Systematics of paleomagnetic directions from early–middle Devonian rocks of Minusa troughs: new data and old problems

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Проблема палеомагнетизма девона имеет давнюю историю и была обозначена еще на «заре» палеомагнитных исследований К. Криром при изучении нижнедевонской вулканогенно-осадочной формации Old Red Sandstone (ORS) Британских каледонид [Creer, Embleton, 1967 и ссылки в этой работе]. Первоначально суть этой проблемы сводилась к наличию двух значимо различающихся палеомагнитных направлений, зафиксированных в породах ORS. Данные направления, получившие в литературе наименования DI и DII [Creer, Embleton, 1967], фиксировались в одних и тех же разрезах и давали существенно различающиеся палеошироты. Близкая ситуация была выявлена отечественными исследователями на европейской части территории бывшего СССР [Палеомагнетизм палеозоя, 1974]. В результате дискуссии относительно природы DI- и DII-направлений была сформирована точка зрения, разделявшаяся большинством исследователей, согласно которой направление DI стало рассматриваться как результат позднепалеозойского перемагничивания, поскольку, с одной стороны, палеомагнитный полюс, соответствующий этому направлению, был близок к полюсам карбона-перми, а, с другой, направление DII лучше согласовалось с палеоклиматической зональностью для девона Восточно-Европейской платформы [Creer, 1968; Палеомагнетизм палеозоя, 1974]. В то же время, при изучении ORS были выявлены и другие квазистабильные палеомагнитные направления, периодически повторяющиеся в разрезах, которые интерпретировались как переходные зоны по отношению к направлениям DII прямой и обратной полярности [Sallomy, Piper, 1973; Kono, 1979].

Не меньшие проблемы возникли и при палеомагнитном исследовании девонских вулканитов азиатской части СССР (здесь мы не будем специально останавливаться на «старых» результатах, при получении которых использовались магнитные чистки низкой интенсивности и детальности). В частности, изучение познедевонских – раннекарбоновых кимберлитов и траппов Сибирской платформы [Kravchinsky et al., 2002; Константинов, Стегницкий, 2012; Орлов, Шацилло, 2011; Шацилло и др., 2014; и др.] с очевидностью показало, что спектр палеомагнитных направлений, содержащихся в этих объектах, не исчерпывается направлениями DI и DII в терминологии Крира, а содержит значительное количество других «аномальных» направлений (в том числе и систематических), существование которых нельзя объяснить ни локальной тектоникой, ни в рамках гипотезы перемагничивания. Более того, количество «аномальных» и «ожидаемых»¹ девонских палеомагнитных направлений, полученных по данным объектам, оказалось соизмеримым, что недвусмысленно указывает на некоторую специфику геомагнитного поля девонского времени. Аналогичный, по сути, результат был получен по позднедевонским лавам Северного Тянь-Шаня [Баженов, Левашова, 2011]: авторы объясняют зафиксированные в палеомагнитной записи аномалии вековыми вариациями геомагнитного поля и, на примере изученных объектов, делают вывод о непостоянстве амплитуды вековых вариаций во времени. Так или иначе, но накопленный к настоящему времени массив палеомагнитных данных по породам девонского возраста дает серьезные основания для предположения о том, что характер поведения геомагнитного поля девонского времени существенно отличается как от современного, так и от других геологических эпох. Изучение «девонского геомагнитного феномена» и разработка соответствующих динамо-моделей требуют, в первую очередь, получения новых палеомагнитных данных.

В настоящей работе мы представляем новые палеомагнитные результаты по ранне-среднедевонским объектам Минусинских впадин, их систематику и сопоставление с данными по близковозрастным вулканитам Британских каледонид формации ORS.

Дополнительную актуальность данному исследованию придает тот факт, что валидные палеомагнитные данные по раннему – среднему девону Сибирской платформы практически отсутствуют. Получение таковых в рамках проводимых работ позволило бы решить целый комплекс геодинамических и тектонических вопросов, касающихся палеозойской эволюции структур Северной Евразии.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГЕОЛОГИИ РАЙОНА РАБОТ И ОБЪЕКТАХ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом настоящего исследования были вулканогенные образования раннего-среднего девона, выполняющие основание Минусинских впадин. Согласно имеющимся данным о тектонике региона [Зоненшайн и др., 1990; Берзин и др., 1994] Минусинские впадины заложились на гетерогенном основании южно-сибирских каледонид, представляющих уже с конца ордовика единую с кратонной частью Сибири структуру. Минусинские впадины представляют серию мульд изометричной формы, разобщенных антиклинальными поднятиями, и включают Южно-Минусинскую, Сыда-Ербинскую, Чебаково‑Балахтинскую (Северо-Минусинскую) и Назаровскую впадины (рис. 1). Изученные вулканогенные толщи, характеризуются бимодальным составом (риолиты, дациты, базальты и их туфы) с щелочной спецификой. В пределах Минусинских впадин девонские вулканиты латерально изменчивы как по соотношению кислых и основных разностей и структурно-текстурным особенностям, так и по мощности, что нашло отражение в выделении ряда свит (иммирская, тонская, чиланская, хараджульская и др. свиты), объединяемых на большей части региона в быскарскую серию [Геологическая…, 1957; 1959]. Прослои осадочных пород в составе быскарской серии имеют резко подчиненное по отношению к вулканогенным образованиям значение. Толщи быскарской серии залегают на подстилающих разновозрастных образованиях с угловым несогласием, размывом и конгломератами в основании. Мощность быскарской серии в наиболее полных ее разрезах достигает 1.5–2 км. Выше по разрезу согласно и с размывом залегают терригенно-карбонатные пестроцветные толщи, мощностью ≈0.5 км, содержащие в своей верхней части (бейская свита) пелециподы, брахиоподы и мшанки, характерные для верхов живетского яруса среднего девона [Геологическая…, 1957] и эйфельскую – нижнеживетскую флору в основании (толтаковская свита) [Геологическая…, 1959]. Завершают разрез Минусинских впадин красноцветы позднего девона и вулканогенно-осадочные толщи турне и визе, перекрытые, с размывом, угленосными толщами визе – ранней перми. По вулканитам быскарской серии получен ряд современных геохронологических определений (Ar-Ar и U-Pb методы, сводка в работе [Воронцов и др., 2012]), укладывающихся в интервал 407.5 ± 0.2–386 ± 4 млн лет, более молодые датировки получены по секущим вулканиты дайкам (385 ± 4 и 364 ± 5.5 млн лет). Таким образом, имеющиеся геохронологические и палеонтологические данные позволяют ограничить время накопления основного объема быскарских вулканитов эмсом и эйфелем, что охватывает интервал ≈20 млн лет.

