Геологическое положение, геохимический и Sm-Nd-изотопный состав офиолитов Саяно-Тувинской преддуговой зоны

Размещено на http://www.allbest.ru/

4

Геологическое положение, геохимический и Sm-Nd-изотопный состав офиолитов Саяно-Тувинской преддуговой зоны

Тувинский институт комплексного освоения

Аннотация

Геологическое положение офиолитов Куртушибинского хребта Западного Саяна и бассейна р. Хемчик в Западной Туве свидетельствует о том, что они являются составной частью преддуговой Саяно-Тувинской зоны Таннуольско-Хамсаринской ост- роводужной системы. Устанавливается, что геологические и геохимические данные указывают на образование куртушибинских и хемчикских офиолитов в участках рассеянного спрединга над зоной субдукции. В то же время в куртушибинских офиолитах фиксируется дайковый комплекс, состав которого характерен только для №М0К.В. Результаты наших исследований свидетельствуют в пользу того, что палеоспрединговые образования куртушибинских офиолитов формировались в палеогеодинамических условиях зарождения субдукции и начала образования примитивных островных дуг на океанической литосфере. Предполагается, что при сложении куртушибинских офиолитов шло частичное магматическое замещение первичной океанической коры надсубдукционны- ми расплавами. Хемчикские офиолиты (Шатский массив), включающие дайки разной ориентации, также формировались в условиях рассеянного спрединга на стадии зарождения зоны субдукции.

Ключевые слова: офиолиты, геодинамика, строение, преддуговая зона.

Abstract

Исследования проблем магматизма ранней стадии эволюции зоны субдукции стали особенно актуальными в последние два десятилетия [Tounderstandsubduction ... , 2012 и ссылки в ней], поскольку они касаются проблемы инициации субдукции - наименее понятного, по [Silver, Behn, 2008], аспекта теории тектоники плит.

Большой интерес у исследователей вызывает проблема геодинамиче- ских механизмов формирования офиолитов преддуговых зон, которые, как считают многие ученые, являются прямыми индикаторами зарождения зон субдукции. «Чтобы понять инициирование субдукции, изучите преддуговую кору, чтобы понять преддуговую кору, изучите офиолиты» - это красноречивое название статьи Стерна с соавторами [Tounderstandsubduction ... ,2012] отражает актуальность исследований офиолитов, локализованных в преддуговых зонах. В указанной статье справедливо обращается внимание на то, что преддужья современных островодужных систем все еще недостаточно исследованы геологами ввиду того, что все они находятся под водой, т. е. требуют дорогостоящих бурения, драгирования или дайвинга. Конечно, с этой точки зрения «преддужья» палеоостроводужных систем - несравненно более благоприятные объекты для изучения. Стерн и его соавторы, на примере офиолитов преддужья Идзу-Бонин-Марианской системы, подчеркивают важность рассмотрения «магматической стратиграфии» офиолитов преддужья, в которых «геохимически запечатлены» процессы инициации субдукции.

Представления Штейнманна, выделившего офиолиты как парагенети- ческую ассоциацию ультрабазитовых, базитовых и кремнистых пород [Steinmann, 1905], непрерывно совершенствовались. Господствовавшее в дальнейшем мнение о них как о реликтах палеоокеанической коры с развитием плитной тектоники постепенно модифицировалось и менялось, поскольку стало очевидным, что нормальная океаническая кора полностью погружается в мантию в зонах субдукции; стали различать офиолиты краевых бассейнов, срединно-океанических хребтов (СОХ), островных дуг. Появление офиолитов в основании островных дуг объяснялось возникновением этих островов в результате вулканической деятельности на фундаменте из океанической литосферы, образованной в обстановке СОХ [Miyashiro, 1974]. Начиная с публикаций Пирса и его соавторов, был достигнут значительный прогресс в понимании геодинамических условий образования офи- олитов, ассоциирующих с островодужными комплексами, - офиолитов супра- или надсубдукционных зон (SSZ-тип) [Pearce, Lippard, Roberts, 1984; Пирс, Липпард, Робертс, 1987].

