Михальский Евгений Витальевич
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук
|
содержание |
Актуальность исследований. Структура и история развития фундамента Восточноантарктической платформы, как и геологическая природа протерозойских и раннепалеозойских структурно-вещественных комплексов, вызывают значительный интерес исследователей, начиная с ранних рекогносцировочных работ 1950-ых - начала 1960-ых годов. С тех пор эти вопросы являются предметом пристального изучения и острых дискуссий и составляют одну из ключевых проблем тектонического строения Антарктиды. На раннем этапе исследований Восточная Антарктида рассматривалась как территория преимущественного развития архейских метаморфических комплексов [Грикуров, 1978, 1980], которая испытала неоднократную тектономагматическую активизацию на протерозойских этапах развития. Расчленение и корреляция метаморфических толщ производилась на основе парагенетического анализа. В районах детальных исследований были выделены и закартированы отдельные метаморфические комплексы, получившие локальные названия (рейнерский, инзельский и т.п.), которые прочно закрепились в научной литературе и использованы ниже. Утвердившееся мнение о <рекуррентной термально-анатектической активизации> этих комплексов на протяжении протерозоя [Равич, 1966] господствовало вплоть до недавнего времени. Впрочем, П.С. Воронов [1961, 1967] выдвигал представление о раннекаледонском тектогенезе в противовес точки зрения других отечественных исследователей (М.Г. Равич, Д.С. Соловьёв, Л.В. Климов). С развитием изотопных методов датирования было установлено, что фундамент платформы состоит из сравнительно некрупных ядер архейской стабилизации (протократоны) и обширной области позднемезопротерозойского тектогенеза (<гренвильского>, ~1000 млн. лет [Grew, 1982 и др.]). Эта область некоторыми авторами рассматривается как единый долгоживущий подвижный пояс полициклического развития ([Иванов, Каменев, 1990, Yoshida, 1992, Kamenev, 1993]; рис. 1). Е.Н. Каменев [1990, 1993] выделил четыре цикла развития этого пояса с кульминацией тектонической активности на рубежах 2400, 1700, 1000 и 550 млн. лет. При этом образования подвижного пояса рассматриваются как глубоко и неоднократно переработанная земная кора архейского заложения. В течение 1990-ых годов появились структурно-геологические и многочисленные U-Pb изотопно-геохронологические данные, указывающие на метаморфизм гранулитовой фации, мощные пластические деформации и внедрение разнообразных гранитоидов в раннем палеозое (~500 млн. лет [Shiraishi et al., 1992, Mikhalsky et al., 1997, Jacobs et al., 1998]). Одновременно с развитием представлений о формировании суперконтинентов докембрия стала преобладать концепция <орогенической> (аккреционно-коллизионной) природы как <гренвильских> [Dalziel, 1991 и др.], так и раннепалеозойских или <панафриканских> (~500 млн. лет [Shiraishi et al., 1992]) тектонических процессов.
Некоторыми авторами предполагается окончательное формирование Восточной Антарктиды на рубеже протерозоя и палеозоя в результате коллизии нескольких литосферных блоков [Boger et al., 2001, Fitzsimons, 2003]. Большинством исследователей геологические тела и породные ассоциации рассматривались как метаморфические комплексы [Равич, Каменев, 1972], а их первичный вещественный состав (литологический и химический) специально не изучался. За редкими исключениями, подходы формационного анализа к изучению метаморфических толщ и магматических комплексов фундамента Восточноантарктической платформы не применялись, поэтому ни одна из предложенных концепций не учитывала в полном объёме особенности вещественного состава геологических комплексов. Данное исследование призвано заполнить этот пробел и, на базе изучения возраста и состава ассоциаций горных пород, установить этапность и геодинамические режимы формирования и эволюции земной коры Восточной Антарктиды.
Цели и задачи исследования. Данная работа преследует следующие главные цели: уточнить геологическое строение и охарактеризовать тектоническую эволюцию Восточной Антарктиды в протерозое-раннем палеозое; определить геодинамическую природу главных рубежей тектогенеза; определить роль первичных корообразующих или наложенных активизационных процессов на различных стадиях развития материка. Несмотря на то, что Восточная Антарктида является объектом многочисленных и разнообразных исследований, эти проблемы изучены мало и требуют специального рассмотрения. Кроме того, многие аспекты геологического строения материка, считавшиеся вполне определёнными на начальных стадиях исследований, сейчас требуют пересмотра на основании новых геологических и обширных изотопно-геохимических данных. Задачи исследований:
1. Установить роль архейских и протерозойских пород в строении кристаллического фундамента Восточноантарктической платформы;
2. Изучить вещественный состав протерозойских и неопротерозойских-раннепалеозойских геологических комплексов;
3. Обобщить современные изотопно-геохимические U-Pb и Sm-Nd данные, выполнить дополнительные исследования;
4. Выполнить геодинамическую интерпретацию происхождения геологических комплексов на базе формационного анализа.
