Структурно—кинематическая эволюция Карельского массива и Беломорско-Лапландского пояса в палеопротерозое

Краткое описание

Содержание
ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...1

Глава 1. МЕТОДИКА СТРУКТУРНО-КИНЕМАТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА...8

1.1. Базовые понятия структурно-кинематического анализа...8

1.2. Структуры - кинематические индикаторы...20

1.2.1. Плоскостные и линейные структуры...21

1.2.2. Структуры вращения...29

1.2.3. Складчатые и другие структуры изгиба...36

1.3. Резюме...41

Глава 2. ТЕКТОНИЧЕСКОЕ РАЙОНИРОВАНИЕ ВОСТОЧНОЙ

ЧАСТИ БАЛТИЙСКОГО ЩИТА...43

2.1. Свекофеннская провинция...43

2.2. Карело-Кольская провинция...44

2.3. Существующие геодинамические модели Карело-Кольской провинции...48

Глава 3. ПАЛЕОПРОТЕРОЗОЙСКАЯ ТЕКТОНИКА БЕЛОМОРСКО-ЛАПЛАНДСКОГО

ПОЯСА...55

3.1. Основные черты геологического строения...55

3.1.1. Лапландско-Колвицкий гранулитовый пояс...56

Общие представления о тектонике...56

Структурно-вещественные комплексы...57

Радиоизотопные дынные...59

Особенности метаморфизма и его зональности...59

Тектоническая позиция и генезис габбро-анортозитов...62

3.1.2. Беломорский амфиболито-гнейсовый пояс...63

Общие представления о тектонике...63

Неоархейские структурно-вещественные комплексы...64

Палеопротерозойские магматические образования...67

Особенности метаморфизма и его зональности...69

Некоторые сведения о глубинном строении...75

Заключение...78

3.2. Палеопротерозойские структурно-вещественные и кинематические

парагенезы Беломорско-Лапландского пояса...79

3.2.1. Ряды структурно-вещественных преобразований

метаморфических комплексов...79

3.2.2. Общие особенности структурно-кинематических парагенезов...83

3.3. Структурно-вещественные и кинематические парагенезы различных сегментов Беломорско-Лапландского пояса...89

3.3.1. Колвицко-Умбинский пояс...89

3.3.2. Серяк-Ковдозерский сегмент Беломорского пояса...102

3.3.3. Чупинский сегмент Беломорского пояса...110

3.3.4. Энгозерский сегмент Беломорского пояса...115

3.3.5. ёнский сегмент Беломорского пояса...118

3.4. Геодинамические реконструкции юго-восточной части

Беломорско-Лапландского пояса...121

3.4.1. Особенности кинематической эволюции структурно-вещественных

ансамблей свекофеннского цикла...121

3.4.2. Особенности кинематической эволюции структурно-вещественных

ансамблей селецкого цикла...125

3.4.3. Структурно-кинематическая модель эволюции

Беломорско-Лапландского пояса в палеопротерозое...128

Глава 4. ПАЛЕОПРОТЕРОЗОЙСКАЯ ТЕКТОНИКА

КАРЕЛЬСКОГО МАССИВА...136

4.1. Основные черты геологического строения...136

4.1.1. Краткий геологический очерк...136

4.1.2. Некоторые сведения о глубинном строении...139

4.1.3. Палеопротерозойские структурно-вещественные комплексы и

условия их формирования...145

4.2. Палеопротерозойские структурно-кинематические парагенезы

центральной части Карельского массива...154

4.2.1. Центрально-Карельская зона сдвига...154

4.2.2. Кумсинская зона сдвига...167

4.2.3. Койкарско-Выгозерская зона сдвига...176

4.2.4. Тектоника Онежской мульды...188

4.2.5. Модель формирования Онежской тектонической депрессии

и сдвиговых зон центральной части Карельского массива...197

4.3. Палеопротерозойские структурно-кинематические парагенезы

краевых частей Карельского массива...207

4.3.1. Восточно-Карельская зона сдвига...208

4.3.2. Северо-Карельская зона сдвига...229

4.3.3. Системы сдвигов западной части Карельского массива...255.

