Содержание к диссертации
Введение
Часть 1. Куонамская мезопротерозойская крупная магматическая провинция 17
Глава 1.1. Палеомагнетизм докембрийских даек и силлов севера Сибирской платформы
1.1.1. Объекты исследований 19
1.1.2. Методика полевых и палеомагнитных исследований 21
1.1.3. Палеомагнитный анализ 22
1.1.4. Петромагнетизм даек и силлов Западного и Северного Прианабарья 41
1.1.5. Заключение и выводы 46
Глава 1.2. Геохронология и геохимия интрузивных тел Куонамской магматической провинции 47
1.2.1. Объекты исследований 47
1.2.2. Методика и результаты изотопно-геохронологических исследований 49
1.2.3. Петрография и геохимия исследованных интрузивных тел 54
1.2.4. Заключение и выводы 56
Глава 1.3. Сибирь и Лаврентия в протерозое. Палеотектоническая интерпретация палеомагнитных и геохронологических данных 59
Заключение и выводы к Части 1 67
Часть 2. Кольская девонская щелочная магматическая провинция 68
Глава 2.1. Палеомагнетизм интрузивных тел Кольской девонской магматической провинции 72
2.1.1. Объекты исследований 72
2.1.2. Методика палеомагнитных и петромагнитных исследований 75
2.1.3. Магнитные чистки образцов даек и интрузивных массивов кольского полуострова
2.1.3.1. Баренцевоморское побережье 77
2.1.3.2. Центральные районы Кольского полуострова 87
2.1.3.3. Кандалакшский залив Белого моря и прилегающие территории 90
2.1.3.4. Интрузивные массивы
2.1.4. Датирование компонент намагниченности 98
2.1.5. Петромагнетизм девонских даек и интрузивных массивов Кольского полуострова 111
2.1.5. Геохронология девонских даек Кольского полуострова 121
2.1.5.1. Методика изотопно-геохронологических исследований 121
2.1.5.2. Результаты изотопно-геохронологических исследований девонских даек Кольского полуострова
2.1.6. Последовательность, длительность и динамика девонских магматических событий на Кольском полуострове 126
2.1.7. Заключение и выводы 133
Глава 2.2. Мезозойское перемагничивание девонских даек Кольского полуострова: механизм, масштаб и вероятные источники 135
2.2.1. Введение 135
2.2.2. Объекты исследований 136
2.2.3. Методика исследований 137
2.2.4. Результаты палеомагнитных исследований 138
2.2.5. Петромагнетизм рассматриваемых девонских даек 142
2.2.6. Обсуждение результатов: источники, распространение и особенности мезозойского перемагничивания 146
2.2.7. Заключение и выводы 158
Глава 2.3. Термальная эволюция Кольского полуострова в пост
девонское время 162
2.3.1. Введение 162
2.3.2. Методика трекового датирования апатита 163
2.3.3. Методика моделирования термальной эволюции пород 164
2.3.4. Объекты и образцы для исследований в пределах Хибинского
массива 165
2.3.5. Результаты трекового датирования апатита из пород Хибинского массива 167
2.3.6. Реконструкция термальной эволюции Хибинского массива 170
2.3.7. Результаты трекового датирования апатита из разновозрастных пород центральной и южной частей Кольского полуострова 172
2.3.8. Реконструкция термальной эволюции Кольского полуострова 176
2.3.9. Интерпретация результатов термохронологических исследований в приложении к палеомагнетизму девонских даек Кольского полуострова. Возможные источники и механизмы мезозойского перемагничивания 181
2.3.10. Заключение и выводы 185
Глава 2.4. Напряженность и структура магнитного поля Земли в среднем-позднем девоне 186
2.4.1. Введение 186
2.4.2. Объекты исследований 187
2.4.3. Методика исследований 189
2.4.4. Критерии отбора данных по палеонапряженности 193
- 4 2.4.5. Результаты исследований 194
2.4.6. Обсуждение результатов. Структура геомагнитного поля в среднем-позднем девоне 202
2.4.7. Заключение и выводы 205
Заключение и выводы к Части 2 206
Часть 3. Сибирская пермо-триасовая (трапповая) магматическая провинция 207
Глава 3.1. Палеомагнетизм пермо-триасовых субвулканических тел севера Сибирской платформы 210
3.1.1. Введение 210
3.1.2. Объекты исследований 212
3.1.3. Методика палеомагнитных исследований 216
3.1.4. Результаты палеомагнитных исследований 217
3.1.5. Анализ палеомагнитных направлений и оценка продолжительности магматических событий 220
3.1.6. Методические следствия 230
3.1.7. Заключение и выводы 231
Глава 3.2. Палеомагнетизм пермо-триасовых интрузивных тел юга Сибирской платформы (Ангаро-Тасеевская впадина) 233
3.2.1. Введение 233
3.2.2. Объекты исследований 233
3.2.3. Методика исследований 240
3.2.4. Результаты палеомагнитных исследований 240
3.2.5. Палеомагнитный анализ. оценка динамики, продолжительности и последовательности магматических событий 242
3.2.6. Сравнение сделанных выводов с геохронологическими данными 249
3.2.7. Сопоставление полученных результатов с данными по Норильской и Маймеча-Котуйской провинциям 250
3.2.8. Заключение и выводы 252
Глава 3.3. Палеомагнетизм интрузивных трапповых комплексов центральной части Тунгусской синеклизы и северной части Ангаро Тасеевской впадины 254
3.3.1. Введение 254
3.3.2. Геология районов исследований и объекты исследований 254
3.3.3. Методика исследовани 260
3.3.4. Петромагнитные свойства 261
3.3.5. Результаты палеомагнитных исследований 262
3.3.6. Обсуждение результатов. Оценка характера, интенсивности и продолжительности магматизма 268
3.3.6.1. Интрузивные тела р.Нижняя Тунгуска 268
3.3.6.2. Интрузивные тела Ангаро-Тасеевской впадины 270
3.3.6.3. Оценка амплитуды вековых вариаций 274
3.3.6.4. Вулканиты в районе пос. Тура 276
3.3.6.5. Возраст интрузивных тел и их корреляция с вулканогенной толщей 278
3.3.7. Закономерности проявления интрузивного траппового магматизма на Сибирской платформе 282
3.3.8. Заключение и выводы 285
Глава 3.4. Причины появления ложной обратной компоненты естественной остаточной намагниченности долеритов в процессе пошаговой температурной чистки 286
3.4.1. Введение 286
3.4.2. Объекты исследований 287
3.4.3. Методика исследований 287
3.4.4. Результаты магнитных чисток 288
3.4.5. Термомагнитные свойства 292
3.4.6. Микрозондовые исследования 294
3.4.7. Механизм образования ложной компоненты намагниченности при ступенчатых нагревах 296
3.4.8. Заключение и выводы 300
Заключение и выводы к Части 3 301
Часть 4. Особенности становления и эволюции крупных континентальных магматических провинций северной евразии: палеотектонический и геодинамический аспекты 302
Глава 4.1. Региональный прогрев верхних горизонтов коры в ходе становления крупных магматических провинций 302
4.1.1. Введение 302
4.1.2. Сибирская пермо-триасовая (трапповая) провинция 303
4.1.3. Численное моделирование термальных процессов в верхних горизонтах континентальной литосферы
4.1.3.1. Модель постмагматического остывания Хибинского массива 305
4.1.3.2. Моделирование процесса прогрева континентальной коры подкоровым источником 308 4.1.4. Тектоно-термальная эволюция Кольского полуострова
4.1.4.1. Вариант №1: остывание вследствие исключительно эксгумации 316
4.1.4.2. Вариант №2: постмагматическое остывание-денудация 317
4.1.4.3. Вариант №3: остывание после вторичного/длительного прогрева-эксгумация 320
4.1.5. Заключение и выводы.
