Палеомагнетизм раннепротерозойских образований юга Сибирского кратона и геотектонические следствия

Два главных направления в современных науках о Земле: ранняя история Земли и глубинная геодинамика" - так называлась статья Виктора Ефимовича Хаина, вышедшая в конце прошлого века (Вестник МГУ, 1993, № 6). Исследования палеомагнетизма докем-брийских образований древних кратонов лежат в русле обоих этих направлений. Главное магнитное поле обусловлено динамикой самых глубоких сфер Земли — внутреннего и внешнего ядра, слоя ГУ Историю поля, а, следовательно, и историю процессов внутренней геодинамики, мы изучаем на поверхности по отпечаткам «окаменелого геомагнетизма» [Палеомагнитология, 1982] — векторам естественной остаточной намагниченности. Изучая только фанерозой, составляющий всего 1/8 продолжительности жизни Земли, невозможно достоверно проследить эволюцию таких фундаментальных характеристик поля как частота инверсий и величина напряженности поля.

Важность палеомагнитных данных для изучения ранней истории Земли несомненна, т.к. только они позволяют количественно охарактеризовать крупномасштабные перемещения тектонических блоков, протестировать различные конфигурации гипотетических суперконтинентов. Изучая взаимные перемещения древних кратонов, можно ответить на вопрос: «Когда началась тектоника плит?" — многие, например [Stern, 2005], сомневаются, что до рифейского времени существовал современный стиль тектоники плит.

Актуальность исследования.

Ранний протерозой Сибирского кратона с палеомагнитной точки зрения до недавнего времени представлял собой «белое пятно». До 2002 г. для раннепротерозойских пород Сибири имелось всего 6 палеомагнитных определений, из которых только одно [Михайлова и др., 1994] удовлетворяло современным требованиям палеомагнитной надежности. Примерно такое же положение с палеомагнитными данными наблюдается для Северного Китая и Южной Америки. В то же время, для других древних кратонов получено существенно больше палеомагнитных определений: для Канадского щита и Гренландии — 247 определений, для Балтийского, Украинского щитов и Воронежского массива -239 определений [GPMDB-v.4.3, 2002]. Показательно, что в недавней сводке по палеомагнетизму до-кембрийских образований древних кратонов [Pesonen et a I, 2003] для Сибири не использовано ни одного раннепротерозойского определения (рис. 1). Эта ситуация делала практически невозможным проведение глобальных реконструкций для раннепротерозойского времени с участием Сибири. Дефицит палеомагнитных данных подчеркивался при этом большим количеством прецизионных датировок абсолютного возраста, сделанными в последнее время.

Age (Ga)—- 2 -1 2.3 2.2 2.1 2.0 ! .ч I к 1.7 1.6 1.5 ! 4 1.3 1.3 1.1 1.0.

Sao Francisco (SO — - • — I;

Congo © • ;

Ukraine 1 •.

Balnea * 1 • • * 4 • 1 [ • •.

Laurentia.

Coals Land 1 t o).

Amazonia (Am) • • * 1 • HI.

India (1 >.

Australia (Au) • a • a • • < •.

West Africa (WA) •.

Kalahari-Clr (K '(ir) * It о * - < -«.

Siberia (Sbt / 9 ¦.

S. China ISC).

N.China (NO • t 1 t t t t t t t.

Fit —* 2.45 2(H) UK I 77 165 I 50 1.25 1 lit J. flO.

1.83 1.15 1.05.

Рис. ! Распределение во времени палеомагнитных полюсов древних кратонов.

Pesonen et aL 2003].

Один из основных методов глобальных палеотектонических реконструкций состоит в сравнении траекторий кажущейся миграции полюса (КМП) для различных тектонических блоков. Для Сибирского кратона относительно подробно разработана модель фанерозой-ского участка кривой КМП Сибири [Храмов, 1991; Печерский и Диденко, 1995; Smethurst et al" 1998]. В последнее время получена удовлетворительная кривая для позднерифейско-раннекембрийского интервала [Павлов и др., 2002; Шацилло, 2006]. Участок ТКМП o r 1.9 рождения Сибирского кратона) до примерно 1 млрд. лет оказался «белым пятном». Усилиями, главным образом, Р. В. Веселовского и В. Э. Павлова [Веселовский, 2006; Pavlov et al, 2008] постепенно заполняется мезопротерозойская часть этой палеомагнитной лакуны..