Многочисленные данные указывают на то, что зарождение внутриокеа- нических зон субдукции сопровождается образованием офиолитов [Stern, Bloomer, 1992; To understand subduction ... , 2012; Early Arc volcanism ... , 1995; Fore-arc basalts and ... , 2010; Albanian ophiolites, 2000; Shervais, 2001; Early stages in ... , 2006; The timescales of subduction ... , 2011; Pearce, Robinson, 2010; Wakabayashi, Ghatak, Basu, 2010; Dilek, Furnes, 2011; Whattam, Stern, 2011; Dynamics of intraoceanic ... , 2015]. В дальнейшем, по мере погружения слэба и эволюции надсубдукционного магматизма, формируются островные дуги. В составе SSZ-офиолитов некоторые исследователи выделяют субтип офиолитов эмбриональных задугово-преддуговых (backarc to forearc) обстановок [Dilek, Furnes, 2011], соответствующий в принципе понятию «додуговых офиолитов» Пирса, т. е. SSZ-офиолитов, сформированных до образования островной вулканической дуги [Пирс, Липпард, Робертс, 1987].

В последние годы получен большой объем новой геохронологической и изотопно-геохимической информации, характеризующей раннекаледонские офиолитовые комплексы рассматриваемой зоны и обусловившей значительные успехи в изучении процессов их формирования [Куренков, Диденко, Симонов, 2002; Подвижность редких элементов ... , 2009; Офиолиты Западной Тувы ... , 2011]. Тем не менее многие вопросы их тектонической и магматической истории остаются все еще слабо освещенными. В определенной степени это связано с тем, что офиолиты данного региона преимущественно рассматриваются автономно, без детальной корреляции их геологического положения. Последнее детерминировано тем, что каледониды Алтае- Саянской области характеризуются мозаично-блоковым строением, затрудняющим возможности их непосредственной корреляции, поэтому при сопоставлении отдельных офиолитовых комплексов на первый план выходят геохронологические, геохимические и изотопные данные, позволяющие реконструировать время и обстановки формирования пород, участвующих в их строении. В частности, на основе геологических особенностей строения офиолитов и геохимических данных сделан вывод о том, что офиолиты Куртушибинского хребта Западного Саяна формировались в условиях зарождения зоны субдукции и начала образования примитивных островодуж- ных дуг на океанической литосфере, а расположенные в 300 км к юго- западу, практически на продолжении тех же западносаянских структур, офиолиты бассейна р. Хемчик в Западной Туве (Шатский массив) складывались в геодинамических условиях междугового и/или задугового рассеянного спрединга [Куренков, Диденко, Симонов, 2002]. Однако при этом не ясно, с какими, собственно, островодужными структурами соотносятся кур- тушибинские и хемчикские офиолиты. Необходимы дополнительные геологические, геохимические, в том числе Nd-изотопные, исследования офиоли- тов Куртушибинского хребта и бассейна р. Хемчик для выявления их геологического положения и уточнения геодинамической позиции.

Аналитические методы исследования

Содержания петрогенных элементов определялись методом РФА в Институте геохимии СО РАН (Иркутск) и Институте геологии и минералогии СО РАН (Новосибирск). Содержания редких элементов установлены методом ICP-MS в Институте геологии и минералогии СО РАН (аналитик - С.В. Палесский) и в Институте геохимии СО РАН (аналитик - Е. В. Смирнова).

Sm-Nd-изотопные анализы проведены П. А. Серовым в ГИ КНЦ РАН (Апатиты) на масс-спектрометре Finnigan-MAT 262 (RPQ) в статическом режиме. Уровень холостого опыта за время исследований составлял 0,03-0,2 нг для Sm, 0,1--0,5 нг для Nd. Точность определения концентраций Sm и Nd - ±0,5 %, изотопных отношений ¹⁴⁷Sm/¹⁴⁴Nd - ±0,5 %, ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd - ±0,005 % (2g).