В ходе полевых исследований 2010–2012 гг. в пределах Минусинских впадин нами были опробованы основные разрезы вулканитов быскарской серии (отметим, что отбор образцов проводился только в тех разрезах, где было возможным установить первичное залегание толщ). Были изучены разрезы юго-запада (по рекам Абакан и Джебаш), востока (р. Туба) и севера (залив Кокса, Красноярское вдхр.) Южно-Минусинской впадины; юга Сыда-Ербинской впадины (Красноярское вдхр., выше поселка Беллык); юго-востока (залив Сисим), севера (Красноярское вдхр., ниже залива Езагаш – разрез «Труба») и центральной части (Красноярское вдхр., в р-не с. Новоселово) Чебаково-Балахтинской впадины (рис. 1). Изученные разрезы представляли фрагменты крыльев крупных складок или моноклинали с выдержанными в объеме каждого разреза элементами залегания. В качестве элементов залегания принимались падения вышележащих осадочных толщ, редких прослоев осадочных пород внутри вулканитов, а также плоскости магматической отдельности соответствующие границам лавовых покровов. При палеомагнитном опробовании применялась «сайтовая» система отбора образцов, при которой из каждого магматического тела на участке 1–3 м отбиралось по 6–10 ориентированных образцов. В общей сложности было изучено 118 сайтов, представляющих отдельные покровы или субвулканические тела или, в единичных случаях, прослои осадочных пород среди вулканитов.

Рис. 1. Схема геологического строения Минусинского прогиба и положение объектов исследования. Составлена на основе Геологической карты СССР м-б 1:2500 000 (ред. Д.В. Наливкин, 1983): 1 – додевонский фундамент; 2 – вулканогенно-осадочные отложения нижнего – среднего девона; 3 – средний – верхний девон; 4 – карбон – нижняя пермь; 5 – юрские и более молодые отложения; 6 – тектонические нарушения. Римские цифры в кружках – впадины Минусинского прогиба: I – Назаровская, II – Чебаково Балахтинская, III – Сыда-Ербинская, IV – Минусинская. Звездочки и соответствующие им цифры – изученные разрезы: 1 – по рекам Джебаш и Абакан, 2 – Туба, 3 – Кокса, 4 – Беллык, 5 – Новоселово, 6 – Сисим, 7 – «Труба».

РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ

Лабораторная обработка коллекций выполнялась в лабораториях ИФЗ РАН и ГИН РАН. Все образцы были подвергнуты детальной температурной чистке до полного разрушения намагниченности, замеры остаточной намагниченности проводились на спин-магнитометрах JR-4 и JR-6 (AGICO, Чехия). Обработка результатов измерений проводилась с использованием пакета программ Р. Энкина [Enkin, 1994], при кластерном анализе распределения векторов на сфере применялась программа StereoNett v2.46 (Johannes Duyster).

Изученные породы обладают широким спектром магнитных характеристик и компонентным составом намагниченности, различающихся как по разрезам, так, зачастую, и по сайтам в объеме одного разреза, что не позволяет представить все типы диаграмм Зийдервельда в рамках одной статьи. В связи с этим, при дальнейших рассуждениях, основной упор будет сделан на кластерный анализ распределения средних направлений по сайтам на сфере. Для выделенных групп преобладающих направлений (кластеров) будут приведены наиболее представительные диаграммы Зийдервельда.

Средние направления по сайтам рассчитывались, главным образом, по «конечным» высокотемпературным компонентам намагниченности; в ряде случаев, при расчете средних направлений, использовались также и «промежуточные» средне- высокотемпературные компоненты, а также круги перемагничивания, однако только при условии их когерентности с «конечными» компонентами. Прочие низко- и среднетемпературные «промежуточные» компоненты были исключены из рассмотрения.

Поскольку для участков, где интенсивно развита разломно-блоковая тектоника (разрезы по рекам Абакан и Джебаш), мы предполагаем локальные вращения, результаты по этим объектам будут рассмотрены отдельно от остальной части выборки.

Разрезы по рекам Абакан и Джебаш

Разрез по реке Джебаш (правый приток р. Абакан, ≈7 км ниже г. Абаза) представляет собой протяженную моноклиналь, падающую на СЗ (326°–335°) под углами от 40° до 53°. В данном разрезе с разных стратиграфических уровней по обоим бортам долины было опробовано 20 удаленных сайтов, расстояние (вкрест простирания) между наиболее удаленными из них составляет ≈2 км. В 15 из изученных сайтов удалось выделить компоненты намагниченности (табл. 1, рис. 2). Средние для 9 сайтов джебашского разреза образуют компактную группу, тесты складки (DC, W&E [Enkin, 2003; Watson, Enkin, 1993]) для которой указывают на послескладчатость намагниченности, остальные направления распределены хаотически. Послескладчатая компонента джебашского разреза близка к ожидаемому направлению карбон-пермского перемагничивания (D = 292.1, I = –63.5, пересчитано на координаты района работ), выявленному нами ранее в породах позднего девона и раннего карбона Минусинских впадин [Шацилло и др., 2012] (рис. 2, врезка). В тоже время, разница в склонениях (≈20°) для этих направлений, при близких наклонениях, может указывать на некоторый разворот джебашского блока в послепалеозойское время по часовой стрелке. Направление, выделенное в сайтах 048–2 и 049 (объединены), близко к ожидаемому девонскому направлению региона. Диаграммы Зийдервельда для образцов джебашского разреза, характеризующие послескладчатое и ожидаемое девонское направления представлены на рис. 3. Отметим, что подавляющее число образцов содержащих послескладчатую компоненту намагниченности, характеризуются достаточно шумным сигналом – в процессе размагничивания вектор «блуждает» в области данного направления, а при нагревах выше 580–590 °С начинает хаотически менять направление.

