Изучение тектонических процессов в областях конвергенции литосферных плит методами трекового датирования и структурного анализа

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Изучение тектонических процессов, происходивших в областях конвергенции литосферных плит, является фундаментальной научной проблемой современной геотектоники. Исследования динамики и кинематики тектонических процессов (аккреция, коллизия, эксгумация) путем оценки времени и скорости их развития, направлений перемещений становятся все более актуальными в последние десятилетия. Возможность постановки таких задач связана в первую очередь с развитием методик геохронологических и структурно-кинематических исследований. В настоящей работе приводятся оригинальные примеры решения тектонических задач методами трекового датирования (fission-track dating) циркона и апатита и структурно-кинематического анализа. Методические приемы реконструкций тектонической эволюции показаны на примере юга Корякского нагорья и Камчатки. В качестве дополнительного материала привлекаются данные, полученные по Южно-Анюйской зоне (Западная Чукотка и остров Большой Ляховский).

Количественная характеристика тектонических процессов весьма актуальна и в свете прогноза и поисков месторождений полезных ископаемых. Так, например, реконструкция термальной истории терригенных пород методом трекового датирования апатита весьма важна для оценки зрелости органического вещества и прогноза нефтегазоносности.

Цель работы. Цель данной работы заключалась в изучении особенностей тектонических процессов, происходивших в областях конвергенции литосферных плит, на примере Северо-Востока России. Для достижения этой цели решались задачи двух типов: методические и региональные.

Методические задачи сводились к следующим:

• Продемонстрировать возможность датирования "немых" терригенных толщ методом детритовой термохронологии (трековое датирование циркона);
• Подобрать комплекс методов для оценки средних скоростей некоторых тектонических процессов (коллизия, аккреция, эксгумация);
• Рассмотреть возможности и ограничения совместного использования геохронологических и структурно-кинематических методов для изучения тектонических процессов;
• Предложить методику анализа кинематики разрывных нарушений в слоистых толщах;
• Усовершенствовать методику подготовки препаратов трекового анализа применительно к датированию обломочных цирконов; Региональные тектонические задачи были сформулированы следующим образом:
• Получить структурные данные по коллизионно-аккреционным структурам для определения кинематических условий их формирования;
• Провести трековое датирование циркона из терригенных комплексов для определения их возраста, проведения стратиграфических корреляций, реконструкции источников сноса терригенного материала и изучения эволюции питающих провинций;
• Определить трековые возраста апатита из терригенных и магматических комплексов, которые позволяют судить о времени выведения пород на близповерхностные уровни и дают возможность реконструировать постколлизионную или постаккреционную историю;
• Применить комплекс изотопных, биостратиграфических и структурно-кинематических методов для ключевых объектов, чтобы оценить время, кинематику и скорости тектонических процессов (аккреция, коллизия, эксгумация).

Для решения вышеупомянутых задач в рамках поставленной цели опорным регионом был выбран юг Корякского нагорья и Камчатка, где в мезозое и кайнозое широко проявились процессы аккреции, коллизии и эксгумации.

Фактический материал. В основу работы положены оригинальные материалы, собранные автором во время полевых работ в 1992-2004 годах на юге Корякского нагорья и Камчатке. Геологический материал представлен в виде схем геологического строения ключевых участков, колонок, разрезов, зарисовок, фотографий. Образцы для геохронологического изучения отобраны автором (около 150 проб, вес от 3 до 10 кг каждая). Автором проведено петрографическое и литологическое изучение пород в прозрачно-полированных шлифах ( 500). В поле автором измерено более 4000 структурных элементов, на основании которых проводился структурно-кинематический анализ. В работе учтены литературные и фондовые материалы по рассматриваемым регионам. Образцы из Южно-Анюйской зоны предоставлены Г.Е.Бондаренко (ГИН РАН) - Западная Чукотка, А.Б.Кузьмичевым (ГИН РАН) - остров Большой Ляховский.

