ПЕРВЫЕ ДАННЫЕ ТРЕКОВОГО ДАТИРОВАНИЯ АПАТИТА ЗАГАНСКОГО МЕТАМОРФИЧЕСКОГО ЯДРА ЗАБАЙКАЛЬЯ

ПЕРВЫЕ ДАННЫЕ ТРЕКОВОГО ДАТИРОВАНИЯ АПАТИТА ЗАГАНСКОГО МЕТАМОРФИЧЕСКОГО ЯДРА ЗАБАЙКАЛЬЯ

Научная статья

Бишаев Ю.А.^1, *, Булычoв И.А.²

¹ ORCID: 0000-0003-0829-3058;

¹ Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН, Новосибирск, Россия;

² Казанский (Приволжский) Федеральный Университет, Казань, Россия

* Корреспондирующий автор (yura[at]igm.nsc.ru)

Аннотация

Формирование Заганского метаморфического ядра по структурно-геохронологическим данным произошло в юре – раннему мелу, в дальнейшем, в тектонотермальной истории слагающих его пород, по данным трекового датирования апатита, четко выделяются три этапа.

1) В позднем мелу – палеогене мы наблюдаем высокие скорости охлаждения апатита до температур 60-80⁰ С. Это соответствует эксгумации горных пород, слагающих ядро, до глубин 1,5-2 км, что связано с повсеместно протекающими процессами горообразования в регионе. Скорости эксгумации оцениваются в 100 м/млн лет.

2) В неогене (25–5 млн лет) повсеместно наступил период слабой тектонической активности (пенепленизации).

3) Последние 5–3 млн лет тектоническая активность резко возросла, скорость эксгумации (эрозии) возросла до 400 м / млн лет, что является максимальным наблюдаемым нами значением за весь временной период. Буквально за несколько последних миллионов лет породы фундамента Заганского комплекса были стремительно выведены на поверхность, что связывается с реактивацией процессов горообразования.

Ключевые слова: Забайкалье, комплексы метаморфических ядер, термальная история, трековое датирование апатита.

THE FIRST DATA OF THE APATITE FISSION TRACK DATING OF THE ZAGAN METAMORPHIC CORE IN TRANSBAIKAL

Research article

Bishaev Y.A.^1, *, Bulychov I.A.²

¹ ORCID: 0000-0003-0829-3058;

¹ V.S. Sobolev Institute of Geology and Mineralogy of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences,

Novosibirsk, Russia;

² Kazan Federal University, Kazan, Russia

* Corresponding author (yura[at]igm.nsc.ru)

Abstract

According to structural and geochronological data, the formation of the Zagan metamorphic core occurred in the Jurassic and Early Cretaceous. Later, according to fission track dating of apatite, in the tectonothermal history of the rocks composing the metamorphic core, three stages are clearly distinguished. 1) In the Late Cretaceous-Paleogene, high cooling rates of apatite to temperatures of 60-80⁰ C can be observed. This corresponds to the exhumation of the rocks composing the core to depths of 1.5-2 km, which is associated with the ubiquitous processes of mountain formation in the region. The exhumation rates are estimated at 100 m / myr. 2) In the Neogene (25-5 myr), a period of weak tectonic activity (peneplenization) occurred everywhere. 3) Over the last 5-3 myr, tectonic activity has increased dramatically while the rate of exhumation (erosion) has increased to 400 m / myr, which is the maximum value that has been observed for the entire time period. Just over the last few million years, the foundation rocks of the Zagan complex were rapidly brought to the surface, which is associated with the reactivation of mountain formation processes.

Keywords: Transbaikal, metamorphic core complexes, thermal history, apatite track dating.

Геологическое обоснование и методы

Комплексы метаморфических ядер представляют собой обособленные поднятия куполовидной или аркообразной формы аномально деформированных метаморфических или интрузивных комплексов, тектонически перекрытых неметаморфизованными образованиями. В Забайкалье, в каждом из комплексов метаморфических ядер выделяется три главных структурных элемента: нижний с пластичным стилем деформации, это так называемый фундамент или ядро, сложенный гранитами и гранито-гнейсами, верхний, являющийся покровом и характеризующийся хрупкими разрывами, а также зона главного срыва, разделяющая эти две структуры. Эта зона сильно милонитизирована и характеризуется разнообразными тектонитами, образовавшимися за счет пород ядра. Детальные исследования позволили обосновать значимость этих специфических геологических структур как прямых индикаторов крупномасштабного растяжения континентальной литосферы в трансформных геодинамических обстановках [1], [2].

