Тектонофизическое моделирование геодинамических режимов формирования континентальной коры

Краткое описание

Содержание
ВВЕДЕНИЕ... 5

ГЛАВА 1. ИЗУЧЕННОСТЬ ГЛУБИННОГО СТРОЕНИЯ ЗЕМНОЙ КОРЫ

СЕВЕРО - ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ БАЛТИЙСКОГО ЩИТА

КАК ОСНОВА ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ И

ПАЛЕОРЕКОНСТРУКЦИЙ... 19

1.1. Основные черты геологического строения ... 19

1.2. Петрофизические характеристики пород... 41

1.3. Геофизические исследования и глубинное строение... 60

1.4. Эволюция взглядов на докембрийскую историю развития

региона...90

1.5. Выводы...102

ГЛАВА 2. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ТЕКТОНОФИЗИЧЕСКОГО

МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ГЕОЛОГО -ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ДАННЫХ ... 106

2.1. Цели и задачи тектонофизики...106

2.2. Существующие методы и подходы в области тектонофизического моделирования...110

2.3. Выводы... 134

ГЛАВА 3. ПРЕДЛАГАЕМАЯ МЕТОДИКА РЕКОНСТРУКЦИИ

ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ФОРМИРОВАНИЯ ЗЕМНОЙ КОРЫ... 136

3.1. Выбор схемы развития тектонических процессов

в исследуемом регионе...137

3.2. Построение реологической модели среды...142

3

3.3. Оценки параметров мантийного плюма по его

геологическим проявлениям ...155

i. 3.4. Моделирование внутрикоровых массопотоков с

количественными оценками скорости течения пластичных пород и возникающих давлениях в пластичных зонах...158

3.5. Расчёт распределения температур в земной коре...166

3.6. Моделирование полей напряжений в жёстком коровом

блоке...171

3.7. Выводы...174

ГЛАВА 4. ТЕКТОНОФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ОБСТАНОВОК ФОРМИРОВАНИИ ЗЕМНОЙ КОРЫ СЕВЕРО - ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ БАЛТИЙСКОГО ЩИТА...176

4.1. Количественные оценки параметров раннепротерозойского

1^. плюм - литосферного взаимодействия... 176

4.2. Количественные оценки физико-механических параметров

коллизии коровых мегаблоков ...181

4.3. Условия возникновения латеральных массопотоков в

пределах развития Кольской рифтогенно - коллизионной системы...195

4.4. Оценка влияния термомеханических эффектов на режимы

метаморфизма и гранитообразования ...203

4.5. Характер пространственных и динамических соотношений

в пластичных зонах при формировании Лапландского гранулитового пояса и Печенгско - Варзугской j палеорифтогенной системы...207

4

4.6. Особенности формирования полей напряжений в жёстком

коровом блоке при одноосном сжатии...210

4.7. Выводы...221

ГЛАВА 5. ГЕО ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАЗВИТИЯ КОЛЬСКОЙ

РИФТОГЕННО - КОЛЛИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ...223

5.1. Фактографическая основа для моделирования и

палеореконструкций в северо-восточной части Балтийского щита...223

5.2. Основные этапы развития Кольской рифтогенно -

коллизионной системы в раннем протерозое... 226

5.3. Выводы...232

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...233

ЛИТЕРАТУРА...240
Введение

ВВЕДЕНИЕ

Существующие в области тектонофизического моделирования направления, различающиеся между собой как по концептуальной основе, так и по методам применяемого анализа, часто не обеспечивают должного выполнения исследований по реконструкции геодинамических режимов формирования земной коры в прошлые геологические эпохи. Особенно это касается реконструкции геодинамических режимов докембрия, являющейся фундаментальной проблемой наук о Земле.

Актуальность темы. В соответствии с возрастающими требованиями к выполняемым палеогеодинамическим реконструкциям в целях выявления генетических связей между прогнозируемыми металлогеническими провинциями и закономерностями формирования земной коры в пределах древних щитов, особое значение имеет моделирования геодинамических режимов, позволяющих создавать количественные модели процессов формирования древней земной коры, а также объяснять механизм и динамику её преобразования. Поэтому весьма актуальной является разработка новых методов тектонофизического обоснования возможных геодинамических обстановок, имевших место при формирования реологически неоднородной земной коры. Эти методы должны отвечать требованиям, включающим реконструкции геодинамических режимов на количественном уровне в случае многоярусных внутрикоро-вых геодинамических систем.