Методика исследований. Процесс исследований заключается в системном, комплексном анализе структурно-геологических, петрографических, геохимических и изотопно-геохимических данных по горным породам Восточной Антарктиды. Эти материалы позволяют осуществить реконструкцию первичного состава отдельных структурно-вещественных комплексов, выполнить формационный анализ и подойти к определению геодинамических условий их формирования и особенностей происхождения. Для датирования горных пород и геологических процессов широко используется метод вторично-ионной масс-спектрометрии с помощью локального ионного зонда высокого разрешения (SHRIMP) по циркону или другим акцессорным минералам. Этот метод позволяет раскрывать геологическую историю формирования горных пород, при обязательном изучении структуры и состава исследуемых минералов. Одновременное привлечение других изотопных методов (Rb-Sr, Sm-Nd) значительно повышает эффективность геохронологических исследований. В качестве одной из важнейших характеристик изотопного состава субстратов, при плавлении которых были образованы родоначальные магматические расплавы, используется величина первичного отношения 143Nd/144Nd. Это отношение принято выражать с помощью параметра ε в относительных единицах к составу CHUR [DePaolo, 1988]; εNd(t) соответствует первичному изотопному составу Nd породы в момент времени t. Другой информативной характеристикой изотопного состава пород является модельный Sm-Nd возраст TDM. Величина параметра ε вычислена или пересчитана с использованием следующих характеристик: 147Sm/144NdCHUR = 0,1967, 143Nd/144NdCHUR = 0,512638, а возрасты TDM вычислены в соответствии с моделью [Jacobsen, Wasserburg, 1984] с использованием параметров: 147Sm/144NdDM = 0,2136, 143Nd/144NdDM = 0,513151. Породы с экстремальными значениями 147Sm/144Nd (свыше 0,16 и ниже 0,09) или полученные с точностью, хуже, чем 0,5%, из рассмотрения исключались. Одностадийные и двухстадийные модельные возрасты для образцов с величиной Sm/Nd отношения в пределах этого диапазона отличаются на величину, не превышающую 100-200 млн. лет, что не имеет принципиального значения для дальнейшего обсуждения.
Многие другие элементы, в особенности малоподвижные высокозарядные литофилы (Zr, Nb, Ti, Y, P) также несут важную информацию об особенностях петрогенезиса и условий формирования пород.
В работе использована схема расчленения протерозоя Международного стратиграфического комитета [ICS, 2005], согласно которой палеопротерозой охватывает интервал времени 2500-1600 млн. лет, мезопротерозой 1600-1000 млн. лет, неопротерозой 1000-542 млн. лет назад.
Фактический материал и вклад автора. Автором изучены геологические, петрографические, минералогические, геохимические, изотопно-геохимические и геохронологические данные практически по всем экспонированным участкам фундамента Восточноантарктической платформы. Большой объем материалов имеет литературное происхождение, но значительная часть является оригинальными данными автора, собранными в 7 экспедициях в Антарктиду за период с 1981 по 2003 год, а также в процессе многолетних камеральных работ и лабораторных исследований. Автор принимал участие в отечественных и международных геологических экспедициях в различные районы Антарктиды: центральная Земля Королевы Мод (протерозой/ранний палеозой), Трансантарктические горы (протерозой и ранний палеозой), Антарктический полуостров (мезозой), горы Принс-Чарльз (архей, палеопротерозой, мезопротерозой), оазис Вестфолль (архей/мезопротерозой). Участвовал в геологосъёмочных работах и специализированных полевых исследованиях на ключевых участках. Защищаемые положения являются результатом анализа и обработки преимущественно собственных материалов по Земле Королевы Мод и горам Принс-Чарльз. Кроме полевых исследований, автор принимал участие в комплексной обработке материалов, собранных Советскими и Российскими антарктическими экспедициями; являлся ответственным исполнителем двух тематических исследований ВНИИОкеангеология (1998-2000 и 2003-2006 г.г.), посвященных тектоническому строению и минерагении Антарктики в рамках программы Министерства природных ресурсов Российской Федерации по изучению Антарктики. Частично исследования были поддержаны Федеральной целевой программой <Мировой океан>, подпрограмма <Изучение и исследование Антарктики>.
В процессе исследования была собрана обширная база изотопно-геохронологических (U-Pb, Sm-Nd, Rb-Sr, K-Ar) и геохимических данных: около 800 Sm-Nd анализов (из них свыше 100 получено автором в процессе исследования), более 2000 силикатных химических анализов и около 1000 анализов на микроэлементы; база геохронологических данных включает свыше 500 датировок (собственными исследованиями U-Pb методами по циркону изучено около 30 образцов). Аналитические данные по содержанию микроэлементов получены методами XRF или ICP-MS в лабораториях ВСЕГЕИ, Института Земной Коры РАН, Geoscience Australia (Канберра) и BGR (Ганновер). Геохронологические исследования выполнены методом TIMS в ИГГД РАН или методом SIMS (SHRIMP-II) в Изотопном центре ВСЕГЕИ.
