Доктор геолого-минералогических наук,

Кириллова Галина Леонтьевна (ФГБУН ИТиГ ДВО РАН, г. Хабаровск, главный научный сотрудник)

Кандидат геолого-минералогических наук,

Гелетий Нина Константиновна (ФГБУН ИЗК СО РАН, г. Иркутск, старший научный сотрудник)

Ведущая организация: ФГБУН Институт геологии и геохронологии докембрия РАН (г. Санкт-Петербург)

Защита состоится 27 декабря 2013 г. в «9.00» часов на заседании диссертационного совета Д 003.022.02 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте земной коры СО РАН по адресу: 664033, г.Иркутск, ул. Лермонтова, 128, в конференц-зале.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБУН Института земной коры СО РАН. Адрес: 664033, г.Иркутск, ул. Лермонтова, 128

Автореферат разослан «25» ноября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат геол.-мин. наукЮ.В. Меньшагин

геохимический изотопный терригенный детритовый

Общая характеристика работы

Актуальность исследования. Данная работа направлена на разработку геодинамической модели формирования Ольдойского террейна - составной части Аргунского супертеррейна, являющегося одной из наиболее крупных тектонических единиц восточной части Центрально-Азиатского складчатого пояса. История формирования этого пояса издавна привлекает внимание исследователей. К настоящему времени накоплен значительный объем структурных, геохронологических, изотопно-геохимических, палеомагнитных, палеонтологических и иных данных, однако, существующие модели его формирования остаются достаточно противоречивыми. Одним из наименее исследованных аспектов в решении этой сложной и многогранной проблемы является вещественный состав осадочных комплексов. Эти комплексы в современном структурном плане представляют собой фрагменты некогда обширных бассейнов, а их геохимические особенности являются достаточно чутким индикатором геодинамических обстановок осадконакопления, а также состава коры областей сноса кластического материала. Таким образом, выявление обстановок накопления палеозойских терригенных пород Ольдойского террейна позволит внести существенный вклад в реконструкцию истории формирования Центрально-Азиатского складчатого пояса и разработку глобальной геодинамической модели эволюции восточной окраины Азии.

Главная цель выполненных исследований состояла в том, чтобы на основе данных о геологическом строении, минералого-петрографических, геохимических, Sm-Nd-изотопно-геохимических особенностях палеозойских терригенных пород Ольдойского террейна, а также результатах U-Pb-геохронологических исследований детритовых цирконов разработать интегрированную геодинамическую модель его формирования и увязать ее с общей тектонической эволюцией Центрально-Азиатского складчатого пояса.

Основные задачи, которые решались в процессе исследований:

1. Получить информацию о минералого-геохимическом составе и провести на его основе классификацию палеозойских терригенных осадочных пород Ольдойского террейна.

2. Выявить основные тенденции изменения минералого-геохимических особенностей и изотопного состава Nd в терригенных породах Ольдойского террейна от силурийских до нижнекаменноугольных отложений.

3. Установить состав пород в области палеоводосбора.

4. Реконструировать геодинамические обстановки осадконакопления палеозойских отложений Ольдойского террейна.

5. Установить основные возрастные популяции детритовых цирконов в силурийских, девонских и нижнекаменноугольных терригенных отложениях.

6. Выявить граничные условия (геологические, палеонтологические, геохимические, изотопно-геохронологические), имеющие определяющее значение для разработки геодинамической модели формирования Ольдойского террейна.

Фактический материал. В основе диссертации лежат материалы, собранные непосредственно автором в течение полевых исследований в 2008-2013 гг., в ходе которых были изучены стратотипические разрезы палеозойских осадочных отложений Ольдойского террейна в бассейнах рек Ольдой (с притоками Бол. Мадалан, Мал. Ольдой, Тахтамыгда, Имачи), Большой Невер, а также среднего течения р. Зея. Сформированная автором представительная коллекция образцов характеризует практически весь генерализованный разрез палеозойских осадочных отложений Ольдойского террейна, за исключением тепловской свиты, при этом соблюдена равномерность опробования в пределах разреза каждой свиты. Для обоснования защищаемых положений изучено более 100 шлифов, использовано 70 оригинальных анализов, характеризующих содержания главных и редких элементов, выполненных рентгено-флуоресцентным методом и методом масс-спектрометрии с ионизацией в индуктивно-связаной плазме (ICP-MS) в лабораториях ИГиП ДВО РАН (г. Благовещенск) и ИТиГ ДВО РАН (г. Хабаровск), проведено 150 определений химического состава породообразующих минералов методом сканирущей электронной микроскопии в Аналитическом центре ИГиП ДВО РАН (г. Благовещенск). Кроме того, были использованы данные по изотопным составам Nd для 10 образцов, полученных в ИГГД РАН (г. Санкт-Петербург). В процессе работы над диссертацией было проведены U-Pb геохронологические исследования детритовых цирконов в трех образцах (более 100 зерен в каждом образце) методом лазерной абляции (LA-ICP-MS) в корпорации "Apatite to Zircon, Inc" (Айдахо, США). Помимо оригинальных материалов, в диссертации синтезированы опубликованные к настоящему времени стратиграфические, палеонтологические, структурные данные по палеозойским отложениям Ольдойского террейна.

Научная новизна работы.

1. Впервые на основе современных аналитических методик исследованы минералогические, геохимические, изотопно-геохимические особенности палеозойских терригенных пород большинства стратиграфических подразделений, выделяемых в строении Ольдойского террейна, установлены основные тенденции изменения этих особенностей вверх по разрезу.

2. На основе полученных минералогических, геохимических, изотопно-геохимических данных, а так же результатов исследований детритовых цирконов установлен возраст, состав пород в области сноса, определена степень их выветривания.

3. С учетом полученного материала, а также опубликованных геологических, палеонтологических данных предложена геодинамическая модель накопления палеозойских осадков Ольдойского террейна.

Практическое значение. Полученные в процессе выполнения работы и опубликованные автором результаты могут быть использованы при корреляции осадочных комплексов восточной части Центрально-Азиатского складчатого пояса при проведении геолого-съемочных работ, составлении легенд к геологическим картам нового поколения.

