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

ЧАСТЬ I. ТРЕКОВОЕ ДАТИРОВАНИЕ: МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ, ВОЗМОЖНОСТИ И ОГРАНИЧЕНИЯ

ГЛАВА 3. ПРИМЕНЕНИЕ ТРЕКОВОГО ДАТИРОВАНИЯ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Трековый возраст, в физическом значении, -это период времени, в течение которого происходило накопление треков в кристалле. Нужно иметь в виду четкое различие между <физическим измерением> и <геологической интерпретацией> трековых возрастов. Интерпретация трековых возрастов не всегда тривиальна и требует тщательного анализа, как полученного материала, так и учет разнообразных геологических факторов.

Трековое датирование применяется для решения широкого круга задач в геологии. Как традиционный метод тефрохронологии трековое датирование применяется для определения возраста вулканических стекол (например, Кашкаров и др., 1985; Комаров, 1985; Wagner, Van Den Haute, 1992; Gallagher et al., 1998; Кузьмин, Попов, 2000). Также метод активно используется для датирования импактитов (Комаров, Райхлин, 1976; Кашкаров и др., 2000), кимберлитов (Комаров, Илюпин, 1978). Применение метода в четвертичной геологии подробно рассмотрено в (Dumitry, 2000).

Датирование терригенных отложений, корреляция разрезов, реконструкция источников сноса. Современные исследования, использующие трековый анализ, направлены на определение возраста разрезов, лишенных фауны, реконструкцию источников сноса терригенного материала, изучение эксгумации орогенных поясов и установление термальной истории осадочных бассейнов (Wagner, Van Den Haute, 1992; Gallagher et al., 1998; Garver et al., 1999; Garver et al., 2000; Соловьев и др., 2000; Соловьев, 2002). Трековое датирование применимо для изучения динамики тектонических процессов (аккреция, коллизия, эксгумация) путем количественной оценки времени и скорости их развития (Соловьев, 2002). Трековый возраст отражает время остывания минерала ниже определенного порога или температуры закрытия. В этом смысле, трековые возрасты соответствуют времени формирования для быстро остывших вулканических пород (возраст извержения) или отражают время остывания медленно поднимающихся с глубин пород (возраст эксгумации).

Детритовая термохронология - это методика, которая позволяет оценивать возрасты остывания пород в источниках сноса на основании изучения трековых возрастов детритовых минералов из осадочных разрезов. Главное достоинство детритовой термохронологии состоит в том, что эта методика позволяет проследить во времени связь между тектоническими процессами и седиментацией. Треки в апатите устойчивы только в приповерхностных условиях (при температуре ниже 60°С), что ограничивает применение апатита в детритовой термохронологии. Хотя ряд исследований, анализировавших распределения возрастов обломочного апатита, не испытавшего отжига, известен для Гималаев (Rohrmann et al., 1995), Британской Колумбии (Канада) и Новой Зеландии (Garver et al., 1999). Циркон чаще применяют для решения задач методом детритовой термохронологии, так как треки сохраняются при больших температурах (до 200°С). Это позволяет применять циркон для изучения обломочных зерен в осадках, не погружавшихся глубже 7 км. Изучение возраста отдельных зерен циркона, дает возможность (например, Hurford et al., 1984; Kowallis et al., 1986; Naeser et al., 1987; Brandon, Vance, 1992; Garver, Brandon, Garver et al., 1999; Garver et al., 2000; Соловьев и др., 2001; Соловьев и др., 2002; Soloviev et al., 2002; Бондаренко и др., 2003; Богданов и др., 2003; Шапиро и др., 2004; Соловьев и др., 2004): а) определять возраст отложений, не содержащих фауны, б) проводить стратиграфические корреляции, в) реконструировать источники сноса терригенного материала.

Изучение скоростей эксгумации комплексов питающих провинций. Одно из современных направлений трекового анализа - это датирование апатита и циркона из разрезов с целью изучения эксгумации комплексов-источников терригенного материала (Cerveny et al., 1988; Garver, Brandon, 1994; Rohrmann et al, 1996; Garver et al., 1999; Garver et al., 2000; Bernet et al., 2001). Это направление ставит своей целью изучение временной взаимосвязи между формированием рельефа, эрозией, климатом и седиментацией в орогенных поясах Земли. Каждая питающая провинция (блок, комплекс) поставляет в прилегающий бассейн обломочные зерна с определенными трековыми возрастами, которые зависят от термальной истории этой провинции. Изучение эволюции комплексов питающей провинции проведено для северо-восточной окраины Азии (Охотско-Чукотский вулканический пояс) для конца мела - эоцена (Garver et al., 2000; Соловьев и др., 2000). Размывавшийся материал окраины осаждался у подножия континентального склона в Лесновско-Укэлаятском прогибе. В осадках этого прогиба <записана> история эксгумации и эрозии блоков Охотско-Чукотского вулканического пояса.