Методом трекового датирования проведено определение возраста цирконов из 80 образцов, получено около 3800 возрастов единичных зерен циркона. Апатит датирован из 70 образцов (около 2300 возрастов отдельных зерен). Получены датировки другими изотопными методами U/Pb (2 образца), Rb/Sr (1 образец), K/Ar (4 образца), (U-Th)/He (5 образцов). Датирование циркона и монацита методом U/Pb SHRIMP (6 образцов - анализ возраста обломочных цирконов, 8 образцов - определение возраста магматогенных или метаморфогенных цирконов, 5 образцов - датирование метаморфогенного монацита) проведено Дж. К. Хоуриганом (Йельский университет) по образцам автора. (U-Th)/He датирование выполнено для 5 образцов автора П.Райнерсом (Йельский университет). Биостратиграфические исследования по образцам автора проводились Т.Н.Палечек (ГИН РАН -радиолярии), Е.А.Щербининой (ГИН РАН - нанопланктон), Е.Ю.Барабошкиным (МГУ - моллюски), В.Н.Синельниковой (ГИН РАН - двустворки, гастроподы), С.И.Ступиным (ГИН РАН - фораминиферы), Д.А.Лопатиной (ГИН РАН - споры и пыльца).

Методы исследования. Методы исследований делились на две группы: полевые и лабораторные. Полевые исследования опирались на геологические наблюдения и крупномасштабное картирование ключевых участков, анализ пликативных и дизъюнктивных деформаций для определения ориентировки осей палеонапряжений, изучение кинематических индикаторов в зонах разломов для определения направлений перемещений. При отборе проб для геохронологического изучения в первую очередь уделялось внимание структурной позиции образца, что в ряде случаев имеет огромное значение при интерпретации данных.

Выделение апатита, циркона, монацита, амфибола и биотита из проб проводилось в лаборатории минералогического и трекового анализа под руководством В.В.Ляховича (ГИН РАН). Подготовка препаратов для трекового анализа осуществлялось в лабораториях трекового датирования Юнион Колледжа (Скенектади, США) и Института литосферы окраинных и внутренних морей РАН. Препараты облучались в реакторе Университета штата Орегон (США). Подсчет треков проводился на установках в Юнион Колледже (Скенектади, США), в Институте литосферы окраинных и внутренних морей РАН, а затем в Геологическом институте РАН. При датировании использован метод внешнего детектора.

Трековое датирование (fission-track dating) - метод определения времени остывания минералов, основанный на подсчете плотности треков осколков спонтанного деления ядер урана (U²³⁸), накапливающихся в природных минералах в ходе геологической истории. Трековый возраст отражает время остывания минерала ниже температуры закрытия трековой системы (например, Fleischer et al., 1964; Шуколюков и др., 1965; Wagner, Van den Haute 1992). В этом смысле, трековые возрасты соответствуют времени формирования для быстро остывших вулканических пород (возраст извержения) или отражают время остывания пород при выведении с глубинных уровней (возраст эксгумации). Детритовая термохронология -это методика, опирающаяся на трековое датирование отдельных зерен минералов из осадков, позволяет проследить связь между тектоническими процессами и седиментацией. Осадочные породы содержат минералы различного трекового возраста, которые поступили в осадок из источников с разной термотектонической историей. Это позволяет реконструировать эволюцию источников сноса во времени. Изучение возраста отдельных зерен циркона, дает возможность: а) проводить стратиграфические корреляции, б) определять возраст отложений, не содержащих фауны; в) реконструировать источники сноса терригенного материала и г) изучать эксгумационную эволюцию пород питающих провинций.

Личный авторский вклад с работу. Постановка задач, примеры решения которых приводятся в работе, осуществлялась автором. В основу диссертации положены авторские полевые материалы, собранные в 1992-2004 гг. на Камчатке и в Южной Корякии. В работе использованы коллекции, отобранные Г.В.Ледневой, М.Н.Шапиро, Дж.И.Гарвером, Дж.К.Хоуриганом, А.Б.Кирмасовым, Г.Е.Бондаренко, А.Б.Кузьмичевым. 80% трековых датировок, приведенных в работе, получено лично автором.

Научная новизна работы. Трековое датирование циркона и апатита и структурно-кинематический анализ впервые применены для анализа геодинамики южной Корякии и Камчатки, а также Южно-Анюйской зоны. К новым результатам относятся:

• Впервые применение трекового датирования в комплексе с другими методами для изучения южной Корякии и Камчатки позволило дать количественные оценки времени и скорости развития тектонических процессов (аккреция, коллизия, эксгумация) в позднем мезозое - кайнозое.
• Трековое датирование циркона может рассматриваться как метод определения возраста терригенных отложений, что подтверждено биостратиграфическими данными. Обоснован возраст немых терригенных толщ Западной Камчатки, Лесновско-Укэлаятской зоны, а также Южно-Анюйской зоны.
• На оригинальном материале показано, что трековое датирование циркона и апатита из комплексов аккреционных призм применимо для изучения возраста аккретированных осадков, времени аккретирования и скоростей выведения комплексов на поверхность.
• Впервые обоснована диахронность коллизии меловой энсиматической дуги с северо-восточной окраиной Азии.
• Расшифрована структура и кинематика зоны Лесновско-Ватынского надвига - одного из крупнейших тектонических швов Северо-Восточной Азии. Установлено время и скорость формирования Лесновского надвига.
• Предложена новая геодинамическая модель эволюции метаморфических комплексов Срединного хребта Камчатки.

