Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Проблема тектонической эволюции островодужных систем и их роли в формировании континентальной коры относится к числу наиболее актуальных фундаментальных проблем в науках о Земле. Островодужные комплексы в пределах многих палеозойских складчатых поясов слагают крупные сегменты, изучение которых позволяет выявлять основные этапы и закономерности формирования континентальной коры в островных дугах, определить роль и значение новообразованного сиалического вещества в коре этих поясов. С развитием новых прецизионных методов изучения стратифицированных и плутонических комплексов появилась возможность делать выводы о строении, возрасте и составе не только верхних, но также средних и нижних горизонтов коры палеозойских складчатых сооружений, сложенных островодужными комплексами. В настоящей работе в этом плане рассматриваются каледонские складчатые сооружения Казахстана и Северного Тянь-Шаня, являющие прекрасными примерами островодужных провинций, где возможно изучение процессов формирования континентальной коры, строения и состава ее различных горизонтов.
Цель исследований
Главная цель выполненных исследований состояла в том, чтобы на основе данных о геологическом строении, структурной эволюции и составе палеозойских вулканогенно-осадочных и плутонических комплексов реконструировать тектоническую эволюцию и разработать интегрированную геодинамическую модель формирования континентальной коры каледонид Казахстана и Северного Тянь-Шаня.
Фактический материал
В основе диссертации лежат материалы, собранные автором в течение многолетних полевых исследований (1991-2009 гг.) в различных районах Казахстана и Северного Тянь-Шаня, в ходе которых было проведено картирование целого ряда крупных ключевых участков в Чингизском, Бощекульском и Степнякском районах Казахстана и Присонкульском районе Северного Тянь-Шаня. Для обоснования защищаемых положений изучено более 1000 тысячи шлифов, использовано более 500 оригинальных анализов горных пород на главные, редкие и редкоземельные элементы, выполнены Rb-Sr и Sm-Nd изотопно-геохимические исследования более 50 проб вулканических пород и гранитоидов, и датированы U-Pb методом по циркону 10 реперных магматических комплексов. Кроме того, в диссертации синтезированы опубликованные к настоящему времени стратиграфические, структурные, петрологические и другие геологические данные по нижнепалеозойским вулканогенно-осадочным и плутоническим комплексам Казахстана и Северного Тянь-Шаня.
Научная новизна
1. В каледонидах Казахстана и Северного Тянь-Шаня выделены Сарыаркинский и Чингиз-Северотяньшаньский вулканические пояса, в строении которых участвуют комплексы раннепалеозойских островных дуг и бассейнов с океанической корой. Показано, что эти пояса испытали значительные вторичные деформации, связанные с формирование Казахстанского ороклина в среднем-позднем палеозое и крупных сдвигов в конце палеозоя-начале мезозоя.
2. Доказан раннекембрийский возраст офиолитов Джалаир-Найманской и Бощекульской зон и раннеордовикский возраст континентальных кислых эффузивов повышенной щелочности, залегающих в основании палеозойского разреза Степнякской зоны.
3. В Урумбайской, Селетинской, Бощекульской и Центрально-Чингизской зонах выделены непрерывные карбонатно-кремнисто-туфогенные разрезы, возраст которых охватывает интервал от середины среднего кембрия до начала лланвирна.
4. Впервые проведено изучение геохимических и изотопно-геохимических особенностей палеозойских гранитоидов Степнякского и Чингизского регионов, позволившее получить информацию о составе глубинных горизонтов континентальной коры.
Апробация результатов работы и публикации
Результаты исследований по теме работы докладывались на международных и всероссийских совещаниях: Первом Всероссийском петрографическом совещании (Уфа, 1995), Международном совещании по палеогеографии венда и раннего палеозоя (Екатеринбург, 1996), «Тектоника Азии» (Москва, 1997), «Общие и региональные проблемы тектоники и геодинамики» (Москва, 2008), «Геодинамическая эволюция литосферы Центрально-Азиатского подвижного пояса (от океана к континенту)» (Иркутск, 2005-2009), «Геодинамика внутриконтинентальных орогенов и геоэкологические проблемы» (Бишкек, 2008), «Граниты и эволюция земли: геодинамическая позиция, петрогенезис и рудоносность гранитоидных батолитов» (Улан-Уде, 2008), «Изотопные системы и время геологических процессов» (Санкт-Петербург, 2009), заседаниях лаборатории геодинамики позднего докембрия и фанерозоя, коллоквиумах и конкурсах научных работ ГИН РАН.
По теме диссертации опубликовано 32 научные работы, и в том числе одна монография и 27 статьях в рецензируемых журналах.