Глава 4.2. Оценка геодинамических условий формирования Кольской щелочной и Куонамской магматических провинций 326
4.2.1. Структура и напряженность геомагнитного поля 327
4.2.2. Масштаб и динамика магматизма 329
4.2.3. Крупные магматические провинции над «горячими полями» в
нижней мантии 332
4.2.4. Геодинамический режим карбонатитов 339
4.2.5. Куонамская магматическая провинция и мезопротерозойский суперплюм 344
Заключение и выводы к Части 4 349
Заключение 351
Приложение 1
Дополнительные материалы к Части 1: КУОНАМСКАЯ
Мезопротерозойская крупная магматическая провинция 354
приложение 2
Методика оценки интенсивности и продолжительности формирования
интрузивных комплексов крупных магматических провинций с
использованием палеомагнитных данных 377
Список цитируемой литературы
- Методика и результаты изотопно-геохронологических исследований
- Петромагнетизм рассматриваемых девонских даек
- Анализ палеомагнитных направлений и оценка продолжительности магматических событий
- Тектоно-термальная эволюция Кольского полуострова
Введение к работе
Актуальность диссертационной темы
Периоды формирования крупных магматических провинций считаются
ключевыми и нередко являются переломными эпизодами в геологической
истории Земли. Возникновение ККМП уверенно сопоставляется с такими
событиями планетарного масштаба, как распад суперконтинентов и
глобальные биосферные кризисы, что выводит ККМП в ранг уникальных
геологических объектов, хранящих в себе бесценную информацию о прошлом
нашей планеты. Одной из характерных особенностей ККМП, по сравнению с
другими проявлениями магматической активности на Земле, является
продолжительность их формирования. Уже на первых этапах изучения ККМП
было отмечено, что образование огромных объёмов слагающих их
магматических пород происходило в геологическом масштабе времени
исключительно быстро, а значительный прогресс в развитии изотопно-
геохронологических методов позволил ограничить продолжительность
магматизма в пределах ККМП до первых миллионов и даже до сотен тысяч
лет. И всё же предельно достижимой на сегодняшний день точности методов
изотопного датирования зачастую недостаточно для детального
восстановления сценариев формирования ККМП, что, в частности, не позволяет выполнить оценку их воздействия на экосистему нашей планеты в прошлом.
В последние годы для решения задач, касающихся определения временны х ограничений и динамики образования крупных магматических провинций, все чаще привлекаются палеомагнитные исследования [Chenet et al., 2008, 2009; Moulin et al., 2011; Павлов и др., 2011; Konstantinov et al., 2014]. Основой методики, позволяющей получать количественные оценки интенсивности (динамики) и продолжительности магматических событий, является изучение вариаций направления магнитного поля Земли во время излияния лавовых толщ или внедрения интрузивных тел. Одним из главных
условий для проведения подобного рода исследований является получение
представительного массива надёжных палеомагнитных данных по
магматическим образованиям отдельных районов ККМП или по всей провинции в целом.
Механизм формирования ККМП в современной литературе связывается с геологическими проявлениями мантийных плюмов или суперплюмов [Добрецов, 2011], образующихся на границе ядро-мантия и определяющих режимы функционирования геодинамо [Larson and Olson, 1991]. Получение надёжных количественных характеристик геомагнитного поля для эпох становления ККМП является важной задачей, решение которой позволит значительно расширить понимание взаимодействия и эволюции глубинных оболочек Земли, установить их связь с тектоно-магматическими процессами на её поверхности.
Актуальность выбранной темы диссертационной работы обоснована также необходимостью разработки моделей тектоно-термальной эволюции древних платформ до, во время и после формирования ККМП в их пределах. Кроме того, в работе решаются вопросы определения геодинамических условий формирования ККМП и проявлений карбонатитового магматизма.
Цель работы
Главной целью работы является оценка динамики и
продолжительности формирования трёх крупных магматических провинций Северной Евразии: Куонамской мезопротерозойской, Сибирской пермо-триасовой и Кольской девонской, – с использованием современных возможностей палеомагнитологии и изотопной геохронологии, а также выявление особенностей геодинамических условий и региональной тектоники в соответствующие интервалы геологического времени.
Задачи работы
1) Выполнить детальные палеомагнитные исследования трёх ККМП:
мезопротерозойской Куонамской, девонской Кольской и пермо-триасовой
(трапповой) Сибирской.
2) Получить ограничения на продолжительность формирования
перечисленных провинций на основе современных изотопно-
геохронологических и палеомагнитных данных.
