Палеомагнетизм мезопротерозойских и пермо-триасовых пород Сибирской платформы: палеотектонические и геомагнитные следствия

Введение.

Актуальность проблемы.

Построение кривой кажущейся миграции полюса (КМП) Сибирской платформы является важной задачей, решение которой внесет существенный вклад в понимание тектонической эволюции Сибири на протяжении всей ее геологической истории. К настоящему времени относительно подробно разработана модель фанерозойского участка кривой КМП Сибири (Храмов, 1991; Печерский и Диденко, 1995; Smethurst et al., 1998). Результаты работ последних лет позволили получить существенные ограничения на конфигурацию позднерифейско-раннекембрийского отрезка кривой КМП (Павлов и др., 2002; Шацилло и др., 2006). Участок кривой КМП, охватывающий интервал 1.9-1.0 млрд. лет назад, до недавнего времени оставался <белым пятном> на <палеомагнитной карте> Сибирской платформы в силу малого количества, фрагментарности (временного разброса) и, зачастую, невысокого качества имеющихся палеомагнитных данных.

В последние годы выполнено несколько надежных палеомагнитных определений по палео- и мезопротерозойским объектам Сибирской платформы, сопровождавшихся изотопным датированием этих объектов (Ernst et al., 2000; Диденко и др., 2004). Синтез новых данных и результатов предыдущих исследований позволил сделать первую попытку наметить тренд миграции палеомагнитного полюса Сибири в доверхнерифейское время (Диденко и др., 2004). Предложенный тренд базируется пока на единичных надежных полюсах и для его уточнения (статистического наполнения), необходимо получить новые палеомагнитные полюсы по мезопротерозойским объектам с современными датировками абсолютного возраста. С этой точки зрения перспективными объектами для исследования являются нижнее-среднерифейские красноцветы Учуро-Майского района и Анабарского поднятия, а также докембрийские (среднерифейские?) дайки и силлы основного состава, широко распространенные на территории Западного и Северного Прианабарья.

В настоящее время в науках о Земле активно обсуждаются гипотезы (квази)периодического образования и распада суперконтинентов (Трубицин, 2003), существования палео-мезопротерозойского суперконтинента Колумбия (Rogers, 1994) или Пангея 1 (Хаин, 2001) и его гигантских обломков - суперкратонов Арктика (включавшего, в том числе, Сибирский кратон) и Атлантика (Condie, 2001). Разработка мезопротерозойского сегмента кривой КМП имеет принципиальное значение для тестирования этих гипотез.

Сегодня палеотектонические реконструкции строятся на основании гипотезы центрального осевого диполя (ЦОД), справедливость которой для некоторых интервалов времени, в частности для границы палеозоя и мезозоя, подвергается сомнению (Van der Voo & Torsvik, 2001; и др.). Возможности для проверки гипотезы ЦОД для протерозоя в настоящее время ограничены, и эта задача не ставилась перед настоящей работой. Однако на территории Сибирской платформы широко развиты пермо-триасовые траппы (~250 млн. лет), палеомагнитные данные по которым могут быть использованы для тестирования гипотезы ЦОД для границы палеозоя и мезозоя. Это тестирование может показать, насколько устойчивой была дипольная конфигурация геомагнитного поля в течение геологического времени и существенно уточнить наши представления о том, в какой мере гипотеза ЦОД может быть применима для палеотектонических и палеогеографических интерпретаций древнего (в том числе протерозойского) палеомагнитного сигнала.

Цели и задачи исследования.

Цели настоящей работы могут быть сформулированы следующим образом:
1. Тестирование гипотезы центрального осевого диполя для границы палеозоя и мезозоя, оценка возможного вклада недипольных компонент.
2. Получение ограничений на характер перемещения палеомагнитного полюса Сибирского кратона в мезопротерозое; построение (на основе полученных и имеющихся данных) модели соответствующего участка кривой кажущейся миграции полюса.
3. Выполнение палеомагнитного тестирования гипотезы вхождения Сибири и Лаврентии в состав палео-мезопротерозойского суперконтинента.