Практическое значение
Изложенные в диссертации и публикациях автора результаты могут служить основой для создания корреляционных легенд нового поколения геологических карт Казахстана и Северного Тянь-Шаня и использованы при составлении обзорных тектонических, палеогеографических и других специализированных карт, а также при проведении прогнозно-поисковых работ на рудные полезные ископаемые.
Объем и структура работы
Структура палеозоид Казахстана и Северного Тянь-Шаня
В строении палеозоид Казахстана и Северного Тянь-Шаня участвуют сиалические массивы с докембрийской континентальной корой, а также комплексы палеозойских активных континентальных окраин различных типов. Формирование структуры палеозоид Казахстана и Северного Тянь-Шаня связано с несколькими этапами каледонских и варисцийских деформаций. В ходе варисцийского тектогенеза общий структурный рисунок этой области определялся коллизией Восточно-Европейского, Сибирского и Таримского континентальных блоков, которая сопровождалась «раздавливанием» расположенных между ними палеозойских складчатых систем. Отражением этих дислокаций явилось формирование Казахстанского ороклина – крупной горизонтальной складки, в которую деформированы палеозойские и более древние складчатые зоны. Подобные структуры являются характерными элементами тектоники латерального выжимания, проявляющейся при коллизионном взаимодействии крупных континентальных блоков. Особенностью Казахстанского ороклина является его формирование в условиях продольного изгиба складчатых структур в горизонтальной плоскости, что может быть связано с отсутствием жесткого блока во внутренней части ороклина [Копп, 1997; Рязанцев, 2001].
Казахстанский ороклин, сформировавшийся в результате нескольких фаз варисцийских деформаций, маркируется Казахстанским девонским и Балхаш-Илийским позднепалеозойским вулкано-плутоническими поясами, которые обрамляют внутреннюю Джунгаро-Балхашскую варисцийскую складчатую область. Девонский пояс первоначально имел очертания близкие к прямолинейным, а его изгибание, начавшееся в среднем девоне продолжалось до конца палеозоя [Levashova et al, 2003; Abrajevich et al., 2007, 2008]. Эволюция позднепалеозойского пояса началась на фоне продолжающихся варисцийских деформаций, поэтому его первичные очертания, скорее всего, были не прямолинейными. Последовавшие в конце палеозоя деформации привели к еще большему ороклинальному изгибанию этого пояса и уменьшению радиуса его кривизны. В раннем триасе Казахстанский ороклин был нарушен серией крупных северо-западных правых и субширотных левых сдвигов, которые еще более исказили первичную структуру палеозоид и вызвали дополнительное поперечное сокращение ороклина [Читалин, 1991; Chitalin, 1996].
Девонские и позднепалеозойские комплексы вулкано-плутонических поясов представлены континентальными вулканогенными и вулканогенно-осадочными толщами, имеющими достаточно простую складчатую структуру, для которой характерны крупные брахиморфные складки с падениями пластов на крыльях под углами не более 30-40. Эти комплексы со стратиграфическим и угловым несогласием залегают на подстилающих нижнепалеозойских и докембрийских образованиях. Следовательно, изгибу в горизонтальной плоскости, в результате которого образовался Казахстанский ороклин, подвергались как средне-позднепалеозойские вулкано-плутонические пояса, так и более древние структуры фундамента этих поясов. Поэтому при реконструкции каледонской структуры Казахстана и Северного Тянь-Шаня необходимо учитывать наложенные варисцийские и киммерийские деформации, которые привели к ороклинальному изгибу всех более древних структур и смещению их сегментов по крупным сдвигам.
Докембрийские и нижнепалеозойские комплексы, кроме средне-позднепалеозойских деформаций, связанных с образованием Казахстанского ороклина, подверглись интенсивным раннепалеозойским дислокациям, среди которых наибольшее значение имеют системы тектонических покровов, крупные сдвиги и изоклинальные горизонтальные складки. Каледонские структуры в пределах Казахстана, Северного и Срединного Тянь-Шаня образованы комплексами, формирование которых происходила как на континентальной (сиалические массивы, перекрытые терригенно-карбонатными чехлами, рифтогенные зоны, энсиалические островные дуги), так и на океанической (энсиматические островные дуги, океанические бассейны) коре.