Все выделенные к настоящему времени метаморфические ядра Забайкалья локализованы в первых сотнях километров к юго-востоку от озера Байкал. Они достигают 20–30 км в поперечнике и простираются на 50–150 км с юго-запада на северо-восток, а структурно-кинематический анализ указывает, что основную роль в их становлении играли сдвиги по зонам региональных срывов, погружавшихся в юго-восточном направлении и проникающих на большие глубины. Считается, что такие движения способствовали возникновению синтетических листрических сбросов и формированию рифтовых впадин [1], [2].

Заганский комплекс метаморфического ядра слагает одноименный хребет северо-восточной ориентировки, окруженный позднемезозойскими вулканогенно-осадочными образованиями Хилокской и Малетинской впадин. В его строении выделяются зона ядра, большая часть которого сложена разнообразными гранитоидами с массивным сложением и несущественными катакластическими изменениями, и зона хрупкопластического течения, окаймляющая ядро и формирующая антиформную структуру. Выше располагаются неметаморфизованные образования, относящиеся к покрову или к верхней плите. Гнейсо-граниты и огнейсованные гранодиориты приурочены к краевым частям Заганского поднятия и с неизмененными гранитоидами связаны постепенными переходами. В гранитах отмечаются ксенолиты сильно мигматизированных пород с отчетливо выраженной гнейсовидностью. Они представлены амфибол-биотитовыми и биотитовыми гнейсами и амфиболитами. Ядро комплекса окаймляется пологопадающей зоной динамометаморфических образований, развитых главным образом по вулканогенно-осадочным толщам позднего палеозоя и частично раннего мезозоя. Они представлены протомилонитами, милонитами и милонитовыми сланцами, бластомилонитами и псевдотахилитами [1], [2].

Возраст гранитоидов из центральной части ядра, определенный U-Pb методом по циркону, составляет 260±3 млн лет [2]. Они прорваны огнейсованными гранитами Маргитуйского массива с возрастом 153±3 млн лет [3], которые по времени становления считаются синтектоническими и отражают начальные процессы формирования комплекса метаморфического ядра. Для кристаллических сланцев и гнейсов из зоны хрупкопластического течения Rb-Sr методом установлены значения возраста 134±4 млн лет [1]. Эти же данные указывают на время проявления динамометаморфических преобразований, которым подверглись верхнепалеозойские гранитоиды в ядре Заганского поднятия. Ar-Ar датирование амфибола и биотита из амфиболовых сланцев, залегающих среди милонитовых гнейсов, позволило определить временной интервал вывода на верхнекоровый уровень образований зоны хрупкопластического течения. Для синтектонической роговой обманки получены значения 127±2 млн лет, а для синтектонического биотита – возрастной спектр 119±2 и 112 ±2 млн лет [1]. На основании приведенных датировок сделан вывод, что время тектонического развития Заганского метаморфического ядра соответствует поздней юре – раннему мелу, а длительность составляет 45–50 млн лет [1].

Температура закрытия K/Ar изотопной системы в биотите находится в диапазоне 280–350°С. При термическом градиенте 30°С/км полное закрытие изотопной системы будет происходить на глубинах 9–12 км, что соответствует нижней границе зоны перехода в земной коре от пластических деформаций к хрупким [4]. Таким образом, можно предполагать, что породы Заганского ядра во время формирования синтектонического биотита (119–112 млн лет) находились на глубинах 9–12 км.

Трековый анализ апатита является эффективным инструментом низкотемпературной геохронологии и применяется для реконструкции термальной истории пород верхних 3—5 км континентальной коры за временные интервалы от миллионов до сотен миллионов лет. Метод очень удобен для определения периодов тектонических событий, скоростей и масштабов горообразования (изменения рельефа) и объемов денудации [5], [6].

Из образцов SE1206, огнесованного диорита, отобранного из центральной части фундамента ядра, и SE1202D, гнейса из метаморфических милонитов, отобранного в окаймляющей фундамент зоне детачмента, в юго-западной части комплекса, были выделены мономинеральные фракции циркона и апатита. Из фракции были выбраны достаточно крупные, прозрачные и не имеющие дефектов зёрна, и вмонтированы в эпоксидную смолу. Сделанные заготовки были отполированы на алмазной пасте таким образом, чтобы получить секущий срез всех зёрен, с гладкой горизонтальной поверхностью, на котором, после двадцатисекундного травления в 5,5N растворе азотной кислоты, треки спонтанного распада U²³⁸ становятся четко различимы в обычный оптический микроскоп. Для образца SE1206 было проанализировано 105 зёрен апатита, а для образца SE1202D 127 зёрен апатита, в которых были подсчитаны поверхностные плотности треков спонтанного деления U²³⁸ и измерены длины скрытых (не выходящих на поверхность) треков. Затем, на участках с подсчитанными плотностями треков, во всех зёрнах были измерены концентрации U²³⁸ методом LA-ICP-MS. По полученным данным, с помощью программы HeFTy, были построены термохронологические модели, реконструирующие историю остывания апатитов, эквивалентную истории эксгумации образцов на поверхность, при условии, что температура связана, главным образом, с глубиной залегания горных пород при постоянном геотермальном градиенте. В работе был использован микроскоп Olympus BX51 с увеличением 1250x, величина геотермального градиента была принята 30ºС/км.