Для достижения поставленных целей предстояло решить следующие задачи:
1. Получить новые палеомагнитные определения для пермо-триасовых траппов Сибирской платформы. На основе полученных и имеющихся данных, отвечающих современным критериям палеомагнитной надежности, рассчитать средний полюс Сибири, отвечающий границе перми и триаса.
2. Провести сравнение одновозрастных пермо-триасовых палеомагнитных полюсов Сибири и Стабильной (внеальпийской) Европы и, в случае их статистически значимого различия, рассмотреть и оценить его возможные источники.
3. Провести палеомагнитные исследования мезопротерозойских отложений Анабарского поднятия и Учуро-Майского района.
4. Выполнить палеомагнитные исследования, а также изотопное датирование позднепротерозойских интрузивных тел Северного и Западного Прианабарья.

Фактический материал и методика исследований.

Основу диссертации составляет фактический материал, полученный автором в ходе экспедиционных исследований в различных районах Сибирской платформы.

На западе центральной части Сибирской платформы, в нижнем течении р.Подкаменная Тунгуска (в долинах ее правых притоков - рек Большая Нирунда и Столбовая), были опробованы перемагниченные пермо-триасовыми траппами разрезы ордовикских осадочных отложений, а также интрузивные тела P₂-T₁ возраста (Веселовский и др., 2003). Лавовые покровы и субвулканические тела того же возраста были опробованы на западном склоне Анабарского поднятия, в долине р.Котуй.

На северо-западе платформы, в долинах рек Маган, Джогджо, Котуйкан (Западное Прианабарье) и Фомич (Северное Прианабарье), на протяжении более 600 км, были исследованы докембрийские интрузивные комплексы, а также вмещающие их раннерифейские (R₁) осадочные породы бурдурской, лабазтахской, усть-ильинской и котуйканской свит.

На юго-восточной окраине Сибирской платформы, на территории Учуро-Майского региона, в долинах рек Мулам, Идюм, Алгама, Гонам, Учур, Аим, были изучены раннерифейские гонамская, омахтинская и эннинская свиты, слагающие нижнюю часть сибирского гипостратотипа рифея. В ряде обнажений была опробована также кондёрская свита (Неволин, Потапов, Ставцев, 1978), относимая в настоящее время к нижней части среднерифейской (R₂) тоттинской свиты (Серебряков, Семихатов, 1983). Общая протяженность выполненных маршрутов превышает 1500 км.

В общей сложности обработано около 1600 ориентированных образцов, отобранных в 90 обнажениях (сайтах). Лабораторная обработка коллекций производилась в лаборатории Главного геомагнитного поля и петромагнетизма ИФЗ РАН (г.Москва), в палеомагнитных лабораториях Парижского института физики Земли и Мюнхенского университета. Минералогические исследования проводились в геофизической обсерватории <Борок> (Ярославская область) при непосредственном участии В.А.Цельмовича. Изотопные исследования выполнены совместно с С.Ф.Карпенко и Ю.А.Костицыным (Лаборатория изотопной геохимии, космохимии и геохронологии Института геохимии и аналитической химии им. В.И.Вернадского РАН).

Научная новизна работы.

На основе палеомагнитных определений последних лет, отвечающим современным критериям надежности (включая данные, полученные в настоящей работе) рассчитан новый средний пермо-триасовый полюс Сибирской платформы.

Показано, что средние палеомагнитные полюсы Стабильной Европы и Сибири значимо отличаются друг от друга, выполнен анализ причин этого феномена. Проведена количественная оценка вклада квадрупольных и октупольных компонент, а также занижения наклонения, которые могли бы объяснить расхождение сибирских и европейских полюсов.