3) Определить динамику (интенсивность) интрузивного магматизма
перечисленных магматических провинций и отдельных их районов с
использованием результатов палеомагнитных исследований.
4) Выявить особенности палеомагнетизма и тектонического развития
территорий, занятых рассматриваемыми ККМП.
5) Определить геодинамические условия, характеризующие
особенности палеомагнетизма рассматриваемых магматических провинций.
6) Проанализировать закономерности поведения главных
характеристик магнитного поля Земли в периоды становления исследуемых
ККМП.
Фактический материал, методы исследований и личный вклад автора
Основу диссертации составляет фактический материал, полученный автором в ходе экспедиционных исследований 2000-2016 годов, проведённых на территории Кольского полуострова и Северной Карелии, а также в разных частях Сибирской платформы. Конкретные объекты исследований перечислены в соответствующих главах работы. Помимо указанных районов, автор принимал непосредственное участие при изучении разновозрастных геологических объектов в различных районах северного полушария, что способствовало развитию его научных взглядов и накоплению профессионального опыта.
Палеомагнитный метод являлся главным методом исследований на
всех этапах данной работы. Наряду с классическими приёмами
[Палеомагнитология, 1982; Молостовский и Храмов, 1997; Печерский и Диденко, 1995], автором также использованы относительно новые подходы и реализации этого метода [Tauxe et al., 2016; Chenet et al., 2008; и др.]. Кроме того, в работе широко применялись методы петромагнетизма, включающие микрозондовые исследования и сканирующую электронную микроскопию, дифференциальный термомагнитный анализ, измерение анизотропии магнитной восприимчивости и намагниченности, анализ параметров магнитного гистерезиса и FORC-диаграмм.
Лабораторная обработка палеомагнитных коллекций производилась на
современном оборудовании в Петромагнитной лаборатории МГУ имени М.В.
Ломоносова, лаборатории Главного геомагнитного поля и петромагнетизма
ИФЗ РАН, лаборатории палеомагнетизма ГИН РАН, в палеомагнитной
лаборатории ГО «Борок», а также в палеомагнитных лабораториях ведущих
зарубежных научных организаций: Массачусетского технологического
института (США), Калифорнийского технологического института (США),
Йельского университета (США), Мюнхенского университета (Германия),
Парижского института физики Земли (Франция). Микрозондовые
исследования проводились Л.И.Дёминой на аппаратурной базе
геологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова и ИГГД РАН, В.А.Цельмовичем в ГО «Борок». Изотопное датирование отобранных автором проб выполнено Р.Эрнстом, К.Чемберленом, А.В.Травиным и Д.С.Юдиным, Ю.А.Костицыным и С.Ф.Карпенко. Геохимические анализы проведены сотрудниками лабораторий под руководством Д.П.Гладкочуба, А.Ю.Бычкова,
Р.Эрнста и Л.Н.Когарко. Петрографические описания шлифов выполнены автором и М.С.Мышенковой.
Научные результаты, изложенные в данной диссертации, получены по итогам изучения палеомагнитных коллекций, в общей сложности насчитывающих более 6000 ориентированных образцов. На всех этапах работ автор выступал как непосредственный организатор, руководитель и исполнитель полевых исследований и лабораторных измерений.
Научная новизна работы
1) С использованием современных палеомагнитных,
геохронологических и геохимических данных доказано существование и
определены масштабы мезопротерозойской Куонамской крупной
магматической провинции, расположенной на севере Сибирской платформы и
образовавшейся 1.5 млрд. лет назад.
-
Впервые на современном методическом и аппаратурном уровне проведены детальные палеомагнитные исследования интрузивных магматических тел и вмещающих их осадочных и метаморфических толщ трёх ККМП: Кольской девонской, Куонамской мезопротерозойской, Сибирской пермо-триасовой (трапповой). Получены новый палеомагнитный полюс для среднего-позднего девона (380±10 млн. лет) Восточно-Европейской платформы и «ключевой» мезопротерозойский палеомагнитный полюс (1501±3 млн. лет) для Сибирской платформы. Приведены доказательства длительного, более 1 млрд. лет, существования Сибирской и СевероАмериканской платформ в составе единого суперконтинента (супертеррейна), а также определена их взаимная конфигурация в интервале времени 1.7-0.7 млрд. лет.
-
По опорным геологическим объектам Куонамской и Кольской магматических провинций получены современные определения U-Pb и Ar/Ar изотопного возраста. Выполнена геохимическая классификация даек и силлов Куонамской магматической провинции.
4) На основе полученных палеомагнитных и геохронологических
данных разработана новая версия стратиграфической шкалы докембрия
севера Сибирской платформы.
5) На высоком уровне надёжности получены новые доказательства
корреляции эпох становления крупных магматических провинций с
периодами аномального поведения геомагнитного поля (на примере
Кольской девонской магматической провинции).
6) Изучен механизм и предложена модель реализации эффекта
частичного самообращения намагниченности в интрузивных телах основного
состава Сибирской трапповой провинции.
7) Впервые на современном уровне получены определения трекового возраста апатита из различных геологических объектов Кольского полуострова. Определена модель тектоно-термального развития северовосточной части Фенноскандинавского щита за последние 360 млн. лет.
Научная и практическая ценность работы
Результаты данной работы могут быть использованы и уже используются для разработки физических моделей геомагнетизма и петромагнетизма [Evans, 2014; Shcherbakov et al., 2016; Shcherbakova et al., 2016], для тестирования реконструкций суперконтинентов [Pisarevsky and Natapov, 2003; Li et al., 2008], для решения задач региональной геологии [Купцова и др., 2015; Глуховский, Кузьмин, 2015; Шацилло, 2015], для получения временных ограничений на длительность формирования магматических комплексов [Ivanov et al., 2013], а также для решения целого ряда региональных и глобальных задач тектоники, геодинамики, стратиграфии и геохронологии.
Представленные в работе результаты широко используются в учебном
процессе и входят в программу курсов «Геотектоника», «Палеомагнитология»,
«Использование методов изотопной геохронологии…», читаемых автором
студентам старших курсов и магистрантам геологического факультета МГУ.