По р. Абакан было опробовано 11 сайтов на двух удаленных участках (в левом борту долины, ниже устья р. Хараджуль и в правом борту, в ≈3 км выше устья р. Бол. Монок) с существенно различающимися элементами залегания. Все опробованные сайты содержат интерпретируемый палеомагнитный сигнал. При анализе средних направлений по сайтам на стереограмме выделяются два кластера² (табл. 2, рис. 2), один из них «I», включающий 4 сайта, определяется тестами складки (DC, W&E) как доскладчатый. Для второго кластера «II», включающего 3 сайта, тесты складки не дают определенного результата, что связано с незначительной разницей в элементах залегания между сайтами. Средние направления по остальным сайтам распределены квазихаотично. Диаграммы Зийдервельда для образцов, характеризующих кластеры «I» и «II», представлены на рис. 3.

Таблица 1. Палеомагнитные направления, содержащиеся в вулканитах разреза р. Джебаш (средние направления по сайтам)

Рис. 2. Распределение средних направлений по сайтам для разрезов по рекам Джебаш (кружочки) и Абакан (квадратики): Области с серой заливкой – группы векторов (кластеры I и II), обсуждаемые в тексте; Ddir- сайт, содержащий ожидаемое девонское направление. Здесь и далее: ГСК/ССК – географическая/стратиграфическая система координат; залитые значки – проекции на нижнюю полусферу, открытые – на верхнюю. На врезке: сравнение средних направлений метахронной компоненты намагниченности разрезов Джебаш и Абакан с направлением позднепалеозойского перемагничивания Минусинской впадины [Шацилло и др., 2012]. Ромбик – направление позднепалеозойского перемагничивания для района работ; жирная серая линия – среднее наклонение метахронной компоненты с учетом доверительного интервала, рассчитанное для объединенной выборки по разрезам Джебаш и Абакан. В скобках приведены угловые расстояния (в градусах) между направлениями метахронной компоненты и направлением позднепалеозойского перемагничивания по дуге большого круга (g) и его критическое значение (gc) и разница склонений (dD). Прочие пояснения в тексте.

Таблица 2. Палеомагнитные направления, содержащиеся в вулканитах разреза р. Абакан (средние направления по сайтам)

Рис. 3. Примеры терморазмагничивания девонских вулканитов из разрезов по рекам Джебаш (а), (б) и Абакан (в), (г): (а) – послескладчатая компонента; (б) – ожидаемое девонское направление; (в) – доскладчатая компонента кластера «I»; (г) – компонента кластера «II». Диаграммы Зийдервельда приведены в стратиграфической системе координат.

Как и в случае с послескладчатой компонентой джебашского разреза, среднее направление для доскладчатого «абаканского» кластера «I» совпадает по наклонению с направлением карбон-пермского перемагничивания региона (рис. 2, врезка), однако разница в склонениях предполагает постпермское вращение абаканского блока против часовой стрелки (≈60°, без учета доверительного интервала). Мы интерпретируем рассмотренные до- и послескладчатые направления джебашского и абаканского разрезов как результат единовременного карбон-пермского перемагничивания, что подразумевает следующую тектоническую историю для изученных участков: 1) деформации джебашского блока; 2) перемагничивание; 3) деформации абаканского блока; 4) разнонаправленные вращения джебашского и абаканского блоков. Этот вывод подтверждается тестом складки (NFT) [Шипунов, 1995] для объединенной выборки до- и послескладчатой компоненты, который дает устойчивое решение, указывающее на наличие двух компонент намагниченности, образовавшихся в течение деформаций. Среднее значение наклонения, рассчитанное для объединенной выборки метахронной компоненты, в системах координат формирования намагниченности, составляет: I = –65.1 ± 2.8 при n = 13, k = 120.9. Отметим, что с частичным учетом поправки на вращение для абаканского блока, кластер «II» становится близок к кластеру «NWSE», выявленному по ряду других минусинских объектов, которые будут рассмотрены ниже, тест складки, анализирующий только наклонения [Enkin, Watson, 1996], по объединенной выборке (NWSE + II) указывает на доскладчатость этих направлений.

Систематика палеомагнитных направлений разрезов Туба, Кокса, Беллык, Новоселово, Сисим и Труба

Сепарация палеомагнитных направлений, выделенных в девонских породах этих объектов, вызывает не меньшие затруднения – при удовлетворительном группировании направлений в объемах сайтов межсайтовый разброс, даже в пределах отдельно взятого разреза, оказывается значительным (рис. 4, табл. 3). В отличие от объектов юго-запада Минусы (разрезы Абакан и Джебаш), рассматриваемые участки обладают относительно «спокойной» тектоникой, что позволяет рассматривать данные по этим участкам совместно. Отметим, что в объеме отдельно взятого разреза элементы залегания толщи очень близки, что не позволяют адекватно выполнить тест складки в объеме разреза, по­этому такие данные в статье не приводятся. Анализ всей совокупности направлений по сайтам, позволяет выделить ряд в той или иной степени статистически обоснованных кластеров (рис. 5д, табл. 4).

Таблица 3. Палеомагнитные направления, содержащиеся в вулканитах и осадочных прослоях разрезов Туба, Кокса, Беллык, Новоселово, Сисим и Труба (средние направления по сайтам)

Рис. 4. Распределение палеомагнитных направлений по сайтам для разрезов Туба, Кокса, Беллык, Новоселово, Сисим и Труба. Все стереограммы приведены в стратиграфической системе координат. Прочие пояснения см. на рис. 2.