Впервые проведены площадные палеомагнитные исследования ранне- и среднерифейских магматических и осадочных пород северного и западного склонов Анабарского поднятия Сибирской платформы. Впервые получен палеомагнитный полюс котуйканской свиты (R₁), а также полюс интрузивных тел долин рек Джогджо и Котуйкан (R₂). Переопределено положение палеомагнитного полюса интрузивного комплекса долины р.Фомич, а проведенное изотопное датирование и выполненный тест обжига позволили вывести этот полюс в ранг ключевых палео-магнитных полюсов Сибирской платформы.Получены новые, отвечающие современным требованиям, палеомагнитные данные по гонамской (R₁), омахтинской (R₁), кондёрской (R₂) и бурдурской (R₁) свитам, значительно дополняющие и уточняющие результаты предыдущих исследований.

На основании результатов настоящей работы и опубликованных ранее данных (Диденко и др., 2004; Ernst et al., 2000) предложен вариант конфигурации палео-мезопротерозойского сегмента кривой КМП Сибирской платформы, который позволяет описать генеральные черты ее дрейфа в интервале времени 1.9-1.1 млрд. лет. Сопоставление соответствующих участков кривых КМП Сибири и Лаврентии поддерживает гипотезу о вхождении указанных кратонов с конца раннего протерозоя по начало позднего рифея в состав единого континентального образования, что является серьезным аргументом в пользу существования трансдокембрийского суперконтинента (суперкратона) Арктика (Condie, 2002).

Результаты, полученные в данной работе, значимо пополняют базу палеомагнитных данных по рифею Сибири и позволяют существенно продвинуться в решении вопроса построения кривой КМП Сибирской платформы, в частности ее рифейского сегмента.

Защищаемые положения.

1. С начала раннего рифея (гонамское время) по конец среднего рифея (малгинское время) Сибирская платформа испытала значительные горизонтальные перемещения, следствием которых было ее смещение с 15-х широт южного полушария к 25-м широтам северного, испытав при этом поворот на величину ~ 50° против часовой стрелки относительно меридиана.

2. С конца палеопротерозоя по начало неопротерозоя фиксируется согласованность в генеральном тренде перемещений Сибирского и Лаврентийского древних кратонов, что поддерживает гипотезу о существовании на протяжении всего мезопротерозоя единого суперкратона Арктика (Condie, 2002). В составе этого суперкратона Сибирь должна была быть обращена современной юго-юго-восточной окраиной к современным северным территориям Лаврентии.

3. Полученные данные указывают на неодновременность образования изученных анабарских и учуро-майских рифейских отложений и, в частности, на существенную разницу в возрасте пород учурской серии (R₁) и раннерифейских пород склонов Анабарского поднятия. Внедрение основных интрузий севера и юго-запада Анабарского поднятия происходило неодновременно, хотя и в относительно близкие интервалы геологической истории около 1.5 млрд. лет назад.

4. Средний пермо-триасовый палеомагнитный полюс Сибирской платформы значимо отличается от соответствующего среднего палеомагнитного полюса Стабильной Европы. Наиболее вероятными причинами различия полюсов следует считать: 1) занижение наклонений в европейских данных; 2) заметный вклад недипольных зональных компонент в усредненное по времени геомагнитное поле.

Теоретическое и практическое значение.

Результаты палеомагнитных исследований, полученные в ходе настоящей работы, могут быть использованы при создании геодинамических карт, палеогеографических, палеоклиматических и других реконструкций. Исключительно важным представляется использование полученных данных для выяснения положения Сибирского кратона в системе глобальных палеореконструкций для мезопротерозойского времени. Результаты, полученные в настоящей работе, важны, в частности, для восстановления структуры геомагнитного поля на рубеже палеозоя и мезозоя и развития представлений о магнитном поле Земли в целом.

Апробация работы.

Результаты, полученные в ходе настоящей работы, были представлены на 11-ти Всероссийских и Международных научных конференциях, совещаниях и семинарах: совещания <Палеомагнетизм и магнетизм горных пород>, 2001, 2002, 2003 (пос. Борок), 2004 (г. Казань); Тектонические совещания <Области активного тектоногенеза в современной и древней истории Земли> (г. Москва), 2003, 2006; 32 Международный Геологический Конгресс (г. Флоренция), 2004; XVI конференция молодых ученых, посвященная памяти члена-корреспондента профессора К.О. Кратца (г. Апатиты), 2005; XIII Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых <Ломоносов> (г. Москва), 2006; конференция (г. Санкт-Петербург), 2006; конференция Европейского Геофизического Общества (г. Вена), 2006. Результаты работы регулярно докладывались и обсуждались на Общемосковском семинаре по магнетизму и палеомагнетизму в ИФЗ РАН.

