Введение к работе
Актуальность проблемы. Окраинные моря являются важным элементом зоны перехода от Азиатского континента к Тихому океану, данные о геологическом строении которых дают представление о связи морских и континентальных структур, истории развития и направленности процесса формирования и преобразования земной коры. В геологии окраинных морен имеется целый ряд дискуссионых вопросов, в частности, проблемы происхождения впадин краевых морей, времени их формирования, состава и характера земной коры, на которых закладовались и развивались структуры этих морей.
Важнейшим направлением в решении этих вопросов является изучение магматических и метаморфических процесов, как основных показателей энергетической активности земных недр, формирующей главные тектонические элементы зоны перехода. Метаморфические породы являются чутким индикатором изменения геодинамического режима в блоках земной коры. Данные о их исходном составе и условиях образования необходимы для разработки геодинамической модели зоны перехода, также как и определение природы гранитоидов окраинных морей.
Ранее представления о закономерностях развития магматических и метаморфических процессов зоны перехода базировались, прежде всего, на данных, полученных по ее континентальным структурам (окраина континента, островные дуги) с однотипным разрезом континентальной коры. Геологические материалы, полученные в последние десятилетия по зоне перехода, включая драгирование и глубоководное бурение в окраинных морях показали, что в строении дна этих морей принимают участие разновозрастные структуры с различным составом (сиалическим и мафическим) и степенью зрелости земной коры, что делает их уникальным объектом для определения зависимости петрогеохимического состава магматических и метаморфических пород от состава, мощности и строения земной коры, а также определения роли процессов магматизма и метаморфизма в формировании морских структур.
Предлагаемая работа, посвященная характеристике метаморфических и гранитоидных образований морского дна, существенно дополняет представ-пение о геологическом строении зоны перехода, является надёжной основой для разработки геодинамических моделей этой зоны и определения генетической природы окраинных морей, чем и определяется её актуальность.
Цели и задачи исследований. Целью работы является изучение петрогео-(имических особенностей гранитоидов и метаморфических пород окраинных чорей Тихого океана, определение условий их образования для выяснения '.індикаторної! роли интрузивного магматизма и метаморфизма при реконструкции процессов формирования впадин этих морей. В задачи исследований зходнло: 1 - определение типов разновозрастных метаморфических комплек-:ов, особенностей их вещественного состава и условии образования: 2 - выя-:нение путей эволюции метаморфизма в процессе становления структур ок-іаинньїх морей; 3 - проведение типизации гранитоидов окраинных морей и определение их генетической природы; 4 - выяснение зависимости состава ранитондов от строения земной коры, содержащих их структур.
Научная новизна работы. 1. Впервые для окраинных морей Тихого океана проведена систематизация метаморфических образований и гранитондов до-кембрийского, палеозойского, мезозойского и кайнозойского возрастов. Охарактеризован химический состав пород и породообразующих минералов их геохимия и приведены данные определения радиоизотопного возраста.
2 Установлены различия в характере метаморфизма докембрийских и фа-нерозойских комплексов. В докембрии проявлен широкозональный, высокотемпературный региональный метаморфизм амфиболитовой и эпидот- амфи-болитовой фации (Т - 560-670G, Р - 5,5-7,0 кбар). Преобразования фанеро-зойских пород происходили в низкотемпературных (350-500 С) условиях зеленосланцевой, эшщот-амфиболитовой или глаукофансланцевой фации (Р - 9,5 кбар), главным образом, в узких в линейно-вытянутых зонах сжатия и отличались поясово-зональным и поясовым характером метаморфизма.
-
Определена природа разновозрастных гранитоидов, которые объединены в три генетических класса: ультраметаморфогенные, палингенные и производные андезитовой и толеитовой магмы, подразделяющиеся на несколько геохимических типов. Выделены формационные типы анатектоидных гранитов, гранитных батолитов, гранодиорит-гранитные, габбро-гранитные и габбро- п лагиогранитн ые.
