Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Геологическое описание района исследований 9
1.1. Стратиграфия 9
1.2. Интрузивные образования 16
1.3. Тектоника 18
1.4. История геологического развития 19
Глава 2. Результаты палеомагнитных исследований эффузивных траппов Маймеча-Котуйской провинции
2.1. Методика палеомагнитных исследований 26
2.2. Обзор палеомагнитных данных по вулканическим породам Маймеча-Котуйского района
2.3. Описание опробованных разрезов эффузивных траппов 31
2.4. Палеомагнетизм пород Маймеча-Котуйской трапповой провинции 38
2.4.1. Палеомагнетизм траппов долины р. Котуй 38
2.4.2. Палеомагнетизм траппов долины р. Маймеча 50
2.5. Магнитостратиграфия эффузивных траппов Маймеча-Котуйского 72
района
Глава 3. Оценка продолжительности вулканических извержений в Маймеча-Котуйской провинции
3.1 Методика оценки продолжительности и характера эффузивного магматизма палеомагнитным методом
3.2. Оценка динамики траппового магматизма Маймеча-Котуйской провинции
Глава 4. Корреляция эффузивных траппов Маймеча-Котуйского и Норильского районов
4.1 Магнитостратиграфия Норильской туфолавовой толщи: 82
существующие данные и дополнения к ним
4.2. Варианты корреляции норильского и маймеча-котуйского эффузивных трапповых разрезов
4.3. Корреляция эффузивных траппов севера Сибирской платформы с Глобальной шкалой магнитной полярности
Заключение 101
Список литературы 103
Список публикаций
- Интрузивные образования
- Описание опробованных разрезов эффузивных траппов
- Оценка динамики траппового магматизма Маймеча-Котуйской провинции
- Варианты корреляции норильского и маймеча-котуйского эффузивных трапповых разрезов
Введение к работе
Актуальность исследований
Наиболее представительные и полные разрезы сибирских пермо-триасовых траппов - самой крупной континентальной магматической (изверженной) провинции на Земле, расположены в Норильском и Маймеча-Котуйском районах на северо-западе Сибирской платформы, где их максимальная мощность достигает 3,5 км (Fedorenko et al., 2000).
Вопрос о корреляции лавовых толщ этих удаленных друг от друга районов неоднократно поднимался в отечественной и зарубежной литературе, поскольку ответ на него имеет огромное значение не только для решения задач региональной геологии, но и для разработки геодинамических моделей формирования и эволюции крупных магматических провинций. Понимание последовательности формирования эффузивных толщ, существенно различающихся по своим геохимическим и петрографическим характеристикам в пределах единой магматической провинции, может быть использовано, в частности, для проверки гипотез происхождения областей внутриплитного магматизма в пределах древних платформ (напр., Sobolev et al, 2011).
На сегодняшний день, даже при наличии надежных геохронологических и геохимических данных (Kamo et al, 2003; Fedorenko et al, 1997, 2000; Burgess et al., в печати), корреляция эффузивных траппов Норильского и Маймеча-Котуйского районов крайне затруднена и неоднозначна: сопоставление лавовых толщ по их геохимическим характеристикам практически не дает желаемого результата из-за сильной латеральной изменчивости состава пород, а имеющиеся датировки изотопного возраста и палеомагнитные данные допускают несколько вариантов конечной корреляции (Gurevitch et al., 2004). При этом качество и надежность палеомагнитных данных, полученных по этим разрезам, существенно различаются. Так, по траппам Норильского района недавно были выполнены магнитостратиграфические исследования, результаты которых в полной мере отвечают современным требованиям надежности и качества (Heunemann et al., 2004; Gurevitch et al., 2004). В то же время, основу магнитостратиграфической схемы эффузивных траппов Маймеча-Котуйского района составляют данные, полученные более четверти века назад (Гусев и др., 1967; Сидорас, 1984) и требующие детализации и подтверждения путем проведения палеомагнитных исследований на современном методическом и аппаратурном уровне.
Для количественной оценки времени и продолжительности траппового магматизма на севере Сибирской платформы необходима обоснованная корреляция лавовых толщ не только в региональных масштабах, но и с Глобальной магнитостратиграфической шкалой пермской и триасовой систем (Steiner, 2006; Hounslow and Muttoni, 2010).
