Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Геохронология складчатого основания Восточного террейна архипелага Шпицберген

ВАК РФ 04.00.01, Общая и региональная геология

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата геолого-минералогических наук, Ларионов, Александр Николаевич, Апатиты

О в » ^ V 1 / ' " ^

Российская Академия Наук Кольский Научный Центр Геологический Институт

На правах рукописи

Ларионов Александр Николаевич

ГЕОХРОНОЛОГИЯ СКЛАДЧАТОГО ОСНОВАНИЯ ВОСТОЧНОГО ТЕРРЕЙНА АРХИПЕЛАГА ШПИЦБЕРГЕН

Специальность: 04.00.01 общая и региональная геология.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук.

Научный руководитель доктор геолого-минералогических наук

Балашов Ю.А.

1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение с. 1

Благодарности с. 9

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ПО ГЕОЛОГИИ ШПИЦБЕРГЕНА с. 11

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА РАБОТ с. 18

2.1 Опробование с. 18

2.2 Сепарация минералов с. 19

2.3 Морфологическая типизация и предварительная оценка возраста цирконов с. 20

2.4 Методика single —grain анализа с. 21

2.5 Методика U — Pb анализа . . с. 22 2.5 Методика Rb — Sr анализа . ' с. 24

ГЛАВА 3. НЮ ФРИСЛАНД: ГЕОСТРУКТУРНАЯ СИТУАЦИЯ И

НОВЫЕ ГЕОХРОНОЛОГИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ с. 26

3.1 Геологическое строение нижнего структурного этажа складчатого фундамента в районе работ с. 26

3.2 Новые данные с. 36 3.2.1. Гнейсы Эсколабреен с. 36

3.2.1.1. Проба 17-1 с. 36

3.2.1.2. Проба 17-2 с. 36

3.2.1.3. Цирконы из гнейсов Эсколабреен с. 37

3.2.1.4. Результаты U —РЬ анализа цирконов 1 морфотипа из

проб 17-1, 17-2 с. 40

3.2.1.5. Результаты single — zircon анализа цирконов из проб

17-1, 17-2 с. 41

3.2.1.6. Результаты U —РЬ анализа цирконов второго типа из проб

17-1, 17-2 с.64

3.2.2. Гранито — гнейсы свиты Эсколабреен с. 67 3.2.2.1. Проба 18-1 с. 67 3.2.2.1. Проба 18-2 с. 67

3.2.2.3. Цирконы из гранито — гнейсов Эсколабреен с. 67

3.2.2.4. Результаты и —РЬ анализа цирконов из проб 18—1, 18 — 2 с. 70

3.2.3. Метатуфы свиты Сербреен с. 75

3.2.3.1. Пробы кислых метатуфов (серия проб 9) с. 75

3.2.3.2. Цирконы из проб кислых метатуфов с. 75 3.2.3.2. Результаты и —РЬ анализа цирконов из проб серии 9 с. 75

3.2.4. Выводы на основании новых данных с. 81 ГЛАВА 4. СЕВЕРО-ВОСТОЧНАЯ ЗЕМЛЯ: ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ СИТУАЦИЯ

И НОВЫЕ ГЕОХРОНОЛОГИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ. с. 83

4.1 Геологическое строение района работ с. 83

4.2 Новые данные с. 90 4.2.1 Ксенолиты парагнейсов из гранитов Лапонияфьеллет с. 90

4.2.1.1. Петрография пробы 26—1 с. 90

4.2.1.2. Циркон из пробы 26 — 1 с. 92

4.2.1.3. Петрография пробы 26 — 2 с. 92

4.2.1.4. Циркон из пробы 26 — 2 с. 92

4.2.1.5. Результаты и —РЬ анализа цирконов из проб 26 — 1, 26 —2 с. 92 4.2.2.1 Граниты Контактбергет (проба 23 — 2) с. 98