Северо-восточная часть Балтийского щита считается благоприятным структурным элементом для изучения внутреннего строения кристаллической коры. В регионе отсутствует искажающее влияние осадочного чехла, что создаёт возможность для непосредственного исследования и сопоставления гео-

6

логических и геофизических данных. Интерес со стороны исследователей к данному региону обусловлен ещё тем, что здесь был открыт ряд крупнейших месторождений чёрных, цветных и редких металлов, апатита, слюды и других полезных ископаемых. В ходе поисковых, разведочных и научно-исследовательских работ была накоплена обширная геолого-геофизическая информация по строению и истории района. Проходка уникальной Кольской сверхглубокой скважины дала возможность прямого изучения пород, залегающих на глубинах до 12.3 км. Эти достижения сделали регион эталоном в решении многих проблем региональной геологии Балтийского щита. В силу этого северо-восточная часть Балтийского щита, важнейшая металлоге-ническая провинция, служит естественным полигоном для всестороннего исследования кристаллических комплексов земной коры и для реконструкции условий формирования коры континентального типа.

В пределах Кольского полуострова и смежных территорий Норвегии и Финляндии представлен почти полный набор раннедокембрийских комплексов, которые сформировались в интервале 2.9-1.7 млрд. лет, испытали неоднократное воздействие метаморфических и магматических процессов и превратились в уникальную систему тектонических структур. В северо-восточной части Балтийского щита сохранились самостоятельные континентальные системы, образованные в карельский период (2500-1650 млн. лет назад) [Загородный, Радченко, 1988]. В целом структуру региона можно рассматривать как раннепротерозойскую.

В настоящее время в пределах изучаемого региона выделяются наиболее крупные архейские мегаблоки (инфракрустальные домены) - Мурманский, Центрально-Кольский (Кольский или Кольско-Норвежский) и Беломорский, разделённые глубинными разломами, и раннепротерозойские мобильные поя-

7

са (супракрустальные террейны) - Лапландский (Лапландско-Колвицкий) гра-нулитовый и Печенгско-Варзугский рифтогенный, которые в свою очередь подразделяются на более мелкие блоки, зоны, отдельные структуры и их фрагменты. Перечисленные мегаблоки (Мурманский, Кольский, Беломорский) и мобильные пояса (Лапландский, Печенгско-Варзугский) образуют систему тектонических структур - Кольскую рифтогенно-коллизионную систему [Mitrofanov et al., 1995], охватывающую всю северо-восточную часть Балтийского щита и определяющую особенности формирования докембрий-ской земной коры континентального типа.

Кольская рифтогенно-коллизионная система представляет собой сложную коллизионную постройку, рифтогенно-коллизионную триаду сопряжённых зон сжатия и растяжения с продолжительной длительностью развития [Mitrofanov et al, 1995; Mitrofanov et al, 1997; Филатова и др., 2002]. В данном случае осевая зона рифтинга представляет собой Печенгско-Варзугский рифтогенный пояс континентального типа, а под коллизией подразумевается столкновение коровых мегаблоков континентального типа - Кольского и Беломорского.

Главные геолого-геофизические особенности северо-восточной части Балтийского щита были определены к концу 60-х годов [Кратц, 1963; Земная кора ..., 1978]. В эти годы для анализа протерозойских образований широко применялась геосинклинальная модель, согласно которой зоны карелид прошли полный цикл в своём развитии - от заложения геосинклинального пояса до его орогенеза и превращения в платформу. За прошедший период произошло заметное изменение взглядов на докембрийскую историю развития Балтийского щита, на глубинное строение земной коры, механизм и динамику её преобразования. В целях объяснения процесса формирования па-

8

леопротерозойской земной коры северо-востока Балтийского щита предлагались и разрабатывались различные геотектонические и геодинамические модели развития региона.

Для анализа раннепротерозойских структур щита была показана возможность использования рифтогенных моделей [Милановский, 1976; Загородный, Радченко, 1983], режим развития которых носил субплатформенный характер. Позднее, по результатам исследований геохимических особенностей вулканогенных образований, вскрытых скважиной СГ-3, в истории развития Печенгской структуры был выделен океанически-рифтогенный этап [Кременецкий, Овчинников, 1983]. В последующие годы были получены не только дополнительные подтверждения рифтогенной природы Печенгско-Варзугского пояса [Эндогенные ..., 1991], но и была предложена модель [Магматизм, ..., 1995; Смолькин, 1997], согласно которой Печенгско-Варзугский пояс интерпретируется как сложнопостроенная рифтогенная система, заложенная на архейской коре континентального типа. Развитие системы связывается [Buyanov et al., 1995] с формированием первоначально обширной астенолинзы, неоднородным разогревом в ней мантийного вещества и подъёмом на коровый уровень крупных диапиров.

