Средне-позднепалеозойское развитие Урало-Казахстанской складчатой системы

Актуальность работы. Урало-Монгольский складчатый пояс является одним из главных горно-добывающих регионовны и уникальным полигоном для всего спектра геологических исследований. Многие теоретические разработки, выполненные в различных частях ту пояса Н. Г. Кассиным, Н.С. Шад’ким, А. А. Богдановым, М. В. Муратовым, Ю. А. Зайцевым, Л. П. Зоненшайном, А. В. Пейве и многими другими, перешли в ранг общегеологических концепций, успешно применяемых при анализе геологического развития других регионов.

Результаты исследований последних 20−25 лет принципиально изменили взгляды на геологическое строение и историю развития Урала и Казахстана, а также на их место в общей структуре и эволюции Урало-Монгольского пояса. Прорыв к новым представлениям осуществлялся сразу по нескольким направлениям. Среди наиболее важных необходимо отметить следующие: (1) стремительное развитие конодонтовой стратиграфии, которая позволила с высокой точностью определить возраст большинства ранее «немых» комплексов и фактически создала абсолютно новую базу не только для внутрии межрегиональных корреляций, но и для большинства видов геологических исследований- (2) массовое применение тонких аналитических методов, включая изучение редких элементов, изотопные исследования, микрозондовый анализ состава минералов и т. п., что привело к принципиально новому пониманию механизмов магмогенерации, эволюции магматических очагов, параметров метаморфизма и т. д.- (3) активное внедрение в геологию компьютерных технологий, в том числе геоинформационных систем- (4) интенсивная разработка новых теоретических представлений о характере эволюции отдельных структурных элементов и тектоносферы в целом: бурное развитие плейт-тектонической концепции, исследования в области внутриплитной тектоники и кинематики сдвиговых зон, новые разработки по тектонике плюмов и т. д.

Вместе с тем, быстрое развитие новых методов геологических исследований и связанный с этим мощный поток принципиально новых данных породили едва ли не больше вопросов, нежели ответов, причем это касается как геологического строения отдельных районов, так и эволюции крупных складчатых сооружений. Представления о геологическом строении и развитии Урало-Монгольского складчатого пояса всегда в очень большой степени основывались на концепциях, разработанных при региональных исследованиях его двух главнейших (и хорошо изученных) регионов — Урала и Казахстана. Однако, с момента выделения Урало-Монгольского пояса М. В. Муратовым в 1965 году и до настоящего времени Уральский и Казахстанский его сегменты в большей степени противопоставлялись друг другу, несмотря на обыкновенно декларируемое историко-геологическое единство пояса. Только в самые последние годы (во многом — в связи с тем, что часть геологов, занимавшихся ранее Казахстаном, сменили район исследований на Урал) начали появляться данные о сходстве геологических событий в этих регионах. Актуальность представленной работы состоит в необходимости увязки всех накопившихся материалов и пересмотра представлений о геологической эволюции этих регионов с учетом выявленных региональных закономерностей.

Целью исследований является анализ палеозойской истории развития Урало-Казахстанской складчатой области в рамках разработки общей модели ее эволюции на протяжении среднего-позднего палеозоя.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели потребовалось решить ряд конкретных задач, главными из которых являются:

1 — изучение стратиграфии, магматизма и тектоники ключевых районов Урало-Монгольского пояса в процессе региональных геологосъемочных работ;

2 — анализ и систематизация обширного потока материалов по различным аспектам геологии и истории развития Урала и Казахстана;

3 — детальная корреляция палеозойских геологических событий этих регионов, включающая анализ региональных несогласий и основных этапов складчатости, зональный анализ вертикальных и латеральных формационных рядов;

4 — анализ эволюции магматизма, выявление синхронных и асинхронных однотипных и различающихся событий;

5 — анализ структурных парагенезов, связанных с формированием магматических комплексов и разработка кинематических моделей развития сдвиговых зон и связанных с ними участков транпрессивной и транстенсивной тектоники.