Защищаемые положения:

1). Минералого-геохимические особенности палеозойских отложений Ольдойского террейна свидетельствуют о том, что на начальных этапах (в силуре) осадконакопление происходило в обстановке пассивной континентальной окраины при значительной степени разложения исходных пород в пределах палеоводосбора, а на завершающих (в девоне, нижнем карбоне) - в обстановке активной континентальной окраины.

2). Основными источниками сноса для палеозойских терригенных отложений Ольдойского террейна являлись граниты, при определенном участии рециклированных осадков. Величины модельных возрастов (t_Nd(DM) = 1.0-1.5 млрд. лет) этих отложений указывают на то, что среди источников доминировали позднедокембрийские породы и (или) более молодые кислые изверженные породы, исходные расплавы которых образовались в результате переработки континентальной коры позднедокембрийского возраста.

3). В терригенных породах Ольдойского террейна преобладают детритовые цирконы палеозойского и позднедокембрийского возрастов. При этом раннепалеозойские и позднедокембрийские цирконы присутствуют в отложениях всех свит, независимо от их стратиграфического положения, тогда как среднепалеозойские цирконы играют значимую роль в средне-верхнедевонских и нижнекаменноугольных отложениях. Соответствие возрастов наиболее молодых популяций детритовых цирконов в средне-верхнедевонских и нижнекаменноугольных отложениях стратиграфическим возрастам осадков свидетельствует о том, что, по крайней мере, со среднего девона накопление терригенных отложений Ольдойского террейна протекало на фоне активной магматической деятельности.

Апробация работы. Полученные по теме диссертации данные и выводы изложены в 14 печатных работах, в том числе в 4 статьях в рецензируемых научных изданиях. Основные результаты исследований были представлены на научном совещании «Геодинамическая эволюция литосферы Центрально-Азиатского подвижного пояса (от океана к континенту)», (г. Иркутск, 2009, 2011), Всероссийской научной конференции «Вопросы геологии и комплексного освоения природных ресурсов Восточной Азии (г. Благовещенск, 2010, 2012), XI региональной научно-практической конференции «Молодежь XXI века: шаг в будущее», (г. Благовещенск, 2010), 8 Уральском литологическом совещании (г. Екатеринбург, 2010), I Дальневосточной междисциплинарной молодежной научной конференции (г. Владивосток, 2011), VII и VIII Всероссийских конференциях «Тектоника, магматизм и геодинамика Востока Азии: Косыгинские чтения» (г. Хабаровск, 2011, 2013); 5-й Российской конференции по изотопной геохронологии «Геохронометрические изотопные системы, методы их изучения, хронология геологических процессов» (г. Москва, 2012); на конференции молодых ученых - 2013 «Современные проблемы геохимии» (г. Иркутск, 2013).

Структура и объем работы. Работа общим объемом 147 страниц включает 4 таблицы и 61 рисунок. Текст состоит из введения, восьми глав, заключения, списка литературы.

Благодарности. Работа выполнена в лаборатории петрогенезиса и геодинамики Института геологии и природопользования ДВО РАН под руководством д.г.-м.н. А.А. Сорокина, которому автор выражает глубокую признательность. Автор искренне благодарен член-корреспонденту РАН А.В. Маслову, а также Л.И. Попеко, А.Б. Котову, В.П. Ковачу, Е.Б. Сальниковой, И.М. Дербеко, за полезные консультации на всех стадиях исследования и написания диссертации. Неоценимый вклад внесли сотрудники аналитических подразделений ИГиП ДВО РАН (В.И. Рождествина, Л.И. Рогулина, Е.Н. Воропаева, В.В. Глушенкова, А.А. Зеневич, Л.И. Козак, Т.Б. Макеева, Е.В. Ушакова), ИТиГ ДВО РАН (Н.В. Бердников, Д.В. Авдеев, Л.С. Боковенко А.В. Штарева,), ИГГД РАН (Н.Ю. Загорная, В.М. Саватенков), корпорации "Apatite to Zircon, Inc" (М. Донелик, P. O'Сулливан).

Работы по теме диссертации проводились при финансовой поддержке РФФИ (проект 12-05-00170а), а так же Президиума ДВО РАН (проекты 09-III-В-08-475, 09-II-СУ-08-004, 12-II-СУ-08-009).

1. Основные тектонические структуры восточной части Центрально-Азиатского складчатого пояса

Центрально-Азиатский складчатый пояс (ЦАСП) является одним из главнейших и сложно построенных тектонических ансамблей Евразии [Зоненшайн, 1972; Моссаковский и др., 1993; Sengцr, Natal'in, 1996 и др.]. В пределах восточной части ЦАСП в схемах тектонического районирования выделяются (рис. 1) такие крупные континентальные массивы (супертеррейны) с докембрийским основанием, как Аргунский и Буреинско-Цзямусинский [Ханчук, 2000; Парфенов и др., 2003; Геодинамика ..., 2006 и др.]. Эти массивы разделены между собой позднепалеозойским Южномонгольско-Хинганским поясом, отделены от Северо-Азиатского и Сино-Корейского кратонов позднепалеозойскими - раннемезозойскими Монголо-Охотским и Солонкерским поясами. Предполагается, что эти континентальные массивы, соединившись вместе в позднем палеозое, образовали единый Амурский супертеррейн [Парфенов и др., 1999] или микроконтинент "Амурия" [Зоненшайн и др., 1990]. При этом в некоторых реконструкциях [Натальин, Борукаев, 1991] допускается перемещение отдельных блоков на относительно большие расстояния по зонам разломов.

В строении упомянутых выше крупных континентальных массивов (супертеррейнов) выделяются более мелкие блоки (террейны). Так в составе Аргунского супертеррейна выделяются Ольдойский, Гонжинский, Гарьский, Мамынский террейны, в составе Буреинско-Цзямусинского - Буреинский, Малохинганский, Ханкайский [Геодинамика ..., 2006].