Актуальность поставленных в данной работе задач подчеркивается все возрастающим интересом мирового научного сообщества к вопросу о степени воздействия вулканических извержений, происходящих в процессе становления крупных магматических провинций, на биосферу Земли. На рубеже палеозойской и мезозойской эр произошла крупнейшая в истории нашей планеты биосферная катастрофа, которая привела к массовому вымиранию многочисленных видов растений и животных (Raup, 1994). Становление Сибирской трапповой провинции считается одной из наиболее вероятных причин этого биосферного кризиса (Courtillot, Olson, 2007). Высокоточные геохронологические (Bowring et al, 1998; Kamo et al., 2003) и магнитостратиграфические (Gurevitch et al., 2004) исследования указывают на то, что излияния огромного количества лав и формирование субвулканических интрузий, общим объемом в 2-5 млн. км3 (Васильев и др., 2000), происходило не более 1 млн. лет. Однако, с учетом этих оценок и при условии монотонности излияний, интенсивность вулканической активности была бы близка к современной (Davies, 1999) и не могла привести к катастрофическим последствиям планетарного масштаба. С другой стороны, имеются основания полагать (Erwin, 1994), что при неравномерном извержении (в случае смены периодов затишья бурными, относительно кратковременными всплесками магматической активности - вулканическими «пульсами») количества парниковых газов, одномоментно поступавших в атмосферу и гидросферу Земли, было бы достаточно для начала экологической катастрофы мирового масштаба. Таким образом, выявление динамики магматизма, приведшего к образованию сибирских траппов, позволит получить дополнительную информацию для тестирования гипотезы о связи магматизма с пермо-триасовым вымиранием. Как это было показано на примере траппов Декана (Chenet et al., 2008, 2009), при наличии максимально детальной (с точностью до каждого лавового потока) и надежной магнитостратиграфии, палеомагнитный метод является мощным инструментом для определения динамики магматической активности и ее продолжительности.
Цели и задачи исследований
Основными целями настоящей работы являются:
-
Разработка современной магнитостратиграфической схемы эффузивных траппов Маймеча-Котуйского региона.
-
Оценка продолжительности и интенсивности эффузивного траппового магматизма Маймеча-Котуйской провинции палеомагнитным методом.
-
Разработка схемы корреляции вулканогенных пермо-триасовых толщ Норильского и Маймеча-Котуйского районов, создание сводного
магнитостратиграфического разреза траппов севера Сибирской платформы и его сопоставление с Глобальной шкалой магнитной полярности.
Для достижения поставленных целей необходимо решить ряд конкретных задач:
-
Получить детальные магнитостратиграфические и палеомагнитные данные для опорных разрезов эффузивных траппов Маймеча-Котуйской провинции.
-
Исследовать запись палеовековых вариаций в изученных разрезах Маймеча-Котуйского региона на предмет наличия в ней дирекционных групп и единичных палеомагнитных направлений, отвечающих, соответственно, магматическим пульсам и индивидуальным извержениям.
-
Выполнить палеомагнитное переизучение спорного интервала верхней части трапповой толщи Норильского района.
-
Выполнить корреляцию вулканических разрезов Маймеча-Котуйского и Норильского регионов. Составить сводный разрез пермо-триасовых траппов севера Сибирской платформы и сопоставить его с Глобальной шкалой магнитной полярности с использованием имеющихся геохронологических датировок.
Научная новизна
Впервые для пермо-триасовых эффузивных траппов Маймеча-Котуйской провинции выполнены палеомагнитные исследования, отвечающие современным требованиям надежности и качества. Полученные данные положены в основу детальной магнитостратиграфической схемы траппов Маймеча-Котуйской провинции. Впервые для траппов данного района применена методика выделения пульсов магматической активности, выполнена оценка интенсивности и продолжительности траппового магматизма. Разработана новая схема корреляции вулканических толщ Норильского и Маймеча-Котуйского регионов. Предложен и обоснован сводный магнитостратиграфический разрез траппов севера Сибирской платформы, который, с учетом новейших геохронологических датировок, сопоставлен с современной Глобальной шкалой магнитной полярности.
Защищаемые положения
1. Магнитостратиграфическая схема эффузивных траппов Маймеча-Котуйского района включает пять зон магнитной полярности. В этой схеме первой снизу зоне обратной полярности отвечают породы хардахской свиты. Следующая за ней зона прямой полярности включает лавы арыджангской и нижней части онкучакской свит. Ее сменяет вторая зона обратной полярности,
которой отвечают породы верхней части онкучакской свиты, тыванкитской свиты и нижнедельканской подсвиты. Выше находится вторая зона прямой полярности, которой соответствуют лавы верхнедельканской подсвиты. Завершает разрез третья зона обратной полярности, образованная породами маймечинской свиты.
-
Временные интервалы, в течение которых происходило формирование эффузивных траппов Норильского и Маймеча-Котуйского регионов, частично перекрываются. Имеющиеся данные поддерживают корреляцию арыджангской и низов онкучакской свит (маймеча-котуйский разрез) с моронговской и мокулаевской свитами (норильский разрез). Верхняя часть маймеча-котуйского разреза (начиная с верхней части онкучакской свиты) начала формироваться не раньше конца самоедского времени, после того, как завершились основные извержения в Норильском регионе. Хардахская свита Маймеча-Котуйского региона, вероятно, одновозрастна ивакинской свите Норильского региона.
-
Корреляция сводного магнитостратиграфического разреза траппов севера Сибирской платформы с Глобальной шкалой магнитной полярности указывает на то, что большая его часть сформировалась в течение индского времени на протяжении первых полутора миллионов лет после пермо-триасового рубежа.