Глава 5. СТРУКТУРНО-КИНЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭВОЛЮЦИИ КАРЕЛЬСКОГО

МАССИВА И ЕГО ОБРАМЛЕНИЯ В ПАЛЕОПРОТЕРОЗОЕ...260-1

5.1. Вводные замечания...260

5.2. Исходные данные для построения модели...261

5.3. Структурно-кинематическая модель эволюции Карельского массива и

его обрамления в палеопротерозое...265

5.4. Механизмы тектогенеза - обсуждение и гипотезы...277

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...283

Литература...289
Введение

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации

Реконструкция условий тектонической эволюции литосферы в раннем докембрии является одной из наиболее сложных и актуальных задач современной геологии. Согласно эволюционным представлениям, в этот период тектогенез имел специфический характер, не имеющий аналогов в современной геодинамике. Появление новых геолого-геофизических, радиоизотопных и петрохимических данных позволило усомниться в этом положении и использовать актуалистический подход для палеотектонических построений. В частности, для геодинамических реконструкций стали активно использоваться механизмы тектоники плит и представления о формировании мантийных плюмов.

Большинство исследователей сходится во мнении, что к началу протерозоя имела место глобальная смена геодинамических режимов, что было связано с формированием первого в истории Земли суперконтинента Пангеи-0 (Минц и др., 1996; Рундквист и др., 1999; Хаин, Божко, 1988). Предполагается, что появление крупного сегмента с корой континентального типа способствовало экранированию мантийной энергии и зарождению восходящего потока -мантийного суперплюма, - головная часть которого располагалась и испытывала растекание под суперкратоном (Бобров, Трубицин, 1997; Рундквист и др., 1999; Шарков и др., 2000). Следствием этого явились процессы растяжения и деструкции Пангеи-0. Но до какой степени проявился ее распад, был ли он вообще, и какими геодинамическими эффектами сопровождался коллапс громадного континента? Однозначного ответа на этот вопрос в настоящее время не существует.

Архейские комплексы Карело-Кольской провинции Балтийского щита к началу протерозоя входили в состав суперконтинента Пангеи-0 (Минц и др., 1996; Рундквист и др., 1999). Согласно одной из точек зрения, палеопротерозойские процессы растяжения древней коры достигли в этой области стадии формирования океанов с последующим проявлением полных циклов Вилсона. По одной из версий предполагается развитие обширных океанических бассейнов, закрытие которых в конце палеопротерозоя привело к формированию коллизионных поясов альпийско-гималайского типа (Балаганский, 2002; Глебовицкий и др., 1996; Daly et al., 2001; Glebovitsky et al., 2001). Однако данные палеомагнитных исследований показывают, что составные элементы Карело-Кольской провинции в палеопротерозое не были существенно разобщены (Арестова и др., 1997; Mertanen et al., 1999). Учитывая этот факт, были предложены модели, допускающие существование микроокеанов красноморского типа, которые в результате последующих коллизионных событий трансформировались в шовные вулканогенно-осадочные пояса (Минц и др., 1996, 2004; Рундквист и др., 1999). Нужно отметить, что в настоящее время находки полно развитых офиолитовых ассоциаций в пределах восточной части Балтийского щита единичны. По мнению сторонников плитно-тектонических моделей, это является следствием глубокого эрозионного среза коллизионных орогенов и, в этом случае, для плитных реконструкций достаточно иметь лишь некоторые члены разреза офиолитов: то-леитовые базальты типа MORB, альпинотипные ультрабазиты или известково-щелочные вул-

каниты островодужного типа и др. (Daly et al., 2001). Однако для сторонников иных геодинамических моделей эти доводы не убедительны.

Согласно моделям внутриплитной тектоники, деструкция архейской континентальной коры в пределах Карело-Кольского региона не достигла океанической стадии. В этих геодинамических реконструкциях рассматриваются процессы рассеянного континентального риф-тогенеза в надплюмовои области и формирования внутриплитных коллизионных гранулито-гнеисовых поясов в межплюмовых зонах (Морозов, 2002; Шарков и др., 2000). Для обоснования плюм-тектонических моделей используются петрохимические данные (Куликов и др., 1999; Пухтель и др., 1995; Слабунов и др., 2001; Шарков и др., 2000; Puchtel et al., 1999), общие сведения о зональности протерозойского магматизма (Рыбаков и др., 2000), а также материалы структурных исследований (Терехов, 2003; Колодяжный, 2001, 2003) и результаты тектонофизического моделирования (Морозов, 2002). Вместе с тем в рамках этих представлений существуют некоторые разногласия по поводу конкретных механизмов проявления мантийных плюмов, их пространственной позиции и геодинамики надплюмовых областей.

Итак, существуют, по крайней мере, две альтернативные концепции по поводу геодинамики Карело-Кольского региона в палеопротерозое. Противопоставляемые в данном случае законы проявления тектоники плит и внутриплитных процессов, возможно, имеют родственные геодинамические причины. Однако формы их проявления существенно отличаются в структурно-вещественных механизмах формирования и эволюции континентальной коры, расшифровка которых составляет одну их актуальных проблем современной геотектоники.