-
Выявлены условия образования метаморфических и интрузивных пород, установлена зависимость их петрогеохимического состава от состава, мощности, строения земной коры вмещающих их структур, что позволяет использовать эти образования для решения геодинамических задач - определения направленности развития и характера преобразования земной корь впадин окраинных морей.
Фактический материал и методы исследований. Основой для выполненш поставленных задач послужил материал, собранный автором за двадцатилет ний период (с 1973 года) изучения геологии морского дна непосредственж при морских экспедиционных работах (18 рейсов на научно-исследовательс ких судах). Были использованы также материалы экспедиций, в которых ав тор не принимал непосредственного участия (экспедиции под руководствол И.И. Берсенева, Б.И. Васильева, Ю.Б. Евланова, Ю.С. Липкина, И.К.Пущи на), но обрабатывал материал по магматическим и метаморфическим поро дам, а также литературные данные по геологии и геофизике окраинных мо рей советских и зарубежных исследователей (рис.1). В качестве сравнитель ного материала использовались данные автора, полученные при геологосъ емочных работах в Приморье и геологических экскурсиях в Корее. В работ учитывались и анализировались все факторы, касающиеся геолого-геофичес кого строения и истории развития окраинных морей. Но основное вниманн было уделено изучению вещественного состава интрузивных и метаморфи ческих образований с широким использованием данных по химическом составу пород и отдельных породообразующих минералов, геохимии, радис изотопным определениям возраста, рентгеноструктурных исследований и И - спектроскопии минералов. Подавляющее количество анализов получены п
Рис. 1. Схема расположения метаморфических пород и гранитоидов: 1-Ю - места выходов метаморфических пород различньгх фаций метаморфизма разновозрастных комплексов: 1 - амфиболитовой, архей - раннепроте-розойского, 2 - эпидот-амфиболитовой, позднепротерозойского, 3-6 - нерас-члененной эпидот-амфиболитовой и зеленосланцевой: 3 - средне - позднепалеозойского, 4 - позднепалеозойского - раннемезозойского, 5 - мезозойского, 6 - палеоген - неогенового, 7 - глаукофансланцевой позднепалеозойского, 8-10 - зеленосланцевой: 8 - средне - позднепалеозойского, 9 - позднепалеозойского - раннемезозойского, 10 - палеоген - неогенового; 11-21 -места выходов гранитоидов различных генетических типов разновозрастных комплексов: 11 - ультраметаморфогенного, архей - раннепротерозойского, 12-14 - па-лингенного: 12 - среднепалеозойского, 13 - раннемелового, 14 - позднемело-вого, 15-19 - дифференциаты андезитовой магмы: 15 - позднепротерозойского, 16 - позднепалеозойского, 17 - юрского, 18 - мелового, 19 - третичного, 20-21 - дифференциаты толеитовой магмы: 20 - позднемезозойского, 21 -кайнозойского.
материалам автора. Вещественный состав пород изучался с целью определения исходного состава и условий образования разновозрастных комплексов, что в отдельных случаях, позволило однозначно решить проблему направленности развития земной коры (деструктивной или корообразующей) в процессе формирования структур окраинных морей.
Практическая ценность работы Установлено, что тектоническая позиция и состав фундамента оказывают влияние на состав базальтоидного магматизма. В частности в Японском море, в пределах жестких сиалических блоков земной коры древнего (докембрийского) заложения формировались субщелочные и щелочные вулканиты, с которыми ассоциируют проявления фосфоритов и железомарганцевых корок и конкреций. Условия формирования магматических (вулканогенных) комплексов дают представления не только о направленности тектонических процессов, но позволяют судить о палеогеографической и палеотектонической обстановке, раскрывающей условия формирования морских неогеновых отложений осадочного чехла, к которым приурочены многочисленные фосфатопроявления в Японском море. Кроме того, некоторые гранитоидные массивы Корейского полуострова и их подводное продолжение на дне Японского моря являются источниками ряда полезных компонентов (монацит, циркон, золото и др.) формирующих древние береговые россыпи, опущенные в настоящее время на 10-20 м при эвста-тических колебаниях уровня моря.