Основные защищаемые положения:

В результате коллизии южного сегмента дуги мощный аллохтонный пакет перекрыл автохтонные терригенные толщи северо-восточной окраины Азии, что привело к глубокому метаморфизму на юге Срединного хребта (522 млн. лет назад) как автохтона (колпаковская и камчатская серия), так и нижней части аллохтона (андриановская свита). Расчитанная скорость нагрева отложений в зоне коллизии в результате обдукции дуги составляет около 100°С/млн. лет.

Материалы исследований использовались при поисковых работах на платину, проводимых в 1997 году ЗАО <Корякгеолдобыча>. Результаты, приведенные в работе, учитывались при составлении Паланской серии листов в ходе ГДП-200 (1999, 2000 гг.), проводимого ПГО "Камчатгеология". Материал диссертации был использован при составлении <Тектонической карты Охотоморского региона масштаба 1:2 500 000> (ответственные редакторы Н.А.Богданов, В.Е.Хаин). Автором предложена методика (трековое датирование циркона) прогнозных работ на угольный метан, используемая в ДОАО "Промгаз".

Разделы о трековом датировании были написаны для учебных пособий <Общая геология> Н.В.Короновский и <Основы геотектоники> В.Е.Хаин, М.Г. Ломизе.

Апробация работы и публикации. Результаты работы были представлены и опубликованы в материалах всероссийских и международных совещаний: на научной конференции ИЛ РАН (Москва, 1999); на научных чтениях памяти акад. А.Л.Яншина (Москва, 2000); на I, II и III молодежных конференциях им. акад. А.Л.Яншина (Москва, 2001, 2002, 2003); на XXXI - XXXVIII Тектонических совещаниях МТК (Москва, 19982003, 2005); на молодежной школе-конференции XXXVII Тектонического совещания (Москва, 2004); на конференции, посвященной 10-летию РФФИ (Москва, 2002); на 5, 6, 7-ой Международных конференциях по тектонике плит им. Л.П.Зоненшайна (Москва, 1995, 1998, 2001); на I и II Российской конференции по изотопной геохронологии (Москва, 2000; Санкт-Петербург, 2003); на Рабочих Совещаниях по проекту NEMLOR INTAS (Санкт-Петербург, 2002, 2003, 2004); на Международном совещании по трековому анализу (Кадис, Испания, 2002); на Сессиях Американского Геофизического Союза (AGU Fall Meeting, Сан-Франциско, 2000, 2004); на 31ом Международном Геологическом конгрессе (Рио-де-Жанейро, Бразилия, 2000); на сессиях Европейского Геологического Союза (EUG IX, 1997; EUG XI, 2001; Страсбург, Франция); на Объединенной Сессии EUG-AGU-EGS (Ницца, Франция, 2003); на 24 Генеральной Ассамблее Европейского Геофизического Общества (EGS, Гаага, Нидерланды, 1999), на конференции "Геология Арктики, энергетические ресурсы и климатические изменения" (Тромсо, Норвегия, 2004).

Результаты исследований докладывались на заседаниях лаборатории тектоники окраинных морей ИЛ РАН (1999, 2001, 2003), на тектоническом коллоквиуме ГИН РАН (2004). Лекции о методике трекового датирования были прочитаны на кафедре динамической геологии геологического факультета МГУ (Москва, 2000) и для студентов геологического отделения МГУ (Москва, 2002, 2003, 2004), в ДОАО <Промгаз> (Москва, 2002).

По теме диссертации опубликовано более 80 работ. За цикл работ <Эволюция конвергентных областей по данным структурного анализа и трекового датирования (на примере Камчатки и Корякии)> автор награжден медалью Российской академии наук с премией для молодых ученых.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 2 частей (в первой части 3 главы, во второй - 2), заключения и списка литературы из 408 наименований, она включает 27 таблиц, 140 иллюстраций и занимает 362 страницы.