Палеопротерозойская ветвь кривой из-за отсутствия надежных палеомагнитных определений построена быть не могла. Задача получения надежных палеомагнитных данных по палеопротерозою Сибирского кратона для последующего построения реконструкций на их основе была поставлена в 2000 г. А. Н. Диденко. Начиная с 2002 г., активное участие в выполнении этих работ принимал и автор настоящей диссертационной работы..

Сибирский кратон по современным представлениям [Розен и др., 2006] образовался в результате амальгамации нескольких террейнов 1.9 млрд. лет назад, возможно как отражение образования суперконтинента Пангея-1 (Колумбия). Формирование структуры фундамента кратона продолжалось длительное время, до 150 млн. лет [Розен и др., 2006], отдельные блоки при этом, вероятно, испытывали взаимные вращения. Палеомагнитные данные могли бы помочь в изучении кинематики процесса становления структуры Сибирского кратона..

Цели и задачи исследования.

Получение надежных палеомагнитных данных, по сути первых для раннего протерозоя Сибири, было ориентировано на достижение следующих целей:.

1. расшифровку сценария становления структуры Сибирского кратона в раннем протерозое-.

2. реконструкцию палеоширотного положения Сибири в раннем протерозое..

Для достижения этих целей потребовалось выполнение ряда задач, а именно:.

1. получение палеомагнитных определений по раннепротерозойским образованиям Сибирского кратона. Определения должны отвечать современным требованиям палеомагнитной надежности, возраст пород должен быть определен не хуже, чем ±20 млн. лет-.

2. получение палеомагнитных полюсов, в том числе отвечающих понятию «ключевых», расчет палеоширотного положения Сибири в раннем протерозоесравнение с имеющимися данными, выбор полярностисоздание модели раннепротерозойской кривой кажущейся миграции полюса Сибири-.

3. тестирование возможности вхождения в агломерат с другими континентальными блоками (гипотезы суперконтинентов) —.

4. построение непротиворечивой, по палеомагнитным и геологическим данным, модели раннепротерозойской истории юга Сибири..

Фактический материал и методика исследований.

Фактический материал, легший в основу диссертации, был получен при непосредственном участии автора в ходе полевых работ в различных районах юга Сибирского крато-на. Всего было отобрано и обработано 1190 ориентированных образцов раннепротерозой-ских образований из 82 отдельных обнажений. Были опробованы постколлизионные граниты и гранодиориты шумихинского и саянского комплексов Шарыжалгайского выступа фундамента кратона, а также все свиты акитканской серии и базитовые дайки чайского комплекса Северо-Байкальского вулкано-плутонического пояса, географически приуроченного к Байкальскому и Акитканскому хребтам..

Методика палеомагнитных исследований была в основном стандартной (подробнее см. гл.1). Полевой отбор сопровождался геологическими исследованиями и отборами проб с целью изотопно-геохронологического изучения, проводившимися нашими иркутскими коллегами, зачастую «образец в образец»..

Специфика докембрийских пород естественным образом заключается в их древнем возрасте, а точнее — малочисленности, метаморфизме, зачастую сложной локальной тектоники и запутанных стратиграфических корреляциях. За столь долгую жизнь порода и па-леомагнитная запись в ней претерпели множество изменений, здесь сильно возрастает возможность перемагничивания более поздним полем, возникает проблема сохранности первичной намагниченности. Все это потребовало более долгого выбора геологических объектов, более вдумчивого анализа палеомагнитных данных, применения ряда петромагнитных исследований, направленных на доказательство возможности сохранения первичной намагниченности..

Лабораторная обработка коллекций производилась в лаборатории главного геомагнитного поля и петромагнетизма ИФЗ РАН, в палеомагнитных лабораториях ГИН РАН и Мюнхенского университета (Германия). Петромагнитные исследования проводились на базе геофизической обсерватории «Борок» (Ярославская область). Изотопные и геохронологические исследования выполнялись в лаборатории геохронологии ГЕОХИ РАН под руководством Е. В. Бибиковой, Т. И. Кирнозовой и М. М. Фугзан, а также нашими иркутскими коллегами — Д. П. Гладкочубом, Т. В. Донской, A.M. Мазукабзовым, A.M. Станевичем, А. И. Ивановым (ИЗК СО РАН)..