При рассмотрении каледонских структур Казахстана, Северного и Срединного Тянь-Шаня от внешних частей ороклина к внутренним наиболее крупными из них являются следующие: Ишим-Нарынская зона, зона массивов с докембрийской континентальной корой, Сарыаркинский вулканический пояс, массивы с докебрийской континентальной корой, Ерементау-Бурунтауская зона, Чингиз-Северотяньшаньскй вулканический пояс, Ескембай-Балкыбекский офиолитовый пояс, Байдаулет-Акбастауский вулканичеаский пояс, Джунгаро-Балхашская область (рис. 1):
Ишим-Нарынская зона занимает в ороклине внешнее положение и прослеживается от южного обрамления Кокчетавского массива (Джаркаинагачский сегмент) к югу в западное обрамление Улутауского массива (Байконурский сегмент), далее в Большой Каратау (Каратауский сегмент) и в Пскемский и Сандалашский хребты (Чаткальский сегмент). Нарынский сегмент смещен относительно Чаткальского по Талассо-Ферганскому правому сдвигу на 100 км и простирается от хребта Кок-Ийрим Тау до хребта Сарыджаз в субширотном направлении. Общая протяженность Ишим-Нырынской зоны составляет более 2000 км.
Рис. 1. Схема основных каледонских структур Казахстана и Северного Тянь-Шаня
1 – докембрийские сиалические массивы и их V-O чехлы; 2 – Ишим-нарынская рифтогенная зона; 3 – Ерементау-Бурунтауская рифтогенная зона; 4-6 – раннепалеозойские вулканчиеский пояса; 4 – Сарыаркинский, 5 – Чингиз-Северотяньшаньский, 6 – Байдаулет-Акбастауский; 7 – Ескембай-Балкыбекский офиолитовый пояс; 8 – Джунгаро-Балхайская область варисцид; 9 – наиболее крупные раннепалеозойские тектонические покровы; 10 – наиболее крупные раннепалеозойские сдвиги; 11 – наиболее крупные средне-позднепалеозйоские сдвиги и надвиги. Цифры в кружках: 1-5 – сегменты Ишим-Нарынской зоны: 1 – Джаркаинагачский, 2 – Байконурский, 3 – Каратауский, 4 – Чаткальский, 5 – Нарынский; 6-13 – докембрийские сиалические массивы: 6 – Кокчетавский, 7 – Ишкеольмесский, 8 – Улутауский, 9 – Чуйско-Кендыктасский, 10 – Таласско-Каратауский, 11 – Северо-Тяньшаньский, 12 – Актау-Джунгарский, 13 – Жельтавский; 14, 15 – Восточный и Северо-восточный сегменты Сарыаркинского и Чингиз-Северо-Тяньшаньского поясов; 16 – Северный сегмент Сарыаркинского пояса; 17 – Северный сегмент Чингиз-Северо-Тяньшаньского пояса; 18 – Юго-восточный сегмент Сарыаркинского и Чингиз-Северо-Тяньшаньского поясов; 19 – Южный сегмент Чингиз-Северо-Тяньшаньского пояса; 20 – Южный сегмент Сарыаркинского пояса
Во всех ее сегментах зоны отмечается налегание верхнерифейских или вендских толщ на более древние, в том числе нижнепротерозойские, комплексы. Верхнерифейские комплексы представлены кислыми эффузивами, либо контрастными базальт-риолитовыми сериями, которые сопровождаются щелочными гранитами и сиенитами. Характерными элементами вендских разрезов являются грубообломочные породы, основные эффузивы повышенной щелочности, карбонатные и кремнистые породы. Мощность вендских толщ достигает 1500-2000 м. Выше залегает маломощная (не более 250 м) черносланцевая толща, возраст которой в разных сегментах зоны меняется от раннего кембрия до раннего кембрия - самых низов ордовика. Черные сланцы согласно перекрываются тонкослоистыми известняками и доломитами мощностью от 30 до 300 м, возраст которых изменяется от раннего кембрия-раннего ордовика до позднего кембрия. Выше залегают песчаники и алевролиты с линзами известняков, содержащими органические остатки тремадока. Далее разрез наращивается кремнистыми алевролитами и аргиллитами аренига и низов лланвирна мощностью 100-200 м. Средний и верхний ордовик представлены мощными (до 2000 м) флишевыми толщами [Геология СССР. Т. ХХ, 1972; Геология СССР Т. XL, 1971; Мамбетов, 1993; Мамбетов, Иманалиев, 1981; Ахмеджанов и др., 1979 и др.]. По строению разрезов, составу осадочных и магматических комплексов Ишим-Нарынской зоны, предполагается, что они формировались в пределах крупного рифтогенного прогиба, заложенного в позднем рифее-венде на более древнем сиалическом фундаменте.
