Содержание к диссертации
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. ПРИНЦИПЫ ПЕТРОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСІСИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
МАГМАТИЧЕСКИХ ОБРАЗОВАНИЙ И СПОСОБЫ ИХ РЕГИОНАЛЬНОГО
СОПОСТАВЛЕНИЯ 12
Обоснование цели и задач исследования. Выбор модельных объектов...12
Использованные принципы петролого-геохимических исследований магматических образований и способы их регионального сопоставления. Некоторые определения 19
ГЛАВА 2. КУРИЛЬСКАЯ ОСТРОВНАЯ ДУГА 25
2.1. Геолого-структурная характеристика, геофизические поля и
основные черты геологического строения 25
Морфоструктурные элементы 25
Строение земной коры по сейсмическим данным 27
Гравитационные аномалии 27
Магнитное поле 30
Сейсмичность 32
Тепловой поток 34
Пространственно-структурное положение вулканов 35
Основные черты геологического строения 40
2.2. Вещественная зональность состава четвертичных лав Курильской
островной дуги и включений в них 43
Геохимическая зоналность 43
Минеральная зональность 139
Содержания вкрапленников и их ассоциации 139
Состав породообразующих минералов 143
Условия кристаллизации 156
Фракционирование минеральных фаз и проблема связи
основных и кислых расплавов 158
2.2.3. Зональность по составу шлировидных включений в вулканитах. 167
Петрография 168
Геохимия 171
К вопросу о генезисе шлировидных включений в вулканитах
и проблема смешения магм 177
2.2.4. Изотопная зональность 191
Sr - изотопная зональность 191
Nd - изотопная зональность 199
О - изотопная зональность 203
Ве-изотопная зональность 205
2.2.5. Зональность распределения глубинных включений в лавах 209
2.3. Природа зональности Курильской островной дуги и проблема
генезиса магм 213
Общие положения 213
Роль фундамента 216
Роль осадков 218
Гетерогенность мантии 222
Роль флюидов 223
Роль степени плавления 227
ГЛАВА 3. МАЛАЯ КУРИЛЬСКАЯ ГРЯДА
.229
3.1. Геолого-петрографический очерк 231
Матакотанская свита 233
Малокурильская свита 235
Ноторо-Томаринский комплекс 236
Зеленовская свита 237
Хаотический комплекс 238
3.2. Геохимия 238
3.2.1.Магматические образования северо-западной зоны островов Малой Курильской гряды (Матакотанская и Малокурильская свиты)...240
3.2.2.Магматические образования юго-восточной зоны островов
Малой Курильской гряды (Зеленовская свита, Ноторо-Томаринский
и хаотический комплексы) 272
3.2.3.Рудно-геохимическая специализация магматических
образований Малой Курильской гряды 292
3.3. Петролого-геохимическое сопоставление магматических
образований в пределах Малой Курильской гряды и других регионов,
сформированных в различных геодинамических обстановках.
Вопросы геодинамики Малокурильского региона 306
ГЛАВА 4. СТАНОВОЙ ХРЕБЕТ 314
4.1. Основные черты геологического строения и магматизма
Становой зоны 314
4.2. Геолого-петрографическая характеристика продуктов
позднемезозойского магматизма Станового хребта 318
4.2.1. Геолого-петрографическая характеристика позднемезозойских
плутонических образований Станового хребта 319
Гранитоидные массивы юго-восточной и центральной частей
Станового хребта 321
Мелкозернистые шлировидные включения в мезозойских гранитоидах
юго-восточной и центральной частей Станового хребта 325
Интрузивные гранитоиды северо-западной части Станового хребта
Чильчинский массив 330
Автохтонные гранитоиды северо-западной и центральной частей
Станового хребта, Дырын-Юряхский и Чубачинский массивы 333
4.2.2. Геолого-петрографическая характеристика позднемезозойских
вулканических образований Станового хребта 336
4.3. Геохимия и петрология позднемезозойских плутонических
образований Станового хребта 342
4.3.1. Геохимия гранитоидов 342
Геохимия гранитоидов юго-восточной и центральной частей
Станового хребта 342
Геохимия гранитоидов северо-западной части Станового хребта.