Изучение термальной истории осадочных бассейнов. Устойчивость треков в минералах зависит от температуры и времени, это обусловило применение трекового анализа для реконструкции термальной истории осадочных бассейнов. Большое количество исследований посвящено изучению апатита, так как температурный интервал зоны частичного отжига треков в апатите (60°-110°10°С) очень близок температурам, при которых происходит генерация жидких углеводородов. Формирование нефти и газа в осадочных бассейнах, как известно, происходит при определенных температурных условиях, так образование жидких углеводородов протекает наиболее интенсивно в интервале от 60° до 130° С, а газообразных углеводородов -в интервале 130° - 220° С при скорости нагрева 1-10°С/млн лет (Quigley, Mackenzie, 1988). Образование метана из угля в ходе углефикации происходит в интервале температур 80° - 230°, а наиболее интенсивная генерация угольного метана характерна для интервала 150°-230° (Хант, 1982; Rightmire, 1984; De Bruin et al., 2000). Трековый анализ апатита и циркона применяется для количественной оценки термальной истории осадочного бассейна, степени зрелости органических веществ (ОВ) при прогнозе нефтегазоносности и поисках нефти и газа. Трековый анализ, в отличие от других методов (например, анализ отражающей способности витринита), дает возможность проследить изменение палеотемператур во времени.

Изучение скоростей воздымания орогенных систем. Изучение скоростей воздымания горных систем во времени является одной из важных и сложных проблем современной геотектоники. Формирование и эволюция рельефа зависит от многих факторов, эта система представляет собой результат интегрального взаимодействия эндогенных (тектонические силы, магматизм) и экзогенных (климат, эрозия, седиментация) факторов. Так как трековый анализ дает количественную информацию о процессах остывания, то он может быть использован для оценок скоростей воздымания, эрозии и тектонической денудации. Остывание пород в геологических условиях может быть связано с абсолютно разными процессами (Wagner, Reimer, 1972; Wagner et al., 1977). Таким образом, при построении кривых остывания геологических объектов необходимо привлечение дополнительной информации, учет геологических особенностей объекта исследований. Однако, несмотря на некоторые допущения и ограничения (Gallagher et al., 1998), трековый анализ активно используется для оценок скоростей воздымания, эксгумации, эрозии и является одним из немногих методов, позволяющих давать количественные оценки. В работе приводится несколько примеров для мезокайнозойских комплексов Корякии и Камчатки.

Реконструкция структурной эволюции комплексов. Трековое датирование активно применяется для изучения эволюции структурных неоднородностей земной коры, например, региональных надвигов, сбросов. Множество комплексных исследований на основе структурного анализа и трекового датирования проведено для расшифровки истории эволюции метаморфических ядер кордильерского типа (Dokka et al., 1986; Foster et al., 1993; Johnson et al., 1997; Miller et al., 1999). Эти исследования позволяют установить связь между деформацией и денудацией, восстановить время и скорость сбросовых перемещений. Комплексное использование структурно-кинематического и трекового метода позволило реконструировать эволюцию Лесновско-Ватынского надвига (Южная Корякия, Камчатка) (Соловьев, 1997; Соловьев и др., 1998; Соловьев и др., 2001; Соловьев и др., 2002; Soloviev et al., 2002), метаморфического ядра Срединного хребта Камчатки (Кирмасов и др., 2004; Соловьев и др., 2004; Хоуриган и др., 2004).

Изучение тектонической эволюции аккреционных призм. Формирование аккреционных призм -это процесс, приводящий к наращиванию континентальной коры, и изучение этих структур является одной из фундаментальных проблем современной геодинамики. В этом разделе рассмотрены два наиболее изученных примера -аккреционные призмы Симанто (Япония) и Каскадия (Северная Америка). На примерах аккреционных призм Симанто и Каскадия показано, что трековое датирование циркона и апатита может с успехом применяться для изучения возраста аккретированных осадков, времени аккретирования и скоростей выведения комплексов на поверхность. Оригинальные данные по аккреционным призмам Камчатки приводятся во второй части.