4.2.2.2. Циркон из пробы 23 — 2 с. 98

4.2.2.3. Результаты и —РЬ анализа цирконов из пробы 23 — 2 с. 99

4.2.3.1. Гранито — гнейсы Лапонияфьеллет (проба 27 — 2) с. 102

4.2.3.2. Циркон из пробы 27 — 2 с. 102

4.2.3.3. Результаты U —РЬ анализа цирконов из пробы 27 — 2 с. 102

4.2.3.4. Результаты Rb — Sr анализа по породе для гранитов Контактбергет и гранито — гнейсов Лапонияфьеллет с. 105

4.2.4.1. Кварцевые порфиры Норгеколлен (проба 24— 1) с. 109

4.2.4.2. Циркон из пробы 24-1 с. 109

4.2.4.3. Результаты U —РЬ анализа цирконов из пробы 24—1 с. 109

4.2.4.4. Результаты Rb —Sr анализа по породе кварцевых

порфиров полуострова Ботния (серия проб 24) с. 113

4.2.4.5. Результаты single — zircon РЬ — РЬ анализа цирконов из

пробы 24—1 с. 113

4.2.5.1. Андезиты свиты Кап —Ханстен (серия проб 25) с. 117

4.2.5.2. Циркон из андезитов свиты Кап —Ханстен с. 117

4.2.5.3. Результаты U —РЬ анализа цирконов из проб серии 25 с. 120

4.2.5.4. Результаты single — zircon РЬ — РЬ анализа цирконов из

проб серии 25 с. 123

4.2.6.1. Проба кварцевых порфиров из района Рийпдален (25 — 5) с. 123

4.2.6.2. Циркон из пробы 25 — 5 с. 123

4.2.6.3. Результаты U —РЬ анализа цирконов из пробы 25 — 5 с. 128

4.2.6.4. Результаты single —zircon РЬ —РЬ анализа цирконов из

пробы 25 — 5 с. 128 4.2.7.1. Очковые гнейсы района Фонндален (пробы 29 —9 и

G92:023) с. 131

4.2.7.2. Циркон из проб 29-9 и G92-.023 с. 131

4.2.7.3. Монацит из проб 29-9 и G92:023 с. 131

4.2.7.4. Результаты U — РЬ анализа цирконов и

монацитов из проб 29 —9 и G92:023 с. 134

4.2.7.5. Результаты single — zircon Pb — Pb анализа цирконов из

проб очковых гнейсов с. 37

4.2.8.1. Граниты района Рийп —фьорда с. 140

4.2.8.2. Цирконы из проб гранитов Рийп —фьорда с. 142

4.2.8.3. Результаты U —РЬ анализа для цирконов и монацита

из гранитов Рийп —фьорда с. 146

4.3. Выводы по новым данным с. 150

ГЛАВА 5. ОБСУЖДЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ с. 152

ЗАКЛЮЧЕНИЕ с. 164

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ с. 170

ВВЕДЕНИЕ

Архипелаг Шпицберген расположен между 76° и 81° с.ш. и 10° и 27° в.д.. Здесь обнажаются ближайшие к Американскому континенту породы фундамента Восточно-Европейской платформы, слагающие Шпицбергенский выступ Баренцевоморской плиты [23]. Этим, а также и тем, что в разрезе архипелага представлены образования почти всех геологических систем - от протерозоя до четвертичного периода, определяется уникальность геотектонического положения Шпицбергена. В строении архипелага, в первом приближении, можно выделить посгдевонский осадочный чехол, комплекс девонских красноцвегных пород и додевонский фундамент, претерпевший завершающую складчатость в ходе каледонскою тектогенеза [10, 23, 34, 39,44,49, 54, 56, 59,].

Породы каледонского фундамента архипелага обнажаются вдоль южной и центральной частей западного побережья о-ва Шпицберген (Юго-Западный террейн), на северо-западе о-ва Шпицберген (Северо-Западный террейн), на северо-востоке о-ва Шпицберген (НкьФрисланд), вдоль северного берега и в центральной части о-ва Северо-Восточная Земля (далее -СВЗ), Последние два района составляют Восточный террейн [46,47, 55, 56] (рис. 1). По своей структуре и вещественному наполнению каждый террейн складчатого фундамента представляет собой сложно построенный сегмент земной коры. В разрезах каждого из них присутствуют как нижнепалеозойские так и докембрийские породы. Границы террсйнов следуют вдоль кругопадающих зон разломов предположительно сдвигового характера [46, 55]. Совмещение отдельных блоков в современную структуру произошло в каледонское время, что подтверждается результатами ^Аг/^Аг датирования [39,40, 94]. По оценкам Б. Харланда [55, 61] отдельные блоки могли перемещаться на расстояние до 1000 км вдоль сдвиговых зон. Кроме того,