Практическое значение. Практическое значение работы состоит в расширении базы геологических знаний и банка аналитических данных, необходимых для более глубокого понимания структуры материка и обоснованного прогноза его минерально-сырьевого потенциала. Углубленные знания о геологическом и тектоническом строении создают необходимый научный потенциал для защиты геополитических и экономических интересов России в Антарктике. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании дальнейших отечественных геологических исследований в Антарктике; полученные выводы вносят определенный вклад в развитие фундаментальных знаний в области наук о Земле в части геодинамики докембрия и геологии древних кратонов.
Научная новизна. В результате данного исследования впервые:
магматические и магматогенные метаморфические комплексы разделены на основе преобладания тех или иных видов горных пород на ультрамафит-мафические, мафическо-салические и салические, что позволяет применить принципы формационного анализа;
выполнена систематизация структурно-вещественных комплексов по соотношению с деформациями, завершающими тектоническое развитие (до-, син- или посткинематические комплексы);
выполнен синтез собственных и литературных данных по геохронологии и геохимии геологических комплексов;
выделены мезопротерозойские структурно-вещественные комплексы и установлена их геодинамическая природа;
выделены раннепалеозойские структурно-вещественные комплексы и установлена их геодинамическая природа;
проведена корреляция тектономагматических событий в Восточной Антарктиде на основании изотопно-геохронологических данных;
выполнено изотопно-геохимическое картирование по Sm-Nd модельному возрасту ТDM, что даёт ключ к пониманию динамики роста континентальной коры Антарктиды;
составлена новая тектоническая схема фундамента Восточноантарктической платформы и выделены новые тектонические провинции.
Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и опубликованы в материалах всероссийских и международных конференций, а также изложены в 35 статьях в российских и зарубежных изданиях. Наиболее полно материалы диссертации были представлены на 6ом и 7ом Международных симпозиумах по геологии Антарктиды (Токио, 1991, Сиена, 1995), 11ом конгрессе EUG (Страсбург, 1999), совещании <Суперконтиненты в геологическом развитии докембрия> (Иркутск, 2001), 9ом Международном симпозиуме по геологии Антарктиды (Потсдам, 2003), 37ом Тектоническом совещании МТК (Новосибирск, 2004), 32ом Международном геологическом конгрессе (Флоренция, 2004), 40ом Тектоническом совещании МТК (2007, Москва). Список опубликованных работ прилагается. Наиболее значимой является коллективная монография "Geology of the Prince Charles Mountains, Antarctica" (2001) и авторская монография <Протерозойские комплексы Восточной Антарктиды: вещественный состав и происхождение> (2007).
Защищаемые положения
1. В результате новых геохронологических и геологических исследований выделены главные этапы протерозойской и раннепалеозойской тектономагматической эволюции Восточной Антарктиды в интервалах 2450-2350 (Земля Адели, оазис Вестфолль, хр. Шеклтон и др.), 1800-1700 (Земля Адели, горы Принс-Чарльз, Земля Уилкса и др.), 1500-950 (Земля Уилкса - Земля Принцессы Елизаветы - Земля Мак-Робертсона - Земля Королевы Мод), 550-500 млн. лет назад (преимущественно Земля Принцессы Елизаветы и Земля Королевы Мод). Тектонические импульсы выявлены также на рубежах 2250-2000, 850, 700, 650-550 млн. лет на отдельных участках (горы Принс-Чарльз, оазис Ширмахера, массив Вольтат), что в целом свидетельствует о значительно более сложной, чем представлялось ранее, истории развития Антарктиды в протерозое. Полученные новые результаты выявили корреляцию тектономагматических событий между отдельными районами Антарктиды и позволяют сопоставить историю ее геологического развития с главными орогеническими циклами на других материках.
2. Выявлена главная корообразующая роль палеопротерозойского тектогенеза в формировании и эволюции Восточной Антарктиды. Вопреки существующим представлениям, выполненные автором исследования показывают, что обширные пространства центрального и восточного сектора Антарктического щита сложены первичной континентальной корой протерозойского возраста, тогда как переработанные архейские блоки имеют подчиненное распространение (например, в районах Земли Эндерби - Земли Кемпа и Земли Принцессы Елизаветы). Области, испытавшие в палеопротерозое главные заключительные тектонические деформации, гранитообразование и метаморфизм выделяются в восточном (Земля Адели, хребет Миллер) и в центральном секторе Антарктиды (уступ Моусона). В блоках архейской стабилизации (Земля Эндерби, оазис Вестфолль, горы Принс-Чарльз) палеопротерозойские события проявились в виде становления долеритовых дайковых комплексов.