Результаты

Формирование Заганского метаморфического ядра по структурно-геохронологическим данным произошло в юре – раннему мелу, дальнейшая тектонотермальная история слагающих его пород была реконструирована по данным трекового датирования апатита.

В ИГМ СО РАН и Казанском федеральном университете были исследованы образцы ядра Заганского метаморфического комплекса.

Образец 1202D, с координатами 50⁰ 40,308’N, 107⁰ 6,995’E, отобран из краевой западной части Заганского ядра вблизи зоны динамометаморфитов. В образце SE1202D, гнейса из метаморфических милонитов зоны детачмента Заганского метаморфического ядра, было проанализировано 127 зёрен апатита, в которых было измерено 230 длин скрытых треков, подсчитана плотность треков и измерена концентрация U²³⁸ . Трековый возраст 33,6 ± 1,5 млн лет, GOF (goodness of fit) = 0.94 .

Согласно AFT моделированию, гнейсы образца 1202D до рубежа 65 млн лет находились при температурах выше температуры полного отжига треков, которая составляет около 120ºС, поэтому реконструировать его термальную эволюцию до этого времени не представляется возможным. В период 65–45 млн лет продолжалось его плавное охлаждение до температур около 100ºС, сменившееся резким, и, вероятно, равномерным охлаждением в период 45-25 млн лет до температуры около 50ºС со скоростью поднятия около 100 м/млн лет, что можно связать, учитывая геологические данные, с интенсивной денудацией пород над растущим метаморфическим ядром. В интервале 20–3 млн лет охлаждение пород, а следовательно, и поднятие, прекратилось. В этот период как наилучшая тектонотермальная модель, так и средневзвешанная показывают даже небольшой нагрев, что может свидетельствовать как о небольшом погружении пород на 150–200м, так и о дополнительных факторах, вызвавших этот небольшой нагрев. В последние 3 млн лет произошло резкое поднятие и охлаждения от 50ºС до 20ºС, что составляет около 1000 м денудации, скорость которой была максимальной за последний миллион лет, в который подверглось эрозии около полукилометра горных пород.

Образец 1206, огнейсованный диорит, координаты 50⁰ 42,467’N, 107⁰ 8,433’E, отобран из основания фундамента западной части ядра. В образце 1206 было проанализировано 105 зёрен апатита, в которых было измерено 56 длин скрытых треков, подсчитана плотность треков и измерена концентрация U²³⁸ . Трековый возраст 53,7 ± 1,7 млн лет, GOF (goodness of fit) = 1.00.

Согласно AFT моделированию термальной истории, до рубежа приблизительно 65 млн лет диориты находились при температурах выше 120 С (температура полного отжига треков в апатите), поэтому восстановить их термальную историю по апатиту не представляется возможным. В интервале 60–55 млн лет произошло резкое охлаждение до температур около 70 С, что можно связать, учитывая геологические данные, с интенсивной денудацией пород над растущим метаморфическим ядром со скоростью до 500 м/млн лет. На рубеже 55 млн лет скорость поднятия резко снизилась и стала составлять около 13 м/млн лет, в результате чего за последующие 50 млн лет температура понизилась до 50 градусов, что эквивалентно эксгумации до глубин около 1 км. На рубеже 5-6 млн лет скорость остывания повысилась, а на рубеже 2-3 млн лет достигла максимальных значений, произошло остывание с 50ºС до 20ºС, километровая толща пород, покрывающих огнейсованные диориты образца SE1206A подверглась эрозии, и они были выведены на поверхность. Максимальная скорость эрозии наблюдалась на последний миллион лет, за который подверглось денудации 500м горных пород.

Таким образом, мы можем констатировать, что за последние 3 миллиона лет было эродировано более 1 км горных пород, залегавших непосредственно выше фундамента Заганского комплекса метаморфического ядра.