-
Формирование вулканических пород нижней части маймеча-котуйского разреза в составе хардахской, арыджангской и нижней части онкучакской свит происходило не равномерно, а в течение кратковременных вспышек (пульсов) вулканической активности, суммарная продолжительность которых не превышала 7-8 тыс. лет. При этом общая длительность накопления всей лавовой толщи нижней части разреза (включая периоды покоя) не превышала 100 тыс. лет и, возможно, была меньше 10 тыс. лет.
Практическая и теоретическая значимость
Выполненные исследования демонстрируют значимость палеомагнитного метода при региональных и глобальных корреляциях мощных лавовых разрезов. Результаты, полученные в настоящей работе, могут быть использованы при проведении геологического картирования, для разработки и тестирования моделей образования и эволюции крупных магматических провинций Земли, а также для проверки гипотезы о связи крупнейшего в истории Земли пермо-триасового вымирания со становлением траппов Сибирской платформы.
Фактический материал
Палеомагнитное опробование опорных разрезов траппов Маймеча-Котуйского района было выполнено в ходе полевых сезонов 2007-2009 годов. Опробование верхов вулканического разреза Норильского района было проведено в рамках полевых работ 2012 года. Ввиду тру дно доступности ключевых объектов исследований, экспедиционные работы потребовали объединения усилий полевых отрядов разных организаций (ИФЗ РАН, МГУ). Всего было отобрано и обработано более 2300 ориентированных образцов из нескольких десятков обнажений.
Апробация работы
Результаты исследований, положенные в основу диссертационной работы, докладывались на международных и всероссийских конференциях и семинарах, среди которых: Студенческий Международный Геологический Конгресс, 2013 (г.Брно, Чехия); EGU, 2009, 2010 (г.Вена, Австрия); AGU, 2011, 2013 (г.Сан-Франциско, США); «Палеомагнетизм и магнетизм горных пород», 2009, 2011 (пос.Борок Ярославская обл.), 2012 (г.Санкт-Петербург), 2013 (г.Казань); III Международная научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов памяти академика А.П. Карпинского 2009, 2013 (г. Санкт-Петербург); XIII Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов», 2009, 2011 (г.Москва); конференция «Problems of geocosmos», 2010 (г.Санкт-Петербург); II школа-семинар «Гординские чтения», 2012 (г.Москва); Международная конференция, посвященная памяти Виктора Ефимовича Хаина, 2011 (г.Москва).
Публикации
В общей сложности по теме диссертационной работы автором лично и в соавторстве подготовлено 27 публикаций: 5 статей в рецензируемых журналах из списка ВАК (три опубликованы, две приняты к печати), 22 статьи в сборниках и тезисы конференций.
Структура и объем диссертации
Интрузивные образования
Долина р.Котуй Вулканогенные породы в низовьях р.Котуй представлены туфами и лавами хардахской, арыджангской и онкучакской (нижняя часть коготокской серии) свит.
Хардахская свита представлена эксплозивно-обломочными породами и лавами щелочно-ультраосновного состава. Эти породы залегают на песчаниках тунгусской серии: поверхность контакта не обнажена, но уверенно трассируется по береговым высыпкам на правом берегу р.Котуй напротив устья р.Потокой. Всего выделено 3 лавовых потока, мощность каждого из которых 3-5 м. Туфовая пачка, залегающая между первым и вторым лавовыми потоками и имеющая мощность 20 м, состоит из 4-х горизонтов, выделяемых по цветовым и структурным характеристикам (рис. 3, фото 1). В туфовой пачке содержится большое количество вулканических бомб и угловатых обломков осадочных пород, размер которых достигает 2 метров.
Ранее хардахская свита была выделена В.Н.Егоровым (Егоров, 1995) в качестве фациально-стратиграфического аналога правобоярской свиты на Маймеча-Котуйском водоразделе. Стратиграфическая обособленность щелочно-базальтоидных туфов связана со специфическими литолого-фациальными особенностями: в отличие от базальтовых туфов – это пестроцветные породы, окрашенные в зеленовато-бурые и вишневые тона. Угловатые обломки (0.5-10 мм) представлены вулканическим стеклом и разновидностями авгитита, лимбургита; в породе содержится ксеногенный материал (до 10%), представленный аргиллитами, алевролитами и известняками, а также базальтовая пирокластика (Егоров, 1995). В связи с относительно плохой обнаженностью и незначительным ареалом распространения ряд исследователей (напр., Fedorenko et al., 1996) относит хардахскую свиту к низам арыджангской свиты.