3. Впервые выделены этапы завершающих корообразующих процессов в Восточной Антарктиде, развитие которых происходило асинхронно в интервалах мезопротерозойского времени 1500-1150 (оазис Бангера-острова Уиндмилл), 1400-950 (Земля Эндерби-Земля Мак-Робертсона-Земля Принцессы Елизаветы) и 1150-1050 млн. лет назад (Земля Королевы Мод). В пределах каждой из этих провинций присутствуют ювенильные мезопротерозойские структурно-вещественные комплексы и комплексы более древней коры, переработанной в мезопротерозое. Первые (например, в горах Принс-Чарльз, в горах Сер-Роннане, в оазисе Бангера) представлены базальт-андезитами и тоналит-гранодиоритами, образованными в конвергентных надсубдукционных геодинамических условиях; вторые (например, в массиве Вольтат и на Земле Кемпа) - более ранними образованиями, испытавшими наложенные деформации, метаморфизм до гранулитовой фации и магматизм.
4. Установлено, что корообразующие процессы неопротерозоя-раннего палеозоя в Восточной Антарктиде не проявлены и, таким образом, выявлена завершающая роль мезопротерозойских тектонических процессов в формировании ее земной коры. В аккреционно-коллизионных процессах этого этапа, связанных с формированием мегаконтинента Гондвана, Восточная Антарктида участвовала в виде единого блока относительно древней континентальной коры, подвергаясь неравномерной тектоно-термальной переработке, обусловленной этими процессами. В районах Земли Королевы Мод и Земли Принцессы Елизаветы она выражена интенсивно, сопровождаясь метаморфизмом гранулитовой фации, наложенными деформациями, внедрением постколлизионных анортозитов, чарнокитоидов или гранитов. На других участках (например, оазис Бангера) выявлены внутриплитные магматические комплексы щелочных базитов. Тектонотермальная переработка неопротерозоя-раннего палеозоя проявилась в виде соответствующих цифр <изотопного омоложения> горных пород.
Структура и объём диссертации. В диссертации подробно охарактеризован вещественный состав и петрогенезис протерозойских и раннепалеозойских структурно-вещественных комплексов фундамента Восточноантарктической платформы. Диссертация состоит из введения, двенадцати глав и заключения. Во введении изложены задачи исследований, показана актуальность и новизна исследований, методические приёмы и фактологическая база. В первой главе приведен очерк геологического строения Восточной Антарктиды. В первой части объединены главы (2, 3, 4, 5), в которых охарактеризован вещественный состав палео- и мезопротерозойских метаморфических и магматических комплексов: ультрамафит-мафических, мафическо-салических, салических, а также вулканогенно-осадочных комплексов чехла. Во второй части объединены три главы (6, 7, 8), в которых охарактеризован вещественный состав неопротерозойских и раннепалеозойских геологических комплексов: осадочных, ультрамафит-мафических и салических. В каждой главе 1ой и 2ой части по возможности выделены группы комплексов, характеризующихся определенным соотношением с тектоническим процессами (до-/син- или посткинематические). В третьей части (глава 9, 10, 11, 12) рассмотрены проблемы становления и эволюции земной коры Восточной Антарктиды в протерозое-раннем палеозое. Глава 9 посвящена анализу геохронологических и изотопно-геохимических данных, глава 10 - особенностям метаморфизма, глава 11 - выделению главных этапов формирования и эволюции земной коры и их геодинамической характеристике, глава 12 - корреляции тектономагматических процессов Восточной Антарктиды и других материков южного полушария. Диссертация содержит 437 страниц, 154 рисунка, 20 таблиц.
Благодарности. Автор благодарен Г.Э. Грикурову, Г.Л. Лейченкову, Е.Н. Каменеву, Б.В. Беляцкому и Р.Г. Куринину за плодотворные дискуссии и консультации, А.А. Лайбе - за полевые и аналитические данные и помощь в работе. Данное исследование представляет синтез полевых материалов, в значительной мере собранных в Антарктиде геологами Полярной морской геологоразведочной экспедиции (г. Ломоносов), руководству которой в лице В.Д. Крюкова, В.Н. Масолова и Л.В. Федорова автор признателен за эффективную организацию полевых работ и благоприятные условия, созданные для научных исследований. Участие автора в экспедициях GeoMaud 1995/96 и PCMEGA 2002/03 было возможно благодаря сотрудничеству с BGR (г. Ганновер). Автор благодарен зарубежным коллегам (N.W. Roland, J.W. Sheraton, F. Henjes-Kunst, J. Jacobs, H.-J Paech, M. Yoshida), предоставившим аналитические и полевые материалы.
|