Все это позволяет использовать данные по геологическому строению фундамента для перспективной оценки морского дна на россыпные и твердые полезные ископаемые.
Практическое значение исследований реализовано также в составлении Геологической карты дна Японского моря м-ба 1:2 500 000 (1987) под редакцией И.И. Берсенева, в составлении которой автор принимал участие, а также данные автора использованы в карте Нефтегазоносности Дальнего Востока м-ба 1:1 000 000 под редакцией Ю.А. Косыгина (1988) и Атласе палео-шельфов Евразии, Япономорский регион, м-б 1:5 000 000 (1992).
Основные защищаемые положения. 1. Докембрийские породы западной и центральной части Японского моря являются подводным продолжением Си-но-Корейского массива и представляют собой образования широкозонального, высокотемпературного метаморфизма умеренноглубинных зон (Т -560-670 С, Р - 5,5-7,0 кбар - возвышенности Криштофовича, Восточно-Корейская; Т - 550 С, Р - 4,0 кбар - Ямато) с широким проявлением процессов анатексиса, мигматизации и образованием ультаметорфогенных гранитоидов. Современные выходы "габброидов" в Южном Приморье, докембрийских пород на возвышенности Ямато и гнейсов Хида в Японии определяют восточную границу протерозойского сиалического фундамента япономорского региона , на котором закладывались фанерозойские структуры.
2. В фанерозое произошло изменение геотермической активности подвижных зон. В этот период метаморфизм происходил в основном в линейно-вытянутых зонах, имел поясово-зональный и поясовой характер и отличался
низкотемпературным (350-500С) преобразованием пород, главным образом, первично островодужных или океанических базальтоидов в зелёпосланпевои (Р - 3-4 кбар), эпидот - амфиболитовоіі (Р - 5-6 кбар) и глаукофанслаїшевоіі фации высокого давления (Р - 9,5 кбар, Восточно - Китайского моря). Важную роль в преобразовании пород играло давление, связанное с горизонтальным перемещением блоков земной коры на границе континент-океан. Компенсация тангенциального сжатия в линейно-вытянутых зонах приводила к увеличению мощности океанической коры путем ее скучивання, что сопровождалось метаморфизмом пород, появлением магматических расплавов и внедрением габбро-плагиогранитных интрузий. Образованием аккреционных линз (зон скучивання) можно объяснить поглощение и преобразование вещества фронтальной части океанической плиты при ее горизонтальном продвижении из зон спрединга без привлечения механизма погружения (суб-дукцин) океанической плиты под континентальную окраину. Изменение возраста метаморфических пород от континента (355, 270 млн. лет, Японское, Восточно - Китайское море) к океану (до 20 млн.лет, желоб Яп, Филиппинское море) указывает на последовательное пространственное и временное перемещение линейных зон сжатия. Каждая, более древняя (западная), зона представляет собой жесткую структуру, консолидированную в результате метаморфизма и внедрения гранитоидов. Это приводило к формированию более молодой зоны скучивання, выдвинутой в сторону океана, путем заложения глубинных разломов и прогибов внутри плиты, к появлению горизонтальных срывов в коре и на её границе с мантией и активному вулканизму.
3. Разновозрастные гранитоиды окраинных морей объединены в три генетических класса: ультраметаморфогенные, палингенные и производные анде-зитовой и толеитовой магмы, которые подразделяются на несколько геохимических типов. Ультраметаморфогенные граниты развиты в составе архей-раннепротерозойского метаморфического комплекса. Среди палингенных гранитов, развитых в структурах с сиалической корой в Японском море выделяются породы известкого - щелочного типа, представленные абиссальными гранитами среднепалеозойского комплекса, и плюмазитого типа, к которым отнесены шпабиссальные позднемеловые граниты материкового склона Приморья. Производные андезитовой магмы в Японском море представлены гранитоидами позднепротерозойского, позднепалеозойского и поз-днемелового комплексов возвышенности Ямато. В Охотском море - это все интрузии юрского и мелового комплексов, а в Восточно-Китайском - третичного комплекса. К производным толеитовой магмы, известным только в Филиппинском море, относятся породы мезозойского и кайнозойского комплексов. Выявленная зависимость петрогеохимического состава гранитоидов от состава, мощности и строения земной коры вмещающих их структур позволяет использовать гранитоиды для решения геодинамических задач - выяснения направленности развития и характера преобразования земной коры впадин окраинных морей.
