 2007), 6-ой Международной конференции «Problems of Geocosmos» (2006, Санкт-Петербург), 33-м Международном Геологическом конгрессе (2008, Осло). Результаты работ регулярно докладывались и обсуждались на Общемосковском семинаре по палеомагнетизму и магнетизму горных пород.
Публикации В общей сложности по теме диссертации опубликована в соавторстве печатная работа, из них 1 глава в коллективной монографии, 5 статей в реферируемых научных журналах, в том числе 1 в иностранном издании, 15 работ представляют тезисы и материалы конференций.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 158 страниц машинописного текста, включая иллюстрации и 15 таблиц. Список литературы составляет 172 работы.
Благодарности Испытывая большую благодарность за долготерпение и мудрое руководство, прежде всего, хочу выразить глубокую признательность моему научному руководителю Алексею Николаевичу Диденко. Необходимо также сказать большое спасибо Владимиру Эммануиловичу Павлову - человеку, который привел меня в палеомагнитологию и многому научил.
Говорю спасибо моим постоянным соавторам из Иркутска – Д.П. Гладкочубу, А.М. Мазукабзову, Т.В. Донской, А.М. Станевичу, которые выступали и как организаторы совместных полевых работ. В полевых исследованиях и отборе коллекций мне также помогали А.А. Бухаров, С.А. Диденко, Е.В. Карякин, К.М. Константинов (с сыном), Б.Б. Кочнев, А.В. Петушков, А.В. Шацилло, за что им отдельная благодарность.
Лабораторные исследования помогали проводить А.Г. Фейн и Г.С. Янова (ИФЗ РАН), Н.Я. Дворова и О.А. Крежовских (ГИН РАН), М.В. Алексютин и Мануэла Вайс при поддержке Валериана Бахтадзе (Мюнхенский университет, Германия), В.В. Щербакова, В.А. Цельмович и Г.В. Жидков (ГО «Борок»). Всем им я также очень признателен.
Постоянную помощь, консультации и доброжелательную критику мне оказывали М.Л. Баженов, С.В. Шипунов, А.В. Шацилло, В.Э. Павлов, Т.С.
Гендлер, М.В. Алексютин, А.В. Дворова, Е.Л. Гуревич, О.М. Туркина, И.К. Козаков, С.А. Писаревский, Е.В. Скляров и мн. др. Особую благодарность выражаю моим коллегам по петромагнитной лаборатории МГУ - Н.В. Лубниной, Р.В. Веселовскому и А.М. Фетисовой.
Большое спасибо всем коллегам из Москвы, Борка, Санкт-Петербурга, Иркутска, Казани, Саратова, Новосибирска, Хабаровска, Владивостока, Магадана, Киева, без которых невозможно было бы создание плодотворной палеомагнитной среды.
Финансовая поддержка полевых и лабораторных исследований осуществлялась РФФИ (гранты 02-05-64332 и 06-05-64352), Программой ОНЗ РАН «Геодинамическая эволюция литосферы Центрально-Азиатского подвижного пояса (от океана к континенту)» и из бюджетных средств ИФЗ РАН и МГУ.
В заключение хочу поблагодарить всех сотрудников лаборатории главного геомагнитного поля и петромагнетизма ИФЗ РАН и кафедры динамической геологии геологического факультета МГУ, которые очень доброжелательно отнеслись ко мне и моим исследованиям.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во Введении дана общая характеристика работы: обоснована актуальность изучаемой темы, сформулированы цели и задачи исследований, проведен краткий анализ пригодных геологических объектов. Сформулированы основные защищаемые положения, кратко изложены научная новизна, теоретическое и практическое значение, обозначена степень личного участия автора в получении основных научных результатов.
Глава 1. Методика исследований Надежность палеомагнитных результатов обеспечивалась применением современных методик и современного аппаратурного уровня, при тщательном полевом отборе образцов.
Полевые, лабораторные палеомагнитные исследования и обработка результатов выполнялась по стандартным методикам (Kirshvink, 1980; Палеомагнитология, 1982; Печерский, Диденко, 1995; Butler, 1992 и др.), с учетом последних методических разработок (Шипунов и др., 1997, Баженов, 2001, Buchan et al, 2000 и др.).
Палеомагнитный отбор сопровождался геологическими исследованиями и взятием проб на изотопно-геохронологические исследования. Ориентированные образцы отбирались в основном сайтами, такая схема позволяет максимально осреднить внутрипластовый разброс (Баженов, 2001). В ряде случаев при наличии протяженного обнажения образцы отбирались небольшими группами - микросайтами с различающимися элементами залегания.