Для объяснения процесса формирования докембрийской земной коры северо-востока Балтийского щита был предложен также ряд альтернативных геодинамических моделей, базирующихся на концепции плейт-тектоники или её комбинации с элементами рифтогенеза [Barbey et al., 1984; Berthelsen, Marker, 1986; Melezhik, Sturt, 1994; Минц и др., 1996],. При составлении геодинамических схем применительно к северо-востоку Балтийского щита также использовался и террейновый анализ [Балаганский, 2002], в основе которого заложено использование концепции мобилизма, допускающей крупные гори-

9

зонтальные перемещения отдельных блоков земной коры и литосферы в самых различных направлениях. Автором [Балаганский, 2002] выделяется Ла-пландско-Кольский ороген, история развития которого в протерозое включает распад и реставрацию суперконтинента в течение одного полного цикла Вильсона длительностью около 700 млн. лет.

К сожалению, ни одна из предложенных геодинамических моделей не смогла обеспечить адекватного соответствия ни с новыми данными о природе и особенностях проявления магматических и метаморфических процессов раннего протерозоя Кольского региона [Эндогенные режимы ..., 1991; Смолькин, 1997; Петров, 1999], ни с результатами геохронологических исследований [Митрофанов и др., 1997; Баянова и др., 2002]. Сейсморазведочные исследования [Шаров и др., 1997] не подтвердили предположение о наличии реликтов субдукционных зон, глубоко погружённых под гранито-гнейсовые толщи коры. На территории Кольского региона также не обнаружены индикаторные для океанического типа коры комплексы офиолитов и параллельных даек или их гранитизированных аналогов. В пределах развития Печенгско-Варзугского пояса в условиях интенсивного надвигообразования не установлены случаи, когда более древние породы залегали бы на более молодых.

Несмотря на большой объём выполненных геолого-геофизических работ среди геологов до сих пор существуют альтернативные точки зрения о механизме вывода на поверхность плотных нижнекоровых пород при формировании гранулитового пояса [Жданов, 1966; Беляев, 1971; Прияткина, Шар-ков, 1979; Терехов, 1982; Богданова и др., 1992; Buyanov et al., 1995; Kozlov et al., 1995; Перчук и др., 1999; Балаганский, 2002]. Не объяснён механизм формирования крупной коллизионной структуры (такой как Кольская рифтоген-но-коллизионная система) при отсутствии проявления орогенеза, так как в зо-

10

не коллизионного шва фиксируется полное отсутствие следов проявления горообразования и характерных для горных стран молассовых формаций [Mitrofanov et al., 1995]. Остаётся необъяснимой синхронность образования структур сжатия и растяжения в пределах развития Кольской рифтогенно-коллизионной системы и синхронность формирования соответствующих магматических и метаморфических формаций. Не установлен характер пространственных и динамических соотношений при формировании Лапландского гранулитового пояса и Печенгско-Варзугской палеорифтогенной системы.

Выполненный анализ предложенных геодинамических моделей показал, что все проводимые ранее стандартные реконструкции геодинамических режимов при формировании земной коры региона осуществлялись без учёта существующих различий геомеханических свойств разных уровней коры и верхней мантии [Barbey et al., 1984; Berthelsen, Marker, 1986; Melezhik, Sturt, 1994; Минц и др., 1996; Балаганский, 2000]. Видимо этот факт также сыграл свою негативную роль при попытках получить удовлетворительные результаты в объяснении процессов формирования древней континентальной коры. В силу этого возникает необходимость развивать новые методы палеогеодина-мических реконструкций с применением математического моделирования процессов формирования реологически неоднородной земной коры, а также пересмотреть некоторые существующие представления о механизмах её формирования.

В настоящей работе предпринята попытка расширить возможности применения тектонофизического моделирования путём привлечения математического моделирования с использованием геологических факторов для решения фундаментальной проблемы раннего докембрия - реконструкции геодинамических режимов, ответственных за формирование континентальной

и

земной коры и определяющих как её состав и строение, так и направленность глубинных процессов магмогенерации и метаморфизма.