В основании террейнов обычно выделяют условно раннедокембрийские метаморфические породы [Геодинамика ..., 2006]. Однако в последние годы в результате комплексных U-Pb геохронологических и Sm-Nd изотопно-геохимических исследований на примере гонжинской серии одноименного террейна [Котов и др., 2009в; Сальникова и др., 2012], амурской серии [Котов и др., 2009а, б] и машаньского комплекса Малохинганского (Цзямусинского) террейна [Wilde et al., 1999, 2003 и др.], иманской серии Ханкайского массива [Ханчук и др., 2010] выявлено, что формирование протолитов метаморфических пород могло произойти в конце неопротерозоя или даже в палеозое, а наложенные на них структурно-метаморфические преобразования связаны не с докембрийскими, а с палеозойскими и мезозойскими событиями.

К условно позднепротерозойскому стратиграфическому уровню в строении наиболее крупных структурных единиц восточной части пояса относятся [Геодинамика ..., 2006; Решения ..., 1994; Геологическая карта ..., 1999, Мартынюк и др., 1990] преимущественно терригенные, терригенно-карбонатные и вулканогенные отложения. К настоящему моменту надежные геохронологические данные получены лишь для гранитоидов и кислых вулканитов Аргунского супертеррейна [Wu et al., 2011; Tang et al., 2013]. В тоже время для целой серии "реперных" геологических комплексов, ранее относившихся к позднему докембрию, в том числе для метариолитов [Сорокин и др., 2011а] и метапесчаников туранской серии [Сорокин и др., 2013], гранитов кивилийского комплекса [Сорокин и др., 2011б] установлен раннепалеозойский возраст. Тем не менее, присутствие в палеозойских и мезозойских осадочных породах значительного количества цирконов вендского и позднерифейского возрастов [Сорокин и др., 2012; Zhou et al., 2009; Meng et al., 2010; Zhao et al., 2012 и др.] свидетельствует об участии позднепротерозойских образований в строении континентальных массивов восточной части ЦАСП.

По существующим представлениям [Геодинамика ..., 2006; Решения ..., 1994], условно позднепротерозойские комплексы перекрыты венд (?) - кембрийскими терригенно-карбонатными толщами, которые в современном структурном плане слагают фрагментарные тектонические блоки.

Основной объем континентальных массивов восточной части ЦАСП сложен ранне- и позднепалеозойскими, а также раннемезозойскими гранитоидами [Мартынюк и др., 1990; Геодинамика ..., 2006; Геологическая карта ..., 1999 и др.]. Критерии отнесения пород к тому или иному комплексу были и остаются предметом дискуссий, несмотря на то, что в последние годы для петротипических массивов целого ряда магматических комплексов получен значительный объем геохронологических данных [Сережников, Волкова, 2007; Петрук, Козлов, 2009; Wu et al., 2011; Tang et al., 2013 и др.].

В северной части Аргунского супертеррейна вдоль его границы с Монголо-Охотским складчатым поясом широко распространены силурийские, девонские и нижнекаменноугольные терригенно-карбонатные отложения Ольдойского и Гага-Сагаянского “прогибов”. К наиболее молодым образованиям восточной части ЦАСП относятся деформированные позднетриасово - юрские осадочные комплексы, слагающие целую серию прогибов (Верхнеамурский, Зея-Депский, Буреинский и др.), а также позднемезозойские вулкано-плутонические образования.

Несмотря на то, что в последние десятилетия достигнут значительный прогресс в исследовании магматических, осадочных и метаморфических комплексов, слагающих основные тектонические единицы восточной части ЦАСП, многие вопросы, касающиеся его структурной эволюции, остаются неопределенными.

2. Геологическое строение Ольдойского террейна

Ольдойский террейн в схемах тектонического районирования [Парфенов и др., 2003, Геодинамика ..., 2006 и др.] рассматривается в качестве составной части Аргунского супертеррейна и представляет собой узкую (от 30 до 60 км шириной) дугообразно изогнутую пластину, вытянутую более чем на 500 км в субширотном направлении от бассейна нижнего течения р. Амазар на западе до р. Зеи на востоке (рис. 2).

В строении террейна выделена следующая последовательность осадочных образований [Козак, Вахтомин, 2000а, б; Козак и др., 2002а, б] (рис. 3): 1 - силурийские кварцевые песчаники и кварциты с прослоями глинистых сланцев и алевролитов, в основании которых отмечаются гравелиты и конгломераты (омутнинская свита, 1300-2500 м); 2 - нижнедевонские песчаники, алевролиты и известняки (большеневерская свита, 950-1300 м); 3 - нижне-среднедевонские известковистые алевролиты, известняки и известковистые песчаники (имачинская свита, 750-950 м); 4 - средне-верхнедевонские и верхнедевонские песчаники, алевролиты, реже известняки (ольдойская и тепловская свиты, более 1700 м); 5 - нижнекаменноугольные песчаники и алевролиты с прослоями известняков, в основании - конгломераты (типаринская свита, 800-900 м). В девонских и нижнекаменноугольных отложениях Ольдойского террейна установлены прослои пепловых туфов и туффитов кислого состава [Решения …, 1994; Нагибина, 1969; Куриленко и др., 2002; Стратиграфия СССР, 1973].

Фаунистические ассоциации [Решения …, 1994; Куриленко и др., 2002; Модзалевская, 1958; Геология …, 1972; Шишкина и др., 1974; Кульков и др., 1985; Розман и др., 1992; Брахиоподы …, 2006] и характер литофаций среднепалеозойских отложений Ольдойского террейна свидетельствуют об образовании их в мелководно-морских условиях, и преобладании в этот период умеренно теплого, иногда жаркого (имачинское время, характеризующееся рифообразованием) климата. Сероцветный облик терригенных осадков большей части разреза, отсутствие хемогенных карбонатов и сульфатов, развитие рифов и биогермов указывают на формирование осадков в устойчивой гумидной обстановке. Появление пестроцветных пород в силуре свидетельствует об аридизации климата.

Палеозойские отложения Ольдойского террейна смяты в систему крупных линейных прямых открытых складок с северо-восточным и северо-западным простиранием осей. На отдельных участках складчатые структуры пересечены крутыми сбросами северо-западного и северо-восточного простирания и на крыльях осложнены более мелкой складчатостью. На севере по Южно-Тукурингрскому разлому Ольдойский террейн граничит с Монголо-Охотским складчатым поясом, на юге палеозойские образования террейна частично перекрыты верхнетриасовыми и юрскими мелководно-морскими терригенными отложениями Верхнеамурского осадочного бассейна.