Не менее актуальная проблема касается особенностей сопряженной эволюции кра-тонизированных гранит-зеленокаменных областей и подвижных гранулито-гнеисовых поясов, что активно обсуждается в современной литературе (Божко, 1995; Минц и др., 1996; Рундквист и др., 1999; Терехов, 2003; Шарков и др., 2000 и др.). Карело-Кольская провинция и "рассекающий" ее Беломорско-Лапландский пояс являются классическими представителями геодинамических систем такого рода. Механизмам развития данных образований и способам эксгумации глубоко метаморфизованных комплексов в данной работе отводится особое внимание.

В настоящее время для изучения Карело-Кольской провинции используются новейшие методы геологических наблюдений, стремительно нарастает база данных петрологических, геохимических и радиоизотопных исследований, появляются новые сведения о глубинном строении региона на основе интерпретаций сейсмопрофилей MOB ОГТ. Вместе с тем, одни и те же фактические материалы интерпретируются совершенно по-разному. Например, геохимические особенности толеитовых базальтов, коматиитов и бонинитоподобных вулканических пород, широко развитых в данном регионе, позволяют рассматривать их и как океанические (островодужные) образования, и как результат внутриплитного магматизма с проявлением эффектов коровой контаминации мантийных плюмов (Минц и др., 1996; Терехов, 2003; Шарков и др., 2000). Интерпретации геофизических данных, выполненные разными авторами, в некоторых принципиальных моментах существенно отличаются (Глубинное ..., 2001, 2004).

Геолого-структурные исследования, направленные на выявление крупных тектонических форм, в условиях плохой обнаженности Карело-Кольского региона и почти полного отсутствия глубоких эрозионных врезов дают весьма неоднозначные результаты.

В связи с этим актуальным становится использование новейших методик геологических исследований, дающих дополнительную информацию для решения спорных вопросов. В частности, привлечение данных структурно-кинематического анализа, отражающих характер и направления тектонических перемещений геомасс, существенно дополняет геологические, геохимические и геофизические материалы. Их комплексное использование позволяет строить более адекватные геодинамические модели. Актуальность данного исследования состоит в том, что на основе современных методов структурно-вещественного и кинематического анализов предпринимается попытка реконструировать эволюцию Карельского массива и Беломорско-Лапландского пояса в палеопротерозое, выявить характер их сопряженного развития и предложить способ эксгумации глубоко ме-таморфизованных комплексов.

Цель и задачи исследования

Главная цель работы состоит в построении для палеопротерозойского этапа структурно-кинематической модели эволюции двух крупнейших геоструктур Балтийского щита: Карельского массива и Беломорско-Лапландского пояса. Цели второго порядка: изучение характера сопряженного развития Карельской гранит-зеленокаменной области и Беломорско-Лапландского гранулито-гнейсового пояса, выявление механизмов эксгумации глубинных метаморфических комплексов, а также особенностей эволюции структурно-вещественных пара-генезов разных глубинных уровней континентальной коры.

Для достижения поставленных целей решались следующие основные задачи: 1) выявление структурно-вещественных парагенезов различных тектонических зон и оценка условий их формирования; 2) изучение структур - кинематических индикаторов и составление структурно-кинематических схем; 3) детальное картирование ключевых участков с использованием методов дешифрирования дистанционных материалов; 4) анализ характера тектонического размещения магматических и вулканогенно-осадочных комплексов и реконструкция условий их формирования; 5) изучение особенностей метаморфических преобразований и выявление их связей с процессами деформаций; 6) анализ материалов геофизических, лито-стратиграфических, геохимических и радиоизотопных исследований.

Фактический материал и методы исследований

В основу работы положен фактический материал, собранный автором в процессе работ на Балтийском щите за период с 1993 по 2003 год. Работы проводились в рамках исследований лаборатории Тектоники консолидированной коры ГИН РАН (рук. М.Г.Леонов), а также по тематике проектов, поддержанных РФФИ (гранты: 93-05-9125, 96-05-64412; 99-05-65366; 01-05-64281; научная школа: 96-04243, 00-15-98531) и 6-м конкурсом-экспертизой проектов молодых исследователей (грант № 303). Фактический материал получен в 1500 точках на-