Чильчинский массив 364
Геохимия автохтонных гранитоидов северо-западной и центральной частей Станового хребта; Дырын-Юряхский и Чубачинский массивы...367
4.3.2. Состав и свойства породообразующих и акцессорных
минералов позднемезозойских гранитоидов Станового хребта 375
Макрокомпонентный состав породообразующих минералов
гранитоидов 378
Основные закономерности распределения редких элементов в
минералах позднемезозойских гранитоидов Станового хребта 394
Условия кристаллизации гранитоидов 399
Модели фракционирования гранитоидных магм 406
Геохимия изотопов Rb и Sr в породах и минералах плутонических образований Станового хребта 417
К вопросу о происхождении гранитоидных магм Станового хребта 427
4.4. Геохимические свойства позднемезозойских вулканических серий
Станового хребта, соотношение их с таковыми одновозрастных
плутонических образований того же региона 432
Петрохимия 432
Геохимия редких элементов 448
4.4.3. Причины появления эволюционных серий вулканических
образований Станового хребта 456
4.5. Шлировидные включения в гранитоидах 461
Состав пород 461
Состав минералов и условия кристаллизации шлировидных включений 471
Происхождение шлировидных включений в мезозойских гранитоидах Станового хребта. Проблема смешения контрастных магм 475
К вопросу о зарождении и эволюции позднемезозойского магматизма Станового хребта 482
Рудная специализация и потенциальная рудоносность мезозойских магматических образований Станового хребта 492
ГЛАВА 5. ГЕОХИМИЯ И ПЕТРОЛОГИЯ ФАНЕРОЗОЙСКИХ МАГМАТИЧЕСКИХ
ОБРАЗОВАНИЙ, РАЗЛИЧНЫЕ ГЕОДИНАМИЧЕСКИЕ ОБСТАНОВКИ
МАГМАТИЗМА И МАНТИЙНЫЙ ДИАПИРИЗМ 496
5.1. Петролого-геохимическая типизация магматических образований ос
новных типов структур фанерозойской магматической активности Земли..499
5.1.1. Базальты и базальтоиды 500
Геолого-петрографическая характеристика 500
Петролого-геохимическая типизация 504
5.1.2. Высоко- и среднекремнеземистые магматические образования... 513
К вопросу о модели геодинамики формирования различных фанерозойских тектоно-магматических структур Земли 519
Основные черты эволюции и причины тектоно-магматической деятельности в фанерозое Восточной Сибири и Тихоокеанского подвижного пояса 543
Сибирская платформа и Центрально-Азиатский пояс 543
Тихоокеанский подвижный пояс 548
5.4. К проблеме мантийного диапиризма, магматизма и эволюции Земли
в фанерозойский период 554
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 560
ЛИТЕРАТУРА
Введение к работе
Актуальность проблемы. Как хорошо известно [Кузьмин, 1985 и др.], молодые кайнозойские магматические пояса Земли обычно располагаются либо в типичных рифтовых зонах океанов и континентов, либо на активных окраинах континентов, включающих островные дуги. Последние из них характеризуются проявлением в продуктах магматизма поперечной вещественной зональности, наиболее наглядно выражающейся в увеличении щелочности (калиевости) пород в направлении континента, и с позиций теории плейт-мобилизма интерпретируются как зоны сочленения океанических и континентальных литосферных плит. Для ряда таких поясов доказывается генетическая связь эффузивных и интрузивных образований, и некоторые исследователи считают последние корнями вулканических дуг [Dickinson, 1970]. Внутри континентов также проявлено множество крупных вулканических и вулкано-плутонических поясов. По большей мере они более древнего возраста, и их нередко относят к тем, чья тектоно-магматическая история далеко не всегда ясна и требует всестороннего изучения. При этом, что очень важно, у исследователей до сих пор не сложилось единого мнения и по поводу происхождения магматизма в пределах активных континентальных окраин и островных дуг, что выражается в современной науке далеко не мирным (особенно в настоящее время) сосуществованием по данному вопросу таких резко отличных парадигм как плейт-мобилистической и расширяющейся Земли (а также «геосинклинальной», «мантийного диапиризма», «плюмовой», «пульсационной», гипотезы "катастрофизма" и др.). Соответственно, склонение исследователей в ту или иную сторону постоянно происходит по мере все большего накопления и осмысления информации по вопросам эволюции магматизма в пределах Земли и, в том числе, самой эволюции Земли как планеты в космическом пространстве. Конечно, все это невозможно сделать без детальнейшего всестороннего исследования и сопоставления особенностей динамики магматизма и его продуктов в различных регионах Земли, чего к настоящему времени сделано еще явно недостаточно и весьма актуально. Именно частью этой работы и является представленное здесь комплексное сопоставление ~ 50 самых разнообразных районов фанерозойской тектоно-магматической активности Восточной Сибири, Дальнего Востока и всего Тихоокеанского региона, включая детальную геологическую и петролого-геохимическую характеристику магматизма таких изученных нами крупнейших регионов мезо-кайнозойского магматизма мира и России, как вулканическая островная дуга Малых и Больших Курил, а также внутриконтинентальный вулкано-плутонический пояс Станового хребта по южному обрамлению Алданского щита.