Рис. 5. Кластерный анализ направлений по сайтам (а)–(г), осредненные палеомагнитные направления по кластерам (д) и палеомагнитные полюсы для кластеров (е) по девонским породам из разрезов Туба, Кокса, Беллык, Новоселово, Сисим и Труба: (а) и (в) – плотность распределения направлений по сайтам с положительными наклонениями (нижняя полусфе-ра); (б) и (г) – плотность распределения направлений по сайтам с отрицательными наклонениями (верхняя полусфера). На рис. (е): залитые/открытые значки – северное/южное полушарие; черная линия – большой круг, проведенный через полюсы для кластеров «P», «NW», «NWSE»; ромбик – положение района работ; жирная серая линия и соответствующие ей цифры – кривая кажущейся миграции полюса стабильной Европы для интервала 250–100 млн лет [Torsvik, Cocks, 2005] в комбинации с известными позднепалеозойскими полюсами Сибири [Шацилло и др., 2012; 2014]. Прочие пояснения на рис. 2 и в тексте.

Часть направлений вовсе не образует каких-либо групп и распределена на сфере (в первом приближении) хаотически. Эти направления, которые мы условно относим к типу «I», зафиксированы, главным образом, в разрезе залива Сисим, представляющем собой моноклиналь, а также в разрезе Кокса (юг), представляющем южное крыло крупной антиклинали. Общий вклад направлений I-типа по отношению ко всей выборке составляет ≈9%.

К типу «II» мы относим направления, которые повторяются только в объеме одного разреза. В этот тип попадают кластеры «E» и «SW», охарактеризованные направлениями из разреза Новоселово‑2, представляющем собой северо-восточное крыло крупной антиклинали, и направлением из разреза Кокса (юг), соответственно. Тип «II» включает ≈10% направлений от общей выборки.

Наконец к третьему типу «III» мы относим группы направлений, систематически повторяющиеся в удаленных разрезах. К этому типу относятся кластеры «N» (≈24%), «NW» (≈6%), «NWSE» (≈9%), «P» (≈7%) и «S» (≈35%). Как видно из рис. 5а–5г рассмотренные кластеры обособляются в стратиграфической системе координат, при рассмотрении в географической системе координат кластеры «расплываются», при этом каких-либо дополнительных групп направлений не образуется. Здесь необходимо отметить, что все выделенные направления отличаются от известных постдевонских направлений Сибири, исключение здесь составляет кластер «P», находящийся в некоторой близости (с учетом доверительного интервала) от ожидаемых направлений юры (рис. 5е). Тест складки (DC) указывает на доскладчатость намагниченности для всех кластеров, за исключением кластера «S», где тест не дает определенного результата. Диаграммы Зийдервельда, характеризующие все описанные направления, представлены на рис. 6.

Таблица 4. Средние палеомагнитные направления и полюсы по кластерам, зафиксированные в девонских породах разрезов Туба, Кокса, Беллык, Новоселово, Сисим и Труба

Рис. 6. Примеры терморазмагничивания девонских вулканитов, характеризующие кластеры, выделенные по разрезам Туба, Кокса, Беллык, Новоселово, Сисим и Труба. Диаграммы Зийдервельда приведены в стратиграфической системе координат.

Естественным представляется вопрос – что может означать наблюдаемый характер палеомагнитной записи в изученных девонских породах? На данной стадии палеомагнитного анализа мы можем дать следующие гипотетические предположения.

Вероятно, наиболее простым объяснением для направлений типов «I» и «II» может быть предположение, что данные несистематические направления могут являться результатом записи магнитного поля в процессе инверсии или экскурса, либо, что касается направлений типа «I», некоторой нерегулярной смесью разнонаправленных и разновозрастных компонент. «Тотально» распространенные направления «S» и «N» близкоантиподальны и успешно проходят тест обращения (γ/γс = 10.5/11.0). Именно эти направления близки к ожидаемым девонским направлениям Сибири и интерпретируются нами как собственно девонские, то есть отражающие положение оси вращения Земли в девонское время. Наиболее «загадочными» представляются систематические аномальные (для девона) направления III-го типа, соответствующие кластерам «NW», «NWSE» и «P». И если направление «P», формально, может рассматриваться как результат доскладчатого юрского перемагничивания³, а «NW» слабо статистически обосновано (зафиксировано только в четырех сайтах), то направление «NWSE», учитывая результаты по разрезам р. Абакан, едва ли может рассматриваться как артефакт. Сосуществование направления «NWSE» с направлениями «S» и «N» должно предполагать проявление некоторых квазистабильных неосесиметричных состояний поля, повторявшихся во времени и зафиксированных в этом направлении.

В распределении аномальных направлений III-типа (NW, NWSE и P) можно усмотреть некоторую систематику – полюсы, рассчитанные по этим направлениям, идеально ложатся на дугу большого круга, проходящую также через средние координаты района работ (рис. 5е). Такая закономерность, в случае если девонские направления (S и N) также вписывались бы в эту систему, могла бы указывать на то, что аномальные направления являются результатом значительного и меняющегося во времени вклада зональных недипольных (квадру- и октупольных) компонент в главное геомагнитное поле, искажающих наклонения. Однако, в действительности, эта модель не подтверждается и ожидаемые девонские направления (S и N), равно как и направления II-типа (E и SW), в данную систему не вписываются. Другим возможным объяснением наблюдаемого соотношения направлений «NW», «NWSE» и «P» может быть предположение, что направление «NW» является суперпозицией аномального первичного направления «NWSE» и доскладчатого метахронного направления «P», имеющего мезозойский возраст. Однако такая модель требует допущения, что контаминация направления «NWSE» направлением «P» была одинаковой в удаленных разрезах, что представляется маловероятным.