Фактический материал. В основу настоящей работы положены региональные геологические работы, которые автор проводил в течение последних 33 лет сначала в Центральном Казахстане, а в последние 10 лет — на Южном Урале. Практически все эти исследования представляли собой крупнои среднемасштабные геологосъемочные работы, а также подготовку к изданию листов Государственных геологических карт: 1 — объемное геологическое картирование м-ба 1:25 ООО (5 листов), 2 — геологическая съемка и доизучение м-ба 1:50 ООО (21 лист), 3 — геологическое доизучение м-ба 1:200 ООО (7 листов, 1 из которых находится в редподготовке на картфабрике ВСЕГЕИ). Кроме того, в работе использованы материалы по позднему палеозою всего Казахстана, подготовленные автором при составлении Атласа па-леотектонических карт (4 временных среза) в большом коллективе исследователей (под ред. Ю.А. Зайцева), а также Атласа литолого-палеогеографических, структурных, палинспастиче-ских и геоэкологических карт Центральной Евразии (3 временных среза). Изучение магматизма зон присдвигового растяжения было поддержано грантом РФФИ (1996;1998).

Научная новизна. В работе впервые показано, что главные средне-позднепалеозойские фазы тектогенеза и этапы магматической деятельности синхронно проявлены на всей территории Урало-Казахстанской складчатой системы. Для отдельных крупных зон этого региона (Южно-Токрауская впадина, Сухтелинский аллохтон, Жаман-Сарысуйский, Восточно-Уральский и Зауральский мегаблоки) разработаны новые стратиграфические схемы и схемы магматизма с учетом современных аналитических данных, впервые полученных для большинства магматических комплексов. Установлена и расшифрована покровно-складчатая структура Восточно-Уральского и Жаман-Сарысуйского мегаблоков, в разрезе последнего впервые выделены, изучены и фаунистически доказаны олистостромовые комплексы силура. Впервые показано, что разномасштабные участки магматических поясов Урало-Казахстанской складчатой системы (от целых сегментов до конкретных магматических тел) были сформированы в условиях транстенсивной тектоники. Разработаны модели формирования различных присдвиговых магматических камер, решающие в целом проблему пространства для гранитоидных плутонов. На примере девонского и позднепалеозойского вулканических поясов Центрального Казахстана впервые продемонстрирована возможность, проанализированы причины и механизм геодинамических трансформаций вулканических поясов в ряду: островная дуга — окраинно-континенталъный пояс — внутриконтиненталъ-ный пояс, а также связанные с этим процессом трансформации преддуговых бассейнов в заду говые. Впервые показано, что характер развития магматических поясов Урало-Казахстанской складчатой системы определяется кинематикой конвергирующих плит — в периоды преобладания сдвиговой составляющей в пределах поясов формируются зоны растяжения и связанные с ними локальные присдвиговые бассейны и плутоны, а в при конвергенции, нормальной к границе плит, преобладает вулканизм.

Публикации и апробация работы. Основные положения и разделы работы опубликованы автором в 89 работах, в том числе — в 3 монографиях, 19 статьях в монографических сборниках, 12 статьях в реферируемых периодических журналах, 8 отчетах по научно-исследовательским работам, 7 кратких сообщениях в периодических и продолжающихся изданиях, 37 тезисах докладов на конференциях различного ранга (в т.ч. — на 10 международных) и в 1 нормативно-методическом документе. Результаты исследований неоднократно представлялись на различных конференциях и совещаниях, а также на научных заседаниях кафедры региональной геологии и истории Земли геологического факультета МГУ. Основные положения и концепция работы были представлены и доложены на Международных Совещаниях по тектонике плит (1995, 2001), на совещаниях рабочих групп по программе EUROPROBA (1998, 2000), Международных Тектонических совещаниях (1997;2003), Ломоносовских чтениях МГУ (1995;1999), на международной конференции «Проблемы геодинамики, сейсмичности и минерагении подвижных поясов и платформенных областей литосферы» (Екатеринбург, 1998), на конференциях Европейского Геологического Союза (Страсбург, 1997. 1999), на Международном Геологическом Конгрессе (Китай, 1996), Всероссийских и региональных петрографических совещаниях (1984;2000).