Заключение

Таким образом, формирование Заганского метаморфического ядра по структурно-геохронологическим данным произошло в юре – раннему мелу [1], [2], в дальнейшем в тектонотермальной истории слагающих его пород выделяются несколько этапов: мел-палеогеновый этап тектонической активности, связанной с горообразованием, которое зафиксировано возрастом формирования синтектонического биотита (119–112 млн лет) на глубинах 9–12 км. Затем, тектонотермальная история пород Заганского ядра стало фиксироваться трековым датированием апатита с раннего палеогена (с 65 до 25 млн лет) интенсивной тектонической активностью (горообразование), в неогене (25–5 млн лет) наступил период повсеместно слабой тектонической активности (пенепленизации), сменившийся в последние 3-5 млн лет периодом очень высокой тектонической активности (горообразования). По данным трекового датирования за последние 3 млн лет было подвержено денудации около 1200 м вертикальной мощности пород со скоростью денудации 330–400 м/млн лет.

На термотектонических моделях Забайкалья повсеместно наблюдается высокая скорость охлаждения (денудации) пород в период 80–50 Ma [7], [8], что можно связать с обширной денудацией крупного Монголо-Охотского орогена, на начальной стадии формирования которого были образованы метаморфические ядра. Четвертичная история, показывающая резкое увеличение скорости охлаждения пород, а, следовательно, и резкое увеличение тектонической активности и денудации, для Забайкалья связана с дальним воздействием Индо-Евразийской коллизии [9], [10], [11].