Зона массивов с докембрийской континентальной корой располагается к северу и востоку от Ишим-Нарынской зоны. Наиболее крупными из них являются Кокчетавский, Ишкеольмесский, Улутауский, Чуйско-Кендыктасский и Таласско-Каратауский массивы. Кроме того, докембрийский фундамент предполагается в Степнякской зоне, Тенизской и Чу-Сарысуйской впадинах.
Докембрийские массивы обладают многими общими чертами строения комплексов фундамента и чехла. Нижние части разреза фундамента массивов образованы в основном нижнерифейскими, реже нижнепротерозойскими, метаморфическими комплексами (Кокчетавский, Улутауский, Ишкеольмесский массивы); в ряде случаев можно предполагать присутствие архейских образований (Степнякская зона) [Филатова, 1983; Ранний докембрий …, 1993; Krner et al., 2008]. Верхнерифейские образования в пределах большинства массивов представлены эффузивами и вулканогенно-осадочными породами кислого состава повышенной щелочности. Венд-нижнеордовикские комплексы, слагающие чехол докембрийских массивов, имеют в большинстве случаев терригенно-карбонатный, реже кремнисто-сланцевый состав [Никитин, 1972; Чу-Илийский …, 1980; Геология …, 1987; Спиридонов, 1987]. Отличительной особенностью Степнякской зоны является присутствие в основании ее палеозойского разреза контрастной риолит-базальтовой серии нижнего ордовика [Дегтярев и др., 2008].
Сарыаркинский вулканический пояс располагается к северу от Ишим-Нарынской зоны на Северном Тянь-Шане и к востоку от зоны докембрийских массивов в западной части Казахстана, далее пояс протягивается в северо-восточные и восточные районы Казахстана. В строении пояса участвуют тектонически совмещенные вулкано-плутонические комплексы ранне-среднекембрийской и позднекембрийско-раннеордовикской энсиматических островных дуг, а также офиолиты, кремнистые и кремнисто-базальтовые толщи, формировавшиеся в сопредельных бассейнах с океанической корой. С обрамляющими структурами комплексы Сарыаркинского пояса имеют только тектонические соотношения, а его внутреннее строение характеризуется широким развитием покровных дислокаций.
Сарыаркинский пояс с внутренней стороны ороклина сопряжен с различными докембрийскими и раннепалеозойскими структурами. В западной части Казахстана и на Северном Тянь-Шане к ним относятся рифтогенные зоны и массивы с докембрийской континентальной корой, а на северо-востоке и востоке Казахстана – вулканические и офиолитовые пояса.
Массивы с докембрийской корой представлены Северо-Тяньшаньским и Жельтавским и Актау-Джунгарским массивами, которые по строению и составу комплексов фундамента и чехла имеют много общих черт с массивами западной части Казахстана. В строении фундамента массивов основную роль играют средне-верхнерифейские кварцито-сланцевые толщи, верхнерифейские кислые эффузивы базальт-риолитовые серии и граниты. Реже отмечается присутствие нижнепротерозойских метаморфических комплексов (Жельтавский и Северо-Тяньшаньский массивы). Чехол образован терригенными и терригенно-карбонатными комплексами, возраст которых охватывает интервал венда - самых низов ордовика, а в пределах Актау-Джунгарского массива – венда - позднего ордовика [Ранний докембрий …, 1993; Миколайчук и др., 1997; Дегтярев, 2003; Krner et al., 2007, Апаяров и др., 2008; Дегтярев и др., 2008].
Ерементау-Бурунтауская зона в своей южной части разделяет Жельтавский и Актау-Джунгарский массивы, а в северной расчленяет на сегменты Сарыаркинский пояс. Она представляет собой узкую протяженную (более 2000 км) структуру, в строении которой основную роль играют кремнистые толщи верхнего кембрия-нижнего лланвирна, также присутствуют терригенно-карбонатные, черносланцевые и щелочно-базальтовые комплексы того же возрастного диапазона. Большое значение в строении зоны имеют средне-верхнерифейские кварцито-сланцевые толщи, верхнерифейские кислые вулканиты и граниты, а также карбонатные толщи нижнего кембрия, аналогичные комплексам Актау-Джунгарского и других сиалических массивов. На отдельных участках среди кремнистых толщ присутствуют фрагменты офиолитов. Все эти комплексы образуют пакеты тектонических пластин, совмещение которых произошло в конце лланвирна и сопровождалось формированием олистостромов. Анализ состава и строения нижнепалеозойских комплексов Ерементау-Бурунтауской зоны позволяет предполагать, что их формирование происходило в рифтогенном прогибе, заложенном на континентальной коре [Рязанцев и др., 2006, 2009].