блюдений, в пределах которых проводились структурно-кинематические исследования. Составлялись также петроструктурные разрезы с отбором и изучением прозрачных шлифов (350 шт). В лаборатории Радиоизотопных исследований ГИН РАН (рук. В.И.Виноградов) были изучены 20 проб и получены К-Ar и Rb-Sr изотопные возраста вторичных преобразований в тек-тонитах ряда сдвиговых зон. Результатом собственных полевых исследований и анализа фондовых и опубликованных материалов явилась серия оригинальных структурно-геологических карт ряда участков: Восточно-Карельской и Северо-Карельской зон, Сегозер-ского сегмента центральной Карелии, Онежской структуры, Койкарской и Кумсинской зон, а также пяти ключевых участков в юго-восточной части Беломорско-Лапландского пояса. При составлении карт использовались методы дешифрирования аэро-космоснимков и способы "послойной" компьютерной систематизации геолого-съемочной информации на базе программы CorelDrawi 1. Большинство карт составлено в электронном варианте на топографической основе масштаба 1:25000, 1:50000 и 1:200000. Все картографические материалы дополнены детальными схемами и зарисовками обнажений, разрезами и стереографическими проекциями статистической обработки структурных данных. Описание глубинного строения территории основано на использовании сейсмопрофилей (MOB ОГТ) 1-ЕВ и 4В. В качестве обобщающих материалов составлены структурно-кинематические схемы Карельского массива и Беломорско-Лапландского пояса, а также серия палеотектонических схем, отражающих динамические условия развития региона для различных временных интервалов.

Личный вклад автора

В работе отражены авторские результаты структурно-кинематических исследований для обширных территорий Карельского массива и Беломорско-Лапландского пояса. Обобщающие геодинамические модели данной области построены с использованием данных других исследователей, но практически вся кинематическая информация в этих реконструкциях является оригинальной. Существенный вклад автора состоит также в детальной характеристике структурно-вещественных парагенезов Карело-Кольского региона и в выявлении структурных ансамблей зон сдвиговых дислокаций и покровно-надвиговых систем.

Научная новизна

Разработана оригинальная геодинамическая модель эволюции Карельского массива и Беломорско-Лапландского пояса в палеопротерозое, основанная на совокупном рассмотрении структурно-кинематических, геолого-геофизических и радиоизотопных данных. Модель позволяет судить о характере перемещений геомасс в пределах данной территории и отражает многообразие форм тектогенеза, свойственных активизированным внутриплитным областям древних платформ. Подробная характеристика структурно-вещественных парагенезов, связанных с различными тектоническими обстановками внутриплитных областей, выявление динамических особенностей и геологических следствий взаимодействия различных уровней земной коры составляют существенный вклад в теорию внутриплитной тектоники. Важными результатами являются обоснование ротационно-сдвигового и вихревого характера переме-

5

щений в пределах Карельского массива, а также выявление гигантской субгоризонтальной протрузии в юго-восточной части Беломорско-Лапландского пояса.

Публикации и апробация результатов работы

Результаты исследований автора в пределах Карело-Кольского региона отражены в 36 публикациях (3 коллективных монографии, 27 статей в рецензируемых журналах и сборниках). Помимо этого, более 15 работ посвящено методическим аспектам и апробации методик структурно-вещественного и кинематического анализа. Материалы работы докладывались на тектонических коллоквиумах ГИН РАН (1995, 1998, 2004), а также на Всероссийских и Международных совещаниях: "XXXII, XXXIII, XXXV, XXXVI Тектонические совещания" (Москва, 1999, 2000, 2002, 2003); "Тектоника и метаморфизм" (Москва, 1994); "Тектоника фундамента" (Потсдам, Германия, 1994); "Корреляция геологических комплексов Фенноскандии" (Санкт-Петербург, 1996); "Протерозойская эволюция Северной Атлантики" (Лабрадор, США, 1996); "Структурные парагенезы и их ансамбли" (Москва, 1997); "Геологическое развитие протерозойских перикратонных и палеоокеанических структур северной Евразии" (Москва - Санкт-Петербург, 1999); "Ранний докембрий: генезис и эволюция континентальной коры" (Москва, 1999); "Геология, геохимия и геофизика на рубеже XX и XXI веков" (Москва, 2002); "Глубинное строение и геодинамика Фенноскандии, окраинных и внутриплатформенных транзитных зон" (Петрозаводск, 2002).

Практическое значение

Геолого-структурные карты, составленные автором, и сведения о структурно-вещественных и кинематических парагенезах могут быть использованы при крупно- и мелкомасштабном геологическом картировании, а также при поисковых тематических исследованиях в регионе. Выявленные в пределах Карельского массива зоны сдвиговых дислокаций, их компрессионно-декомпрессионные сегменты могут рассматриваться как перспективные участки для концентрации полезных ископаемых метасоматического и магматического генезиса. В частности, большое значение для генерации руд могут иметь процессы мегаметаморфичес-кой дифференциации, установленные в Кукасозерской структуре Северо-Карельской зоны. Структурные ансамбли Беломорско-Лапландского пояса, отражающие процессы субгоризонтального тектонического течения и контролирующие ряд магматических тел, должны учитываться при поисках полезных ископаемых. Предложенная структурно-кинематическая модель эволюции Карело-Кольского региона, отражающая высокую подвижность геомасс, может быть осмыслена с позиций динамически обусловленных перемещений рудонесущих флюидных потоков.