Геологическое положение и строение офиолитов

Офиолиты Саяно-Тувинской преддуговой зоны являются составной частью раннекаледонской системы, образованной в ходе эволюции Тувино- Монгольской островной дуги Палеоазиатского океана [§engцr, Natal'in, Burtman, 1993]. В мозаично-блоковой структуре Центрально-Азиатского складчатого пояса Саяно-Тувинский сегмент ранних каледонид вмещает главные структурные элементы островодужно-задуговой системы: предду- говую, островодужную и задуговую зоны. Преддуговая зона простирается в северо-восточном направлении на 550 км, имеет ширину около 300 км и включает в себя раннекаледонские структуры на сопредельных территориях Западного Саяна и Тувы (рис. 1). Саяно-Тувинская преддуговая зона состоит из подзон: а) фронтальной Джебашской, б) переходных Куртушибинской и Левохемчикской, в) тыловой Хемчикско-Тапсинской. Офиолиты представлены во всех подзонах, кроме Джебашской. В обрамлении куртушибин- ских офиолитов представлена У-С₁ осадочно-вулканогенная чингинская толща, хемчикских офиолитов - У-С₁ осадочно-вулканогенная алдынбулакская толща. Обе толщи накапливались в условиях преддугового бассейна. Чингин- ская толща обычно залегает в виде тектонических пластин, а алдынбулакская обычно представлена в олистостостроме, залегающей в клиновидных выходах фундамента Хемчикско-Сыстыгхемского коллизионного прогиба.

Офиолиты Куртушибинской преддуговой подзоны представляют собой относительно слабо тектонически дезинтегрированную преддуговую ассоциацию, состоящую из пакетов тектонических пластин протяженностью до 250 км [Добрецов, Пономарева, 1977; Лященко, 1984], т. е. офиолиты здесь не образуют обособленных, сравнительно небольших массивов.

Участок Коярд. Здесь, в верховьях р. Левый Коярд, по руч. Каскадному вскрыт полный разрез океанической коры куртушибинских офиолитов мощностью около 4 км, в котором представлены (снизу вверх): гарцбурги- ты, серпентиниты, дуниты - пироксениты - габбро - диабазы («дайка в дайке») - лавы базальтов. Разрез характеризуется псевдостратифицированным строением, однако при этом широко развиты интрузивные взаимоотношения пород, в том числе: ксенолиты дунитов в пироксенитах, жилы родингитов в гипербазитах, «пятна» крупнозернистых габбро в пироксенитах, дайки габбро, габбро-диабазов во вмещающих их гарцбургитах, комплекс «дайка в дайке» диабазового состава в габбро [Добрецов, Пономарева, 1977; Курен- ков, Диденко, Симонов, 2002; Подвижность редких элементов ... , 2009].

Согласно геологическим данным В. А. Симонова, палеоспрединговый комплекс офиолитов Куртушибинского хребта формировался как минимум в два этапа. Первый этап связан с внедрением мощных даек габбрового состава в зоне палеоспрединга преимущественно субширотного направления (современные координаты). Затем, вероятно после небольшого перерыва, в слой габбровых даек начали внедряться диабазовые дайки обычной мощности. Внедрение последних происходило в зоне палеоспрединга примерно той же ориентации - от субширотной до северо-восточной (современные координаты). В результате «эрозии» пород габбрового слоя более поздними дайками образовались магматические брекчии [Куренков, Диденко, Симонов, 2002].

На Хутинском участке куртушибинских офиолитов нами изучалась ба- зитовая толща мощностью около 1 км, состоящая из покровов базальтов, даек диабазов и прорывающих их интрузий габбро. Для покровной фации характерны массивные, вариолитовые, миндалекаменные текстуры, порфировые, офитовые структуры, местами шаровая отдельность, наличие лавоб- рекчий, зеленокаменные изменения и отсутствие пирокластов. В зоне меланжа (см. рис. 1) представлены обломки и блоки кремнистых пород, эпи- дот-хлорит-актинолитовых сланцев по эффузивам основного состава, ту- фоалевролитов, катаклазированных эффузивов, метагабброидов и других пород. В некоторых блоках наблюдаются катаклазированные эффузивы, прорванные метагабброидами, на их контактах проявлена пиритовая минерализация (~1 %). Матрикс меланжа серпентинитовый, глинистый.