Так или иначе, но полученные данные указывают на то, что около половины изученного временного интервала (по соотношению «ожидаемых» девонских и прочих направлений) занимали экскурсионно-инверсионные или какие-то другие динамо-процессы, при которых геомагнитный полюс существенно отклонялся от поля центрального осевого диполя. В силу проблем региональной корреляции изученных разрезов выяснить характер соотношения выделенных направлений в общей стратиграфической последовательности не представляется возможным, однако данные в объеме отдельно взятого разреза указывают скорее на то, что смена этих направлений происходит сложным, возможно, не систематическим образом (табл. 5). Надо также отметить, что в изученных разрезах имеются пропуски, поскольку некоторые покровы были не пригодны для отбора (разрушались), а отдельные участки береговых обнажений были недоступны.

Таблица 5. Соотношение палеомагнитных направлений, выделенных в девонских породах разрезов Туба, Кокса, Беллык, Новоселово, Сисим и Труба в соответствии со стратиграфической последовательностью (кластер/номер сайта). Низ столбца – основание изученного фрагмента разреза. Прочие пояснения см. в табл. 3

СРАВНЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ ПАЛЕОМАГНИТНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ С ДАННЫМИ ПО ФОРМАЦИИ OLD RED SANDSTONES (ORS) БРИТАНСКИХ КАЛЕДОНИД

Как уже отмечалось, «сложности» в палеомагнитной записи девонского времени являются планетарной проблемой. Вероятно, одним из наиболее хорошо изученных в палеомагнитном отношении объектов, близких и по возрасту, и в формационном отношении к разрезам Минусинских впадин, является формация ORS Британских каледонид, значительный объем которой представлен лавовыми толщами. Палеомагнитные аномалии, близкие к минусинским, зафиксированы и в этих объектах. В частности, анализ палеомагнитных данных по формации ORS Британских и Скандинавских каледонид, включающих помимо определений по стратифицированным комплексам также определения по интрузиям и субвулканическим образованиям, позволил Пайперу [Piper, 2007] сделать вывод о существовании девонского эпизода истинного смещения полюса (TPW). По сути, это была попытка объяснения существенных расхождений близковозрастных девонских определений явлениями глобальной тектоники. Здесь следует отметить, что определения, образующие «девонскую петлю» на кривой кажущейся миграции полюса, отвечающую, по заключению Пайпера, TPW-событию [Piper, 2007], были получены по интрузивным комплексам, то есть по объектам, первичное залегание которых сложно, а часто и невозможно, восстановить. Естественно, что это обстоятельство делает гипотезу Пайпера достаточно уязвимой.

Нами была предпринята попытка более «жесткого» анализа палеомагнитных данных по формации ORS с целью их сопоставления с минусинскими результатами. Как и в случае с минусинскими объектами, был проведен кластерный анализ данных по единичным сайтам для выявления возможных преобладающих направлений. Анализу были подвергнуты определения, полученные исключительно по вулканическим стратифицированным породам, поскольку, с одной стороны, в таких объектах восстановление первичного залегания не вызывает сомнений, с другой стороны, в вулканитах отсутствует эффект занижения наклонения, типичный для осадочных пород. В анализ вошли данные из работ [Sallomy, Piper, 1973; Latham, Briden, 1975; Kono, 1979; Torsvik, 1985] по лавам Midland Valley и Lorne Plateau Шотландии. Другие публикации, посвященные этой тематике, содержат только осредненные определения. Критерием для первичной отбраковки данных были статистические параметры – в итоговую выборку вошли направления, полученные по двум и более образцам, при этом радиус круга доверия был не более 20°, таким требованиям удовлетворили данные по 58 сайтам (лавовым покровам). Возраст лав Midland Valley и Lorne Plateau охватывает интервал 411–394 млн лет [Browne et al., 2002], то есть почти идентичен возрасту вулканитов Минусы.

Результаты кластерного анализа направлений, содержащихся в лавах ORS Шотландии, представлены на рис. 7 и в табл. 6. Как видно (рис. 7а–7в), на фоне общего квазихаотичного распределения направлений на денситограммах выделяются в той или иной степени обоснованные кластеры. Подавляющее количество направлений формируют близкие к антиподальности кластер «NE» и размытый кластер «SW». Сравнение средних направлений по этим кластерам, приведенным к одной полярности, указывает на отсутствие статистически значимых различий между ними (γ/γ_с = 10.3/12.3). Направления NE и SW являются ожидаемым для девона Шотландии, в частности, палеомагнитный полюс, рассчитанный по этим направлениям (табл. 6), статистически не отличается от раннедевонского полюса Подолии (PLong = 145.5; PLat = –3.7; A95 = 6.7) [Smethurst, Khramov, 1992], рассматриваемого в качестве референтного для Восточно-Европейской платформы. Также достаточно уверенно обособляется кластер «NEE» и два слабо статистически обоснованных кластера «NW» и «E». Как и в минусинских объектах в лавах ORS, помимо преобладающих групп, отмечается присутствие отдельных «случайных» направлений, не вписывающихся в общее распределение.

Рис. 7. Кластерный анализ палеомагнитных направлений по сайтам (а), (б), осредненные палеомагнитные направления по кластерам (в) и палеомагнитные полюсы для кластеров (г) для девонских вулканитов формации ORS Шотландии: (а) – плотность распределения направлений по сайтам с положительными наклонениями (нижняя полусфера); (б) – плотность распределения направлений по сайтам с отрицательными наклонениями (верхняя полусфера). На рис. (г) залитые/открытые значки – северное/южное полушарие; черная линия – большой круг, проведенный через полюсы для кластеров; ромбик – географическое положение формации ORS; жирная серая линия и соответствующие ей цифры – кривая кажущейся миграции полюса стабильной Европы для интервала 340–100 млн лет [Torsvik, Cocks, 2005]. Прочие пояснения на рис. 2 и в тексте. * для расчета среднего направления по кластеру использовались направления по сайтам, попадающие в центр распределения на денситограмме (а).