Цель работы

Главной задачей работы явилось выполнение тектонофизического обоснования возможных геодинамических обстановок, имевших место при формировании земной коры северо-восточной части Балтийского щита. Для реализации поставленной цели было выделено в качестве основных решение следующих задач:

1) разработать методический подход к выполнению палеогеодинамиче-ских реконструкций, позволяющий осуществить переход с глобального на региональный уровень и решать задачи внутрикоровой геодинамики в случае реологически расслоенных сред;

2) разработать принципиальную схему динамических процессов, развивавшихся в северо-восточной части Балтийского щита при формировании раннепротерозойской земной коры;

3) определить установившийся тип тектоно-магматической активности в северо-восточной части Балтийского щита на период раннего протерозоя и выявить ведущий механизм формирования главных геологических и тектонических структур региона;

4) получить количественные оценки раннепротерозойского плюм-литосферного взаимодействия в северо-восточной части Балтийского щита;

5) разработать количественные геодинамические модели формирования главных структурных элементов Кольской рифтогенно-коллизионной системы;

12

6) охарактеризовать эволюцию коровых астеносферно-террейновых ансамблей Балтийского щита и дать количественную оценку параметров

^ геодинамических режимов, установившихся при формировании до-

кембрийской земной коры;

7) разработать комплекс программ для ЭВМ в целях решения поставленных выше задач.

Защищаемые положения

1) Выполненное моделирование выявило, что при определённых соотношениях параметров геодинамического процесса эффект возвратных течений, проявляющийся при поддвигах ме-габлоков в пластичных зонах, обуславливает возникновение глубинных латеральных массопотоков внутри коры, определяющих

т! распределение температурных аномалий и скалывающих напря-

жений. Выявленный эффект возвратных течений открывает новые возможности для оценки условий и характера процессов вязкого внутрикорового течения в коллизионный период.

2) Объяснено возникновение и оценены масштабы гипердавлений в пластичных зонах, возникающих на стыках мегабоков при поддвиге. Численное моделирование показало, что во время поддвига мегаблока с незначительным углом наклона его дневной поверхности в пластичных зонах возникают высокие давления при сравнительно медленном движении.

3) Установлено, что при незначительных поддвигах мегабло-1 ков в импульсном режиме и попеременной направленности со

13

скоростью 0.5-3 см/год в пластичных зонах в основании и на стыках геоблоков возникали аномальные гипердавления, кратко-

t.. временно превышающие 8-50 кбар, а также создавались замкну-

тые латеральные массопотоки, вызывающие эрозию гранитно-метаморфического слоя в основании коровых блоков и по всей вертикальной зоне их контакта. Геодинамический режим, установившийся при формировании Лапландского гранулитового пояса, обеспечивал выдвижение обдукционных пакетов из гранулит-базитового слоя коры в гранитно-метаморфический и затягивание вниз пород верхнего яруса коры, а также латеральное перераспределение гранитоидных анатектических расплавов из коллизионного шва в тыловые зоны и трансформные разломы.

4) Мантийный плюм, регулировавший проявления раннепро-терозойского базит - ультрабазитового магматизма в северо-

[¦ восточной части Балтийского щита, поднимался с глубины 220-

240 км со скоростью 7-8 см/год при одновременном вращении его головной части со скоростью 2-3 см/год и конвективных течениях в канале плюма со скоростью 0.2 см/год. Заключение основано на результатах выполненного математического моделирования параметров плюма по его геологическим проявлениям с привязкой к геохронологическим данным.

Научная новизна

1) Разработана методика тектонофизического моделирования процессов фор-X. мирования реологически неоднородной земной коры, которая впервые позво-

14

лила на количественном уровне реконструировать геодинамические режимы докембрия северо-восточной части Балтийского щита.

\^ 2) Впервые на количественном уровне дана оценка физико-механических па-

раметров коллизии коровых блоков, при которых выдерживались условия высокотемпературного и высокобарического метаморфизма в зоне коллизионного шва, а тектоническое скучивание в коре не сопровождалось проявлениями орогенеза и компенсировалось латеральными массопотоками во внутрикоро-вой астенолинзе.

3) Впервые количественно оценены масштабы влияния термомеханических эффектов на режимы метаморфизма и гранитообразования в коллизионный период. Построены численные модели распределения температур по временным срезам в пределах развития Кольской рифтогенно-коллизионной системы и выявлено, что дополнительный локальный разогрев среднего и верхнего уровней коры обеспечивает как повышение степени метаморфизма на 1-2

.1... ступени, так и генерацию в коре кислых магм.

4) Впервые предложена и обоснована модель развития динамических процессов в раннем протерозое региона, при которой одним из ведущих механизмов формирования главных геологических и тектонических структур был подъём мантийного плюма в виде бегущей волны с винтовым вращением около вертикальной оси, активно взаимодействующий с породами литосферы и обуславливающий проявление обширного спектра тектоно-магматических процессов в земной коре.