Чингиз-Северотяньшаньский вулканический пояс образован средне-верхнеордовикскими дифференцированными вулканическими сериями, вулканогенно-осадочными и флишевыми толщами, залегающими на гетерогенном фундаменте, в состав которого входят комплексы Сарыаркинского пояса и обрамляющих его докембрийских сиалических массивов. Средне-верхнеордовикские комплексы Чингиз-Северотяньшаньского пояса имеют относительно простую складчатую структуру и формировались в пределах крупной энсиалической островодужной системы.
На северо-востоке и востоке Казахстана Сарыаркинский и Чингиз-Северотяньшаньский пояса с внутренней стороны ороклина сопряжены с Ескембай-Балкыбекским офиолитовым и Байдаулет-Акбастауским вулканическим поясами.
Ескембай-Балкыбекскиий офиолитовый пояс сложен офиолитами, кремнисто-базальтовыми и кремнистыми толщами нижнего кембрия-верхнего ордовика, образующими тектонические покровы, формирование которых происходило в конце ордовика и сопровождалось образованием мощных олистостромовых толщ. Анализ состава и строения нижнепалеозойских комплексов Ескембай-Балкыбекского пояса позволяет предполагать, что их формирование происходило в бассейне с океанической корой, развитие которого происходило на протяжении всего раннего палеозоя [Дегтярев, 1999; Дегтярев, Рязанцев, 2007].
Байдаулет-Акбастауский вулканический пояс образован дифференциро-ванными и контрастными вулканическими сериями, возраст которых охватывает интервал от аренига до конца ордовика. В пределах ряда структур эти комплексы подстилаются полными и редуцированными офиолитовыми разрезами, что свидетельствует о формировании значительной части этого пояса в пределах энсиматической островной дуги.
В Джунгаро-Балхашской варисцйской складчатой области каледонские комплексы приурочены к узким сложно построенным зонам (Тектурмасская, Северо-Балхашская, Агадырская), возникновение которых связано с варисцийскими деформациями. Нижнепалеозойские образования этих зон представлены различными частями офиолитовых разрезов раннего-среднего ордовика, среднего-позднего ордовика и позднего ордовика-раннего силура, которые представляют собой фрагменты коры крупного океанического бассейна [Якубчук и др., 1989; Якубчук, 1991; Дегтярев, 1999; Тевелев и др., 2003].
Таким образом, в строении палеозоид Казахстана и Северного Тянь-Шаня участвуют допалеозойские и палеозойские комплексы, формировавшиеся в различных геодинамических обстановках. При этом палеозойские образования в основном являются реликтами различных окраинно-континентальных структур. В раннем палеозое значительную роль играют покровные дислокации, проявление которых связано с коллизией островных дуг с докембрийским континентальным блоком или друг с другом и закрытием бассейнов с океанической корой. В среднем-позднем палеозое произошло образование крупной горизонтальной складки – Казахстанского ороклина, в которую были деформированы и все более древние структуры. Формирование структуры палеозоид Казахстана и Северного Тянь-Шаня завершилось в конце палеозоя-начале мезозоя, когда ороклин был рассечен системой крупных сдвигов, преимущественно, северо-западного и субширотного простираний.
Тектоническая эволюция раннепалеозойских островодужных систем
Казахстана и Северного Тянь-Шаня
В палеозоидах Казахстана и Северного Тянь-Шаня нижнепалеозойские островодужные комплексы участвуют в строении протяженных вулканических поясов, различающихся возрастом, строением и особенностями состава вулканических и плутонических образований. В результате средне-позднепалеозойских и раннемезозойских деформаций эти пояса были расчленены на ряд сегментов. В Сарыаркинском и Чингиз-Северотяньшаньском поясах выделяются следующие сегменты: Южный - образован комплексами Северного Тянь-Шаня, Юго-западный – включает комплексы Джалаир-Найманской зоны, Жельтавского, Кендыктасского массивов и Сарысу-Тенизского водораздела, Северный – сложен комплексами Степнякской, Селетинской, Урумбайской и Ирадырской зон, Северо-восточный – объединяет комплексы Восточно-Ерементауской, Ащикольской, Бощекульской и Кендыктинской зон, Восточный – включает нижнепалеозойские комплексы различных зон Чингиз-Тарбагатайского региона. В Ескембай-Балкыбекском и Байдаулет-Акбастауском поясах, комплексы которых развиты только на северо-востоке и востоке Казахстана, выделяются Северо-западный и Юго-восточный сегменты.