Таблица 6. Средние палеомагнитные направления и полюсы по кластерам для девонских вулканитов формации ORS Шотландии

Палеомагнитные полюсы ORS, рассчитанные по всем кластерам, значимо отличаются от известных постдевонских европейских полюсов, то есть, соответствующие направления проблематично объяснить в рамках гипотезы последевонского перемагничивания.

Распределение полюсов ORS по кластерам уверенно аппроксимируется дугой большого круга (рис. 7г), при этом виртуальные геомагнитные полюсы (по сайтам) не образуют направленного тренда в соответствии со стратиграфической последовательностью в разрезах. Сложные возвратно-поступательные перемещения виртуальных геомагнитных полюсов плохо согласуются с гипотезой истинного смещения полюса, привлекаемой [Piper, 2007] для объяснения распределения девонских палеомагнитных направлений Европы.

Результаты проведенного анализа также указывают на то, что палеомагнитные определения для девона, полученные по крупным интрузивным телам [Piper, 2007 и ссылки в этой работе], остывание которых (в отличие от лавовых потоков) происходило достаточно длительное время, едва ли могут быть пригодны для решения геофизических задач. Это обусловлено тем, что зафиксированные в таких интрузиях палеомагнитные направления могут являться суперпозицией нескольких близких по возрасту разнонаправленных компонент намагниченности.

Синтез данных: хаос или закономерность?

Ранее было показано [Шацилло, 2015 а], что палеомагнитные полюсы для ранней перми Сибири и Восточно-Европейской платформы (Балтики) могут быть совмещены путем поворота вокруг полюса Эйлера, располагающегося в пределах акватории Карского моря, что ретроспективно описывает характер взаимодействия кратонов в ходе их пермской консолидации в структуре Евразии. Такой характер взаимодействия Сибири и Балтики хорошо согласуется с рядом специфических позднепалеозойско – раннемезозойских структур в опоясывающих их складчатых областях и не противоречит кинематическим ограничениям в рамках современной плитотектоники.

Анализ новейших палеомагнитных данных по палеозою Сибири и Балтики [Шацилло, 2015б; Шацилло и др., 2017] показал, что данные континентальные блоки могли находиться в «раннепермской» конфигурации уже с силурийского времени, т. е. являлись с силура по начало перми единой литосферной плитой, претерпевшей в течение перми реорганизацию. Таким образом, используя полюс Эйлера, предложенный в работе [Шацилло, 2015а], мы можем привести палеомагнитные полюсы по девону каледонской Сибири и Европейским каледонидам в их первоначальное взаимное положение в рамках единой плиты. Приведенные таким образом к «сибирским» координатам полюсы ORS представлены в табл. 6 и на рис. 8. Как видно (рис. 8а) в результате такой реконструкции полюсы для ожидаемых девонских направлений (N + S и NE + SW) практически идеально совпали, что и должно следовать из модели [Шацилло, 2015б].

При этом, явной сходимости полюсов, отвечающих аномальным направлениям, не наблюдается. Достичь совмещения возможно для пар полюсов (E и E) и (NWSE и NW), однако только при условии изменения полярности одного из направлений. Такой вариант интерпретации должен быть как-то обоснован, поскольку абсолютное преобладание монополярных направлений в каждом из рассматриваемых регионов, выявленное при кластерном анализе, не дает повода для подобных предположений – необходимо наличие хотя бы единичных антиподальных векторов для каждого кластера в каждом регионе. Для проверки существования таких антиподальных векторов, еще раз вернемся к анализу распределения единичных направлений, отнесенных при выделении генеральных кластеров к «случайным» (рис. 5, рис. 7).

Минусинские объекты. (1) В кластер «NWSE» мы изначально включили единичное направление с ЮВ склонением (сайт 035, разрез Труба), основанием для этого было наличие высокотемпературных конечных и средне-высокотемпературных промежуточных компонент намагниченности, антиподальных друг другу, зафиксированных в образцах этого сайта; аналогичная палеомагнитная запись наблюдалась и в образцах из сайта 029 разреза Туба. (2) Как видно (рис. 5а, 5б, 5д) для кластера «E» мы видим близкоантиподальный «размытый» (и поэтому не вошедший в статистику) кластер ЗСЗ склонений, включающий направления по трем сайтам из разреза Сисим (039, 040 и 041). Расширенный, за счет направлений из разреза Сисим, кластер «E» определяется тестами складки как доскладчатый. (3) Для кластера «NW» также фиксируется близкоантиподальное единичное направление ЮВ склонения.

Для всех аномальных кластеров, выделенных в объектах Шотландии (NEE, NW и E) на стереограммах обнаруживаются антиподальные направления (рис. 7а–7в). Три направления, близкоантиподальные кластеру «NEE», по­падают в крайнюю ЮЗ часть распределения для ожидаемого девонского направления «SW» (при расчете общего среднего для SW- и NE-кластеров данные направления не учитывались). Кластерам «NW» и «E» антиподальны два единичных направления, имеющие, соответственно, ЮВ и З склонения.

Рис. 8. Сопоставление рассчитанных палеомагнитных (?) полюсов по кластерам для девонских пород Шотландии и Минусинской впадины, приведенных к «сибирской» системе координат: квадратики – полюсы для объектов Шотландии, кружки – полюсы минусинских объектов; залитые значки – северное полушарие, открытые – южное; звездочка – средний полюс по всем аномальным кластерам. Круги доверия, залитые серым – для полюсов по которым построен аппроксими-руюший круг (палеомеридиан). На врезке – распределение аномальных полюсов, приведенных к одной полярности и к центру сферы (открытые значки для монополярных кластеров, залитые для биполярных). Для приведения полюсов Шотландии к «сибирской» системе координат использовался полюс вращения с координатами 79° с. ш., 95° в. д., угол поворота 46° по часовой стрелке (в соответствии с работой [Шацилло, 2015 а]). Прочие пояснения в тексте.