Терригенные и терригенно-карбонатные отложения Ольдойского террейна прорваны позднепалеозойскими интрузиями габбро-диорит-гранодиорит-гранитного ряда, относимыми к урушинскому комплексу, а также раннемеловыми гранитоидами верхнеамурского и буриндинского комплексов, включаемыми в состав Умлекано-Огоджинского вулкано-плутонического пояса [Геологическая …, 1999].

Геодинамическая природа палеозойских отложений Ольдойского террейна понималась по-разному. Они рассматривались как образования наложенного прогиба [Геологическая …, 1999 и др.] либо как фрагмент шельфа пассивной континентальной окраины [Natal'in, 1993; Парфенов и др., 2003; Геодинамика …, 2006]. Вместе с тем еще М.С. Нагибиной [Нагибина, 1963] отмечалось, что хотя максимальное накопление продуктов вулканической деятельности основного и кислого состава приурочено к верхнему девону, прослои пепловых туфов и туффитов кислого состава в том или ином количестве содержатся почти на протяжении всего разреза девона и нижнего карбона. Л.М. Парфенов [Парфенов, 1984], учитывая присутствие туфогенных пород и горизонтов вулканитов среднего, основного и кислого состава в девонских и каменноугольных отложениях [Кириллова, Турбин, 1979], предположил, что источник этого материала - островная дуга, погребенная в процессе закрытия Монголо-Охотского палеоокеанического пространства.

3. Аналитические методики и методические приемы интерпретации особенностей вещественного состава осадочных пород

На сегодняшний день в мировой геологической практике существует несколько подходов исследования осадочных пород, с целью реконструкции источников поступления материала в осадочные бассейны, а также выяснения палеогеологических условий их формирования. Традиционный «классический» метод изучения осадков включает в себя документацию их в естественных обнажениях и разрезах [Логвиненко, 1984; Маслов, 2005; Методы …, 1957; Петтиджон и др., 1976; Петтиджон, 1981; Страхов, 1976; Справочник …, 1983; Юдович, Кетрис, 2008 и др.]. Помимо традиционных методов литологического исследования разработаны приемы комплексного минералогического, геохимического, изотопно-геохимического и геохронологического анализа осадочных пород [Маслов, 2005, 2011; Маслов и др., 2010, 2012; Юдович, Кетрис, 2000, 2011; Bhatia, 1983; Maynard et al., 1982 и др.].

Учитывая опыт изучения осадочных последовательностей в данной работе использовались следующие аналитические методики:

1). Исследование петрографических особенностей пород выполнено с помощью поляризационных микроскопов Полам Л-213М и Axio Scope A1;

2). Составы породообразующих минералов исследованы с помощью растрового электронного микроскопа JSM 6390LV JEOL (Япония) с системой микроанализа Oxford INCA Energy 350 - Wave (Англия);

3). Анализ концентраций основных петрогенных элементов и микроэлементов (Nb, Zr) проводился с использованием рентгенофлуоресцентного метода (РФА) с относительной погрешностью 5-10%. Гомогенизация порошковых проб для рентгенофлуоресцентного анализа выполнялась путем сплавления со смесью метабората и тетрабората лития в муфельной печи 1050-1100 градусов. Измерения проводились на рентгеновском спектрометре Pioneer 4S. Величины интенсивности аналитических линий корректировались на фон, эффекты поглощения и вторичной флуоресценции;

4). Анализ концентраций микроэлементов (REE,Ga, Ge, Rb, Cs, Sr, Ba, Pb, Y, Th, U, Hf, Nb, Ta, Sc) осуществлялся с использованием метода масс-спекрометрии с ионизацией с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS). Вскрытие образцов осуществлялось по методике кислотного разложения. Измерения проводились на приборе Elan 6100 DRC в стандартном режиме. Калибровка чувствительности прибора по всей шкале масс осуществлялась с помощью стандартных растворов, включающих все анализируемые в пробах элементы;

5). Sm-Nd изотопно-геохимические исследования выполнены по методике, описанной в [Котов и др., 1995]. Изотопные составы Sm и Nd измерены на многоколлекторном масс-спектрометре TRITON TI в статическом режиме. Точность определения концентраций Sm и Nd составила 0.5%, изотопных отношений ¹⁴⁷Sm/¹⁴⁴Nd - 0.5%, ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd - 0.005% (2д). Уровень холостого опыта - 0.05-0.2 нг Sm, 0.1-0.5 нг Nd;

6). Геохронологический (U-Pb, LA-ICP-MS) анализ детритовых цирконов выполнен методом LA-ICP-MS (порядка 100 зерен из каждого образца) с использованием системы лазерной абляции New Wave YAG 213 nm в сочетании с ICP-масс-спектрометром Finnigan Element-2. Диаметр кратера в процессе анализа составил 20 mkm. Согласно методическим процедурам, принятым лаборатории, извлекаемый материал образца из ячейки отбора в горелку масс-спектрометра транспортируется потоком гелия. В процессе анализа для калибровки использовался комплекс стандартов: FC, F5, TR, R3, T2, MD. Обработка экспериментальных данных проведена с применением программы ISOPLOT.

4. Минералого-петрографические особенности терригенных пород Ольдойского террейна

Исследования минералого-петрографического состава осадочных пород проводились по коллекции шлифов (более 100 шлифов), представляющей практически весь разрез Ольдойского террейна, за исключением тепловской свиты. На основе классификации по величине зерен [Логвиненко, 1974], терригенные отложения террейна разделены на средне- и крупнозернистые песчаники (0.30-0.70 мм), мелкозернистые песчаники (0.10-0.20 мм) и грубые алевролиты (0.05-0.10 мм).

Терригенные отложения силурийской омутнинской свиты характеризуются серым и зеленовато-серым цветом, массивной текстурой, бластоалевритовой, бластопсаммитовой и псаммитовой структурой. Обломочный материал от полуугловатых до окатанных форм и представлен кварцем (30-70%), обломками микрокварцита, алевролита (10%), полевыми шпатами (3-10%), слюдами (серицитом, биотитом, мусковитом - до 10%). По классификации [Deer et al., 1963] полевые шпаты соответствуют ортоклазам. Акцессории: циркон, рутил, апатит и рудные минералы. Цемент пород базальный, соприкосновения и поровый серицит-кремнистого состава с примесью лимонит-гематитового агрегата (до 1%).