Арыджангская свита залегает гипсометрически выше пород хардахской свиты; в отдельных обнажениях наблюдался ее непосредственный контакт по размытой поверхности с породами тунгусской серии (фото 2). Арыджангская свита, главным образом, представлена покровами лав щелочных базальтоидов. В резко подчиненном количестве среди лав присутствуют прослои туфов и туффитов, пирокластический материал в которых обычно представлен щелочными базальтоидами. Среди эффузивов арыджангской толщи различаются меланократовые нефелиновые базальты, лимбургиты, авгититы, мелилитовые базальты, пикриты, мелилитовые пикриты и меланократовые нефелиниты. Наиболее полный разрез данной толщи, подробно описанный В.А.Федоренко (Fedorenko et al., 2000), был изучен на левом берегу р.Котуй, в 5 км ниже устья р. Медвежья (фото 3). Низы свиты в разрезе представлены покровами пикритов, выше которых идет чередование покровов (мощностью 3-8 м) мелилитовых меланефелинитов и меланефелинитов. Также встречаются маломощные (первые метры) пачки туфов. Верхняя часть разреза представлена чередованием лавовых покровов мощностью до 20 м лимбургитов и меланефелинитов. В кровлях потоков арыджангской свиты в полевых условиях наблюдались красноватые корки, которые, возможно, связаны с окислением верхней части потока при излиянии на него следующего потока лавы. Общая мощность пород арыджангской свиты в данном обнажении составляет 230 м. На основании найденных Л.П.Пирожниковым в туффитах остатков филлопод (Lioestheria aequale Lutk., L.gutta Lutk., Estherites evenkiensis Lutk.) (Объяснительная записка…, 1978) возраст свиты оценивается как верхнепермский-нижнетриасовый. По геохимической пробе, относимой к нижней части разреза, Сандрой Камо с соавторами был получен изотопный возраст (U-Pb, перовскит), который составил 251.7±0.4 млн. лет (Kamo et al., 2003). Отметим, что из приблизительно этого же стратиграфического уровня недавно получено определение изотопного возраста – 252.28 ± 0.11 млн. лет (U-Pb, перовскит; Burgess et al., в печати). Определение возраста по нижней части свиты 40Ar/39Ar методом составляет 253.3±2.6 млн. лет (Basu et al., 1995). Многими исследователями арыджангская свита рассматривается как фациальный аналог правобоярской свиты, распространенной в долине р.Маймеча и к западу от нее (Объяснительная записка…, 1978).
Выше по разрезу залегают толеитовые базальты онкучакской свиты (нижняя часть коготокской серии), относимые к нижнему триасу (Объяснительная записка…, 1978). Здесь, однако, необходимо обсудить разночтения, существующие в литературе относительно стратиграфического ранга и стратиграфического подразделения рассматриваемых лавовых толщ. Рядом исследователей (Егоров, 1995, и ссылки в этой работе) на основе петрологических и геохимических характеристик ранее выделялась коготокская свита, которая подразделялась на две подсвиты: нижнюю, представленную, в основном, покровами толеитовых базальтов, и верхнюю, в составе которой преобладают покровы трахибазальтов, трахиандезибазальтов и андезитов. В дальнейшем коготокскую свиту стали рассматривать в ранге серии, а названные подсвиты – в рамках свит (Fedorenko, Czamanske, 1997). При этом нижней свите было дано название “онкучакская”, а верхней – “тыванкитская”.
Б.В. Гусев (Гусев и др., 1967) также предлагал подразделять коготокскую свиту на две подсвиты, но не на основании петрологических и геохимических данных, а исключительно по магнитной полярности слагающих эту свиту пород. К нижней подсвите им были отнесены прямо намагниченные породы, к верхней – обратно намагниченные породы. Впоследствии произошло смешение этих подразделений к онкучакской свите стали относить породы, намагниченные в прямой полярности, а к тыванкитской – в обратной полярности.
Выполненные недавно петрографические исследования (Латышев, 2013) показывают, что в трапповом разрезе долины р.Котуй отсутствуют потоки трахибазальтов, трахиандезибазальтов и андезитов, являющихся своеобразным маркером для выделения тыванкитской свиты (напр., Егоров, 1995). Следовательно, вся верхняя часть разреза эффузивных пород долины р.Котуй, обнажающаяся в береговых скалах ниже пос.Каяк (Котуй), в месте под названием «Труба», должна рассматриваться исключительно в составе онкучакской свиты. Непосредственный контакт онкучакской свиты с нижележащей арыджангской свитой в обнажениях не наблюдался, однако по описаниям керна скважин (Объяснительная записка…, 1978) эти две свиты залегают согласно.
Онкучакская свита (нижняя часть коготокской серии) сложена почти исключительно базальтовыми покровами с редкими маломощными прослоями базальтовых туфов. Базальты не отличаются по своему составу и структуре от типичных эффузивов Сибирской трапповой формации и представлены оливиновыми и безоливиновыми разновидностями, темно-серые, мелкозернистые. Мощность отдельных покровов достигает 10 м. Суммарная мощность лавовой толщи онкучакской свиты в нижнем течении р.Котуй достигает 300-350 м (фото 4). Возраст свиты, с некоторой условностью, принимается как нижнетриасовый на основании того, что коготокская серия западнее р.Романиха по простиранию переходит в аянскую свиту, содержащую нижнетриасовую флору (Объяснительная записка…, 1978). Лавы коготокской серии являются наиболее молодыми дочетвертичными отложениями в бассейне р.Котуй.