Теоретическая и практическая значимость. Составленные автором и под его руководством комплекты разномасштабных геологических карт на различные участки Урало-Казахстанской складчатой системы представляют в настоящее время наиболее современную основу для проведения на этих площадях геолого-поисковых и прогнозных исследований. Вывод о синхронности проявления фаз тектогенеза на обширной территории от ВосточноЕвропейской платформы до Сибирской доказывает взаимосвязное развитие разнородных участков Урало-Монгольского пояса. Представления о геодинамических трансформациях палеозойских вулканических поясов и связанных с ними придуговых прогибов дают принципиально новые возможности для геодинамических реконструкций. В работе обосновано выделение нового типа синкинематических структур — сдвиговых магматических дуплексов, принципиально важных для понимания условий формирования и структурных характеристик разномасштабных магматических тел, а также особенностей локализации в них оруде-нения.

Новые стратиграфические схемы Северного Прибалхашья и Восточного Урала, во многих случаях впервые обоснованные палеонтологически, и схемы развития магматизма этих регионов утверждены в качестве легенд Новой серии Государственных геологических карт масштаба 1:200 ООО, и используются различными организациями при проведении региональных геологических исследований и решении общих геотектонических и прогнозных задач. Теоретические разработки и фактические данные, изложенные в работе, используется при проведении учебных курсов «Геоинформационные технологии в геологических исследованиях» и «Избранные главы региональной тектоники», которые читаются автором на геологическом факультете МГУ, а также при подготовке магистрантов и аспирантов кафедры региональной геологии и истории Земли.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех частей, включающих 11 глав, заключения и списка цитируемой литературы (386 названий, в том числе 38 на иностранных языках). Объем работы 345 стр. текста, она содержит 323 рисунка и 68 таблиц. Во «Введении» содержатся официальные сведения о работе, сформулированы ее цель и задачи. В первой части «Особенности геологического строения Урало-Казахстанской складчатой системы» изложены результаты региональных геологических исследований, проведенных автором в Центральном Казахстане и на Южном Урале, собранные в 5-ти главах, а также интерпретация этих материалов в связи с корреляцией геологических событий в пределах региона. В главе 1.6. «Корреляция фаз складчатости» подробно рассматриваются проявления различных фаз складчатости на пространстве от Восточно-Европейской платформы до Сибирской и показывается синхронность тектонических событий. В главе 1.7. «Корреляция проявлений магматической деятельности» проанализированы изотопные датировки плутонических пород девона — перми и продемонстрирована синхронность проявления однотипной магматической деятельности в разных регионах. Вторая часть «Магматические структуры зон присдвигового растяжения» посвящена описанию вновь выделенного типа структурсдвиговых магматических дуплексов и состоит из 2 глав: 2.1. «Магматические структуры зон присдвигового растяжения Центрального Казахстана и Южного Урала» и 2.2. «Кинематические и эволюционные модели формирования сдвиговых магматических дуплексов». В первой содержатся описания наиболее представительных магматических структур присдвигового растяжения, изученных автором, а также обобщены более ранние работы по сходной тематике, предложена классификация магматических структур зон присдвигового растяжения. В главе 2.2 рассмотрены возможные эволюционные и кинематические модели формирования сдвиговых магматических дуплексов. Третья часть «Геодинамические обстановки формирования Урало-Казахстанской складчатой области в среднем-позднем палеозое» посвящена анализу среднепозднепалеозойской геодинамики этого региона. В «Заключении» сформулированы основные результаты работы и защищаемые положения.

Основные выводы.

Представленная диссертационная работа является обобщением огромного массива новых фактических данных по стратиграфии, магматизму и тектонике двух важнейших горнорудных регионов Урало-Монгольского складчатого пояса — Южного Урала и Центрального Казахстана в рамках единого регионально-исторического подхода.