Научная новизна и значимость работы.

Выполнены первые систематические палеомагнитные работы на раннепротерозой-ских образованиях Сибирского кратона, сопровождавшиеся изотопно-геохронологическими исследованиями. Получены первые надежные палеомагнитные результаты, все объекты (кроме чайской свиты) были опробованы впервые. В два с лишним раза наращена раннепротерозойская палеомагнитная база по Сибири..

Из 8 полученных определений как минимум 3 претендуют на звание «ключевого» для докембрия [Buchan at al, 2000]. На основе оригинальных данных создана новая модель раннепротерозойского сегмента ТКМП, существенно отличающаяся от первых моделей [Диденко и др., 2004; Веселовский, 2006]. Сопоставление одновременных участков кривых для Сибири и Лаврентии позволило сделать вывод о принципиальной возможности совместного передвижения в интервале от 1850 до 1740 млн. лет. Полученные данные совместно с [Pavlov et al, 2008; Веселовский и др., 2009] позволяют говорить о существовании устойчивого агломерата Сибири и Лаврентии на протяжении 800 млн. лет — с 1850 до 1050 млн. лет. Вывод о региональном процессе перемагничивания, затронувшем в рифее раннепроте-розойские образования Байкальского хребта, подтверждает гипотезу о едином импульсе внутриконтанентального растяжения юга Сибири, отвечающего распаду суперконтинента Родиния [Гладкочуб и др., 2007]..

Защищаемые положения.

1. Предложена новая модель палеопротерозойского сегмента траектории кажущейся миграции полюса Сибири и восстановлено широтное положение Сибирского крато-на в конце раннего протерозоя: с 1870 до 1750 млн. лет Сибирь передвигалась из северных приэкваториальных (13−15°) в южные приэкваториальные (8−10°) широты..

2. На основании хорошо датированных палеомагнитных данных установлена принципиальная возможность вхождения Сибирского кратона в структуру палеопротерозойского суперконтинента Колумбия. Причем, сочленение Сибирского и СевероАмериканского кратонов могло происходить только по южной (байкальской) окраине первого и северной (канадской) окраине второго..

3. Основываясь на палеомагнитных данных можно утверждать, что Шарыжал-гайский и Байкальский блоки Ангарской провинции с конца раннего протерозоя (1850 млн. лет) сформировали единую тектоническую провинцию юга Сибирского кратона..

4. В палеомагнитной записи раннепротерозойских образований Байкальского хребта установлено вторичное событие (региональное перемагничивание), которое произошло в интервале между внедрением базитовых даек чайского комплекса (1674 млн. лет) и накоплением отложений байкальской серии (поздний рифей). Этот процесс мог быть обусловлен тектоно-термальным влиянием позднепротерозойского рифтогенеза и внедрением многочисленных дайковых роев, отвечающих распаду суперконтинента Родиния..

Теоретическое и практическое значение.

Наши исследования позволяют сказать, что магнитное поле Земли и тектоника плит в конце раннего протерозоя принципиально не отличались от современных. Результаты чИ проведенных исследований важны для понимания раннепротерозойской истории Сибирского кратона, для создания глобальных палеореконструкций, определения Сибири в системах различных гипотетических суперконтинентов. Выводы могут использоваться при создании палеотектонических карт, для дополнения, возможного уточнения учебных курсов по «Исторической геологии», «Общей и региональной геотектоники»..

Апробация работы Результаты, полученные в ходе настоящей работы, были представлены на 15-ти российских и международных научных конференциях, совещаниях и семинарах, в частности: на семинарах «Палеомагнетизм и магнетизм горных пород» в пос. Борок (2002, 2003, 2006, 2007, 2009), Всероссийской научной конференции, посвященной 10-летию РФФИ (2002, Москва), молодежных секциях Тектонического совещания в Москве (2003, 2004, 2005), II Российской конференции по изотопной геохронологии (2003, Санкт-Петербург), международном семинаре по палеомагнетизму и магнетизму горных пород в Казани (2004), научных совещаниях в Иркутске (2004, 2007), 6-ой Международной конференции «Problems of Geocosmos» (2006, Санкт-Петербург), 33-м Международном Геологическом конгрессе (2008, Осло). Результаты работ регулярно докладывались и обсуждались на Общемосковском семинаре по палеомагнетизму и магнетизму горных пород..