-
В структурах окраинных морей установлена гомодромная направленность гранитоидного магматизма во времени, которая проявляется в возрастании роли кислых дифференциатов в магматическом процессе, обогащенных Si,K,Rb,Ba от древних комплексов к молодым. В Филиппинском море, например, на хребте Кюсю-Палау прослеживается последовательное изменение состава гранитоидов во времени: мезозойские гранитоиды производные океанической толеитовой магмы сменяются производными островодужной толеитовой магмы (кайнозойский комплекс, 48,5; 42,6 млн. лет) и поздне-олигоценовыми гранитоидами производными известково - щелочной магмы. В Японском море при этом наблюдается смена разноглубинного магматизма во времени: от глубинного (абиссального) архей-раннепротерозойского и среднепалеозойского к мезоабиссальному позднепалеозойскому и раннеме-ловому до гипабиссального позднемелового.
-
Метаморфизм и магматизм наряду с тектоническими движениями являются важными элементами геологического процесса, приводящего к наращиванию и преобразованию (континентализации) земной коры, которая впоследствии подвергается деструкции, сопровождающей образование впадин окраинных морей. Степень его завершенности зависит от длительности и цикличности геологического развития отдельных структур. Наиболее глубокие преобразования произошли в структурах, на которых впоследствии заложилась впадина Японского моря. Здесь начиная с докембрия формировалась мощная сиалическая кора. В Филиппинском море смена составов гранитоидов (от мезозойских к позднеолигоценовым ), установленная на хребте Кюсю-Палау, также отражает аналогичную эволюционную направленность развития земной коры, но сохранение мафического характера коры этой островной дуги связано с непродолжительностью (поздний мезозой -кайнозой) её геологического развития. В Японском море в этот период происходила деструкция сиалической коры, связанная с формированием его впадины, что доказывается несоответствием современной мощности земной коры крупных подводных возвышенностей, установленной по геофизическим данным (20-26 км) с мощностью коры (30-35 км) на период формирования докембрийских метаморфических комплексов, абиссальных и мезоабис-сальньгх гранитов.
Апробация работы. По теме диссертации опубликовано более 100 работ, в том числе, четыре монографии и издана "Геологическая карта дна Японского моря" м-ба 1:2 500 000. Результаты исследований докладывались на Международных съездах и симпозиумах: на 14 Тихоокеанском научном конгрессе (Хабаровск, 1979 г.), 27 и 29 Международном геологическом конгрессе (Мос-ква,1984 г., Киото, 1992 т.). "Строение и динамика переходных зон" (Сочи, 1983 г.), 5 и 6-советско-японских симпозиумах (Хабаровск, 1985 г., Токио, 1988 г.), l-lV-советско-китайских симпозиумах (Находка ,1987 г., Пекин, 1988 г., Владивосток, 1990 г., Циндао, 1991 г.), на рабочем совещании проекта ВЕСТПАК (Токио, 1980 г.) "Гранитоиды и геодинамика" (Москва,1991 г.) на Всесоюзных совещаниях: 5-петрографическом совещании (Алма-Ата, 1976
г.), 1,2 и 3 съездах советских океанологов (Москва, 1977 г., Ялта, 1982 г., Ленинград, 1987 г.), 7-Всесоюзноіі школе по морскоіі геологии (г.Геленджик, 1986). "Минеральные преобразования океанической коры" (Звенигород, 1979 г.), "Магматические и метаморфические породы дна океана и их генезис" (Москва, 1980), "Тектоника Сибири и Дальнего Востока" (Южно-Сахалинск, 1985); на региональных совещаниях: 3-4 Дальневосточном петрографическом совещании (Хабаровск, 1981, Южно-Сахалинск, 1988 г.), 1,2,3 Тихоокеанских школах по морской геологии и геофизике (Владивосток, 1983, 1987, Южно-Сахалинск, 1985).