К этому важно добавить, что если магматические процессы в различных
структурах с позиций наиболее признаваемой в настоящее время плейт- мобилистиче-ской теории сейчас уже весьма широко рассмотрены, то в перспективе наиболее актуальным является их рассмотрение и с позиций других важнейших, но недостаточно разработанных теорий. Особенно это касается теории «мантийного диапиризма», которая сейчас приобретает всё большее число сторонников. Именно эта теория и стала базовой для интерпретации всей рассмотренной геологической информации в предлагаемой работе. Очевидно, эта работа является весьма актуальной и с позиции основ регионального геохимического анализа магматизма регионов, что имеет принципиальное значение для разработки принципов и методологии геохимического картирования, прогноза и оценки рудоносности магматических пород.
Цель и задачи исследования. Главной целью предлагаемого исследования является выявление причин зарождения и различной эволюции магматизма в самых разнообразных структурных зонах (геодинамических обстановках) Земли на примере крупнейших территорий фанерозойской тектоно-магматической активности Восточной Сибири, Дальнего Востока и всего Тихоокеанского региона с его обрамлением. В тоже время очевидно, что наиболее фундаментальными подобные исследования в настоящее время могут стать лишь в том случае, если они будут проводиться при детальном изучении и сопоставлении не только каких-то небольших ("простых") регионов с ограниченным развитием магматических процессов соответствующего возраста, но прежде всего - достаточно крупных, вплоть до глобальных «модельных» геологических структур или поясов с соответствующим разнообразно и длительно развивающимся магматизмом. На наш взгляд полностью удовлетворяют этим требованиям такие весьма крупные и сложные "модельные" мезо-кайнозойские тектоно- магматические структуры мира как Курильская островная дуга (включая Малокурильскую гряду) и Становой хребет (южное обрамление Алданского щита), детально изучавшиеся нами в рамках общеинститутской тематики и ставшие основой предлагаемой работы.
Здесь же отметим, что всеми исследователями, использующими в своей работе целый комплекс геологических методов, признается огромное значение петроло-го- геохимических данных по магматическим породам активных зон Земли. Именно они совершенно необходимы для идентификации типов магматических пород, возникающих в различных геодинамических обстановках и в максимальной степени отражающих их природу. В тоже время всеми признается явный недостаток этих данных не только для многих, но нередко даже для хорошо изученных «модельных» регионов магматизма мира. Соответственно, с учетом значительной аналитической базы и геологической направленности исследований Института геохимии, где работает автор предлагаемой работы, основным методологическим подходом к решению поставленной це-
ли в ней (с максимальным учетом других геологических подходов) являются петроло-го-геохимические исследования магматических пород.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Сбор и обобщение геологической и геофизической информации по всем исследуемым регионам (по оригинальным, литературным и отчетным данным).
Детальная петрографическая, минералогическая, петрологическая и геохимическая (более чем на 54 элемента) типизация составов пород всего комплекса разновозрастных плутонических и вулканических образований, опробованных нами в пределах хорошо изученных "модельных" регионов (с использованием компьютерного банка данных и прикладного программного обеспечения).
Выявление закономерностей пространственно-структурного распределения (зональности) различных по составу магматических образований в "модельных" регионах.
Определение источников магматического вещества и уточнение геохронологии магматических событий в "модельных" регионах на основе К/Аг, Rb/Sr и др. изотопных систем.
Создание новых геохимических карт и схем регионов.
Оценка потенциальной рудоносности регионов.
7. Геохимическое сопоставление составов продуктов магматизма исследованных
регионов между собой и со всеми основными типами магматических образований мира,
сформированных в самых различных геодинамических обстановках в разное время.
8. С современных геодинамических позиций построение моделей происхождения и
эволюции магматизма как модельных регионов, так и всех рассмотренных территорий.
Фактический материал и методы исследования. Работа основана на опыте более 25-летних личных исследований геологии, петрографии, минералогии и геохимии магматических образований в различных частях России и прежде всего в таких крупнейших регионах магматизма как Становой хребет (по южному обрамлению Алданского щита) и островная дуга Больших и Малых Курил.