Четвертичные отложения, имеющие в районе незначительное распространение, представлены аллювиальными песками и галечниками (IV и V террасы р.Котуй), валунной суглинистой мореной и водно-ледниковыми галечниками зырянского оледенения, аллювиальными песками и галечниками (III терраса), а также современными аллювиальными песками, суглинками, галечниками и элювиально-делювиальными кремнисто-щебнистыми образованиями.
Описание опробованных разрезов эффузивных траппов
Отбор палеомагнитных коллекций производился на протяжении полевых сезонов 2007 - 2009 годов. В полевых работах и лабораторных палеомагнитных исследованиях принимали участие В.Э. Павлов (ИФЗ РАН), Р.В. Веселовский (МГУ, ИФЗ РАН), А.В. Латышев (МГУ, ИФЗ РАН) и автор данной работы. Все образцы отбирались вручную из обнажений вулканогенно-осадочных пород и лавовых покровов пермо-триасовых траппов в нижнем течении р.Котуй и нижнем течении р.Маймеча. Привязка к местности производилась с помощью GPS приемника, а также геологических и топографических карт масштаба 1:200 000.
Общий объём палеомагнитных коллекций траппов Маймеча-Котуйского района составил чуть более чем 2200 ориентированных образцов. Из каждого лавового потока отбиралось от 8 до 20 образцов (штуфов), ориентировка которых производилась при помощи горного компаса с постоянным контролем возможного влияния на магнитную стрелку сильномагнитных пород. Отбор образцов производился преимущественно из нижних частей лавовых потоков с целью максимально снизить вероятность опробования пород, перемагниченных вышележащим лавовым потоком. Если разделение лавовой толщи на потоки в обнажении не представлялось возможным, то образцы отбирались из всей толщи с шагом 1-2 м по мощности. Величина местного магнитного склонения рассчитывалась по модели IGRF (11 поколение, http://www.geomag.bgs.ac.uk/ data_service/models_compass/igrf_form.shtml).
Лабораторные палеомагнитные исследования выполнялись в Петромагнитной лаборатории геологического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова, лаборатории Главного геомагнитного поля и петромагнетизма ИФЗ РАН, палеомагнитных лабораториях парижского Института физики Земли (Франция) и Массачусетского технологического института (США). Из каждого штуфа был выпилен один ориентированный образец кубической формы с ребром 1 или 2 см. Все образцы были подвергнуты детальной температурной чистке, которая в большинстве случаев выполнялась до 560-580С. Число шагов чистки составляло не менее 10-12, при необходимости детальность чистки увеличивалась. Для размагничивания образцов использовались немагнитные печи с величиной нескомпенсированного поля не более 5-10 нТл. Измерения остаточной намагниченности образцов проводились на спин-магнитометрах JR-6 (AGICO) и на криогенных магнитометрах фирмы 2G Enterprises.
Измерения магнитной восприимчивости пород и ее контрольные замеры в процессе температурных чисток проводились на приборе KLY-4 (AGICO). Обработка результатов магнитных чисток выполнялась в соответствии со стандартной методикой и с учетом методических разработок последних лет (Zijderveld,1967; Kirschvink, 1980; Храмов, 1982; Collinson, 1980; McFadden,1988; McFadden and McElhinny, 1990, 1996; Enkin, 1990, 2003; Шипунов, 1999) при помощи пакета программ Энкина (Enkin, 1994) и Remasoft (Chadima et al., 2006), использующих при выделении компонент намагниченности метод PCA (Kirschvink, 1980).
Сведения о магнитной минералогии траппов Маймеча-Котуйского района базируются, в основном, на результатах термомагнитного и микрозондового анализов, выполненных А.В.Латышевым (Латышев, 2010, 2013). Для ряда образцов измерялись температурные зависимости намагниченности насыщения Js(Т) и остаточной намагниченности насыщения Jrs(Т), которые были получены на 2-х компонентном термомагнитометре (ООО «Орион», ГО «Борок») при непрерывном нагреве.
Петромагнитные характеристики пород изученных свит (фактор Кенигсбергера, магнитная восприимчивость и величина естественной остаточной намагниченности) приведены в табл. 1.
Работы, посвященные палеомагнетизму траппов Маймеча-Котуйского района проводились немногочисленным числом исследователей. Первые данные были получены Б.В. Гусевым (г.Ленинград) в 1960-70-е годы и впоследствии широко использовались при проведении мультидисциплинарных исследований данного региона (Гусев, 1964). Б.В.Гусевым были опробованы все вулканогенные толщи Маймеча-Котуйской трапповой провинции, а также значительная часть интрузивных тел района. Размагничивание образцов производилось переменным магнитным полем по трем осям с последующим измерением оставшейся намагниченности на астатическом магнитометре АМ-1. Результаты работ Б.В.Гусева опубликованы в статьях (Гусев, 1967, 1970), а также в производственном отчете (Гусев и др., 1964).