Большое значение для выполнения работы имели творческая обстановка и постоянная поддержка со стороны руководство института - академика В.И. Ильичева, д.ф.-м.н. А.В. Алексеева, обсуждения и консультации с Н.П. Васи-льковским, И.И. Берсеневым, М.А. Мишкиным, О.В. Авченко, С.А. Щекой, И.Н. Говоровым, Г.Б. Ферштатером, И.А. Тарариным, Т.И. Фроловой, Б.Я. Карпом, Р.Г. Кулиничем, Р.А. Октябрьским, С.С. Зиминым, С.А. Коренбау-мом, П.Г. Недашковским.
Автор благодарен своим коллегам по работе: И.И. Берсеневу, А.Н. Маля-ренко, Е.П. Терехову, В.Т. Съедину, В.Л. Безверхнему, А.Г. Аблаеву, А.И. Свишшникову, Ю.И. Коновалову, Г.А. Крайникову, И.Н. Якушевевой, Ю.Б. Евланову, И.К. Пущину за помощь в сборе и обработке материалов, а также В.А. Кондратенко, Е.В. Анниной, Т.А. Емельяновой и другим, способствующим выполнению и оформлению работ по теме исследований.
Ниже в тексте доклада приняты следующие сокращения: Р1 - плагиоклаз, АЬ - альбит, Ан - анортит, Or - калиевый полевой шпат, Mi - микроклин, НЬ - амфибол, Акт - актинолит, And - андалузит, Ар - апатит, Bi - биотит, Gr -гранат, Q - кварц, Cz - клиноцоизит, Ми - мусковит, Mt - магнетит, Рх - пироксен, Ршп - пумпеллеит, Ser - серицит, Chi - хлорит, Ер - эпидот, Са -
кальцит; f —; 100% - общая железистость пород и минералов;
Fe + Mg Са + Mg
железистость метаморфических пород: < 0,3 - низкая, 0,3 - 1 - умеренная, >
1 - высокая; - глиноземистость метаморфических пород: <
Na + K + Ca + Mg
0,8 - низкая, 0,8 - 1,1 - умеренная, > 1,1 - высокая (Мишкин, 1984);
Са + Klg + Fe . »_„, Са ,„„w
100% - основность, — ^- 100% - кальциевость,
Са + Mg + Fe+Al Ca + Mg + Fe
100% - щелочность, 100% - калиевость гранитоидов
Na + K + Al Na + K
(Коренбаум, 1975).
Краевые моря западной Пацифики различаются между собой, прежде всего, типом и составом земной коры, строением и возрастом пород складчатого фундамента. Наиболее контрастными по своему строению являются Японское море, которое формировалось на сиалической коре древнего докембрийского заложения и Филиппинское море, структуры которого формировались на молодой (мезозойской) океанической коре.
В Японском море прослеживается продолжение древних береговых структур на морском дне, которые были вовлечены в активные мезо - кайнозо-зойские движения, связанные с формированием его впадины.
Восточно-Китайское море сходно по своему строению с Японским. Здесь выделяется обширный шельф с корой континентального типа мощностью 30-32 км, в пределах которого прслеживаются структуры прилегающего континента, перекрытые мощным осадочным чехлом (2-6 км). Новообразованная кора сокращённой мощности наблюдается в рифтогенном троге Окинава, в пределах которого продолжаются структуры Японской островной дуги.
Структуры Охотского моря закладовались на фундаменте эвгеосинкли-нального типа, в строении которого не обнаружены образования древнего докембрийского возраста. Для его подводных возвышенностей характерна "субконтинентальная" кора сокращеннной мощности (до 20 км) с трёхчленным строением, промежуточный слой в которой сложен палеозойско - мезозойскими породами близкими по составу современным островодужным комплексам. Отличительной особенностью Охотского моря является наличие мощного до 8 км чехла мезо - кайнозойских отложений, выполняющих впадины, желоба и прогибы.