Таким образом, подавляющее большинство направлений, выделенных при кластерном анализе в объектах Минусы и Шотландии, можно рассматривать как биполярные. Исключение здесь составляют кластеры «P» и «SW» Минусы. Далее, для анализа всей совокупности аномальных полюсов приведем их к одной полярности – характер полученного распределения представлен на рис. 8б. Как видно, все биполярные аномальные полюсы достаточно хорошо аппроксимируются дугой большого круга, проходящего через ожидаемые девонские полюсы, то есть лежат на палеомеридиане, который мы назовем «аномальным меридианом». Этот тренд является определяющим в геометрии всего спектра направлений. Наиболее статистически обоснованные аномальные полюсы («NEE» Шотландии и «NWSE» Минусы) располагаются на удалении 45° от пересечения аномального меридиана и палеоэкватора. Остальные биполярные аномальные полюсы лежат ближе к палеоэкватору, находясь между полюсами «NEE» и «NWSE». В положении монополярных аномальных полюсов («P» и «SW» Минусы) также наблюдается некоторая система – они близки (с учетом доверительного интервала) к палеоэкватору и удалены от аномального меридиана на 50°–60°. Осредненный по всем аномальным направлениям полюс попадает на пересечение палеоэкватора и аномального меридиана. Таким образом, в распределении аномальных полюсов Шотландии и Минусы видна явная симметрия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные по раннему-среднему девону Минусинских впадин палеомагнитные данные показывают, что в девонское время, на протяжении, по крайней мере, 10–20 млн лет, направления геомагнитного поля в регионе характеризовались крайней вариабельностью (гиперактивностью), существенно отличаясь по этому параметру от геомагнитного поля большей части фанерозоя. При этом, на общем фоне быстрых изменений направлений, выделяются также кластеры палеомагнитных направлений (полюсов), отвечающие некоторым квазистабильным состояниям поля. Сравнение полученных результатов с данными, опубликованными ранее по девону Шотландии, показывают, что наблюдаемые особенности палеомагнитной записи не являются локальными, присущими какому-то конкретному региону, а имеют, вероятно, глобальный масштаб.

Возможно, некоторые аналогии для такого поведения поля мы фиксируем в палеомагнитной записи пограничного венд-кембрийского интервала [Shatsillo et al., 2005 и ссылки в этой работе].

Близость ряда кластеров палеомагнитных полюсов, рассчитанных для юга Сибири и для Шотландии (с учетом тектонических поправок, в соответствии с работой [Шацилло, 2015 б]), свидетельствует в пользу того, что в рассматриваемое время геомагнитное поле сохраняло (хотя бы частично) свою преимущественно дипольную геометрию, при этом ось диполя могла существенно отклоняться от оси вращения Земли.

Положение большей части выделенных кластеров полюсов вдоль большого круга, проходящего через область нахождения «ожидаемого» палеомагнитного полюса девона (т. е., полюса, согласующегося с генеральным трендом сибирской кривой кажущейся миграции полюса) указывает на то, что эти кластеры, отвечающие квазистабильным направлениям поля, располагались вдоль палеомеридиана. Последнее обстоятельство можно рассматривать как указание на существенный вклад экваториального диполя в геомагнитное поле рассматриваемого интервала девонского времени.

Согласно результатам работы [Shcherbakova et al., 2017] этот интервал времени характеризовался также крайне низкой величиной напряженности геомагнитного поля, что является прямым указанием на ослабление осевого диполя по сравнению с полем «обычных» эпох. Такое ослабление осевого диполя, наряду с существованием относительно мощного экваториального диполя, при переменном вкладе обоих диполей в суммарное геомагнитное поле, могло бы объяснить аномальные девонские направления, образующие «облако» полюсов, растянутое вдоль палеомеридиана.

Вклад экваториального диполя мог возрастать по мере уменьшения вклада осевого диполя (например, во время его инверсий), что обуславливало приближение аномальных полюсов к палеоэкватору. Возможность существования относительно мощного и устойчивого экваториального диполя, вклад которого в главное геомагнитное поле палеозоя мог составлять от 5 до 20%, отмечалась ранее в работах [Храмов, 2007; Храмов, Иосифиди, 2012].

Тектоническая интерпретация полученных данных выходит за рамки настоящей статьи, однако здесь мы подчеркнем два пункта:

1) в свете полученных и анализа литературных данных попытки объяснения значительного расхождения девонских полюсов для единого блока явлениями глобальной тектоники (гипотеза истинного смещения полюса) [Piper, 2007] представляются несостоятельными;

2) данные по «ожидаемым» девонским направлениям для Европейской и Азиатской части Евразии поддерживают гипотезу [Шацилло, 2015б; Шацилло и др., 2017] о стабильном взаимном положении Сибири и Балтики в течение среднего-позднего палеозоя.

Необычный (по отношению к большей части фанерозоя) характер геомагнитного поля девонского времени может указывать на существование каких-то особенностей (неоднородностей) на границе ядро–мантия, обусловивших аномальное поведение геодинамо в эту эпоху. Девонский геомагнитный феномен требует дальнейшего изучения и осмысления.

Авторы выражают благодарность И.В. Федюкину (ИФЗ РАН) за помощь, оказанную на всех этапах полевых работ. Полевые работы и лабораторная обработка коллекций были выполнены при финансовой поддержке РФФИ (гранты 16-05-00446 и 17-05-00021) и Министерства науки и образования (договор № 14.Z50.31.0017). Итоговая интерпретация данных и подготовка статьи выполнялись при поддержке гранта РНФ № 161710097.

^[1] Исходя из положения соответствующих палеомагнитных полюсов относительно палеозойского участка кривой кажущейся миграции полюса Сибирской платформы.