О 50 100 км

ВОСТОЧНЫЙ ТЕРРЕЙ1

СЕВЕРО-

ЗАПАДНЫ

ТЕРРЕИН

о.СеверогВосточная

ЮГО-

ЗАПАДНЫЙ

ТЕРРЕИН

Пост — девонский ; платформенный чехол;

Девонский красноцветный комплекс;

Пред—девонский фундамент

Рис 1. Основные комплексы пород в пределах арх. Шпицберген. Основные разломные зоны: Рф — Раудфьордская; ББ — Брейбоген — Бокфьордская; Бф — Биллефьордская; Лф — Лифдефьордская; ЛВ — Линия Ветеранен.

Таблица 1. Схема стратиграфического расчленения каледонского фундамента

арх. Шпицберген (из [19, 45, 46] с дополнениями).

Возраст Юго-Западный террейн Северо — Западный террейн Восточный террейн Ню Фрисланд СВЗ

П а л е о 3 о й Силур Бултинден Кроссфьорд Смеренбург - фьорд ? Хинлопен — стретет ? Кап — Спарре

Ордовик Кембрий Серкап — Ленд Софие — каммен

П Р о т е Р о 3 о й П о 3 А н и й р а н н и й Венд Бельсунн Поларисбреен Готия

Р Поздний и ф Средний Софиебоген Вереншельд бреен Исбьорн — хамна ? Лумфьорд ДЛЛЛЛЛАЛЛЛЛЛЛ Моссель ЛЛЛЛЛЛЛЛЛАЛЛЛ Атомфьелла Мерчисон — бей

е й Ранний Кап-Ханстен

1650- 1900 млн. лет >1900 млн. лет Бренневинс-фьорд

Архей — Гранито —

ранний ? Рихардватнет ? гнейсовый

Протерозой ? комплекс

Условные обозначения:

ДДД-1; - ?--3; ? -4;

1) тектонический контакт; 2) стратиграфическое несогласие; 3)характер контакта не известен; 4) отложения не известны.

структура фундамента западной части острова Шпицберген претерпела дизъюнктивные нарушения, связанные с развитием Северной Атлантики и прилегающего района Арктики в мезо-кайнозойское время [38]. Такая сложная история развития затрудняет корреляцию пород фундамента различных террейнов. Частично эта проблема (для сопоставления пород позднепротерозойского - ранне-палеозойского возраста) может быть решена с использованием вендских тиллитов как маркера [62], тогда как довендские, в той или иной степени меггаморфизованные породы могут быть продатированы, в большинстве случаев, только методами изотопной геохронологии и лишь в редких случаях -по фоссилиям [напр. 72, 73]. Полученные ранее датировки К-Ar и Rb-Sr методами по породам и минералам [12, 44, 52, 53], в силу чувствительности этих изотопных систем [24], фиксируют позднейшие тектонотермальные события (350-460 млн. лет) или дают датировки (в интервале 500-550 млн. лет), соответствие которых реальным событиям нуждается в проверке. Отдельные Rb-Sr датировки по породе указывали на присутствие как минимум гренвильских пород [8, 41]. Эти данные, с одной стороны, дали информацию о раннепалеозойской истории, с другой стороны, ставили под сомнение предположения о существовании пород древнее рифейских [10] и приводили к выводу, что формирование складчатого основания началось в рифее [55, 56, 108]. Полученные в 1989-1994 гг датировки с применением U-Pb метода доказали присутствие в различных частях архипелага следов байкальских [97], гренвильских [6, 48, 97], карельских [46, 68, 69] и даже архейских [97] событий, что привело к появлению обновленных геолого-исторических и коррелятивных построений [47, 62, 69, 91]. И хотя вновь полученные данные доказывают ошибочность мнения о том, что вся история развития фундамента