В Филиппинском море отмечается маломощная кора океанического типа с характерной незначительной мощностью (100-150 м) первого осадочного слоя и преобладанием магматических пород в строении второго и третего слоев земной коры. Состав известных магматических и метаморфических пород свидетельствует о мафическом характере фундамента всех изученных морфоструктур этого моря.
Таким образом в геологическом строении каждого из изученных морей (Японского, Охотского, Восточно-Китайского и Филиппинского) имеются специфические особенности и характеристика магматических и метаморфических комплексов будет дана по каждому морю отдельно.
При этом, основные метаморфические процессы и внедрение гранитоидов в структурах этих морей протекали в значительно более ранний период, чем формирование их впадин в современном виде. И поэтому термин окраинное море имеет прежде всего географическое понятие, как бассейн расположенный между материком и океаном и отделённый от последнего островами, полуостровами и подводными возвышенностями. Их современная конфигурация сформировалась в миоцен - голоценовое время.
Изучение геологического строения окраинных морей имеет многолетнюю историю, однако многие проблемы до сих пор остаются дискуссиоными, это, в частности, вопросы происхождения впадин краевых морей, времени их формирования, состава и характера земной коры, на которых закладопались и развивались структуры этих морей.
Наиболее контрасные точки зрения на природу окраинных морей высказывались В.В. Белоусовым (1960, 1962, I96S), который рассматривал их образование на первичной континентальной коре с последующим опусканием материковой суши и уничтожением "гранитного" слоя коры процессами "базификации" и Н.П. Васильковским (1960, 1964, 1968, 1973, 1978) о впадинах морей, как об остаточных депрессионных структурах окраины океанического ложа, отделившихся от Тихого океана в процессе геоантиклинально-орогенного развития островных дуг. Последняя гипотеза основывается на представлениях А.Д. Архангельского (1947) на восточноазиатские окраинные моря, как на современные энсиматические геосинклинали. Согласно первой - деструкдионной гипотезе - предполагается образование впадин краевых морей в мезо - кайнозойское время, а с позиции реликтовой эпиокеаническои природы, начало их образоания "отодвигается в глуб геологических времён," в частности, для Японского моря допускается начало преобразования океанической коры с докембрия.
Кроме того существуют гипотезы о происхождении краевых морей всле-дствии рифтогенного раздвижения земной коры, связанного с субдукцией плит океанической литосферы под окраину Азиатского континента по сей-смофокальной зоне Заварицкого - Беньофа (Кариг, 1974, Ludwig et.al., 1966, Uyeda, 1973), либо с внедрением мантийного диапира (Кропоткин, 1971, Ханн, 1973, Белоусов, 1975, Милановский, 1976, Берсенев, 1987, Перчук, 1987). Автор в настоящей работе придерживается представления о рифтсь генном происхождении окраинних морей, связанном с внедрением мантийного диапира.
Появление новых геолого - геофизических данных, изучение вещественного состава пород складчатого и акустического фундамента морского дна позволяет более дифференцировано подходить к решению проблемы времени заложения и истории развития отдельных структур различных морей, однако не позволяет однозначно решать некоторые вопросов. В частности, Т.И. Фролова с соавторами (1989) рассматривает прблемы магматизма и преобразования земной коры активных окраин с позиции первично континентальной коры окраинных морей, в том числе, структур западной части Филиппинского моря и приходит к выводу об антидромной направленности развития вулканических серий. Изучая гранитоиды краевых морей, в том числе и Филиппинского моря (хребет Кюсю-Палау), автор приходит к выводу о гомодромной направленности гранитоидного магматизма в структурах этих морен. Этот пример свидетельствует о дискуссионности многих положений касающихся проблем происхождения впадин окраинных морей, процессов преобразования коры и развития магматических серий.