^[2] Под кластером мы подразумеваем кучную группу, включающую три и более направления

^[3] Наличие деформированных толщ нижней-средней юры в пределах Чебаково‑Балахтинской впадины согласуется с этим предположением [Беззубцев и др., 2000], однако известно, что основные посткаледонские складчато-деформационные события в пределах Центрально-Азиатского складчатого пояса произошли в позднем палеозое [Зоненшайн и др., 1990; Берзин и др., 1994]

About the authors

A. V. Shatsillo

Author for correspondence.
Email: shatsillo@gmail.com
Russian Federation, Moscow

V. E. Pavlov

Email: shatsillo@gmail.com
Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Scheme of the geological structure of the Minusinsk trough and the position of the objects of study. Compiled on the basis of the Geological Map of the USSR mb 1: 2500 000 (ed. DVNalivkin, 1983): 1 - pre-Devonian foundation; 2 - volcanogenic-sedimentary deposits of the lower - middle Devonian; 3 - medium - upper devon; 4 - carbon - lower Perm; 5 - Jurassic and younger sediments; 6 - tectonic disturbances. The Roman numerals in circles are the troughs of the Minusinsk trough: I - Nazarovskaya, II - Chebakovo Balakhtinskaya, III - Syda-Yerbinskaya, IV - Minusinskaya. The asterisks and the corresponding figures are the sections studied: 1 - along the Dzhebash and Abakan rivers, 2 - Tuba, 3 - Cox, 4 - Bellyk, 5 - Novoselovo, 6 - Sisim, 7 - Trumpet.

Download (363KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Distribution of average directions by sites for sections along the Dzhebash rivers (circles) and Abakan (small squares): Areas with gray fill are groups of vectors (clusters I and II) discussed in the text; Ddir is a site containing the expected Devonian direction. Here and below: HSC / SSC - geographical / stratigraphic coordinate system; filled icons - projections on the lower hemisphere, open - on the top. Inset: a comparison of the average directions of the metachronous component of the magnetization of the Dzhebash and Abakan sections with the direction of the Late Paleozoic reversal of the Minusinsk depression [Shatsillo et al., 2012]. Rhombik - the direction of the Late Paleozoic remagnetization for the work area; bold gray line is the average inclination of the metachronous component, taking into account the confidence interval, calculated for the combined sample from the Dzhebash and Abakan sections. In parentheses are the angular distances (in degrees) between the directions of the metachronous component and the direction of the Late Paleozoic magnetization reversal along the large circle arc (g) and its critical value (gc) and declination difference (dD). Other explanations in the text.

Download (141KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Examples of thermal deformation of Devonian volcanics from sections along the Dzhebash rivers (a), (b) and Abakan (c), (d): (a) - post-folding component; (b) - the expected Devonian direction; (c) - pre-folding component of cluster “I”; (d) - component of cluster "II". Ziyderveld's diagrams are given in the stratigraphic coordinate system.

Download (108KB)

Indexing metadata

5. Fig. 4. Distribution of paleomagnetic directions on the sites for sections of Tuba, Cox, Bellyk, Novoselovo, Sisim and Trub. All stereograms are shown in the stratigraphic coordinate system. For other explanations, see fig. 2

Download (258KB)

Indexing metadata

6. Fig. 5. Cluster analysis of directions by sites (a) - (d), averaged paleomagnetic directions by clusters (e) and paleomagnetic poles for clusters (e) by Devonian rocks from the Tuba, Cox, Bellyk, Novoselovo, Sisim and Trub cuts: (a ) and (c) —distribution density of directions over sites with positive inclinations (lower hemisphere); (b) and (d) —distribution density of directions over sites with negative inclinations (upper hemisphere). In fig. (e): flood / open icons - northern / southern hemisphere; the black line is a large circle drawn through the poles for the clusters “P”, “NW”, “NWSE”; rhombic - the position of the work area the fat gray line and its corresponding figures are the curve of the apparent migration of the poles of a stable Europe for the interval of 250–100 Ma (Torsvik, Cocks, 2005) in combination with the well-known Late Paleozoic poles of Siberia [Shatsillo et al., 2012; 2014]. Other explanations in fig. 2 and in the text.

Download (377KB)

Indexing metadata

7. Fig. 6. Examples of thermal deformation of Devonian volcanics, characterizing clusters, selected by sections of Tuba, Cox, Bellyk, Novoselovo, Sisim and Trub. Ziyderveld's diagrams are given in the stratigraphic coordinate system.

Download (184KB)

Indexing metadata

8. Fig. 7. Cluster analysis of paleomagnetic directions by sites (a), (b), averaged paleomagnetic directions by clusters (c) and paleomagnetic poles for clusters (d) for Devonian volcanites of the Scotland ORS formation: (a) - density of distribution of directions over sites with positive inclinations (lower hemisphere); (b) —distribution density of directions over sites with negative inclinations (upper hemisphere). In fig. (d) drowned / open badges - northern / southern hemisphere; the black line is a large circle drawn through the poles for the clusters; Rhombic — the geographical location of the ORS formation; the bold gray line and its corresponding figures are the curve of the apparent migration of the pole of a stable Europe for the interval of 340–100 Ma (Torsvik, Cocks, 2005). Other explanations in fig. 2 and in the text. * To calculate the average direction for the cluster, we used directions by sites that fall into the distribution center on the densitogram (a).

Download (244KB)

Indexing metadata

9. Fig. 8. Comparison of calculated paleomagnetic (?) Poles by clusters for Devonian rocks of Scotland and the Minusinsk Depression, reduced to the "Siberian" coordinate system: squares - poles for objects of Scotland, circles - poles of Minusinsk objects; badges filled in - the northern hemisphere, open - southern; the asterisk is the middle pole in all anomalous clusters. Circles of trust filled with gray - for the poles on which an approximate circle is built (paleomeridian). The inset shows the distribution of anomalous poles reduced to the same polarity and to the center of the sphere (open icons for monopolar clusters, flooded for bipolar). To bring the poles of Scotland to the "Siberian" coordinate system, a rotation pole with coordinates of 79 ° C was used. w., 95 ° c. d., the rotation angle is 46 ° clockwise (in accordance with the work of [Shatsillo, 2015a]). Other explanations in the text.

Download (109KB)

Indexing metadata