Полученные результаты могут использоваться при решении задач
прикладной геологии и геологическом картировании, в том числе в рамках
составления новой серии ГГК-200, а также для моделирования осадочных
бассейнов и прогнозирования мест локализации месторождений
углеводородного сырья.
Защищаемые положения
1) На территории северной части Сибирской платформы,
включающей Анабарское и Оленёкское поднятия, выделена Куонамская
крупная магматическая провинция. Формирование слагающих её даек и
силлов основных пород произошло 1.5 млрд. лет назад за короткий интервал
геологического времени, продолжительностью около 30 млн. лет, в ходе двух
кратких этапов магматической активности.
2) Магматическая активность, приведшая к становлению Кольской
щелочной провинции в среднем-позднем девоне, продолжалась около 30 млн.
лет и характеризовалась равномерным распределением магматических
событий во времени. Для интервала геологического времени 390-375 млн. лет
фиксируется аномальный режим работы геодинамо, на протяжении которого
напряжённость магнитного поля Земли была на порядок меньше её
современного значения.
-
Пермо-триасовый интрузивный магматизм на Сибирской платформе имел разную интенсивность: особенностью южной части сибирского траппового поля являлось преобладание вспышек магматической активности регионального масштаба и продолжительностью в первые сотни–тысячи лет, в ходе которых происходило внедрение мощных силлов, в то время как интрузивный магматизм центральной части Тунгусской синеклизы и Маймеча-Котуйского района был рассредоточен во времени, характеризовался низкой интенсивностью, а масштабы каждого магматического события были локальными.
-
Куонамская и Кольская магматические провинции являются частями более крупных магматических провинций, становление и эволюция которых проходили по сценариям, близким к формированию Сибирской пермо-триасовой (трапповой) провинции. Геодинамические условия их образования согласуются с моделью образования суперплюмов в низах мантии и их взаимодействия с литосферой древних платформ.
Апробация работы
Защищаемые положения и отдельные части диссертационной работы неоднократно докладывались на отечественных и международных семинарах и конференциях, наиболее важными из которых являются: Генеральные ассамблеи Европейского геофизического союза (EGU) (Вена, 2006, 2009-2011, 2014, 2016 гг.); Ассамблеи Американского геофизического союза (AGU) (Сан-Франциско, 2008, 2011, 2013-2016 гг.); Международный Геологический Конгресс (Флоренция, 2004; Осло, 2008); Международный школа-семинар "Палеомагнетизм и магнетизм горных пород" (пос.Борок, 2000-2003, 2005-2006, 2009, 2011, 2015 гг., г.Казань, 2004, 2013 гг.); Международная конференция “International Conference on Problems of Geocosmos” (С.Петербург,
2006, 2012, 2016 гг.); XXXIX, XL, XLVII Тектонические совещания (Москва, 2006,
2007, 2015 гг.); конференция «Изотопное датирование геологических
процессов» (С.Петербург, 2015) и мн. др.
Публикации
Диссертант является автором или соавтором 125 публикаций по теме диссертации, среди которых: 1 глава в коллективной монографии и 19 статей в рецензируемых журналах (в том числе из списка ВАК – 11), 7 из которых опубликованы в журналах из списка Топ-25% по импакт-фактору по версии Thomson Reuters, в том числе: Geophysical Journal International, Precambrian Research, Tectonophysics, Physics of the Earth and Planetary Interiors, The Geological Society of America Bulletin. 4 статьи приняты к печати или находятся на стадии рецензирования (из них 3 статьи – в журналах из списка Топ-25%; 1 статья – в
журнале из списка ВАК). Также результаты работы нашли своё отражение в 104 опубликованных материалах и тезисах конференций.
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, четырёх частей, заключения, двух приложений и списка цитируемой литературы, включающего 499 наименований. Общий объём работы составляет 442 страницы, включая 122 рисунка и 24 таблицы.
Благодарности
Я бесконечно признателен Владимиру Эммануиловичу Павлову за создание идеальных условий для выполнения этой работы, за те силы, время и средства, которые он щедро вложил и продолжает вкладывать для привлечения в науку молодых людей, среди которых, по счастливой случайности, 16 лет назад оказался и я. Этой случайностью я обязан Всеволоду Николаевичу Вадковскому, пробудившему во мне интерес к научному познанию и направившему по верному, как я теперь понимаю, жизненному пути.
Радости и заботы экспедиционных будней мы неоднократно делили
вместе с моими близкими коллегами – П.Ю.Петровым, А.В.Шацилло,
А.В.Латышевым, В.И.Паверманом, Е.П.Кулаковой, С.В.Баклановым и
Р.Р.Гайнулловым, которым я выражаю глубокую благодарность.
Хочу сердечно поблагодарить за постоянную моральную поддержку и всестороннюю помощь при подготовке диссертации моих коллег и наставников – Н.В.Короновского, Н.В.Лубнину, В.С.Захарова, а также всех сотрудников и выпускников кафедры динамической геологии, в том числе В.Ю.Водовозова, Л.И.Дёмину, М.С.Мышенкову, М.А.Новикову, А.И.Гущина, С.Б.Боцюн, А.А.Герасимову.
С особой теплотой хочу сказать слова благодарности сотрудникам лаборатории Главного геомагнитного поля и петромагнетизма ИФЗ РАН: Г.П.Маркову, Г.С.Яновой, О.В.Пилипенко, Д.М.Печерскому, П.А.Минаеву, Д.А.Гаврюшкину, Н.В.Сальной, С.В.Акимовой и И.В.Федюкину, заботу и помощь которых я безвозмездно получал на всех этапах подготовки этой работы.
Глубокая благодарность моим коллегам из ГО «Борок» – Валентине Васильевне и Валерию Прохоровичу Щербаковым, за неоценимую помощь и постоянную готовность к исследованию. Я очень благодарен Г.В.Жидкову, В.А.Цельмовичу, С.К.Грибову и другим сотрудникам ГО «Борок» за гостеприимство и неизменную помощь в работе.