В 1980-е годы палеомагнитные исследования на рассматриваемой территории проводил С.Д. Сидорас (г.Ленинград), но результаты этих исследований приведены исключительно в его кандидатской диссертации (Сидорас, 1984). В 1990-е годы серию исследований проводил Э.Н. Линд (г.Красноярск), однако, методика лабораторной обработки палеомагнитных коллекций существенно отличалась от современной: магнитные чистки не применялись вообще, либо были крайне ограничены и проводились не до полного размагничивания образцов. Кроме того, результаты исследований Э.Н. Линда практически нигде не опубликованы, содержась, главным образом, в производственных отчетах.
В 2002 году палеомагнитные исследования эффузивных траппов долины р.Котуй проводились сотрудниками Мюнхенского университета – Кристофом Хьенеманном и Дэвидом Краса, при участии Е.Л. Гуревича и В.Ю. Водовозова. К сожалению, результаты этих исследований не были опубликованы.
Ниже представлен краткий обзор результатов, полученных вышеперечисленными исследователями по разрезам рек Котуй и Маймеча. Отметим, что все упоминавшиеся выше исследователи не подразделяли коготокскую серию на онкучакскую и тыванкитскую свиты, а использовали названия «верхне-» и «нижне-» коготокская свита. В данной главе эти обозначения оставляются в варианте исследователей; подробнее вопрос о взаимоотношении этих подразделений рассмотрен в главах 1.1 и 2.5.
Оценка динамики траппового магматизма Маймеча-Котуйской провинции
Первым, кто предложил четыре основных механизма самообращения намагниченности был Л. Неель (Neel, 1951). Все их можно подразделить на две группы: механизмы, применимые к однофазным системам (или механизм N-типа Нееля) и механизмы, характерные для многофазных систем, чаще всего – двухфазных (Яновский, 1978; Трухин, 2006). Для механизмов однофазных систем характерно обращение намагниченности насыщения (или спонтанной намагниченности). Кривая зависимости намагниченности насыщения от температуры Is(T) может менять свой знак на противоположный за счет различного температурного хода спонтанных намагниченностей отдельных подрешеток ферримагнетика или за счет диффузии магнитных ионов. Механизмы самообращения намагниченности двухфазных систем основаны на взаимодействии минеральных фаз между собой, которое может быть либо магнитостатическим, либо обменным. Из описанных механизмов самообращения в природе чаще всего встречается случай с двухфазной системой. Эффект самообращения намагниченности на обратно намагниченных трапповых интрузивных породах Сибирской платформы исследовал Б.В. Гусев (Гусев, 1967), однако в работе не предлагается определенного механизма самообращения, а указывается, что оно вызвано наличием двух фаз, имеющих различные точки Кюри (325С и 500С), что связано с определенным составом и структурными особенностями ферримагнетиков, входящих в состав пород. Для эффузивных пород Сибирской платформы случаи самообращения намагниченности в литературе не описаны.
Однофазный механизм самообращения не может быть применен для объяснения наблюдаемого поведения ЕОН образцов онкучакской свиты, поскольку соответствующие кривые Is(T) не отвечают N-типу Нееля, при котором такой механизм реализуется.
Для выявления минералов-носителей намагниченности, в лаборатории Главного геомагнитного поля и петромагнетизма ИФЗ РАН были сняты температурные кривые намагниченности насыщения Is(Т) (13 образцов), остаточной намагниченности насыщения Irs(Т) (10 образцов), магнитной восприимчивости (Т) (14 образцов). Кривые были сняты преимущественно на образцах, в которых присутствует среднетемпературная компонента обратной полярности и высокотемпературная компонента прямой полярности (табл. 4, вариант 2).
Кривые зависимости намагниченности насыщения от температуры Is(T) для большинства образцов демонстрируют наличие одного минерала-носителя намагниченности с температурой Кюри около 570С – магнетита или очень низкотитанистого титаномагнетита (рис. 12). При повторных нагревах (для 6 образцов производилось семь нагревов) происходит уменьшение абсолютных значений Is и появление фазы с температурой Кюри, превышающей 600С, что можно объяснить частичным окислением магнетита. Наблюдающееся в некоторых образцах понижение температуры Кюри основной фазы до 500-550С может быть связано с гомогенизацией титаномагнетита. Ни в одном из образцов не обнаружено явных следов присутствия более чем одной магнитной минеральной фазы.
Кривые зависимости остаточной намагниченности насыщения от температуры Irs(T) для большинства образцов также показывают единственную фазу с температурой Кюри около 570С (рис. 13). Три образца демонстрируют перегиб кривой Irs около 200С, который можно объяснить присутствием гемоильменита или поверхностным окислением магнетита (Большаков, 2010). Однако исчезновение этого перегиба после первого прогрева образцов до 230-300С позволяет исключить первое объяснение. Кроме того, по нескольким кривым можно предположить наличие небольшого количества гематита (Тс=630-640С).