Объем и структура работы

Работа имеет объем 305 страниц текста (Введение, 5 глав, Заключение), 148 рисунков, 3 таблицы и список литературы из 346 отечественных и 142 зарубежных источников. В 1-ой главе рассмотрена методика структурно-кинематического анализа метаморфических ком-

плексов. Во 2-ой главе приведены сведения о тектоническом районировании Балтийского щита и некоторые современные представления о геодинамике Карело-Кольского региона. В главах 3 и 4, составляющих 70% объема работы, содержится фактический материал по геологическому строению Беломорско-Лапландского пояса и Карельского массива, рассмотрены структурно-вещественные и кинематические парагенезы различных тектонических зон, для которых предложены частные геодинамические модели. В главе 5 имеющиеся данные обобщены в виде единой системы и итоговой модели эволюции Карельского массива и Беломорско-Лапландского пояса. В "Заключении" сформулированы основные выводы и обсуждаются ключевые положения работы.

Основные защищаемые положения

На основании структурно-кинематических исследований предложена модель сопряженного развития Карельского массива и Беломорско-Лапландского пояса в палеопротерозое. Она представлена в виде серии палеотектонических схем, а ее ключевые моменты отражены в следующих защищаемых положениях.

1. Палеопротерозойские структурные парагенезы верхнекорового слоя Карельского массива формировались в связи с процессами эволюции зон сдвиговых дислокаций на фоне следующих палеотектонических обстановок. (1) Рассеянный рифтогенез (селецкий цикл ~ 2,5 - 2,0 млрд. лет): формирование транстенсионных сдвигов, контролировавших накопление вул-каногенно-осадочных комплексов в структурах типа пулл-апарт, в областях веерообразной виргации сдвиговых зон и развития листрических сбросо-сдвигов. (2) Внутриплитная коллизия (свекофеннский цикл ~ 1,95 - 1,7 млрд. лет): становление зон транспрессионных сдвигов, в пределах которых палеопротерозойские бассейны испытали неравномерные деформации и приобрели морфологию пальмовых структур.

2. Структурно-кинематические данные показывают, что зоны сдвиговых дислокаций Карельского массива образуют вихревую мегаструктуру, формирование которой было связано с дифференцированным вращением разноранговых доменов по часовой стрелке. Ротационные эффекты проявились с наибольшей интенсивностью в процессе свекофеннских коллизионных событий. Они обусловили развитие левосдвиговых перемещений в краевых частях массива, а также способствовали сегментации сдвиговых зон на комплементарные области продольного выжимания и нагнетания в результате ротационно-инденторного воздействия доменов, испытавших вращение.

3. Палеопротерозойские структурные парагенезы Беломорско-Лапландского пояса отражают процессы тектонической эксгумации нижних и средних уровней земной коры в связи со следующими палеотектоническими обстановками. (1) Общее растяжение и объемное течение глубинных слоев коры (селецкий цикл): формирование зон субгоризонтального течения и тектонической деламинации, складок продольного течения и систем пологих сбросов. Эти явления в соответствии с моделью простого сдвига способствовали формированию в верхней коре листрических сдвиго-сбросов и рифтогенных впадин. (2) Внутриплитная коллизия (свекофеннский цикл): развитие Колвицко-Умбинской субгоризонтальной протрузии в результате

транспрессионного выдавливания в верхние уровни коры глубинных метаморфических комплексов.

4. Карельский массив и Беломорско-Лапландский пояс составляли в палеопротерозое единую геодинамическую систему - внутриплитную область с тектонически расслоенной корой континентального типа. Важными элементами ее кинематической эволюции являлись процессы неоднородного горизонтального течения на уровне нижней - средней коры, которые контролировали объемные сдвиговые дислокации верхнекорового слоя, сохранившегося в пределах Карельского массива. Многообразие форм тектогенеза этой системы отражает суммарное действие внешних и внутренних факторов ее развития: воздействие мантийных плю-мов и коллизионных процессов, появление локальных сил, связанных с перераспределением напряжений и дискретным характером деформаций в реологически неоднородной раннедо-кембрийской коре.

Более подробно эти положения развернуты в форме выводов (см. Заключение).