Терригенные отложения девонского и раннекаменноугольного возрастов имеют подобные минералого-петрографические особенности. Песчаники и алевролиты зеленовато-серого, светло-серого и темно-серого цвета, массивные и неяснослоистые с псаммитовой структурой. Обломочный материал полуокатанной, полуугловатой и реже угловатой форм, представленный кварцем - 30-60% (минимальные значения характерны для грубых алевролитов типаринской свиты, а максимальные - выявлены в псаммитах ольдойской свиты), полевыми шпатами (плагиоклазами и кпш) - 10-20%, обломками пород (серицит-кремнистыми сланцами (имачинская свита), глинистыми сланцами (типаринская свита), карбонатами, кварцитами, алевролитами и вулканическими породами кислого состава (песчаники большеневерской, ольдойской и типаринской свит) до 5%) и слюдами (биотитом, мусковитом и хлоритом) - до 5-10%. Полевые шпаты, по типизации Ab-Or-An [Deer et al., 1963], разнообразного состава от ортоклаза до олигоклаза. Акцессорные минералы: циркон, гематит, сфен, рутил, лейкоксен, апатит, брукит и рудные минералы. Цемент базальный, соприкосновения и поровый серицит-глинисто-кремнистого, железисто-глинисто-серицитового (ольдойская свита) и глинисто-серицитового составов с редкими включениями карбонатов (имачинская, ольдойская свиты).

В целом, отложения силурийского возраста имеют преимущественно кварцевый состав, а в девонских и нижнекаменноугольных отложениях увеличивается доля полевых шпатов, слюд, обломков пород. Состав полевых шпатов в отложениях Ольдойского террейна свидетельствует о доминировании в области размыва пород кислого состава.

5. Геохимические особенности терригенных пород Ольдойского террейна

Химический состав осадочных пород, согласно существующим представлениям [Петтиджон, 1981; Маслов, 2005; 2011; Юдович, Кетрис, 2008, 2011; Bhatia, Crook, 1986; Bhatia, 1983; Roser, Korsch, 1986 и др.], является чутким индикатором вещественного состава материнских пород, а также тектонической обстановки их накопления. Для классификации осадочных пород использовалась серия дискриминационных диаграмм, основанных на содержании основных петрогенных компонентов.

По химическому составу отложения силурийской омутнинской свиты разной зернистости характеризуются различными геохимическими особенностями. Средне- крупнозернистые песчаники характеризуются высоким содержанием кремнезема (SiO₂ - 88.37-95.22%) в связи с чем на классификационной диаграмме SiO₂/Al₂O₃ - Na₂O/K₂О [Петтиджон и др., 1976] занимают промежуточное положение между кварцевыми и лититовыми аренитами. Мелкозернистые песчаники и грубые алевролиты омутнинской свиты по химическому составу довольно однородны и соответствуют по классификации [Петтиджон и др., 1976] аркозам и литаренитам. Девонские и раннекаменноугольные отложения Ольдойского террейна характеризуются более низкими концентрациями SiO₂ (59.99-75.48%) и располагаются на диаграмме SiO₂/Al₂O₃ - Na₂O/K₂О преимущественно в поле граувакк (рис. 4а).

На диаграмме SiO₂/Al₂O₃ - Fe₂O₃/K₂О [Herron, 1988] точки составов осадков нижнего и нижнего-среднего девона образуют компактное облако в поле сланцев, тогда как средне-верхнедевонские и нижнекаменноугольные отложения отвечают составам вакк и аркозов, а среди силурийских пород присутствуют разности, близкие к ваккам и аркозам (мелкозернистые песчаники и грубые алевролиты), субаркозам и сублитаренитам (средне-крупнозернистые песчаники).

На диаграмме А (Al₂O₃-(K₂O+Na₂O+CaO)) - F ((Fe₂O₃+FeO+MgO)/SiO₂) [Предовский, 1980] (рис. 4б) достаточно отчетливо обособляются средне- крупнозернистые песчаники силурийской омутнинской свиты, характеризуясь минимальной фемичностью и соответствуя в этой классификации кварцевым песчаникам, притом что фигуративные точки остальных пород лежат в поле преимущественно субграувакк и аркоз.

Такая же тенденция наблюдается и на диаграмме Q (SiO₂) - L (Fe₂O₃+FeO+MgO+TiO₂) - F (Al₂O₃+CaO+Na₂O+K₂O) [Коссовская, Тучкова, 1988], где фигуративные точки силурийских средне- крупнозернистых песчаников тяготеют к вершине SiO₂, соответствуя кварцевым песчаникам, в то время как остальные отложения расположены вдоль линии Q - F в поле полимиктовых и вулканокластитовых песчаников.

Характер распределения редкоземельных элементов (РЗЭ) в силурийских песчаниках и алевролитах омутнинской свиты вполне однотипен, но при существенной разнице в их концентрациях. Для средне- крупнозернистых песчаников свойственны низкий уровень содержаний редкоземельных элементов (до 53 ppm), умеренно дифференцированный график нормированных концентраций РЗЭ ([La/Yb]n=6.57-12.64), отчетливо выраженная отрицательная европиевая аномалия (Eu/Eu*=0.38-0.67). В более тонкозернистых разностях суммарное содержание лантаноидов доходит до 230 ppm, но при этом характер их распределения практически аналогичен таковому в выше описанных песчаниках ([La/Yb]n=6.12-12.82, Eu/Eu*=0.36-0.50). Особенности распределения РЗЭ в псаммитах большеневерской, имачинской и ольдойской свит тождественны. Суммарные концентрации РЗЭ находятся в пределах 94-232 ppm, при умеренно дифференцированном спектре РЗЭ ([La/Yb]n=4.70-15.56) и отчетливой отрицательной европиевой аномалии (Eu/Eu*=0.40-0.66).