На кривых зависимости магнитной восприимчивости от температуры (Т) во всех образцах, кроме одного, подтверждается наличие магнетита (Тс=570С) как основного минерала-носителя намагниченности, однако примерно в 30% случаев наблюдаются особенности кривой, указывающие на возможное присутствие минеральной фазы с Тmax бл.=400-550С (рис. 14), что согласуется с результатами температурной чистки, но не подтверждается данными термомагнитного анализа по Is и Irs.
Таким образом, результаты магнитоминералогических исследований позволяют с уверенностью говорить о наличии в исследуемых образцах онкучакской свиты только одной магнитной фазы с температурами Кюри в районе 570С – низкотитанистого титаномагнетита. Впрочем, эти данные не исключают полностью возможности сосуществования двух магнитных фаз с близкими точками Кюри. Присутствие предполагаемых по кривым (Т) магнитных минералов с Тс=400-550С не поддерживается кривыми Is(T) и Irs(T).
В лабораторных условиях на трех образцах, в которых присутствуют две компоненты намагниченности (вариант 2, табл. 4), была создана парциальная термоостаточная намагниченность Irpt при разных температурах. Эксперимент состоял в том, что после нагрева образца до 600С он остывал в постоянном поле 0.5 Э до определенной температуры, затем поле выключалось и образец остывал до комнатной температуры, после чего измерялась его намагниченность. При этом была замечена аномалия: при температурах 550-570С на кривых Irpt появлялась некая особенность («горбик»), отражающая возникновение антиполярной компоненты (рис. 15). При более высоких и низких температурах этой аномалии не наблюдалось. Возможно, что это является указанием на наличие второй фазы, имеющей блокирующие температуры 550-570С, близкие к блокирующим температурам первой фазы. Отметим, что это согласуется с данными по температурной чистке, где среднетемпературная компонента имеет такие же блокирующие температуры.
Указания на наличие второй фазы при создании Irpt в лабораторных условиях позволяют предположить, что в образцах присутствуют две магнитные фазы с очень близкими температурами Кюри. По причине последнего на кривых Is и Irs эти две фазы не различимы. Это позволяет связать наблюдаемый эффект самообращения с двухфазной системой, в которой высокотемпературная (магнетитовая) наиболее стабильная компонента имеет направление и полярность поля времени образования породы, а среднетемпературная компонента направлена против внешнего поля, что и составляет эффект самообращения намагниченности.
Случаи, где присутствует характеристическая компонента либо только прямой (табл. 4, вариант 1), либо только обратной (вариант 3) полярности, объясняются вырождением по какой-то причине R или N компоненты. Вариант 1 (только N компонента) – образцы, которые процесс частичного самообращения не затронул. Вариант 3 (только R компонента) – образцы, в которых самообращение прошло либо полностью, либо по каким-то причинам первая фаза не сохранилась.
Остается случай, в котором есть три компоненты намагниченности (вариант 4). Появление сверхвысокотемпературной компоненты (ВТ+) обратной полярности в этом случае можно объяснить механизмом образования антиподальной компоненты на мартите (Swenson, 2009). Данный механизм описан на природных базальтах Кивино, когда магнетитовая фаза, намагниченная по внешнему полю, переходит в маггемитовую фазу, сохраняя при этом исходное направление намагниченности, а затем маггемитовая фаза, в свою очередь, переходит в гематит со сменой знака намагниченности.
Таким образом, на основании результатов проведенных экспериментов принимается, что первичной компонентой намагниченности в базальтах нижней части онкучакской свиты является высокотемпературная (высококоэрцитивная) компонента прямой полярности.
Варианты корреляции норильского и маймеча-котуйского эффузивных трапповых разрезов
Методика оценивания продолжительности траппового магматизма, использованная в данной работе, базируется на четырех палеомагнитных ограничениях. Первое ограничение оперирует понятием «пульс магматической активности» и позволяет решить две задачи: 1) определить динамику эффузивного магматизма, т.е. выяснить как происходило формирование лавовой толщи во времени – равномерно или в результате кратковременных вспышек магматизма; 2) оценить суммарную продолжительность активных фаз вулканизма, в ходе которых сформировался данный лавовый разрез.
Под вулканическими пульсами, или пульсами магматической активности, здесь и далее понимаются кратковременные всплески вулканической активности и соответствующие им серии лавовых потоков, разделенные относительно более длительными интервалами времени затишья вулканической деятельности, когда извержения были единичны или вовсе отсутствовали. Используемый термин «пульс магматической активности» является переводом устоявшегося в мировой англоязычной литературе термина «magmatic pulse».
Для выделения пульсов магматической активности в настоящей работе был использован метод, опирающийся на анализ записи вековых вариаций геомагнитного поля в последовательности лавовых потоков, подробно описанный в работах (Chenet et al., 2008, 2009). Необходимым условием для использования этого метода является наличие палеомагнитных определений по мощным лавовым разрезам, в которых имеется возможность установить последовательность образования лавовых потоков.