Благодарности

Неоценимую теоретическую и моральную поддержку, без которой данная работа была бы просто невозможна, оказал М.Г.Леонов, который творчески руководил этими исследованиями на протяжении 1993 - 2004 гг. Автор благодарит за помощь в исследованиях своих коллег и соратников по полевым работам: Д.С.Зыкова, В.И.Виноградова, М.Л.Сомина, В.В.Травина, А.И.Ивлиева, А.В.Полещука, С.Ю.Орлова, Э.Н.Лишневского, Р.М.Юркову, И.И.Бабарину. Глубокую признательность за консультации автор выражает сотрудникам ОИФЗ РАН -М.Л.Сомину, Ю.А.Морозову, В.В.Эзу; ИГГД РАН- Ю.В.Миллеру, С.Б.Лобач-Жученко, ГИН РАН - А.В.Лукьянову, М.Л.Коппу, Ю.Г.Леонову, М.В.Минцу, В.С.Федоровскому, Н.П.Чамову, А.И.Ивлиеву, Е.Н.Терехову, С.Д.Соколову, А.В.Романько, М.И.Буякайте; МГУ - Н.А. Божко, В.Г.Талицкому; Геологической службы Австралии - Р.Рутланду. Автор благодарит сотрудников ГИ КарНЦ РАН за первые вводные экскурсии по Карелии и последующие консультации: Ю.Й.Сыстру, А.И.Светову, С.А.Светова, А.Д.Лукашева, В.С.Куликова, В.В.Травина, О.И.Володичева, Л.В.Кулишевич.

Глава 1

МЕТОДИКА СТРУКТУРНО-КИНЕМАТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Любые структурные исследования и геодинамические построения могут остаться сугубо статичными и описательными без четкого понимания динамики перемещения и взаимодействия геологических тел в пространстве и времени. Геологические наблюдения дают нам лишь некий "застывший" структурный образ, тогда как история его формирования остается за рамками непосредственного наблюдения. Механо-физические и экспериментальные подходы, призванные восполнить этот пробел и создать некий набор кинематически осознанных структурных форм и их сочетаний (парагенезов), составляют теоретическую основу структурно-кинематического анализа. Однако принятые в практике кинематические индикаторы далеко не всегда были получены экспериментально, а появились из эмпирического опыта. С другой стороны, не все лабораторные модели отражают реальные условия геологической среды. Поэтому геологи вот уже несколько десятилетий занимаются разработкой теории кинематических индикаторов, но до сих пор существуют разногласия в интерпретации конкретных структур. В настоящее время методика структурно-кинематического анализа продолжает развиваться, чему способствует появление новых фактических и экспериментальных данных, уточняющих и расширяющих этот метод познания геологических процессов.

В этой главе на основе анализа опубликованных данных будут рассмотрены базовые положения теории структурно-кинематического анализа, а также некоторые наиболее распространенные структурные формы, которые использовались автором при изучении докембрий-ских тектонических процессов в пределах Балтийского щита.

1.1. Базовые понятия структурно-кинематического анализа

Вводные замечания

Опыт геологических исследований показывает, что интенсивные структурные преобразования земной коры часто локализованы в протяженных зонах концентрированного проявления хрупких и хрупко-пластических деформаций. Такого рода структуры рассматривались как линеаменты, зоны тектонического течения или смятия (Забродин, 1977; Леонов и др., 1995; Лукьянов, 1991; Паталаха, 1985; Структура линеаментных ..., 1990). В англоязычной литературе для соответствующих структур существует термин "зона сдвига" (shear zone), который применяется к широким зонам объемных складчато-разрывных деформаций независимо от их ориентировки в пространстве (крутопадающих и пологих) и имеет механо-физический смысл (Choukroune et al., 1987; Cobbold et al., 1980, 1987; Hanmer et al., 1991; Ramsay, 1980, 1987; Ramsay et al., 1970; Shimamoto, 1989). В русском переводе представляется наиболее удачным использовать понятие "зона сдвиговых деформаций" ('противопоставляется термину "сдвиг" в геологическом смысле), т.к. оно характеризует механизмы формирования структур с позиции представлений о прогрессивном развитии деформаций и сдвиговом тектоническом течении, а также имеет под собой мощную экспериментальную и эмпирическую базу, в частности,

учение о структурных парагенезах и рисунках (Лукьянов, 1965, 1980, 1991; Паталаха, 1985; Бондаренко, 1991; Копп, 1987; Леонов и др., 1995; Морозов и др., 1997; Расцветаев, 1987; Та-лицкий, 1994, 1998, 1999, 2002; Ramsay, 1980; Ramsay et al., 1970, 1987; Riedal, 1929; Ramberg, 1975; Cobbold, Quinquis, 1980; Passcher, 1987; Shimamoto, 1989; Fletcher, 1991; Hanmer et al., 1991). В структурной геологии важно отличать зоны сдвиговых деформаций с покровно-надвиговой, сбросовой и сдвиговой кинематикой. Для крутопадающих зон интенсивных складчато-разрывных деформаций, связанных с горизонтальными (сдвиговыми в геологическом смысле) перемещениями, в этой работе будет использоваться термин "зона сдвиговых дислокаций (зона сдвига)".