В отличие от силурийских алевролитов и песчаников, нижнекаменноугольные терригенные породы типаринской свиты разной зернистости имеют идентичный характер распределения РЗЭ. При общем сходстве графиков распределения лантаноидов в них ([La/Yb]n=5.60-11.78, Eu/Eu*=0.34-0.60) и описанных выше девонских осадках, в первых несколько понижен уровень концентраций РЗЭ, который составляет 118-181 ppm.

Необходимо отметить, что спектры распределения лантаноидов в терригенных отложениях Ольдойского террейна весьма близки таковым в известном геохимическом "эталоне" - палеозойской граувакке [Condie, 1993], исключением являются лишь средне- крупнозернистые песчаники омутнинской свиты, что вероятно, связано с их существенно кварцевым составом.

В сравнении с составом верхней континентальной коры силурийские средне- крупнозернистые песчаники отчетливо деплетированы в отношении практически всех литофильных элементов, за исключением Zr (59-274 ppm). В силурийских алевролитах и мелкозернистых песчаниках концентрации большинства этих элементов превышают верхнекоровый уровень, за исключением Nb (11-16 ppm), Ta (0.65-1.22 ppm) и Sr (27-155 ppm), при этом указанные породы в наибольшей степени (по сравнению с другими палеозойскими отложениями Ольдойского террейна) обогащены типично "верхнекоровыми" элементами - Th (14.65-33.87 ppm) и U (1.80-7.25 ppm).

В терригенных отложениях девонского и раннекаменноугольного возрастов Ольдойского террейна наблюдаются типичные верхнекоровые концентрации большинства микроэлементов, за исключением незначительного дефицита Nb (9-16 ppm), Ta (0.54-1.12 ppm) и Sr (19-479 ppm).

Одним из основных аспектов исследования осадочных образований является расчет петрохимических модулей и индексов, анализ которых позволяет уточнить классификацию пород и реконструировать физико-химические условия осадконакопления.

Алюмокремниевый (АМ=Al₂O₃/SiO₂) [Кетрис, 1976] и гидролизатный (ГМ=(Al₂O₃+TiO₂+Fe₂O₃+FeO+MnO)/SiO₂) [Юдович и др., 1977] модули дублируют друг друга и используются для определения степени «зрелости» осадочных пород. Минимальные значения АМ (0.03-0.07) и ГМ (0.03-0.08) установлены в средне- крупнозернистых песчаниках силурийской омутнинской свиты, указывая на мономиктовый кварцевый состав пород по классификациям [Кетрис, 1976] и [Юдович и др., 1977], что хорошо согласуется с их минералогическими особенностями. В грубых алевролитах и мелкозернистых песчаниках величины АМ и ГМ варьирует в одних пределах 0.19-0.33 и 0.22-0.40. Подобные значения АМ (0.16-0.32) и ГМ (0.20-0.45) характерны и для девонских и раннекаменноугольных отложений, что согласно указанным классификациям, соответствует мезо- полимиктовым песчаникам, глинистым сланцам, а также грауваккам.

Для реконструкции климатических обстановок накопления осадочных пород в области размыва в данной работе использовались индексы химического выветривания CIW (100*Al₂O₃/(Al₂O₃+CaO+Na₂O)) [Harnois, 1988] CIA (100*Al₂O₃/(Al₂O₃+CaO+Na₂O+K₂O)) [Nessbit, Yong, 1982; Visser, Young, 1990], рассчитанные в молекулярных количествах входящих в состав индекса окислов. CIW и CIA в осадках омутнинской свиты характеризуется максимальными значениями 82-98 и 56-78 соответственно. А в девонских и нижнекаменноугольных осадках величины этих индексов уменьшаются CIW (54-95), CIA (49-73) и CIW (52-75), CIA (47-63). Подобные вариации данного показателя указывают на высокую степень зрелости пород на палеоводосборе в силурийское время, а начиная с девона в области сноса начал доминировать слабо переработанный материал.

Для реконструкции состава пород в источнике сноса к настоящему времени разработана целая серия дискриминационных диаграмм, основанных на содержании и соотношении основных петрогенных компонентов и микроэлементов. В частности на тройных диаграммах, основанных на соотношениях в осадках кремнекислоты и щелочей Na₂O - CaO - K₂O [Bhatia, 1983] и CaO+MgO - SiO₂/10 - Na₂O+K₂O [Тейлор, Макленнан, 1988] установлено, что в области сноса, в период осадконакопления терригенных пород Ольдойского террейна, доминировали кислые магматические породы и рециклированные осадки. На парных диаграммах Hf - La/Th [Gu, 1994; Nath et al., 2000] и La/Sc - Th/Co [Cullers, 2002] фигуративные точки состава пород исследуемой свит тяготеют к полю отложений, сформированных за счет разрушения образований кислого состава (рис. 5).

Для реконструкций палеогеодинамических обстановок осадконакопления разработана целая серия дискриминационных диаграмм [Bhatia, Crook, 1986; Bhatia, 1983; Roser, Korsch, 1986; Maynard et al., 1982 и др.]. На парных диаграммах Fe₂O₃*+MgO - Al₂O₃/SiO₂, Fe₂O₃*+MgO - Al₂O₃/(CaO+Na₂O), Fe₂O₃*+MgO - TiO₂ [Bhatia, 1983] фигуративные точки составов терригенных отложений силурийской омутнинской свиты тяготеют преимущественно к полю пород, сформированных в обстановке пассивной континентальной окраины. Тогда как точки состава песчаников и алевролитов девонского и раннекаменноугольного возрастов образуют линейный тренд от поля песчаников океанических островных дуг через поле континентальных островных дуг до поля активной континентальной окраины.

Высокие содержания SiO₂ (63.12 - 95.22%) и K₂O (0.37 - 6.61%) предопределяют положение фигуративных точек терригенных отложений омутнинской свиты на диаграмме SiO₂ - K₂O/Na₂O [Roser, Korsch, 1986] в поле пород, накопленных в обстановке пассивной континентальной окраины. В то время как остальные породы террейна соответствуют преимущественно отложениям активной континентальной окраины (рис. 6а).