Большое значение для меня имели встречи, совместные проекты и
научные дискуссии с А.В.Ивановым, Л.Н.Когарко, А.К.Худолеем,
А.М.Никишиным, А.В.Самсоновым, Н.А.Криволуцкой, Ю.А.Морозовым,
В.Ф.Смолькиным, А.В.Соболевым, В.А.Радько, А.В.Степановой, С.В.Шипуновым,
В.В.Поповым, А.Ю.Бычковым, П.Ю.Плечовым, А.Ю.Казанским,
М.В.Алексютиным, В.М.Трубихиным, Д.С.Юдиным, С.Н.Сычёвым,
А.В.Смирновым, Н.С.Безаевой, С.А.Писаревским, С.В.Богдановой,
Е.Н.Тереховым, А.С.Балуевым, Н.Б.Кузнецовым, Ж.А.Федотовым,
С.Н.Болотовым, Ал.В.Тевелевым, А.Ю.Гужиковым. Тесное многолетнее
сотрудничество с Андреем Александровичем и Людмилой Витальевной Арзамасцевыми определило содержание диссертационной работы и сформировало мой геологический кругозор. Неизменным источником вдохновения и новых для меня знаний всегда были встречи с зарубежными учёными – И.Галле, Д.Эвансом, Л.Элкинс-Тантон, С.Боурингом, Д.Киршвинком, В.Бахтадзе, М.Чадима, С.Томсоном.
Эта работа, равно как и вся моя профессиональная деятельность, не состоялась бы без моей семьи и моих близких.
Моя память навсегда сохранит имена тех, кому я обязан многим и в науке, и в жизни. Это Татьяна Семёновна Гендлер и Михаил Львович Баженов.
Проведённые исследования поддерживались Российским Фондом Фундаментальных Исследований, грантами Министерства образования и науки Российской Федерации, а также грантом NSF. Диссертация завершена в ходе выполнения гранта РФФИ 15-35-20599 и гранта Правительства РФ (№220, проект №14.Z50.31.0017).
Методика и результаты изотопно-геохронологических исследований
Наиболее предстательные ооразць, и„Тру3„В„ь,х Тел подверглись петрографическим, микрозондовым и петромагнитным исследованиям.
Лабораторная обработка отобранных образцов выполнялась в палеомагнитных лабораториях Института физики Земли РАН, геологического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова, Парижского Института физики Земли (Франция) и Йельского университета (США). Для размагничивания образцов использовались немагнитные печи, с величиной остаточного поля не более 5-10 нТл, а также установки для размагничивания переменным полем различных производителей (ASC Scientific, Magnetic Measurements и др.). Поскольку температурное размагничивание оказалось наиболее эффективным, то температурные магнитные чистки были использованы для подавляющего числа исследованных образцов. Нагревы производились до 580-680С для всех образцов, число шагов магнитных чисток достигало 12-15. Естественная остаточная намагниченность образцов измерялась при помощи рок-магнитометров JR-6 (AGICO, Чехия) и криогенных магнитометров 2G Enterprises (США). Перед началом температурной магнитной чистки некоторые образцы были подвергнуты низкотемпературной обработке путем выдержки в жидком азоте с целью удаления вязкой намагниченности, связанной с нестабильными многодоменными зернами [Borradaile et al., 2004]. Однако низкотемпературная магнитная чистка оказалась малоэффективной и не получила широкого применения. Выделение компонент естественной остаточной намагниченности, в подавляющем большинстве случаев, производилось с использованием метода РСА [Kirschvink, 1980] и лишь в исключительных случаях - с использованием метода кругов перемагничивания при помощи специализированного программного обеспечения [Enkin, 1994; Chadima et al., 2006].
Около половины исследованных образцов сохранили палеомагнитную запись хорошего, интерпретируемого качества, позволяющей уверенно выделять компоненты естественной остаточной намагниченности (табл. 1.1). Большинство образцов характеризуется одно- или двухкомпонентным составом ЕОН (рис. 1.3 - 23 1.5), характеристическая компонента намагниченности уверенно выделяется как конечная.
Типичные диаграммы Зийдервельда и стереограммы для образцов рифейских осадочных пород Западного и Северного Прианабарья. Здесь и далее залитые (пустые) кружки на стереограммах обозначают проекцию вектора на нижнюю (верхнюю) полусферу; залитые (пустые) кружки на диаграммах Зийдервельда означают проекции вектора на горизонтальную (вертикальную) плоскость.
Для осадочных пород, опробованных на удалении от прорывающих их интрузивных тел, разблокирующие температуры достигают 680C, т.е. главным носителем естественной остаточной намагниченности в них является гематит. Разблокирующие температуры для характеристической компоненты намагниченности пород интрузивных тел достигают 580C, свидетельствуя, тем самым, о наличии низкотитанистого титаномагнетита, являющегося в рассматриваемых породах главным минералом-носителем намагниченности (рис. 1.4 и 1.5).
В ходе магнитных чисток была выявлена небольшая группа образцов пород интрузивных тел, в составе естественной остаточной намагниченности которых присутствуют две практически антиподальные компоненты (например, точки 3-01, 17, 9-07 и 13-00; рис. 1.4, д). Подобный эффект наблюдался ранее на примере пермо-триасовых долеритовых интрузивов центральной Сибири [Gapeev and Gribov, 2008], а также описан в работе [Krasa et al., 2005] и, с большой степенью вероятности, представляет собой явление кажущегося самообращения намагниченности. Этот вопрос подробно рассмотрен в Главе 3.4 данной работы и в статье [Shcherbakov et al., 2016], где показано, что именно высокотемпературная компонента соответствует направлению магнитного поля Земли в момент остывания интрузивного тела, а относительно более низкотемпературная противоположно направленная ей компонента намагниченности является артефактом, возникающим в ходе ступенчатой магнитной чистки вследствие магнитостатического взаимодействия магнитных фаз.
Средние направления выделенных компонент намагниченности приведены в табл. 1.1. Средние направления на уровне сайтов были отобраны с целью исключения наименее надежных данных по следующим критериям: (1) количество образцов в сайте, в которых выделена характеристическая компонента намагниченности, не должно быть меньше «5», а также (2) радиус круга 95% доверия для среднего направления компоненты намагниченности не должен превышать 20.