Рис. 1. Геолого-тектоническая схема каледонид Тувы и Западного Саяна (А) и геологическая карта центральной части Куртушибинской подзоны (Б). Схема А составлена автором с использованием данных Н. А. Берзина [Preliminarypublicationsbook... , 1999; Берзин, Кунгурцев, 1996].

А: 1 - 8-Х наложенные ассоциации; 2 - €2-8осадочные отложения Центрально-Западносаянского коллизионного прогиба; 3 - У-С1 осадочные отложения и метабазальты джебашской серии; 4 - €2-8 осадочные отложения Хемчикско-Сыстыгхемского коллизионного прогиба; 5 - У-С1 задуговые вулканогенные и терригенно-вулканогенные комплексы, 6 - У-С1 островодужные осадочновулканогенные и вулкано-плутонические комплексы, 7 - У задуговые офиолиты; 8 - У преддуговые офиолиты; 9 - метаморфические комплексы Тувино-Монгольского массива; 10 - тектонические границы зон и подзон (а), постаккреционные разломы и надвиги (б). Саяно-Тувинская преддуговая зона и ее подзоны: Дж - Джебашская, Кш - Куртушибинская, Х-т - Хемчикско-Тапсинская, Сх - Сыстыгхемская; Таннуольско-Хамсаринская островодужная зона и ее подзоны: Та - Таннуольская, Он - Ондумская и Хс - Хамсаринская; Восточно-Тувинская задуговая зона и ее подзоны: Аг - Агардагская, Кх - Каахемская и Бх - Бийхемская. Звездочками показано расположение офиолитовых массивов: Ш - Шатского, К - Копсекского.

Б: 1 - Q аллювиальные отложения; 2 - €2-3 терригенные отложения аласугской серии; 3 - У-С1 сланцы джебашской серии; 4 - У-€1 парасланцы чингинской толщи; 5 - У метабазальты и ортосланцы чингинской толщи; 6 - У габбро, дайки, лавы офиолитов; 7 - У гипербазиты офиолитов; 8 - меланж; 9 - геологические границы; 10 - разломы; 11 - участки работ.

Офиолиты Левохемчикской и Хемчикско-Тапсинской преддуговых подзон встречаются в виде офиолитовых аллохтонов, олистолитов, офиоли- токластовых конгломератов [Щербаков, 1991]. Первые описаны на примере Шатского и Копсекского офиолитовых массивов [Геологическое строение Шатского ... , 1987; Щербаков, 1991; Куренков, Диденко, Симонов, 2002; Офиолиты Западной Тувы ... , 2011]. Офиолиты в этих массивах включают гарцбургитовый, верлит-клинопироксенит-габбровый, габбровый, диабазовый и плагиогранитный комплексы, а лавы, состав которых аналогичен или близок к составу диабазов, не выявлены. Высокотитанистые базальты, обычно представленные в виде включений в олистостроме, тектонически контактирующей с офиолитами, являются продуктом плавления обогащенной мантии и не связаны с офиолитогенезом [Монгуш, 2016].

Диабазы и габбро-диабазы Шатского массива слагают комплексы типа «дайка в дайке» разной ориентировки. Дайки наиболее ранней генерации меридиональной ориентировки прорваны дайками широтного простирания. В нижней части дайкового комплекса в резкоподчиненном количестве присутствуют одиночные широтные дайкообразные тела среднего состава - андезитов, кварцевых метамикродиоритов. Зафиксирован также блок даек с простиранием 40-50°, а в «верхнем» габбро выявлена зона магматических брекчий, состоящих из различных разновидностей базитов в плагиофировых габбро-диабазах. Установлено также, что габбро и дайки местами прорваны жило- и гнездообразными телами плагиогранитов.