Из диаграммы La/Sc - Ti/Zr [Bhatia, Crook, 1986] (рис. 6б) следует, что составы всех палеозойских терригенных отложений Ольдойского террейна характеризуются низкими величинами отношения Ti/Zr. При этом существенные вариации величин отношения La/Sc в песчаниках и алевролитах силурийского возраста позволяет сопоставить их с осадками пассивной континентальной окраины. Тогда как фигуративные точки составов девонских и нижнекаменноугольных отложений рассматриваемого террейна расположены в полях пород активных континентальных окраин и континентальных островных дуг. Подобный вывод следует из анализа тройных дискриминационных диаграмм, предложенных [Bhatia, Crook, 1986], Th - La - Sc, Co - Th - Zr/10, Sc - Th - Zr/10.

Таким образом, геохимические особенности свидетельствуют о том, что: 1 - терригенные породы силурийского возраста, характеризующие нижнюю часть разреза Ольдойского террейна, отвечают преимущественно аркозам и субаркозам, а вышележащие терригенные отложения девона и нижнего карбона - преимущественно грауваккам; 2 - максимальной степенью трансформации исходных пород процессами химического выветривания в пределах палеоводосбора характеризуются осадочные породы силурийского возраста, а вверх по разрезу Ольдойского террейна происходит уменьшение степени выветривания источников кластического материала (от раннего девона до раннего карбона); 3 - среди основных источников сноса для отложений Ольдойского террейна присутствовали, главным образом, магматические породы кислого состава с участием рециклированных осадков; 4 - силурийские песчаники и алевролиты отвечают осадкам, сформированным в обстановке пассивной континентальной окраины, тогда как терригенные отложения девонского и раннекаменноугольного возраста ближе всего соответствуют осадкам, накопленным в обстановке активной континентальной окраины.

6. Изотопно-геохимические (Sm-Nd) особенности терригенных отложений Ольдойского террейна

Для Sm-Nd изотопно-геохимических исследований использованы наиболее типичные по своим геохимическим особенностями образцы терригенных пород омутнинской (S), большеневерской (D₁), имачинской (D_1-2), ольдойской (D_2-3) и типаринской свит (C₁). Наиболее древние оценки Nd модельного возраста (t_Nd(DM)=1.5-1.4 млрд. лет, е_Nd(t) = - 4.4...- 3.5) получены для терригенных пород омутнинской (S) свиты. Величины t_Nd(DM) песчаников большеневерской (D₁) и имачинской (D_1-2) свит находятся соответственно в интервалах 1.3-1.1 млрд. лет (е_Nd(t) = - 1.9...- 0.4) и 1.4-1.3 млрд. лет (е_Nd(t) = - 2.7...- 2.5). Песчаники ольдойской (D_2-3) свиты характеризуются Nd модельными возрастами 1.1-1.0 млрд. лет и положительными значениями (е_Nd(t) = + 0.6 ...+ 1.7). И, наконец, значения t_Nd(DM) песчаников типаринской свиты (C₁), венчающей разрез палеозойских терригенных отложений Ольдойского террейна, составляют около 1.2 млрд. лет (е_Nd(t) = - 1.4...- 0.8) (рис. 7).

Вариации изотопных характеристик терригенных пород Ольдойского террейна при переходе от силурийских к средне-верхнедевонским и нижнекаменноугольным отложениям, по-видимому, свидетельствуют о появлении в области сноса новых источников осадочного материала.

7. Геохронологические (U-Pb) исследования терригенных отложений Ольдойского террейна

U-Pb геохронологические исследования (LА-ICP-MS) выполнены для детритовых цирконов, выделенных из песчаников омутнинской (S), ольдойской (D_2-3) и типаринской (C₁) свит, отвечающих соответственно нижней, средней и верхней частям генерализованного разреза палеозойских отложений Ольдойского террейна.

Среди детритовых цирконов (105 зерен) из кварцевого песчаника силурийской омутнинской свиты (обр. Ю-35) присутствуют 56 зерен этого минерала, которые характеризуются конкордантными оценками возраста. Из них около 90% имеют раннепалеозойский (438-545 млн. лет, 59%) и позднедокембрийский (1.6-0.8 млрд. лет, 30%) возраст. В подчиненном количестве (11%) встречаются цирконы раннедокембрийского (2.7-1.8 млрд. лет) возраста. Среди позднедокембрийских цирконов преобладают цирконы с возрастом в интервале 950-780 млн. лет. При этом большая часть из них имеет возраст около 935 млн. лет (рис. 8а).

Из 102 изученных зерен детритовых цирконов из кварц-полевошпатового песчаника средне-верхнедевонской ольдойской свиты (обр. Ю-43) конкордантные оценки возраста получены только для 23 зерен. Большая часть из них имеет среднепалеозойский (398-373 млн. лет, 12 зерен) и раннепалеозойский (507-407 млн. лет, 4 зерна) возраста. Около 30% зерен циркона характеризуются позднедокембрийским (0.9-0.8 млрд. лет) и раннедокембрийским (2.7-1.9 млрд. лет) возрастами (рис. 8б).

Для детритовых цирконов (100 зерен) из кварц-полевошпатового песчаника нижнекаменноугольной типаринской свиты (обр. Ю-51) получены 25 конкордантных оценок возраста. Приблизительно половина из них (52%) отвечает среднему (385-343 млн. лет, 7 зерен) и раннему (514-457 млн. лет, 6 зерен) палеозою, а остальные - позднему (1.5-0.6 млрд. лет, 28%) и раннему (2.4-1.9 млрд. лет, 20%) докембрию. Особо следует отметить, что часть позднедокембрийских цирконов имеет возраст в интервале 970-640 млн. лет (рис. 8в).

Характер изменения изотопного состава Nd и распределения детритовых цирконов разного возраста свидетельствует о том, что: 1 - главными источниками исходного для палеозойских песчаников Ольдойского террейна обломочного материала послужили позднедокембрийские гранитоиды, а также ранне- и среднепалеозойские гранитоиды, образование которых было связано, главным образом, с процессами переработки позднедокембрийской континентальной коры; 2 - в силуре поступление терригенного материала в бассейн осадконакопления происходило в основном за счет разрушения раннепалеозойских и позднедокембрийских гранитоидов, а в девоне произошло увеличение количества областей сноса - в осадочный бассейн начали поступать продукты разрушения среднепалеозойских гранитоидов; 3 - наиболее важным моментом в эволюции терригенного осадконакопления Ольдойского террейна является появление, начиная с девона, в песчаниках среднепалеозойских детритовых цирконов, возраст которых совпадает с возрастом осадконакопления, что является показателем их формирования в обстановке активной континентальной окраины.