Термин "зона тектонического течения", сложившийся в российской геологии, несет в себе глубокий смысл. По определению А.В.Лукьянова (1991, стр. 26) под "... тектоническим течением понимается суммарная картина перемещения вещества литосферы в процессе ее тектонического развития: тектоническое течение масс характеризуется полем векторов перемещения множества точек литосферы и является величиной интегральной, определяемой величинами и направлениями перемещения данного множества точек". Данное определение подразумевает одновременное поступательное движение, вращение и деформацию некоторых обособленных тел геологической среды. При этом автор подчеркивает, что деформация и тектоническое течение взаимосвязаны, но имеют различный смысл. Деформация характеризует изменение расстояний между точками по всем направлениям в данном месте за данный отрезок времени, - это величина дифференциальная. Количественно она в каждой точке характеризуется тензорами (эллипсоидом) деформации (Лукьянов, 1991). В иерархии геологической терминологии понятие "деформация" стоит на более низком уровне по отношению к категории "тектоническое течение". Деформация может отсутствовать в системе жестких не деформированных блоков, вовлеченных в коллажное тектоническое течение.

В основе кинематического анализа лежат все основные положения теории деформации твердых тел. Подробные сведения по этим вопросам содержатся во многих отечественных работах (Гзовский, 1975; Лукьянов, 1980, 1991 и др.). Предполагая, что читатель знаком с основами теории деформации упругих и вязких тел, ниже будут рассмотрены методические аспекты кинематических исследований, основы которых изложены в целом ряде работ (Ramsay, 1980; Ramsay et al., 1970, 1983, 1987; Hanmer et al., 1991; Ramberg, 1975; Cobbold et al., 1980, 1987; Passcher, 1987; Shimamoto, 1989; Казаков, 1976; Копп, 1987; Лукьянов, 1965, 1980, 1991; Милеев, 1978; Морозов и др., 1997; Паталаха, 1985; Расцветаев, 1987; Талицкий, 1998, 1999; Тевелев, 2002; и др.).

Главные оси эллипсоида "мгновенной" и "конечной" деформации

Исследуя кинематику деформационного процесса, нужно строго различать элементы прогрессивного этапа развивающейся деформации и соответствующие им категории, характеризующие конечные ее результаты. Пространственное положение главных осей и плоскостей эллипсоида деформации начальной и конечной стадий деформационного процесса отличается. Поэтому, процесс деформации рассматривается как система соотношений "мгно-

10

венных" и "конечных" ее составляющих. Положение главной оси "мгновенного удлинения" (Xi), соответствующее положению главных осей напряжения в данный момент времени, может существенно отличаться от пространственной ориентировки "конечной оси удлинения" (Xf), характеризующей результирующую деформацию (рис. 1.1, 1.2). То же самое касается и типов мгновенного - конечного положения оси максимального сжатия (Zi - Zf), а также главных плоскостей касательных напряжений (круговые сечения нулевой деформации эллипсоида).

Коаксиальное и некоаксиальное течение (чистый и простой сдвиг)

Тектоническое течение в литосфере реализуется за счет коаксиального (по модели чистого сдвига), некоаксиального (модель простого сдвига) и смешанного режимов течения (см. рис.1.1) (Hanmer et al., 1991). При развитии простого сдвига соблюдаются следующие условия: 1) плоскость главного сдвига соответствует одной из плоскостей касательных напряжений (круговое сечение эллипсоида деформации); 2) главные оси мгновенного удлинения - сокращения образуют угол 45° с плоскостью сдвига; 3) главные оси конечной деформации вращаются от соответствующих осей мгновенного деформирования в соответствии с составляющей сдвига, другими словами, - деформация накапливается не коаксиально. Это правило касается всех материальных частиц, образующих геологические тела. Из последнего положения вытекает важнейшее правило. При развитии деформации простого сдвига конечная ось максимального удлинения испытывает однонаправленное вращение к плоскости сдвига.

Деформация чистого сдвига подчиняется другим правилам: 1) прогрессивное развитие деформации чистого сдвига предполагает статичное положение главных осей деформации, -накопление последней происходит коаксиально; 2) плоскости нулевой конечной деформации испытывают разнонаправленное (симметричное) вращение к поверхности главного сдвига.