Осадочные породы. Направление характеристической компоненты, выделяемой в рифейских осадочных породах, различается для разных стратиграфических уровней (рис. 1.6). Так, осадочные породы, которые опробовались на значительном расстоянии от интрузивных тел (более нескольких десятков метров), главным образом несут биполярную характеристическую компоненту намагниченности с низким положительным наклонением и южным склонением (низким отрицательным наклонением северным склонением) соответственно. Важно отметить, что среднее направление характеристической компоненты в низах и верхах стратиграфической последовательности существенно меняет свое направление за счет изменения склонения. Однако это происходит не на границе мукунской и билляхской серий, как того следовало бы ожидать, а в верхней части мукунской серии между бурдурской и лабазтахской свитами, следы стратиграфического несогласия между которыми наблюдаются в региональном масштабе [Семихатов, Серебряков, 1983]. Таким образом, палеомагнитные данные позволяют выделить рифейском осадочном разрезе две толщи - нижнюю (древнюю), отвечающую ильинской и бурдурской свитам, и верхнюю (молодую), включающую в себя остальные свиты мукунской серии и всю билляхскую серию. Заметим, что для нижней толщи характерно присутствие монополярной характеристической компоненты намагниченности, в то время как в верхней толще она биполярна.
Интрузивные породы. Направления характеристической компоненты исследованных интрузивных тел западного и северного склонов Анабарского поднятия образуют на стереограмме четыре отчетливо различающихся кластера (рис. 1.6). Первый из них (группа №1) характеризуется крутыми положительными (отрицательными) наклонениями и восточными (западными) склонениями. Вторая группа (группа №2) палеомагнитных направлений имеет умеренные положительные наклонения и северные склонения, однако имеется один сайт обратной полярности. Группа №3 характеризуется низкими преимущественно положительными СВ направлениями, полученными почти исключительно по интрузивным телам долины р.Фомич. Группа №4 наиболее представительная: ее составляют низкие, в основном, отрицательные ЮЗ палеомагнитные направления, полученные по интрузивным телам Западного Прианабарья единичным интрузивам Северного Прианабарья (р.Фомич).
Петромагнетизм рассматриваемых девонских даек
Вплоть до настоящего времени наиболее серьёзной проблемой при разработке кривых кажущейся миграции палеомагнитного полюса древних кратонных блоков северного полушария - Восточно-Европейской (Балтики), Сибирской и Северо-Американской платформ, является обоснование конфигурации девонского отрезка этих кривых в интервале от 400 до 310 млн лет. В используемых сегодня моделях КМП девонские сегменты построены основе единичных палеомагнитных определений с использованием интерполяции. В частности, девонский участок кривой КМП Восточно-Европейской платформы [Torsvik, 2002] базируется на одном надёжном палеомагнитном полюсе, полученном по осадочным породам Главного девонского поля [Родионов и др., 2010], а в последней версии кривой КМП [Torsvik et al., 2012] этот полюс не рассматривается как надёжный. Палеомагнитные определения девонских пород Западной Европы или Урала не могут использоваться как ключевые полюсы Восточно-Европейской платформы из-за спорной (в большинстве случаев) тектонической позиции указанных районов.
Проблема палеомагнетизма девонского времени известна довольно давно, практически со времени начала систематических палеомагнитных исследований в 1950-1960-х годах. Уже первые результаты палеомагнитных исследований формации древнего красного песчаника показали ("Old Red Sandstone") в Шотландии показали, что в их естественной остаточной намагниченности присутствуют две характеристические компоненты намагниченности - DI и DII [Creer, Embleton, 1967]. Согласно одному из предположений, природа этих компонент намагниченности связывалась с истинным направлением геомагнитного поля в раннем девоне (компонента DII), что находилось в согласии с палеоклиматической обстановкой в данной области, и с пермско-каменноугольным перемагничиванием (компонента DI). Другие группы квазистабильных палеомагнитных направлений, также обнаруженные при палеомагнитных исследованиях формации древнего красного песчаника, рассматривались рядом исследователей как переходные между направлениями компоненты DII прямой и обратной полярности [Сгеег, 1968; Khramov et al., 1975]. Позже, аналогичные результаты были получены многими авторами по различным девонским породам как Восточно-Европейской и Сибирской платформ, так и Северной Америки [Копо, 1979; Latham and Briden, 1975; Salomy and Piper, 1973; Roy, 1983; Jackson, 1988; Khramov et al., 1971; Smethurst and Khramov, 1992; Метелкин и др., 2002; Lubnina et al., 2007; Orlova, 1992; Shatsillo, 2014; Kostantinov and Stagnizky, 2012; Orlov and Shatsillo, 2011; Kravchinsky et al., 2002]. Таким образом, проблема палеомагнетизма девона имеет глобальный характер и до сих пор требует решения. Дополнительным подтверждением тому является отсутствие надежно обоснованной шкалы магнитной полярности для девонского периода [Gradstein et al., 2012].
С девонским временем связывается активизация магматических процессов в пределах входящих в состав Северной Евразии древних платформ. Среди основных событий следует отметить образование Вилюйских траппов на Сибирской платформе, магматизм и ремобилизация структур фундамента в пределах Украинского щита и Днепрово-Донецкого авлакогена Восточно-Европейской платформы, а также формирование объекта исследований -Кольской девонской щелочной магматической провинции в пределах северовосточной части Фенноскандинавского блока. Корреляция крупных массовых вымираний с мощными вспышками континентального магматизма [Courtillot and Renne, 2003] имеет широкое признание, однако причинно-следственная связь серии девонских вымираний с каким-либо из перечисленных выше магматических событий до сих пор не является строго доказанной из-за отсутствия надёжных данных об интенсивности магматизма и его продолжительности. Г„гаНТСК„е штрузии с щелочного Кольская щелочная девонская магматическая провинция во многом является уникальным геологическим объектом и образующие её интрузивные тела встречаются на всей территории Кольского полуострова и части Северной Карелии. В составе провинции, сформировавшейся в период 400-360 млн. лет назад [Арзамасцев и др., 2009, 2016], представлены магматические породы всех фаций глубинности и широкого спектра составов, комплементарные дайковые и плутонические производные щелочных магм. Провинцию составляют агпаитовые массивы Хибин и Ловозера, щелочно-ультраосновные карбонатитами, а также рои многочисленных даек основного и состава. По значительному количеству объектов к 2009 г. имелись современные петрологические, геохимические и геохронологические данные [Арзамасцев и др., 2009]. Всё вышесказанное, а также практически идеальные условия для полевых исследований - сохранность, доступность, отсутствие следов крупных постдевонских тектонических и эндогенных событий, определяют Кольскую магматическую провинцию как крайне перспективный объект для получения новых средне-позднедевонских палеомагнитных данных для Восточно-Европейской платформы.