Суть метода заключается в следующем. Поток лавы при своем остывании приобретают термоостаточную намагниченность, которая фиксирует текущее направление геомагнитного поля в данное время и в данном месте. Но магнитное поле в геологическом масштабе времени изменяется достаточно быстро: имеющиеся оценки (Gallet et al., 2002) указывают на то, что изменение направления геомагнитного поля происходит в среднем со скоростью 2 за столетие или даже больше. Принимая во внимание точность определения среднего палеомагнитного направления в изученных нами лавовых потоках, составляющую 6-8, можно предположить, что потоки, излившиеся с промежутком времени большим 300-400 лет, будут, как правило, иметь статистически отличающиеся друг от друга палеомагнитные направления. И напротив, потоки, формирование которых происходило внутри этого временного интервала, будут иметь статистически неразличимые палеомагнитные направления. Следовательно, если средние направления соседних потоков не различаются статистически (например, на 95-% уровне доверия) между собой, их можно объединить в дирекционные группы, отвечающие одному вулканическому пульсу. В противоположном случае, если среднее палеомагнитное направление для потока отличается от направлений соседних потоков, то такой поток рассматривается как отвечающий единичному извержению, а его среднее палеомагнитное направление называется индивидуальным направлением. Статистическая процедура, используемая для выделения дирекционных групп и индивидуальных направлений, описана в работах (Chenet et al., 2008, 2009; Павлов и др., 2011).
Количество дирекционных групп и индивидуальных направлений, выделенных в лавовой толще, будет соответствовать количеству вспышек вулканизма, в течение которых сформировался исследуемый разрез. При этом принимается, что каждая серия лавовых потоков, соответствующая вулканическому пульсу, сформировалась в течение 300-400 лет или меньше, а каждый единичный поток отвечает временному интервалу меньше 10-100 лет (Thordarson et al., 2003; Chenet et al., 2008). Эти оценки составляют первое палеомагнитное ограничение, используемое в настоящей работе для определения продолжительности и интенсивности извержения эффузивных траппов.
Второе палеомагнитное ограничение, которое используется при изучении лавовых потоков, базируется на гипотезе центрального осевого диполя (Храмов и др., 1982), широко принятой в палеомагнитном сообществе. Согласно этой гипотезе геомагнитное поле, осредненное за достаточно большой промежуток времени, совпадает с полем магнитного диполя, расположенного в центре Земли и ориентированного вдоль ее оси вращения. Время, за которое проводится усреднение, должно быть достаточным, чтобы “обнулить” геомагнитные вариации и в настоящее время большинством исследователей принимается равным 10-100 тыс. лет (Tauxe, 2010). Если гипотеза центрального осевого диполя верна (а в пользу этого говорят многочисленные исследования и практика палеомагнитных исследований), то среднее палеомагнитное направление, полученное для стратиграфического интервала, формировавшегося в течение 10-100 тыс. лет и больше, будет отвечать полюсу диполя, совпадающего с полюсом вращения Земли. При этом длительность рассматриваемого временного интервала не должна превышать значения, при котором появляется необходимость учитывать движение тектонических плит; оценки этой величины составляют 5 млн. лет. Такой полюс, усредняющий в себе вековые вариации, называется палеомагнитным полюсом. Соответственно, если для некоторого стратиграфического интервала неизвестной длительности расчетный полюс статистически значимо отличается от известного для данного времени и для данного тектонического блока палеомагнитного полюса, это дает основание считать, что вековые вариации в этом интервале разреза не полностью усреднены. А это, в свою очередь, позволяет предполагать, что длительность формирования рассматриваемого стратиграфического интервала заведомо меньше 100 тыс. лет и, в принципе, может быть меньше 10 тыс. лет.
Как было отмечено выше, значимое отличие расчетного (среднего виртуального) полюса от палеомагнитного полюса является вполне определенным указанием на то, что вековые вариации в исследуемом вулканическом разрезе недостаточно усреднены. Но с другой стороны, обратное утверждение может быть и неверным, поскольку случайное совпадение среднего виртуального полюса с палеомагнитным возможно и при недостаточном усреднении вековых вариаций.
Для того, чтобы избежать соответствующей ошибки, следует сравнить записанную в разрезе величину амплитуды геомагнитных вариаций с ожидаемой для данного геологического времени и для данной палеошироты. В том случае, если записанная величина значимо меньше, это также является указанием на недостаточное осреднение вековых вариаций.
Третье и четвертое палеомагнитное ограничения применимы в том случае, если в исследуемом разрезе можно выделить интервалы, соответствующие геомагнитной инверсии или геомагнитному экскурсу. Поскольку длительность инверсий и экскурсов согласно существующим оценкам (Merrill, 1996; Valet et al., 2012) обычно не превышает, соответственно, 5-10 тыс. лет и 2-3 тыс. лет, это позволяет говорить, что продолжительность формирования соответствующих интервалов разреза также не превышает этих значений.