8. Геодинамическая модель формирования Ольдойского террейна

Проведенные комплексные геологические, минералого-петрографические, геохимические, изотопно-геохимические (Sm-Nd) и геохронологические (U-Pb) исследования терригенных отложений Ольдойского террейна позволяют предложить геодинамическую модель его формирования. При этом полученные данные играют роль своеобразных ограничений (граничных условий).

Терригенные породы силурийской омутнинской свиты характеризуются аркозовым и субаркозовым составом, а исходные для них породы в областях сноса претерпели максимальную степень выветривания. Исходя из Sm-Nd изотопно-геохимических особенностей силурийских терригенных отложений (t_Nd(DM)=1.5-1.4 млрд. лет, е_Nd(0)=-8.7…-8.0, е_Nd(t)=-4.4…-3.5) можно предполагать, что их главными источниками являлись породы позднедокембрийской континентальной коры и (или) более молодые изверженные породы, исходные расплавы которых образовались в результате переработки континентальной коры позднедокембрийского возраста. Это находится в полном соответствии с результатами исследований детритовых цирконов, согласно которым главные популяции представлены зернами с раннепалеозойскими (438-545 млн. лет) и позднедокембрийскими (1.6-0.8 млрд. лет, 30%) возрастами. Все вышеприведенные материалы, а также геохимические особенности терригенных пород, свидетельствует о том, что в силуре осадконакопление происходило в обстановке пассивной континентальной окраины.

В девоне происходит смена обстановок осадконакопления. Об этом свидетельствует смещение составов песчаников в область граувакк, литаренитов. Одновременно величины индексов химического выветривания и модулей для пород девонского возраста свидетельствует об уменьшении степени трансформации исходных пород процессами химического выветривания на палеоводосборе по сравнению с осадками силурийской омутнинской свиты. По своему геохимическому составу девонские псаммиты Ольдойского террейна соответствуют осадкам, накопленных в обстановке, определяемой субдукционными процессами. Определенным образом (особенно в средне-верхнедевонской ольдойской свите) изменяются Sm-Nd изотопно-геохимические параметры - t_Nd(DM)=1.1-1.0 млрд. лет, е_Nd(t)=+0.6...+1.7), свидетельствующие о появлении дополнительного источника сноса, характеризующегося наличием более молодого ювенильного компонента. Наконец, на появление нового источника прямым образом указывает популяция детритовых цирконов с возрастами 398-373 млн. лет в средне-верхнедевонских песчаниках. С учетом геологических данных (присутствие продуктов вулканического материала, а также блоков, сложенных девонскими гранитоидами) можно предположить, что в девоне осадконакопление происходило в обстановке активной континентальной окраины. При этом обращает на себя внимание, что возраст среднепалеозойских детритовых цирконов (398-373 млн. лет) из песчаника средне-верхнедевонской ольдойской свиты в целом соответствует ее стратиграфическому возрасту. Это является лишним подтверждением того, что накопление терригенных отложений в девоне протекало на фоне активной магматической деятельности.

Минералого-петрографические и геохимические особенности терригенных отложений нижнекаменноугольной типаринской свиты и рассмотренных выше девонских отложений достаточно близки между собой. В частности, по своему составу они также отвечают аркозам и грауваккам, а микроэлементные особенности сближают их с осадками, образующимися в обстановке активной континентальной окраины. В тоже время происходит приближение Sm-Nd изотопных параметров в песчаниках нижнекаменноугольной типаринской свиты (t_Nd(DM)=1.2 млрд. лет, е_Nd(0)=-5.1…-4.2, е_Nd(t)=-1.4…-0.8) к таковым в терригенных породах нижнедевонского и силурийского возрастов. Примечательно, что существенным образом уменьшился возраст наиболее молодой популяции цирконов (до 385-343 млн. лет), что свидетельствует о появлении еще одного источника в области палеоводосбора, которым являлись кислые магматические породы. При этом величины Sm-Nd изотопных параметров указывают на то, что они формировались, главным образом, за счет переработки позднедокембрийской континентальной коры. С учетом совокупности всех полученных данных можно предполагать, что в раннем карбоне как и в девоне осадконакопление происходило также в обстановке активной континентальной окраины. При этом также как и для средне-верхнедевонских отложений отмечается осадконакопление на фоне интенсивной магматической деятельности.

В целом, вся совокупность полученных в процессе исследования данных, свидетельствует о том, что на начальных этапах (в силуре) накопление терригенных пород Ольдойского террейна происходило в обстановке пассивной континентальной окраины, а на завершающих (в девоне, нижнем карбоне) - в обстановке активной континентальной окраины.

Основные публикации по теме диссертации

В рецензируемых журналах:

1. Сорокин А.А., Смирнова Ю.Н., Попеко Л.И., Сорокин А.П., Смирнов Ю.В. Особенности химического состава и тектонические условия накопления палеозойских терригенных отложений Ольдойского террейна (восточная часть Центрально-Азиатского складчатого пояса) // ДАН. - 2010. - Т. 435. - № 3. - С. 361 - 364.

2. Сорокин А.А., Смирнова Ю.Н., Котов А.Б., Ковач В.П., Сальникова Е.Б., Попеко Л.И. Источники палеозойских терригенных отложений Ольдойского террейна Центрально-Азиатского складчатого пояса: результаты изотопно-геохимических (Sm-Nd) и геохронологических (U-Pb, LA-ICP MS) исследований // ДАН. - 2012. - Т. 445. - № 5. - С. 571 -581.

3. Смирнова Ю.Н., Сорокин А.А., Попеко Л.И., Смирнов Ю.В. Геохимические особенности палеозойских терригенных комплексов Ольдойского террейна восточной части Центрально-Азиатского складчатого пояса как отражение геодинамических условий седиментации // Геохимия. - 2013. - № 4. - С. 344 - 365.