Существенным отличием деформации чистого и простого сдвига является характер их прогрессивного развития, выраженный в накоплении бесконечно малых мгновенных изменений формы тел (см. рис. 1.2). Чистый сдвиг предполагает соосное приращение - сокращение главных осей каждого следующего мгновенного эллипсоида деформации; простой сдвиг в процессе такого приращения сопровождается вращением главных осей к плоскости сдвига. При этом главные оси конечной деформации отклоняются от соответствующих осей мгновенного деформирования и испытывают вращение по направлению к плоскости нулевой деформации. Энергетически чистый сдвиг реализуется в основном в изменении формы тел, тогда как при простом сдвиге деформация отдельно взятого тела постепенно затухает и напряжения релаксируются за счет вращения (см. рис. 1.2).

Направление вращения

При кинематическом анализе главная задача состоит в оценке направления вращения геологических тел. Второстепенное значение имеют реконструкции характера изменения формы деформируемых объектов. В природе чистый и простой сдвиг чаще совмещены в той или иной пропорции, что значительно осложняет кинематический анализ структур. В этом случае главные оси и плоскости деформаций занимают промежуточное состояние

40-1

Чистый сдвиг (коаксиальное течение)'

{содвиг, сплющивание)

сегмент растяжения.

плоскости нулевой

Общий случай

(некоаксиальное течение) (транспрессия)

плоскости нулевои_ деформации

плоскость

сдвига

(течения)

Простой сдвиг

(некоаксиальное течение) Сегмент

плоскости нулевой

деформации

4 _^1 Я

Zt главная плоскость з сдвига

главная плоскость сдвига (течения)

Рис. 1.1. Типы тектонического течения и деформации сдвига (по (Hanmer et al., 1991)).

чистый сдвиг

простои сдвиг

нулевой дефрмации

Zi

Рис. 1.2. В процессе развития прогрессивной деформации ряд мгновенных малых изменений формы тела, суммируясь, составляет конечную деформацию. Xi, Zi - главные оси "мгновенного" эллипсоида деформации; Xf - ось главного растяжения "конечного" эллипсоида деформации.

ТЕЧЕНИЕ

оси мгновенного сокращения -удлинения

КРИВЫЕ ТЕЧЕНИЯ

КОНЕЧНАЯ ДЕФОРМАЦИЯ

растяжение

ттлоскость течения

нулевая угловая скорость

нулевое удлинение

скорость удлинения

ЧИСТЫЙ СВИГ (WK=O)

угловая скорость

оси мгновенного сокращения - удлинения

.плоскость течения

нулевая угловая скорость

правое вращение растяжение

левое вращение сжатие

угловая скорость

скорость удлинения

ОБЩИЙ СЛУЧАЙ

оси мгновенного удлинения - сокращения

угловая скорость N

кость течения

правое вращение растяжение

левое вращение сжатие

ПРОСТОЙ СДВИГ (Wk=1)

скорость удлинения

Рис. 1.3. Диаграммы, отражающие соотношения направлений (скоростей) вращения деформируемых тел и характер деформации для различных видов тектонического течения. Кинематическое число момента вращения (Wk= cosp ) (по (Hanmer et al., 1991)). Пояснения см. текст.

11

между крайними его вариантами (см. рис. 1.1). Сложность состоит в том, что при этом нам не известны соотношения между составляющими чистого и простого сдвига; не всегда достоверно реконструируются первичная форма деформируемого тела, его первичное положение в пространстве и направление вращения. Различные пути прогрессивной деформации могут привести к идентичному результату. Если в геологической среде не сохраняется некоторых промежуточных состояний деформации, задача бывает неразрешимой.

Момент вращения. Ситуация чистого сдвига предполагает, что скорости вращения материальных линий в деформируемом теле имеют различный знак, но усреднено равны нулю. Вдоль главных осей мгновенной деформации вращения не происходит. В случае простого сдвига все материальные частицы испытывают вращение к плоскости течения (главного сдвига). Компонент вращения, отраженный усредненной скоростью вращения материальных частиц по отношению к главным осям мгновенной деформации называется моментом вращения (vorticity) (Means et al., 1980). Поля скоростей вращения для всех типов течения разделяются на домены плоскостями нулевых угловых скоростей. При чистом сдвиге эти домены симметричны и равны по площади и характеризуются вращением противоположного знака (рис. 1.3, слева). Для простого сдвига домены имеют единую компоненту вращения. В общем случае на фоне главного домена, характеризующего преобладающую компоненту вращения объемного течения, существует малый сектор угла р, ограниченный двумя направ