Копсекский массив (рис. 2) образует полого наклоненное на северо- восток линзовидное тело размером 4,5»1,5 км. Нижняя часть массива мощностью около 200 м сложена линзовидно переслаивающимися клинопи- роксенитами, верлитами и дунитами. Вверх по разрезу они сменяются мощным комплексом габброидов (около 1200 м). В верхней части габбро (150-- 200 м) появляются дайки диабазов, доля которых местами достигает 50 % от общего объема пород. Офиолиты данного массива тектонически перекрываются парасланцами, метапесчаниками и метаалевролитами устуишкин- ской (джебашской) серии [Щербаков, 1991].

1 - Q отложения; 2 - 8 отложения; 3 - парасланцы У-€х джебашской серии; 4 - У-6х олистостро- ма: песчаники, алевролиты с блоками базальтов, кремнистых пород, ультрабазитов, известняков; 5-8 - V офиолиты: 5 - серпентинизированные гарцбургиты; 6 - клинопироксениты, верлиты, дуниты; 7 - габбро и габбро-амфиболиты; 8 - диабазы, габбро; 9 - чингинская свита: V базальты (Сп базальты) с прослоями кремней; 10 - серпентинитовый меланж; 11 - элементы залегания полосчатости габброидов (а) и слоистости осадочных пород (б); 12 - элементы залегания сланцеватости серпентинитов в меланже; 13 - надвиги (а) и прочие разрывные нарушения (б)

Рис. 2. Геологическая карта и разрез участка Копсек (по [Щербаков, 1991] с изменениями в легенде)

Особенности петрогеохимического и Sm-Nd-изотопного состава офиолитов

Результаты петрогеохимических исследований куртушибинских и хе- мчикских офиолитов приведены в табл. 1. На классификационной диаграмме 8Ю₂ - Ка₂0+К₂0 (рис. 3) точки составов базитов куртушибинских и хе- мчикских офиолитов образуют довольно обширный рой в поле андезиба- зальтов, частично - базальтов, редко - андезитов и трахиандезибазальтов. Часть даек куртушибинских диабазов характеризуется ультранизкой щелочностью. Такие же ультранизкощелочные составы присутствуют и среди андезитов и кварцевых диоритов хемчикских офиолитов.

Содержания петрогенных (мае. %) и редких (г/т) элементов в куртушибинских и хемчикских офиолитах

Примечание: г - габбро; дайки: гд - габбродиабаз, д - диабаз, ди - диорит, ан - андезит, <2 мди -кварцевый микродиорит, пг - плагиогранит; лавы: ба - базальт. КК и КХ - куртушибинские офиолиты из участков Коярд и Хут; ХШ - хемчикские офиолиты из Шатского массива. Прочерк - элемент не определялся.Магнезиальность куртушибинских офиолитов в целом несколько выше хемчикских. В частности, в куртушибинских диабазах дайкового комплекса Mg# варьирует в пределах 0,53-0,72, среднее - 0,63, а в таких же породах хемчикских офиолитов - 0,41-0,65, среднее - 0,55. Содержание ТЮ₂ в куртушибинских и хемчикских офиолитах составляет 0,15-1,08 мас. % (среднее - 0,54, п = 43 анализа) и 0,15-1,33 (среднее - 0,58, п = 33 анализа) соответственно.

Рис. 3. Классификационная диаграмма SiO₂- Na₂O+K₂O(мас. %) [Achemicalclassification ... , 1986] для офиолитов Саяно-Тувинской преддуговой зоны.