Работа делится на введение, две части и заключение. Первая часть работы посвящена рассмотрению методических основ трекового датирования, возможностей и ограничений метода, и делится на три главы. В первой главе представлены физические основы метода трекового датирования, во второй - описана концепция отжига треков, в третьей - освещены методические принципы решения тектонических задач методом трекового датирования, а также приводятся некоторые конкретные примеры, взятые из литературных источников. Во второй части рассматриваются примеры изучения тектонических процессов методом трекового датирования и структурно-кинематического анализа, в основе которых лежат оригинальные данные автора. Первая глава второй части посвящена изучению тектонических процессов, происходивших на северо-восточной окраине Азии в позднем мезозое-кайнозое. Реконструкции тектонической эволюции приводятся для Западной Камчатки, Лесновско-Укэлаятского прогиба (юг Корякии, Камчатка), Лесновско-Ватынского надвига, Восточно-Камчатской аккреционной призмы, Срединного хребта Камчатки. Во второй главе приводятся примеры применения трекового датирования для комплексов Южно-Анюйской зоны (Западная Чукотка и остров Большой Ляховский).

Благодарности. Работа выполнена в лаборатории тектоники окраинных морей Института литосферы окраинных и внутренних морей РАН (1992-2004), с 2004 года в лаборатории минералогического и трекового анализа ГИН РАН. Автор выражает глубокую признательность директору ИЛ РАН и учителю Н.А.Богданову за научную и финансовую поддержку.

Исследования финансировались Российским фондом фундаментальных исследований (проекты N97-05-79025, N98-05-79056, N 98-05-64525, N01-05-79112 и N 02-05-64967) и Национальным научным фондом (NSF - США), гранты EAR 9418990, EAR 94-18989, OPP-9911910. Автор благодарен профессору Дж.И. Гарверу (Юнион Колледж, Скенектади, США) за стажировку в 1998 - 1999 гг. В 1998 - 2000 гг. исследования финансировались по гранту 5-го конкурса-экспертизы Комиссии РАН по работе с молодежью. В 2003-2004 гг. работы были поддержаны в рамках Программы фундаментальных исследований ОНЗ РАН N7, в 2004 году финансировались Американским фондом гражданских исследований и развития для независимых государств бывшего Советского Союза (CRDF #RG1-2568-MO-03) и Фондом содействия Отечественной науке.

Автор искренне благодарен Дж.И. Гарверу (Юнион Колледж, США), М.Т. Брэндону (Йельский университет, США) за неоценимую помощь при освоении методов трекового датирования и структурно-кинематического анализа. Знания и полевой опыт М.Н.Шапиро очень помогли автору при сборе полевого материала и осмыслении полученных результатов. Автор благодарит Дж.К. Хоуригана (Йельский университет, США) за U/Pb SHRIMP датирование образцов автора. Автор признателен М.М.Аракелянц, Г.Е.Бондаренко, М.Е.Булену, В.Е.Вержбицкому, А.Е.Голдыреву, Е.С.Григоренко, А.Б.Кирмасову, А.Б.Кузьмичеву, К.А.Крылову, А.В.Ландеру, Г.В.Ледневой, Д.А.Лопатиной, М.В.Лучицкой, Т.Н.Палечек, П.Райнерсу, В.Н.Синельниковой, М.И.Тучковой, Е.А.Щербининой за многолетнюю поддержку и сотрудничество. Данная работа была бы невозможна без помощи сотрудников Н.Я.Щербачевой и И.С.Ипатьевой, работающих в лаборатории минералогического и трекового анализа под руководством В.В.Ляховича. Пользуясь случаем, хотелось бы выразить благодарность М.В.Алексютину, Е.В.Бибиковой, В.С.Буртману, В.С.Вишневской, А.Картеру, Д.В.Коваленко, Ю.О.Егорову, Е.А.Константиновской, Н.В.Короновскому, Б.А.Марковскому, В.С.Милееву, В.М.Моралеву, С.А.Паланджяну, О.М.Розену, Е.Г.Сидорову, Б.И.Слядневу, С.Д.Соколову, Н.И.Филатовой, А.И.Ханчуку, А.К.Худолею, В.Д.Чеховичу, П.А.Чеховичу, С.В.Шипунову за полезные рекомендации и плодотворные дискуссии, которые оказались весьма необходимыми при написании работы. Также я считаю своим долгом выразить признательность всем рецензентам моих статей, чьи замечания очень помогали более стройно и логично представить полученные данные.