Анализ палеомагнитных направлений и оценка продолжительности магматических событий
Результаты палеомагнитных исследований приведены в табл. 2.1. В целом, качество палеомагнитного сигнала, записанного в породах даек, следует оценить как удовлетворительное. Девонская компонента ЕОН (D) встречена лишь в дайках; в этом смысле Ивановский ВПК (см. ниже) выглядит наиболее перспективным объектом, поскольку сохранность девонской компоненты намагниченности в относящихся к нему объектах наиболее уверенная. Значительное количество даек имеет в составе ЕОН характеристическую компоненту протерозойского возраста (PR), что можно рассматривать как косвенное свидетельство их, по меньшей мере, докембрийского возраста. В ЕОН части из исследованных даек обнаруживается компонента MZ.
Для выполнения теста контакта в точках 19-13 и 20-13, ориентированные образцы были отобраны как из даек и их экзо- эндоконтакта, так и из вмещающих пород на удалении нескольких десятков метров от даек. Поскольку важность теста контакта для датирования компонент намагниченности, особенно в геологических условиях Кольского полуострова, трудно переоценить, то полученные результаты будут рассмотрены ниже максимально детально.
Точка 19-13. Дайка долеритов, мощностью около 30 м, внедрена в серовато-белые кварцевые песчаники рифейского возраста (кильдинская серия), залегающие моноклинально A3Hfl20zlO. В ЕОН пород дайки температурная магнитная чистка обнаруживает до трёх компонент намагниченности, при этом направление низкотемпературной компоненты, хотя и с большим кругом доверия, находится вблизи направления современного геомагнитного поля данном районе. В высокотемпературном диапазоне блокирующих температур выделяются две компоненты намагниченности (табл. 2.1); среднее направление одной из них близко к направлению компоненты MZ, а среднее направление второй не совпадает ни с одним из известных направлений Восточно-Европейской платформы.
Палеомагнитная запись рифейских осадочных пород кильдинской серии содержит две компоненты намагниченности, наименее стабильная из которых близка по направлению к современному полю, а наиболее стабильная компонента имеет направление, схожее с направлением компоненты MZ. Какой-либо зависимости между качеством палеомагнитной записи, компонентным составом ЕОН и направлением компонент намагниченности по мере удаления от зоны контакта ( 1 м мощностью) не наблюдается. Таким образом, тест контакта, в данном случае, скорее отрицательный: и дайка, и вмещающие породы несут компоненту намагниченности MZ. По породам дайки получен изотопный возраст (см. ниже), составляющий 378.0±5.6 млн. лет (Ar-Аг, полевые шпаты). Точка 20-13. Дайка долеритов, мощностью около 30 м, внедрена в моноклинально (АзПд311 9) залегающую пачку красно-бурых до серых алевролитов и аргиллитов рифейского возраста (кильдинская серия), видимой мощностью 8 м (рис. 2.3). Мощность зоны экзо- и эндоконтакта не превышает 1 м.
Образцы пород дайки подвергались двум видам магнитных чисток -температурой и переменным полем, которые, в большинстве случаев, дают схожие результаты. Помимо современной вязкой компоненты, в составе ЕОН выделяются еще две компоненты (табл. 2.1): среднетемпературная, среднее направление которой близко к направлению компоненты MZ, и высокотемпературная, которая выделяется как конечная лишь в 4 образцах, а в 5 образцах она устанавливается по кругам перемагничивания, схожая по направлению с ожидаемым направлением для девонского времени (компонента D).
В естественной остаточной намагниченности рифейских осадочных пород встречаются две компоненты намагниченности: низкотемпературная современная (Q, 20-300С) (табл. 2.1), а также высокотемпературная биполярная компонента (RF), среднее направление которой близко к направлению характеристической компоненты рифейских осадочных пород кильдинской серии острова Кильдин и полуострова Средний [Шипунов, 1993] - ожидаемому направлению геомагнитного поля для Балтики в позднем протерозое.
В данном случае, тест контакта следует считать положительным, т.е. компонента D является древней и образовалась в момент внедрения дайки, чему свидетельствуют следующие факты: 1) несмотря на то, что средние направления наиболее стабильных компонент намагничнности дайки (D) и осадочных пород (RF) визуально кажутся близкими, они статистически значимо различаются (у/усг=24.0/21.2). Необходимо также учесть, что компонента RF может быть контаминирована компонентой D в зоне экзоконтакта (см. ниже), а направление компоненты D определено достаточно ненадёжно; 2) по мере приближения к зоне контакта с дайкой, компонента RF в осадочных породах очевидно (хотя и в условиях малого количества образцов) смещается по направлению в сторону компоненты D, выделяемой в дайке, что может рассматриваться как контаминация (частичное перемагничивание) пород экзоконтакта при внедрении дайки; 3) биполярность компоненты RF в осадочных породах на удалении Zb-bU м от зоны контакта является сильным указанием на первичность этой компоненты. : Девонский возраст рассматриваемой дайки 20-13 устанавливается исходя из территориальной близости с дайкой 19-13 - их разделяет 2 км, а также сходства петрографического состава и одинакового простирания этих даек.