5) Впервые количественно оценены параметры мантийного плюма, регулировавшего геодинамику северо-восточной части Балтийского щита в раннем протерозое, и впервые построена схема его взаимодействия с литосферой,

15

обусловившего как массовое внедрение раннепротерозойских расслоенных базит-ультрабазитовых интрузий, так и сложную тектонику региона. 1^- 6) Впервые разработана геодинамическая модель эволюции пограничной зо-

ны Кольского и Беломорского мегаблоков (зона коллизионного шва) и реконструированы геодинамические режимы становления Лапландского гранулитового пояса в виде внутрикоровой обдукционной структуры.

7) Впервые показано, что на фоне общего сжатия региона в пределах жёстких коровых мегаблоков при наличие их зубчатого сочленения друг с другом могут одновременно развиваться локальные зоны сжатия и растяжения сложной конфигурации. Объяснён механизм синхронного формирования Печенгско-Варзугской палеорифтогенной системы и Лапландского гранулитового пояса как комплементарных поясов растяжения и сжатия внутри литосферной плиты с корой континентального типа.

8) Впервые даны количественные оценки пространственным и динамическим .L, соотношениям эволюции структурных элементов Кольской рифтогенно-

коллизионной системы как комплементарных структур над головной частью вихревого мантийного плюма и впервые представлена в обобщённом виде картина нелинейного развития коро-астеносферной системы в литосферном блоке.

Практическая значимость работы. Разработанная методика тектоно-физического моделирования позволяет подняться на более высокий качественный уровень в создании адекватных количественных моделей процессов формирования древней земной коры и реконструировать геодинамические режимы, что является фундаментальной проблемой докембрия. Выполненные исследования выявили принципиально новые особенности механизмов фор-: мирования земной коры, что позволяет пересмотреть некоторые существую-

16

щие представления о процессах формирования земной коры северо-восточной части Балтийского щита. Разработанные методы и численные алгоритмы по-^л зволяют оперативно проводить интерпретацию современных геолого-

геофизических данных и создавать геодинамические модели формирования земной коры континентального типа в целях выявления генетической взаимосвязи возникающих геодинамических обстановок и процессов образования -преобразования пород и руд в пределах древних щитов.

Исходный материал. При выполнении диссертационной работы использовались материалы ЦККГЭ ПГО "Севзапгеология" (карты изолиний поля Ag масштаба 1:500000 и 1:50000, результаты картировочного бурения), ГП ЭГГИ (результаты сейсморазведочных исследований МОГТ в Лапландско-Печенгском районе, геологическая карта Лапландского гранулитового пояса), геологические карты северо-восточной части Балтийского щита, выполненные Геологическим институтом КНЦ РАН. Кроме того был использован ли--X, тературный материал о петрофизических свойствах пород северо-восточной

части Балтийского щита и о результатах сейсморазведочных работ, выполненных в регионе.

Личный вклад автора определяется тем, что постановка задач текто-нофизического моделирования и разработка геодинамических моделей формирования земной коры северо-востока Балтийского щита принадлежит автору диссертации, также как и получение теоретических, методических и практических результатов. Материалы, послужившие основой диссертации, собраны лично автором в ходе выполнения научно-исследовательских работ по плановой тематике Геологического института КНЦ РАН и выполнения договоров о содружестве с ПГО "Севзапгеология", а также в ходе исследований, I выполняемых при поддержке РФФИ.

17

Апробация работы. Результаты работ, представленные в диссертации,

докладывались на различных совещаниях, конференциях симпозиумах, среди

\j которых следует выделить: международные геологические конгрессы - Китай,

у

1996 и Бразилия, 2000; конференции Европейского геофизического сообщества - Вена, 1997, Ницца, 1998; симпозиумы 'Математические методы в геологии' - Прага, 1997, 1999, София, 1998, Берлин, 2002 и Портсмут, 2003; международная конференция 'Ранний докембрий: генезис и эволюция континентальной коры (геодинамика, петрология, геохронология, региональная геоло--гия)' - Москва, 1999; международная научная конференция им. Л.П. Зонен-шайна - Москва, 2001; международная конференция Европейского союза геологических наук - Страсбург, 2001; Булашевические чтения - Екатеринбург, 2001; геофизические чтения им. В.В. Федынского - Москва, 2000, 2001; научная конференция, посвященная 10-летию РФФИ - Москва, 2002; международная научная конференция, посвященная 50-летию Геологического инсти-у тута КНЦ РАН - Апатиты, 2002.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 68 работах.

Структура и объём. Диссертация общим объёмом 269 страниц состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 279 наименований и включает 49 рисунков и одну таблицу.

Работа выполнена в Геологическом институте Кольского научного центра Российской Академии Наук.

Благодарности. Автор выражает особую благодарность и признательность акад. Ф.П. Митрофанову и А.Н. Виноградову, без помощи и поддержки которых выполнение данной работы было бы невозможным.

¦i.

Список литературы