Основной материал по магматизму Станового хребта был собран автором (частично вместе с М.И.Кузьминым) в период 1973-1982 г. г. в ходе работ с геологами различных партий экспедиции N2 Всесоюзного Аэрогеологического треста. По данной теме в работе использовано ~ 500 химических и квантометрических силикатных анализов всей ассоциации интрузивных и эффузивных пород, а также -200 породообразующих и акцессорных минералов гранитоидов (кали-натровых полевых шпатов - ~60, плагиоклазов - 25, биотитов - 43, амфиболов - 25, магнетитов - 25 и сфенов - 7). Кроме того, в работе использовано более 35 определений К-Аг абсолютного возраста гранитоидов и ~ 40 определений изотопного состава Rb и Sr в гранитоидах региона (как в поро-
дах, так и минералах) с построением соответствующих возрастных изохрон, а также >15 тысяч количественных элементоопредепений по исследованным породам и минералам на 33 редких и рудных элемента среди которых Li, Rb,Cs, В, F, Be, Ва, Sr, Sn, Zn, Pb, Ni, Co, Cr, V, Cu, (Mo, W, Nb, Та, Zr, Hf, Au и >60 полных спектров РЗЭ. При этом, для 14 редких элементов в большинстве основных разновидностей гранитоидов региона были подсчитаны их мономинеральные балансы.
Материал по Большой Курильской гряде был собран в ходе 7 рейсов Научно- исследовательского судна (НИС) Вулканолог (1983-1987) коллективом исследователей в составе комплексной экспедиции Институтов вулканологии ДВНЦ АН СССР, геохимии СО АН СССР и ИГЕМ АН СССР (под руководством Г. П. Авдейко), где одним из главных исполнителей был автор данной работы.
По результатам исследования Большой Курильской гряды составлен каталог её 97 подводных вулканов и гор, где дано систематическое описание их морфологии, строения и магнитного поля, а также петрографическое и геохимическое описание драгированных с них вулканических пород. При геохимической характеристике этих вулканитов (а также пород значительного числа наземных вулканов региона) использовано ~ 1100 новых полных силикатных анализов, а также ~1000 определений в пробах 38 редких элементов: Rb, Li, Ва, Sr, V, Cr, Ni, Co, Cu, Zn; ~ 650 - Be, B, F; 350 - W; 320 -Au; > 240 - Mo, Sn, Pb; > 290 - U, Th; ~ 160 - Nb, Та, Zr, Hf; 69 - Ag, Ge; 39 - Ga; 135 -полных спектров РЗЭ. Анализы равномерно распределены по 3-м группам пород: базальты, андезито-базальты и андезиты. Доля кислых пород среди них заметно меньшая.
Химический состав минералов в лавах охарактеризован более, чем 2000 микрозондовых определений. В работе использовано 220 анализов изотопного состава Sr и 28 - Nd. 66 анализов Sr и все - Nd выполнены по материалам данных работ.
Материал по островам Малой Курильской гряды был собран автором в 1989-1990 годах в составе комплексного тематического отряда Институтов океанологии АН СССР (группа Л. П. Зоненшайна) и геохимии СО АН СССР. Для геохимической типизации ~200 новых проб из большинства разностей вулканитов региона (включая для сопоставления представительное количество пород, интенсивно измененных вторичными процессами) были проанализированы на набор главных и широкий спектр вышеотмеченных редких элементов (-30), включая >60 полных спектров РЗЭ.
Весь объем аналитических работ по определению составов пород и минералов (в том числе некоторых структурных параметров последних) Станового хребта и Малой Курильской гряды, а также почти все анализы по породам Большой Курильской гряды выполнены сотрудниками аналитических лабораторий Института геохимии СО РАН СССР (АН СССР) им. А. П. Виноградова. Для определения силикатного состава тех или иных образований использовались химический и рентгено-спектральный (кван-
тометрический) методы, для количественного определения микроконцентраций редких и рудных элементов - пламенно- фотометрический, атомно-эмиссионный (спектральный) и атомно-абсорбционный методы, а также атомно-эмиссионный метод с предварительным химическим обогащением (W, Nb, Та, Zr, Hf, РЗЭ). Характеристика методик определения редких элементов и список ведущих аналитиков приводится в таблице 1.
Состав минералов из вулканитов Большой Курильской гряды определялся с помощью рентгеновских микроанализатров САМЕВАХ (ИВ ДВО АН СССР) и "САМ-ЕСА MS-46" (ИГЕМ АН СССР). Изотопный состав Sr и Nd определялся в основном в изотопной лаборатории ИГЕМ.
Научная новизна. Диссертация построена преимущественно на оригинальном фактическом материале, изученном и опубликованном автором. При этом, она является первым обобщением и наиболее полной сводкой материалов по петрографии, минералогии, петрологии и геохимии, включая изотопную, широкой ассоциации мезо-кайнозойских плутонических и вулканических образований Станового хребта.