В общей сложности по теме диссертации опубликована в соавторстве 21 печатная работа, из них 1 глава в коллективной монографии, 5 статей в реферируемых научных журналах, в том числе 1 в иностранном издании, 15 работ представляют тезисы и материалы конференций..

Благодарности.

Испытывая большую благодарность за долготерпение и мудрое руководство, прежде всего, хочу выразить глубокую признательность моему научному руководителю Алексею Николаевичу Диденко. Необходимо также сказать большое спасибо Владимиру Эммануи-ловичу Павлову — человеку, который привел меня в палеомагнитологию и многому научил..

Говорю спасибо моим постоянным соавторам из Иркутска — Д. П. Гладкочубу, A.M. Мазукабзову, Т. В. Донской, A.M. Станевичу, которые выступали и как организаторы совместных полевых работ. В полевых исследованиях и отборе коллекций мне также помогали А. А. Бухаров, С. А. Диденко, Е. В. Карякин, К. М. Константинов (с сыном), Б. Б. Кочнев,.

A.В. Петушков, А. В. Шацилло, за что им отдельная благодарность..

Лабораторные исследования помогали проводить А. Г. Фейн и Г. С. Янова (ИФЗ РАН), Н. Я. Дворова и О. А. Крежовских (ГИН РАН), М. В. Алексютин и Мануэла Вайс при поддержке Валериана Бахтадзе (Мюнхенский университет, Германия), В. В. Щербакова,.

B.А. Цельмович и Г. В. Жидков (ГО «Борок»). Всем им я также очень признателен..

Постоянную помощь, консультации и доброжелательную критику мне оказывали M.JI. Баженов, С. В. Шипунов, А. В. Шацилло, В. Э. Павлов, Т. С. Гендлер, М. В. Алексютин, А. В. Дворова, E.JI. Гуревич, О. М. Туркина, И. К. Козаков, С. А. Писаревский, Е. В. Скляров и мн. др. Особую благодарность выражаю моим коллегам по петромагнитной лаборатории МГУ — Н. В. Лубниной, Р. В. Веселовскому и A.M. Фетисовой..

Большое спасибо всем коллегам из Москвы, Борка, Санкт-Петербурга, Иркутска, Казани, Саратова, Новосибирска, Хабаровска, Владивостока, Магадана, Киева, без которых невозможно было бы создание плодотворной палеомагнитной среды..

Финансовая поддержка полевых и лабораторных исследований осуществлялась РФФИ (гранты 02−05−64 332 и 06−05−64 352), Программой ОНЗ РАН «Геодинамическая эволюция литосферы Центрально-Азиатского подвижного пояса (от океана к континенту)» и из бюджетных средств ИФЗ РАН и МГУ..

В заключение хочу поблагодарить всех сотрудников лаборатории главного геомагнитного поля и петромагнетизма ИФЗ РАН и кафедры динамической геологии геологического факультета МГУ, которые очень доброжелательно отнеслись ко мне и моим исследованиям..

— выводы различных тестов складки неоднозначны (см. гл. 3)..

Критерии надежностн: 1 — возраст исследуемых пород надежно определен (точность не хуже 40 млн. лет) — 2 — результат основывается на более чем 24 образцах- 3 — лабораторные исследования выполнены с использованием детальной магнитной чистки и компонентного анализа- 4 — положительные результаты полевых тестов- 5 — исследуемые геологические объекты расположены на территориях, тектоническая позиция которых четко установлена- 6 — наличие в изученных объектах векторов прямой и обратной полярности- 7 — отсутствие сходства положения полученного палеомагнитного полюса с положением более молодых полюсов..