1-4 - куртушибинские офиолиты из участков Коярд и Хут, 5-7 - хемчикские офиолиты из Шат- ского и Копсекского массивов. 1 -- габбро; 2 - диабазы; 3 - базальты; 4 - плагиогранит; 5 - габбро; 6 - диабазы; 7 - андезиты, микродиориты, плагиогранит. Поля составов: Б = базальт, АБ = андезибазальт, А = андезит, Д = дацит, Р = риолит, ТБ = трахибазальт, ТАБ = трахиандезибазальт. Диаграмма составлена с использованием данных табл. 1 и [Гончаренко, Чернышев, Возная, 1994; Куренков, Диденко, Симонов, 2002; Подвижность редких элементов ... , 2009].

Характер распределения редких и редкоземельных элементов в куртушибинских офиолитах выражается следующими отношениями: Th_n/Yb_n= 0,4-1,0;La_n/Yb_n= 0,8-0,2;в хемчикских офиолитах -

Th_n/Yb_n= 0,3-0,6; La_n/Yb_n= 0,3-0,6, что близко таковым в N-MORB: Th_n/Yb_n= 0,2; La_n/Yb_n= 0,6. В то же время для этих двух групп офиолитов характерны отрицательные Nb-Ta- и положительные K-, Sr-аномалии (рис. 4), что свидетельствует о слэбовом компоненте в их источнике. С этим согласуются данные дискриминационной диаграммы Nb/Th-Zr/Nb [Condie, 2005], где куртушибинские и хемчикские офиолиты попадают в поля толеи- тов островных дуг. На диаграмме Nb/Yb- TiO₂/Yb [Pearce, 2008], позволяющей оценить состав мантийного источника, точки состава изученных офи- олитов располагаются преимущественно в поле N-MORB, реже - E-MORB.

На дискриминационной диаграмме Y- La/Nb, позволяющей различать преддуговые базальты, большая часть точек составов рассматриваемых офиолитов попадает в поле FAPB- базальтов преддуговой платформы, меньшая часть - в поле ВАВВ, базальтов задугового бассейна (рис. 5).

Рис. 4.Спайдерограммы редкоземельных (а, в) и редких (б, г) элементов в офиолитах Саяно-Тувинской преддуговой зоны

Рис. 5. Офиолиты Саяно-Тувинской преддуговой зоны на дискриминационной диаграмме Y - La/Nb [Anassessmentoftherelative ... , 1984].

IAT - толеиты островных дуг, BABB - базальты задугового бассейна, OFB- базальты океанического дна, FAPB- базальты преддуговой платформы

Значение параметра s_Nd(T), позволяющего оценить вклад в магмогенерирующий источник ювенильного либо древнего корового компонента [De- Paolo, 1988], в рассматриваемых офиолитах характеризуется высокими положительными значениями, варьирующими в интервале +9,6...+8,9 для кур- тушибинских офиолитов и +10,3...+7,3 для хемчикских офиолитов (табл. 2), что свидетельствует о существенно ювенильном составе мантийных источников офиолитов.

Таблица 2 Sm-Nd-изотопные данные для офиолитов Саяно-Тувинской преддуговой зоны

Примечание. 1-3 - куртушибинские офиолиты, 4-6 - хемчикские офиолиты.

Обсуждение и заключение

Лг-Лг-возраст по амфиболу из габбро Шатского массива составляет 578,1±5,6 млн л [Офиолиты Западной Тувы ... , 2011]. По возрасту офиоли- там Шатского массива, скорее всего, соответствуют и другие офиолиты Западной Тувы (бассейна р. Хемчик), а также куртушибинские офиолиты. Офиолиты пространственно тесно ассоциируют с алдынбулакской (хемчикские офиолиты) и чингинской (куртушибинские офиолиты) толщами. Обе толщи в нижней части сложены высокотитанистыми базальтами, в верхней - осадочными отложениями с маломощными покровами тех же базальтов. Возраст нижней базальтовой части толщ по геологическим данным оценивается на уровне венда, верхней части - на уровне верхнего венда и первой половины нижнего кембрия. Одинаковый возраст и тесная пространственная связь офиолитов и высокотитанистых базальтов указывают на их одновременное формирование на ранней стадии развития зоны субдукции. Но первыми субдукционно связанными магматитами являются высокотитанистые...