По результатам детальных комплексных исследований, проведенных в 7 рейсах НИС "Вулканолог", впервые составлен каталог 97 подводных вулканов и гор Курильской островной дуги, включающий их подробное геолого-структурное описание с петрографической и геохимической характеристикой слагающих их пород [Подводный вулканизм ..., 1992]. На новом уровне произведен анализ всего обширного комплекса оригинальных и литературных геолого-геохимических данных по островной дуге Малых и Больших Курил.
Обоснована общая концептуальная "диапировая" модель магмообразования в пределах рассмотренных регионов магматизма, которую можно перенести на большинство таковых в мире, и которая в максимальной степени соответствует теории расширяющейся Земли.
Практическая значимость работы. Проведенные петролого- геохимические исследования магматических образований важны для решения вопросов происхождения и эволюции тектоно-магматических структур мира, проблем рудной специализации различных магм, целей геологического и геохимического картирования и т.д..
Публикации и апробация работы. По теме диссертации опубликованы 1 коллективная монография (где автор является одним из ведущих) и 43 статьи преимущественно в центральных российских и зарубежных журналах и сборниках.
Кроме того, основные положения работы докладывались и обсуждались на более, чем 10 различных региональных, всесоюзных и международных совещаниях и симпозиумах (что зафиксировано в виде соответствующих докладов и тезисов), а именно, на Международном симпозиуме "Строение и динамика переходных зон" (Со-
Таблица 1. Параметры аналитических методик, использованные для определения содержаний редких элементов и фтора.
чи, 1985), на Ассамблее МГТС (Гамбург, 1983), на Тихоокеанской школе по морской геологии и геофизике (Владивосток, 1985), на VI Всесоюзном вулканологическом совещании "Вулканизм и связанные с ним процессы" (Петропавловск-Камчатский, 1985), на III съезде советских океанологов (Ленинград, 1987), на Геохимическом семинаре в Институте геохимии АН СССР (Москва, 1990), на 4-м Международном совещании по тектонике литосферных плит (Москва- Звенигород, 1995), на Всесоюзном петрографическом совещании (Уфа, 1995), на конференции "Российский фонд фундаментальных исследований в Сибирском регионе" (Геодинамика и эволюция Земли, Новосибирск, 1996), на III Международной конференции "Новые идеи в науках о Земле" (Москва, 1997), на Всероссийском совещании "Гранитоидные вулкано-плутонические ассоциации. Петрология, геодинамика, металлогения" (Сыктывкар, 1997), на II Всероссийском металлогеническом Совещании "Металлогения, нефтегазоносность и геодинамика Се-веро-Азиатского кратона и разновозрастных орогенных поясов его обрамления (Иркутск, 1998), на научных чтениях, посвященных памяти М. Н. Захарова «Геохимия и петрология магматических процессов» (Иркутск, 2002).
Работа выполнена в лаборатории Региональной геохимии Института геохимии СО РАН им. А. П. Виноградова. При этом, исследования велись в тесном контакте с коллегами этого и других академических институтов, а также МинГео России. Так, в отношении работ по Становому хребту это прежде всего относится к директору Института геохимии академику Л. В. Таусону, руководителю лаборатории Региональной геохимии М. И. Кузьмину (впоследствии директору института) и сотрудникам его лаборатории П. В. Ковалю, Н. В. Владыкину, А. Г. Горегляду, А. Н. Лызину, В. И. Заикину, А. Б. Перепелову и др.. Кроме того, детальные полевые геохимические исследования в столь труднодоступной для изучения местности были бы невозможны без огромной практической помощи сотрудников различных партий Московской геолого-съемочной экспедиции N2 ВНПО Космоаэрогеология, с которыми проводил свои работы Зейский тематический отряд, начальником которого был автор. Всем им и в особенности В. И. Колесникову, Н. Н. Лаврович, Ш. Л. Абрамовичу, Е. А. Синцеровой, А. А. Ельянову, Е. Н. Цеймаху, Ф. Д. Левину и др. автор выражает свою особую признательность.
В пределах Большой Курильской гряды исследования проводились также в тесном контакте с большим коллективом коллег, к которым прежде всего относятся руководитель экспедиции Г. П. Авдейко и О. Н. Волынец, а также - В. И. Бондаренко, В. А. Рашидов, Л. В. Черткова, Г. М. Гавриленко, В. А. Дубровский, В. А. Сергеев, И. А. Марков, А. П. Сазонов, А. М. Надежный, А. А. Цветков, Н. Г. Гладков, В. С. Григорьев и др. В районе Малых Курил работы велись совместно с Л. П. Зоненшайном, М. В. Кононовым, Б. Г. Голионко и др.. Всем им автор также глубоко признателен за практическую помощь и полезные советы.