Восточная часть Южного Урала представляет собой систему крупных более или менее однородных блоков (мегаблоков), разделенных узкими шовными зонами сдвиговой природы. Покровно-складчатая структура Восточно-Уральского мегаблока формировалась в несколько этапов: тельбесская фаза — веерное шарьирование из Копейской шовной зонысаурская фаза — встречное шарьирование из Уйской и Копейской шовных зон на Восточно-Уральский микроконтинентуральская фаза — формирование локальных широтных зон смятия. Пакеты тектонических пластин, залегающие на фундаменте Восточно-Уральского мегаблока, сложены различными комплексами карбона и девона, причем наиболее древние породы часто слагают верхние пластины, а наиболее молодые — нижние. В Сухтелинском аллохтоне совмещены тектонические пластины ордовикских базальтоидов и девонских вулканогенно-осадочных пород. Палеозойские плутоны распределены в пределах мегаблока зонально: то-налит-плагиогранитовые каменноугольные — в восточной половине, монцонит-граносиенитовые раннепермские — в западной, гранит-лейкогранитовые раннепермскиеосевой части.

Складчатая структура Зауральского мегаблока сформировалась, в основном, в тельбес-скую фазу тектогенеза. Мегаблок сложен аккреционным комплексом тельбесид, состоящим из ордовикских океанических базальтов, нижнесилурийских черных сланцев и верхнесилу-рийско-раннедевонских рифогенных известняков, на который наложены рифтогенные базальтоиды раннего карбона.

Покровно-складчатая структура Жаман-Сарысуйского мегаблока была сформирована в течение позднего силура — среднего девона (тельбесская фаза). В позднем силуре имели место доскладчатые надвиги, во фронтальных частях которых образовывалась олистострома, а в середине живета они были деформированы вместе со вмещающими толщами, а затем перекрыты красноцветными молассами и вулканическими комплексами позднего живета.

Строение Токрауского мегаблока определяется многократной сменой режима магматической деятельности, связанной с этапами структурных перестроек Балхаш-Илийского вулканического пояса от момента заложения островодужной системы в фамене до полного затухания магматизма к концу перми. История развития пояса распадается на 3 стадии: 1 — ост-роводужная (фамен — ранний карбон), 2 — окраинно-континентального пояса (среднийпоздний карбон) и внутриконтинентального пояса (пермь). На первой стадии преобладал вулканизм щелочно-известкового, натрового типа, преимущественно эксплозивный и гранитоиды тоналит-плагиогранитового ряда. Для второй стадии характерны вулканиты гомо-дромного ряда, калиево-натриевого типа с индексом эксплозивности от 0 до 100% и гранитоиды гранодиорит-гранитового ряда. На третьей стадии главную роль играли существенно.

378 Заключение вием этих преобразований стали геодинамические трансформации средне-позднепалеозойских вулкано-плутонических поясов окраин Казахстанско-Тяньшаньского палеоконтинента в ряду островодужный пояс — окраинно-континентальный пояс — внутри-континентальный пояс.

3. Разномасштабные участки девонских и каменноугольных магматических поясов Урало-Казахстанской складчатой системы (от целых сегментов до конкретных магматических тел) были сформированы в условиях транстенсивной тектоники. В наиболее простых случаях в зонах локального присдвигового растяжения формировались отдельные дайки и однофазные интрузивные массивы, а в наиболее сложных выявлено сопряженное транстенсивное развитие приповерхностных впадин (осадочных, вулканогенно-осадочных или вулканических) и полихронных плутонов. Разработанная модель синкинематического присдвигового магматизма объясняет плановую форму магматических тел, последовательность и расположение разных фаз внедрения внутри этих тел и решает в целом проблему пространства для магматитов.

4. На базе проведенных исследований разработаны и предложены структурно-эволюционные модели развития ключевых регионов Урало-Монгольского пояса. В частности, Восточно-Уральский мегаблок имеет покровно-складчатое строение. Его краевые зоны сложены пакетами синформно изогнутых тектонических пластин, в которых часто наблюдается «обратная последовательность» стратифицированных комплексов карбона. Пакеты обычно подстилаются, а иногда и перекрываются серпентинитовым меланжем. Породы самых нижних пластин часто метаморфизованы до фации зеленых сланцев. В Сухтелинском аллохтоне чередуются тектонические пластины двух типов: 1) ордовикский кремнисто-базальтовый комплекс- 2) девонский кремнисто-вулканогенный островодужный комплекс. Возраст стратифицированных образований, слагающих пластины, доказан фаунистически. Формирование покровно-складчатой структуры происходило в тельбесскую, саурскую и уральскую фазы тектогенеза.