Тектоно-термальная эволюция Кольского полуострова
Долериты из даек в районе посДальние Зеленцы представлены тремя разновидностями. Первая разновидность (дайка 2-09, образец 25-09) представлена относительно свежими среднезернистыми долеритами, в которых титаномагнетит образует крупные (до 500 мкм) первично магматические, часто скелетообразные зерна со структурами твердого распада ильменит-магнетит (рис. 2.16, а). Распад затрагивает не все зерна целиком, а проявлен в отдельных их частях. Зерна титаномагнетита неравномерно, в отдельных частях сильно изменены, вплоть до полного выноса железа в составе магнетитовой фазы, что остаются только червеобразные скопления ильменита (рис. 2.16, б парагенезисе с вторичным хлоритом. На графике k(Т) (рис. 2.16, в) кривая нагр близка к кривой охлаждения, что характерно при отсутствии преобразований магнитных минералов в ходе лабораторного нагрева. Седлообразный прогиб кривой нагрева, начинающийся при температуре около 350С, может свидетельствовать о том, что низкотитанистый титаномагнетит, являющийся в данном образце основным магнитным минералом, окислен неоднородно.
Вторая разновидность (дайка 2-09, образец 27-09) представлена мелкозернистыми долеритами, в которых практически все минералы сильно изменены. Титаномагнетиты имеют размеры не более 20-40 мкм и обнаруживают -слабую зональность с возрастанием содержания железа к краям зерен и неравномерное строение (рис. 2.16, г). В парагенезисе с ними гемоильменит содержит 13% гематита и 87% ильменита (рис. 2.16, д; табл. 2.2). Температура кристаллизации данного парагенезиса составляла 900QC [Spencer, Lindsley, 1981]. На графике к(Т) (рис. 2.16, е) кривая нагрева расположена значительно ниже кривой охлаждения, что принято объяснять [Hrouda, 1994] образованием новой магнитной фазы с высокой восприимчивостью (магнетита) в результате распада титаномагнетита при нагреве. На кривой нагрева, при температуре около 550С, фиксируется пик Хопкинсона [Hopkinson, 1890], характерный для однодоменных или псевдооднодоменных зерен. Постепенное уменьшение магнитной восприимчивости в интервале температур 600-700С свидетельствует о наличии небольшого количества гематита.
Результаты термомагнитных (К-Т) и электронно-микроскопических исследований пород девонских даек баренцевоморского роя (точка 2-09) (см. текст).
К третьей разновидности отнесены оливин-пироксеновые базальты из маломощной жилы вблизи дайки 3-09 (образец 54-09), в которых встречен практически чистый магнетит скелетообразной формы (до 50 мкм) (рис. 2.17, а), не имеющий признаков распада твердого раствора. Его образование произошло значительно позже кристаллизации основной массы вкрапленников, так как он встречается либо в стекле, либо выполняет промежутки между темноцветными минералами. График к(Т) (рис. 2.17, б) демонстрирует наличие в исследуемом образце титаномагнетитов переменного состава с температурами Кюри в интервале 520-585С и, вероятно, гематита, о чем свидетельствует постепенное уменьшение магнитной восприимчивости образца вплоть до 610С.
Исследования даек Кандалакшского залива (образцы 385-09 (точка 24-09), 491-09 и 494-09 (точка 32-09)) показали, что слагающие их щелочные и щелочно-ультраосновные породы также сильно изменены. Зерна титаномагнетита, количество которого иногда достигает 10% (табл. 2.2), резко различаются как по составу, так и по степени измененности. В крупных (до 600 мкм) первичных зернах сохраняются структуры распада магнетит-ильменит. Корродированные зерна титаномагнетита ассоциируются с рутил-содержащим ильменитом, сульфидами железа, кобальта, никеля и меди (рис. 2.17, д). Титаномагнетит часто образует каймы вокруг выделений флогопита (рис. 2.18, а), либо присутствует в последнем в виде мелких (5-10 мкм) корродированных зерен. Редкие первично магматические зерна магнетита фактически представляют собой зональные шпинели сложного состава (рис. 2.17, д; табл. 2.2). Многочисленные мелкие выделения титаномагнетита в базисе обогащены магнетитом (57%) и обеднены ульвошпинелью (12%). Сульфидная минерализация представлена в основном пиритом, который либо часто частично замещает титаномагнетит, либо образует отдельные гнезда, прожилки, развивается по плоскостям спайности в флогопите (рис. 2.18, б).
Среди изученных образцов даек Кандалакшского залива можно выделить две группы образцов, различающихся по виду кривых к(Т). К первой группе относятся образцы 491-09 и 494-09 из дайки 32-09. В них основным магнитным минералом является титаномагнетит, при этом в образце 491 его состав не меняется в результате прогрева. В образце 494 (рис. 2.17, д) отмечено превращение (инверсия) вторичного в щелочных породах титаномаггемита в титаномагнетит, ильменит или гематит, о чем свидетельствует характерный пик на кривой нагрева при температуре 350С [Mertanen et al., 2008]. Ко второй группе относится образец 385, вид зависимости к(Т) для которого (рис. 2.17, г) указывает на наличие низкотитанистого титаномагнетита, в ходе нагрева распадающегося до магнетита (на графике к(Т) кривая охлаждения располагается выше кривой нагрева).
Геологические данные и петрографические особенности даек Турьего мыса позволяют предполагать наличие нескольких сближенных во времени эпизодов дайкообразования, причем более поздние дайки, по-видимому, формировались в приповерхностных условиях. Например, образец 511-09 представлен двумя разновидностями меланефелинитов (лейкократовых и меланократовых), на контакте между которыми находится измененный титаномагнетит. В меланократовых разностях распространены сильно измененные мелкие (до 20 мкм) зерна первичного титаномагнетита со структурами распада ильменит-магнетит (рис. 2.18, г), а также отдельные амебовидные зерна с иголочками рутила и тонкими вторичными каймами (рис. 2.18, д), в которых титаномагнетит по направлению к краю сменяется практически чистым магнетитом. Отметим, что согласно экспериментальным данным, в системе FeO-Fe203i02 парагенезис магнетита с рутилом образуется в низкотемпературной области (Т 400С) [Lindsley, 1971]. График к(Т) (рис. 2.18, е) аналогичен графику образца 27-09: кривая нагрева проходит существенно ниже кривой охлаждения и имеет ровный вид, что говорит об образовании магнетита из низкотитанистого титаномагнетита. Рост магнитной восприимчивости в интервале температур 430-580С подтверждает петрографические и микрозондовые данные о наличии в породе сульфидов (пирита).