Публикации.

В общей сложности по теме диссертационной работы подготовлено 15 публикаций: из них 3 статьи в реферируемых журналах, 12 - тезисы конференций и статьи в сборниках по материалам конференций; подготовлена 1 статья для публикации в международном издании.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 2 частей, содержащих в себе 8 глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет ХХХ страниц машинописного текста, ХХХ иллюстраций, ХХХ таблиц, ХХХ приложения. Библиографический список включает ХХХ работ.

Благодарности.

Хочется выразить глубокую признательность моему научному руководителю - Владимиру Эммануиловичу Павлову, заведующему лабораторией Главного геомагнитного поля и петромагнетизма Института физики Земли им. О.Ю.Шмидта РАН, где был выполнен основной объем полевых работ и лабораторных исследований. Успешному выполнению этой работы способствовала дружественная творческая атмосфера, которая сложилась на кафедре динамической геологии МГУ им. М.В.Ломоносова. Заведующий кафедрой - профессор Николай Владимирович Короновский, уделял постоянное внимание работе, а на заключительном этапе стал вторым научным руководителем.

Удивительный мир полевой геологии для меня открыл П.Ю.Петров (ГИН РАН), оказавший также неоценимую помощь в отборе палеомагнитных коллекций. Значительный объем проведенных полевых исследований был бы невозможен без А.В.Шацилло (ИФЗ РАН), И.Галле (IPGP, Париж), В.Н.Подковырова (ИГГД РАН), С.С.Терентьева (ВСЕГЕИ, СПб), И.О.Зверева (МГУ). Спасибо также сотрудникам МГУ Н.В.Лубниной, В.С.Захарову, А.В.Тевелеву и Арк.В.Тевелеву, Д.И.Панову, а также Н.В.Правиковой за всестороннюю помощь и поддержку. Я благодарен коллективу палеомагнитной лаборатории ИФЗ РАН, в частности Д.М.Печерскому, Т.С.Гендлер, В.Ю.Водовозову; сотрудникам ГИН РАН - А.Н.Диденко, М.Л.Баженову, М.В.Алексютину; А.О.Волынец (ИВиС ДВО РАН), С.В.Шипунову (СПбГУ) за помощь и консультации на разных этапах работы. Искренне признателен первым палеомагнитологам Сибири из ВНИГРИ (СПб): А.Н.Храмову, Е.Л.Гуревичу, А.Г.Иосифиди и В.В.Попову за обсуждение результатов исследований.

Большое спасибо моим родителям и друзьям за создание всех условий для написания этой работы, постоянную поддержку, помощь и вдохновение.

Финансовая поддержка полевых и лабораторных исследований осуществлялась РФФИ (гранты NN 98-05-65082, 01-05-64819, 04-05-65024), INTAS (грант N 03-51-5807), программой ОНЗ РАН <Геодинамическая эволюция литосферы Центрально-Азиатского подвижного пояса (от океана к континенту)> и из бюджетных средств ИФЗ РАН.

Всеволод Николаевич Вадковский На протяжении 8 лет я имел счастье общаться с этим замечательным человеком, учиться у него. Всеволод Николаевич ввел меня в мир палеомагнетизма; был взыскательным наставником в моем первом опыте преподавания. Постоянная поддержка со стороны Всеволода Николаевича и его оптимизм помогали мне в трудных жизненных ситуациях, решении научных проблем. На протяжении двух с половиной лет Всеволод Николаевич был научным руководителем этой работы. Невозможно выразить словами благодарность Всеволоду Николаевичу. Она безгранична.