Шпицбергена укладывается в интервал с рифея по поздний силур [55, 56, 61, 108], до сих пор данные о докембрийской истории развития фундамента архипелага остаются отрывочными и недостаточными для создания целостной картины его эволюции в докембрийское время. Приведенные в Таблице 1 коррелятивные построения [19, 47] базируются на литолого-петрографических признаках пород и, таким образом, оценки их возраста во многих случаях не подтверждены, а следовательно и достоверность схем корреляции не высока.

Среди террейнов архипелага Восточный - наиболее крупный и удаленный и, в силу этого, наименее изученный. Даже имеющаяся информация о структуре этого сегмента земной коры и лито-петрографические характеристики слагающих его пород [10, 19, 21, 42, 48, 89, 90] не дают точного ответа на вопросы о соотношениях между структурными единицами в различных его частях, не говоря уже о корреляции с другими террейнами. Приступая к датированию пород Восточного террейна, автор поставил перед собой

Цель: воссоздать докембрийскую эволюцию Восточного террейна фундамента Шпицбергена (п-ов Ню Фрисланд и о-в Северо-Восточная Земля), используя результаты изотопного датирования реперных геологических объектов.

Структура района работ, поставленная цель и выбранные методы ее достижения предопределили решение следующих ЗАДАЧ:

1. Выбрать и опробовать, с учетом имеющейся геологической информации, объекты в

пределах Восточного террейна, принимая во внимание их пригодность для датирования и-РЬ и КЬ-Бг методами;

2. На основании макроструктурных и петрографических данных, для выбранных объектов выявить, по возможности все процессы, которые могли повлиять на формирование изотопных систем;

3. Выполнить минеральную сепарацию; провести морфологическую типизацию циркона, с целью выявления его генетических и структурных особенностей;

4. Произвести отбор навесок и единичных зерен, их химическую обработку и масс-спектрометрические измерения;

5. Проинтерпретировать полученные результаты для применения их при хроностратиграфических и палеотектонических построениях.

Фактический материал и использованные методики. В ходе полевых работ 19891995 гг, проводившихся в Шпицбергенской партией Полярной Морской Геологоразведочной Экспедиции, сотрудниками ГИ КНЦ, шведскими и норвежскими коллегами из пород складчатого основания Восточного террейна были отобраны около 40 проб. Минеральная сепарация по стандартной методике была проведена для 27 из них в. Дня петрографической характеристики опробованных пород было описано около 1000 шлифов. Большая часть аналитических работ выполнена в рамках международного проекта по датированию фундамента Шпицбергена в Лаборатории Изотопной Геологии Шведского Музея Естественной Истории (ЬЮ МЯМ, масс-спектрометр Кпг^ап МАТ261). По результатам КЬ-Бг анализа 14 валовых проб (ГИ КНЦ РАН, масс-спектрометр МИ-

1201Т) были построены 3 ЯЬ-Эг эрохроны. 73 образца циркона, сфена и монацита датированных 11-РЬ методом (ЬГО и ГИ КНЦ РАН) явились основой для построения 11 и-РЬ диаграмм с конкордией. Результаты РЬ-РЬ анализа единичных зерен циркона по методике Б. Кобера, включающие 24 "плато" и два минимальных возраста отображены на соответствующих графиках. Обработка изотопных данных проводилась с помощью программ К. Людвига "РЬБАТ" и "КОРШТ".

На основании анализа полученных данных были сформулированы следующие ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ:

(1). Образование части пород в составе тектоностратиграфического комплекса Атомфьелла (западный Ню Фрисланд) охватывает временной интервал 1.87-1.75 млрд. лет; среди источников детритуса, формировавшего входящие в комплекс парапороды были как раннепротерозойские так и архейские породы.

(2). Нижний и верхний структурные этажи фундамента Северо-Восточной Земли сформировались в раннем- среднем рифее в условиях синколлизионной или островодужной обстановки.