Вопрос полярности выделенных направлений остается открытым. Если исходить из предположения, что Сибирь и Лаврентия в конце раннего протерозоя составляли единый агломерат, то учитывая опцию полярности для лаврентийских полюсов [Pesonen et al, 2003; Irving et al, 2004], мы получим, что северные полюсы для Сибири находились западнее.

105.

Австралии (в современных координатах). Подход, предложенный Эвансом и Писаревским [Evans and Pisarevsky, 2008], позволяет сделать экспресс-вывод о том, что Лаврентия и Сибирь могли перемещаться совместно в конце раннего протерозоя (табл. 5.3)..

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В результате первых систематических палеомагнитных работ по изучению палеомагнетизма раннепротерозойских образований юга Сибирского кратона получено девять новых палеомагнитных определений, отвечающих современным требованиям палеомагнитной надежности. Это позволило более чем в два раза нарастить раннепротерозойскую часть палеомагнитной базы данных по Сибири. 8 из 9 определений соответствуют первичным направлениям намагниченности, подтвержденных полевыми тестами, одно отвечает направлению регионального процесса перемагничивания, затронувшего район Байкальского хребта. Три полюса, по оценке автора, претендуют на звание «ключевого» для докембрия — это гранитоиды Шарыжалгая, осадочные породы чайской свиты Акитканского хребта и базитовые дайки чайского комплекса. Другие определения менее обоснованы, но позволяют использовать их для детализации раннепротерозойского тренда КМП Сибирского кратона. Согласно критериям палеомагнитной надежности [Van der Voo, 1990], большинство определений имеет высокую степень надежности. Следует заметить, что результаты, полученные по образованиям Байкальского хребта, не смотря на положительные результаты полевых тестов, все же, на наш взгляд, незначительно перемагничены рифейским полем. Можно констатировать, что заявленные цели достигнуты — на основе хорошо датированных палеомагнитных определений с привлечением геолого-геохронологических данных сделаны важные геотектонические выводы:.

1. Блоки, слагающие юг Сибирского кратона — Шарыжалгайский и Байкальский выступы, передвигались совместно, начиная, по крайней мере, с 1850 млн. лет..

2. В конце раннего протерозоя Сибирь перемещалась из северных приэкваториальных широт в южные приэкваториальные..

3. На основе оригинальных данных предложена модель ран непротерозойской ветви траектории КМП Сибири. Определения ложатся на незамкнутую петлю, похожий характер демонстрируют раннепротерозойские определения по Лаврентии. Наилучшее совмещение участков траекторий КМП дал полюс вращения Эйлера: Lat=75°, Long=l 10°, угол=165°. При повороте относительно этого полюса Сибирский кратон совмещается своим южным краем с северным краем Лаврентии. Именно о таком соотношении по геологическим данным писали [Rainbird et al., 1998; Condi, 2002]..

4. В раннепротерозойских образованиях Байкальского хребта обнаружены следы регионального перемагничивания, связанного с внедрением дайковых роев СевероБайкальского дайкового поля 780 млн. лет. Эти данные подтверждают предположение о едином импульсе внутри континентального растяжения юга Сибирского кратона, отвечающего распаду супер континента Родиния..

По мнению автора, главным итогом работы стало создание палеомагнитной «печки» (рис. 2), от которой можно теперь «плясать»..

Age «-а>—> 2.4 2.3 2.2 2.1 2 (I 14 I X 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 II 1.0.

Sao Francisco 1 SO * - ..

Congo (O •.

Ukraine .

Baltics (B) • 1 ' • * 4 i • a.

Laurcntia iL) * l t • Шт • • ** • I.

Coats Land (Col ¦.

Amazonia (Am) • • • 1 •.

India 01 ..

Australia (Au) • • • «• • • •.

Wesl Africa (WA) • 1.

Kalahari ~Cir (KCin? tl • — Щ < •".

Siberia ISM I * * 1 i * «.

S. China (SO.

N China (NO • t t t t t t t t t f.

Kir—* 2,45 2.00 I XX 1.77 I, ft5 150 1 25 ГШ J. OO ги 1.83 1−15 105.

Рис. 2 Распределение во времени палеомагнитных полюсов древних кратонов (звездочкой показаны ключевые полюсы) [Pesonen et al, 2003 с дополнением].