Все образцы прошли полную температурную чистку до температур 680градусов, с числом шагов до 20-22. Измерения намагниченности выполнялись на спинмагнитометре JR-4 (Москва) и криогенном магнитометре 2-G Enterprises (Мюнхен). Перед началом чистки проводились измерения анизотропии магнитной восприимчивости в 12 положениях. Петромагнитные исследования (в основном на базе ГО «Борок») представительной выборки коллекций включали в себя определения таких характеристик как Tc, Is, Irs, Hc, Hcr и др.
Определялся состав ферромагнитной фракции (по совокупности магнитных свойств и поведению магнитных характеристик в ходе нагрева), выявлялась природа высокотемпературной компоненты ЕОН (например, по сопоставлению с лабораторной термоостаточной намагниченностью), часть образцов (тонкая магнитная фракция гранитоидов) изучалась с помощью электронного микроскопа и микроанализатора «Camebax» (В.А. Цельмович, ГО «Борок»). Структурное состояние магнитных носителей определялось с помощью отношения Кенигсбергера (Qn). Петромагнитные исследования проводились в основном с целью обоснования возможности сохранения первичной остаточной намагниченности образцов. Небольшая часть образцов базитовых даек исследовалась в ГО «Борок» с целью определения палеонапряженности раннепротерозойских образований по методу Телье с поправкой Коэ.
Разделение компонент намагниченности выполнялось при помощи компонентного анализа, при этом применялся пакет компьютерных программ Р.
Энкина. В дальнейшем анализу подвергалась в основном характеристическая компонента, выделяющаяся на заключительных этапах чистки (высокотемпературная) и спадающая в начало координат. При компонентном анализе использовались не только направления, но и круги перемагничивания. Селекция выделенных направлений проводилась в основном вручную, в сложных случаях помогал пакет программ С.В. Шипунова (Шипунов, Муравьев, 1997). Для определения возраста выделенных компонент применялись следующие тесты:
складки DC (Enkin, 2003), CFT (Баженов, Шипунов, 1988), SFT и NFT (Шипунов, 1995), обращения (McFadden, McElhinny, 1990), конгломератов (Шипунов, 1995). Для анализа движения плит и построения кривой КМП использовалась программа Т. Торсвика GMAP2003, для поиска и анализа палеомагнитных определений по Сибирскому и другим кратонам использовалась палеомагнитная база данных GPMD2003.
Глава 2. Палеомагнетизм раннепротерозойских образований (гранитоиды шумихинского и саянского комплексов) Пригодных раннепротерозойских геологических объектов для палеомагнитного изучения в Сибири крайне мало, краевые выступы фундамента юга Сибирского кратона - Шарыжалгайский и Байкальский (рис.1) - одни из самых перспективных. В пределах этих выступов выделяются комплексы, которые образовались вскоре после коллизии, амальгамации террейнов, слагающих фундамент Сибирского кратона, это так называемый Южно-Сибирский постколлизионный пояс. Слагающие его гранитоиды таракского, саянского, шумихинского, приморского и кодарского комплексов и вулканогенно-осадочные отложения акитканской серии характеризуются хорошо определенной геодинамической позицией, наличием прецизионных датировок абсолютного возраста и слабым проявлением метаморфизма, предоставляют широкие возможности для проведения полевых тестов.
Гранитоиды, выделяемые в Южно-Сибирский пояс, имеют все признаки посткинематических: их внедрение происходило после формирования главных картируемых структур, и в дальнейшем они не подвергались наложенному метаморфизму и деформациям. Пояс занимает секущее положение по отношению к более ранним коллизионным зонам, разделяющим континентальные террейны, сложенные преимущественно архейской корой (Розен, 2001; Розен, Федоровский, 2001; Хильтова и др., 2003). Гранитоиды представляют собой геологические реперы, фиксирующие либо завершение развития подвижного пояса, либо процесс деструкции фундамента, в той или иной мере оторванный от орогенических событий. Они достаточно полно охарактеризованы петрогеохимическими и геохронологическими данными (Бибикова и др., 1990б; Донская и др., 2002; Ларин и др., 2000б, 2002; Левицкий и др., 2002; Ножкин и др., 2003), которые позволяют относить их к постколлизионным образованиям А-типа, и указывают на относительно узкий возрастной интервал их формирования (1840-1870 млн. лет).
«