Благодарности Авторы благодарны член-корреспонденту РАН Е.В. Склярову и д.г.-м.наук М.М. Буслову за руководство проведенных исследований.	Acknowledgement The authors are grateful to the Corresponding Member of the Russian Academy of Sciences, E. V. Sklyarov, and the Doctor of Medical Sciences, M. M. Buslov, for the guidance in the research.
Конфликт интересов Не указан.	Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Скляров Е.В. Комплексы метаморфических ядер кордильерского типа / Е.В. Скляров, А.М. Мазукабзов, А.И. Мельников.– Новосибирск: Изд-во СО РАН НИЦ ОИГГМ, 1997. – 182 с.
2. Мазукабзов А.М. Комплексы метаморфических ядер Забайкалья: обзор / А.М. Мазукабзов, Е.В. Скляров, Т.В. Донская и др. // Геодинамика и тектонофизика. – 2011. – Т.2. – №2. – С. 95–125. DOI: 10.5800/GT-2011-2-2-0036
3. Donskaya T.V. Age and evolution of Late Mesozoic metamorphic core complexes in Southern Siberia and Northern Mongolia / T.V. Donskaya, B.F. Windley, A.M. Mazukabzov // Journal of the Geological Society, London.– 2008.– V. 165. № 1. – pp. 405–421. DOI: 10.1144/0016-76492006-162
4. Травин А.В.Термохронология раннепалеозойских коллизионных, субдукционно–коллизионных структур центральной Азии / А.В.Травин // Геология и геофизика. – 2016. – Т.57. – № 3. – C. 553–574. DOI: 10.15372/GiG20160306
5. Gleadow A.J.W. Fission track thermotectonic imaging of the Australian continent / A.J.W. Gleadow, B.P. Kohn, R.W. Brown et al. // Tectonophysics. – 2002. – V. 349. – pp. 5–21.
6. Kohn B.P. Vizualizing thermotectonic and denudation histories using apatite fission-track thermochronology / B.P. Kohn, A.J.W. Gleadow, R.W. Brown et al. // Rev. Miner. Geochem. – 2005. – V. 58. – pp. 527–565.
7. Van de Beek P. Early Cretaceous denudation related to convergent tectonics in the Baikal region, SE Siberia / P. Van de Beek, D. Delvaux, P.A.M Andriessen et al. // J. Geol. Soc., London. – 1996. – V. 153. – pp. 515—523. DOI: 10.1144/gsjgs.153.4.0515
8. Jolivet M. How old is the Baikal Rift Zone? Insight from apatite fission track thermochronology / M. Jolivet, T. De Boisgrollier, C. Petit et al. // Tectonics. – 2009. – V. 28. – TC3008. DOI:10.1029/2008TC002404
9. De Grave J. Distant effects of India—Eurasia convergence and Mesozoic intracontinental deformation in Central Asia: Constraints from apatite fission-track thermochronology / J. De Grave, P. Van den Haute, M.M. Buslov // J. Asian Earth Sci. – 2007. – V. 29. – pp. 188–204. DOI: 10.1016/j.jseaes.2006.03.001
10. Dobretsov N.L. Meso- and Cenozoic tectonics of the Central Asian mountain belt: effects of lithospheric plate interaction and mantle plume / N.L. Dobretsov, M.M. Buslov, D. Delvaux et al. // Int. Geol. Rev.– 1996.– V. 38. – pp. 430–466.
11. Буслов М.М. Геодинамическая природа Байкальской рифтовой зоны и ее осадочного выполнения в мел-кайнозойское время: эффект дальнего воздействия Монголо-Охотской и Индо-Евразийской коллизий/ М.М. Буслов // Геология и геофизика.– 2012. – Т. 53. – № 9. – C. 1245–1255.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Sklyarov Ye.V. Kompleksy metamorficheskikh yader kordil'yerskogo tipa [Complexes of Cordillera type metamorphic cores] / Ye.V. Sklyarov, A.M. Mazukabzov, A.I. Mel'nikov. – Novosibirsk: Publishing house SO RAN NITS OIGGM, 1997. – 182 p. [in Russian]
2. Mazukabzov A.M. Kompleksy metamorficheskih jader Zabajkal'ja: obzor [Metamorphic core complex of the Transbaikalia: Review] / A.M. Mazukabzov, E.V. Sklyarov, T.V. Donskaya et al. // Geodinamika i tektonofizika [Geodynamics & Tectonophysics]. – 2011. – V. 2. – № 2. – pp. 95–125. DOI: 10.5800/GT-2011-2-2-0036 [in Russian]
3. Donskaya T.V. Age and evolution of Late Mesozoic metamorphic core complexes in Southern Siberia and Northern Mongolia / T.V. Donskaya, B.F. Windley, A.M. Mazukabzov // Journal of the Geological Society, London.– 2008.– V. 165. № 1. – pp. 405–421. DOI: 10.1144/0016-76492006-162
4. Travin A.V Termohronologija rannepaleozojskih kollizionnyh, subdukcionno–kollizionnyh struktur central'noj Azii [Thermochronology of Early Paleozoic collisional and subduction-collisional structures of Central Asia] / A.V Travin // Geologija i geofizika [Russian Geology and Geophysics]. – 2016. – V. 57. – № 3. – pp.434–450. [in Russian]
5. Gleadow A.J.W. Fission track thermotectonic imaging of the Australian continent / A.J.W. Gleadow, B.P. Kohn, R.W. Brown et al. // Tectonophysics. – 2002. – V. 349. – pp. 5–21.
6. Kohn B.P. Vizualizing thermotectonic and denudation histories using apatite fission-track thermochronology / B.P. Kohn, A.J.W. Gleadow, R.W. Brown et al. // Rev. Miner. Geochem. – 2005. – V. 58. – pp. 527–565.
7. Van de Beek P. Early Cretaceous denudation related to convergent tectonics in the Baikal region, SE Siberia / P. Van de Beek, D. Delvaux, P.A.M Andriessen et al. // J. Geol. Soc., London. – 1996. – V. 153. – pp. 515—523. DOI: 10.1144/gsjgs.153.4.0515
8. Jolivet M. How old is the Baikal Rift Zone? Insight from apatite fission track thermochronology / M. Jolivet, T. De Boisgrollier, C. Petit et al. // Tectonics. – 2009. – V. 28. – TC3008. DOI:10.1029/2008TC002404
9. De Grave J. Distant effects of India—Eurasia convergence and Mesozoic intracontinental deformation in Central Asia: Constraints from apatite fission-track thermochronology / J. De Grave, P. Van den Haute, M.M. Buslov // J. Asian Earth Sci. – 2007. – V. 29. – pp. 188–204. DOI: 10.1016/j.jseaes.2006.03.001
10. Dobretsov N.L. Meso- and Cenozoic tectonics of the Central Asian mountain belt: effects of lithospheric plate interaction and mantle plume / N.L. Dobretsov, M.M. Buslov, D. Delvaux et al. // Int. Geol. Rev. – 1996. – V. 38. – pp. 430–466.
11. Buslov M.M. Geodinamicheskaja priroda Bajkal'skoj riftovoj zony i ee osadochnogo vypolnenija v mel-kajnozojskoe vremja: jeffekt dal'nego vozdejstvija Mongolo-Ohotskoj i Indo-Evrazijskoj kollizij [Geodynamic nature of the Baikal Rift Zone and its sedimentary filling in the Cretaceous–Cenozoic: the effect of the far-range impact of the Mongolo-Okhotsk and Indo-Eurasian collisions] / M.M. Buslov // Geologija i geofizika [Russian Geology and Geophysics]. – 2012. – V. 53. – № 9. – pp. 955–962. [in Russian]