(3) Складчатое основание и Ню Фрисланда, и Северо-Восточной Земли испытало воздействие каледонского тектонотермального события.

(4). В предгренвильское время Северо-Восточная Земля и западный Ню Фрисланд представляли собой разобщенные в пространстве фрагменты земной коры, которые развивались в разных геодинамических обстановках. Их объединение в единый блок произошло в ходе каледонского тектогенеза.

Научная новизна и практическая значимость работы. Изотопное датирование пород

о

фундамента Шпицбергена К-Аг и ЯЬ-8г методами по минералам выявило признаки повсеместной каледонской активности, но не дало надежных датировок древнее 470 млн. лет в силу чувствительности использованных систем к наложенным процессам. Начатые с 1988 г. геохронологические Программы с применением 11-РЬ метода позволили обнаружить присутствие значительной доли докембрийских пород в составе складчатого основания. В этой работе приводятся новые данные по геохронологии Восточного террейна Шпицбергена.

В частности (1) установлен раннепротерозойский возраст части пород фундамента западного Ню Фрисланда, (2) оценена длительность накопления супракрустальных пород из базальной части комплекса; (3) установлен раннепротерозойско - позднеархейский диапазон возрастов источников детритуса. Для Северо-Восточной Земли (4) показано широкое проявление гренвильского интрузивного магматизма и вулканизма; (5) получены свидетельства повсеместного воздействия каледонского тектонотермального события, проявившегося от Ню Фрисланда на западе до центральной части Северо-Восточной Земли.

Эти результаты используются для геолого-съемочных работ, проводимых на северо-востоке архипелага и корреляционных построений. Представляемые результаты позволяют пересмотреть (иногда существенно) существующие взгляды на строение и эволюцию складчатого основания Ню Фрисланда и Северо-Восточной Земли.

Апробация работы. По материалам, вошедшим в работу опубликовано в соавторстве с другими участниками проекта 5 статей. Материалы докладывались на

международных конференциях в Ноттингаме (1994 г.), Страсбурге (1995 г.) С-Петербурге (1995 г.), Стокгольме (1996), Аархусе (1998) и Седле (1998).

Настоящая работа состоит из введения, заключения и пяти глав, общим объемом 180 страниц, иллюстративный материал включает 31 таблицу и 60 графиков и рисунков; список литературы -109 наименований.

В главе 1 приведены общие сведения по геологии архипелага на основании опубликованных данных. Особое внимание уделено геологии складчатого основания Шпицбергена, дано краткое описание каждого из выделяющихся в структуре фундамента террейнов. Приведена таблица стратиграфической корреляции разрезов складчатого основания разных террейнов [по материалам 19, 47].

В главе 2 дано описание методик, применявшихся при проведении работ: опробования, сепарации минералов, морфологической типизации цирконов и предварительной оценке возраста, а также методики U-Pb, Pb-Pb (single-zircon, по методике Б. Кобера) и Rb-Sr анализов.

3 глава посвящена геологии западного Ню Фрисланд а и новым геохронологическим данным, полученным для пород комплекса Атомфьелла. Здесь приводится описание

разреза комплекса и модель его формирования, предложенная проф. Д.Г.Джи. Дано

\

описание проб пород, отобранных для датирования, а также содержащихся в них цирконов. Приведены результаты U-Pb, анализов и данные Pb-Pb анализа единичных зерен. Дан анализ полученных результатов.

В главе 4 рассматривается геологическая ситуация в складчатом основании Северо-

Восточной Земли. Дается описание опробованных пород и содержащихся в них цирконов и монацита, использованных для датирования. Приведены результаты масс-сиектрометрии, сделан анализ полученных данных.

В главе 5 приводится сводное обсуждение полученных результатов.

БЛАГОДАРНОСТИ: Автор выражает благодарность научному руководителю работы д-ру Балашову Ю.А., а также всем тем, благодаря кому стало возможным осуществление данной работы: руководителю темы по изучению докембрия Шпицбергена в ГИ КНЦ РАН чл.-корр. Митрофанову Ф.П. и ответственному исполнителю работ к.г.-м. н. Гавриленко Б.В.; к.г