Название проекта

 

Эволюция Тихоокеанского суперплюма в период с позднего протерозоя до мезозоя и его воздействие на окружающую среду по данным петрологического и геохимического изучения океанических базальтов и карбонатных отложений

 

Evolution of the Pacific superplume during the Late Proterozoic to the Mesozoic and its impact to the surface environment: petrogenetic and geochemical implications from oceanic basalts and carbonates

 

Фундаментальная научная проблема, на решение которой направлен проект

 

Океанический магматизм и его влияние на окружающую среду

 

Конкретная фундаментальная задача в рамках проблемы, на решение которой направлен проект

 

Задача проекта заключается в изучении возможной связи магматической активности Тихоокеанского суперплюма с изменениями окружающей среды в период с позднего протерозоя до мезозоя на основе геологических и геохимических данных по плюмовым (внутриплитным) базальтам и карбонатным отложениям, входящим в состав аккреционно-коллизионных поясов Алтае-Саянской области, Восточного Казахстана и Японии.

Особое внимание будет уделено изучению природы/петрогенезиса и эволюции магматизма, связанного с действием Тихоокеанского суперплюма, на основе: 1) детального анализа состава базальтов и вкрапленников пироксена в них; 2) определения РТ-параметров и состава расплавных включений в пироксене, включая определение содержаний летучих; 3) редкоэлементного и изотопного анализа карбонатов. Особое внимание будет уделено оценке количества СО2, выделяемого в результате супермлюмовой активности, и количества кислорода в океанической воде, что позволит выяснить степень воздействия вулканической активности на окружающую среду.

 

Предлагаемые методы и подходы

 

1. Будут проведены полевые работы на территории Алтая, Восточного Казахстана и Японии с отбором проб базальтов и перекрывающих их карбонатов для последующего анализа их редкоэлементного и изотопного состава, а также изучения вкрапленников в базальтах и расплавных включений в них. Методом детального геологического картирования с составлением схем 1:10000 и 1:25000 масштаба будет детально изучено структурное положение плюмовых базальтов и ассоциирующих с ними карбонатных пород в аккреционно-коллизионных зонах.

 

2. Впервые будет проведено детальное изучения редкоэлементного и изотопного (ICP-MS, XRF) состава океанических базальтов для выявления эволюции типа и состава мантийных источников.

 

3. С помощью LA ICP-MS (на базе Токийского института технологий) впервые будет проведен точечный анализ редких элементов и изотопов в силикатах (и расплавных включений в них) и карбонатах для изучения петрогенезиса, геохронологии и изменений окружающей среды, включая палео-условия окружающей среды (кислородный состав океанической воды). Метод изучения изотопного и редкоэлементного состава карбонатных пород (метод кислород-редкоэлементной барометрии) для интерпретации условий окружающей среды, разработанный группой японских исследователей из Токийского института технологий, будет впервые использован в таком масштабе для пород широкого возрастного диапазона (поздний протерозой – мезозой).

 

4. Методы термобарогеохимии расплавных включений будут использованы для определения физико-химических параметров исходных расплавов.

 

5. Метод SIMS будет впервые использован для изучения расплавных микровключений и определения количества и состава летучих в исходной магме (вулканической двуокиси углерода и воды) для последующей оценки степени воздействия активности суперплюмов на окружающую среду.

 

6. С помощью микрозонда будет проведено детальное изучение химического состава порфировых вкрапленников клинопироксена в базальтах для определения основных петрологических параметров образования базальтов.

 

7. С помощью геохронологических методов (Sm-Nd, Ar-Ar, U-Pb) будут впервые изучены образцы полнокристаллических разностей пород (дайковые и силовые серии) с внутриплитными геохимическими характеристиками для определения возраста их формирования.

 

План работ:

2007

апрель-май

- отбор и подготовка имеющихся образцов для аналитических исследований;

- первая поездка представителей японской стороны в Россию для участия в обсуждении проекта и отборе образцов (10 дней);

- подготовка картографических материалов для полевых работ;

- логистика полевых работ.

 

июнь-сентябрь

- полевые работы на Горном Алтае и Восточном Казахстане с отбором образцов из наиболее подходящих разрезов, включающих плюмовые базальты;

- полевые работы в Японии;

- обработка полевых материалов, составление геологических разрезов и схем, включающих внутриплитные океанические базальты;

- редкоэлементный и изотопный анализ состава имеющихся образцов базальтов в ИГМ СО РАН (ICM MS Finnigan).

 

октябрь-декабрь

– сортировка и систематика имеющихся и новых образцов базальтов и карбонатов;

- подготовка проб для аналитических исследований базальтов, расплавных включений и карбонатов;

- проведение аналитических работ: микрозонд вкрапленников, термобарогеохимия расплавных включений (ИГМ СО РАН);

- поездка российских специалистов в ТИТ для изучения редкоэлементного состава карбонатов и состава летучих компонентов и редких элементов в расплавных включениях на LA ICP MS и SIMS.

 

2008

январь-март

            - полевые работы в Японии;

            – проведение аналитических работ (микрозонд, термобарогеохимия в ИГМ СО РАН и ионный зонд в Институте микроэлектроники, Ярославль).

 

апрель-май

– вторая поездка представителей японской стороны в Россию для обсуждения первых результатов и отбора образцов (10 дней);

- редкоэлементный и изотопный анализ состава новых образцов базальтов в ИГМ СО РАН (ICM MS Finnigan).

 

июнь-август

            - полевые работы на Горном Алтае и Восточном Казахстане;

- обработка новых и имеющихся геохимических данных, их интерпретация и петрологическое моделирование;

- вторая поездка российских специалистов в ТИТ для изучения состава карбонатов и расплавных включений на LA ICP MS и SIMS;

– подготовка промежуточного отчета.

 

сентябрь–декабрь

- обработка полученного аналитического материала;

- подготовка публикаций в международных журналах;

- подготовка семинара по результатам проекта;

- поездка японских участников проекта в Россию.

 

2009

январь-февраль

- поездка российских участников в Японию для обсуждения результатов;

- подача рукописей статей для публикации в международных и российских журналах;

- подготовка финального отчета.

 

Ожидаемые результаты для первого года работ

 

1) Получение первых данных по геохимии радиоактивных изотопов Rb-Sr, Sm-Nd, U-Pb для имеющейся коллекции базальтов Палеоазиатского океана на базе Института геохимии и аналитической химии им. Вернадского (Москва, Россия) для последующих геодинамических реконструкций обстановки их формирования, определения условий петрогенезиса и типа мантийного источника.

2) Отбор новых образцов и получение дополнительных данных по геохимии редких элементов базальтов.

3) Составление базы аналитических данных по мезозойским базальтам из аккреционных зон Японии и отбор новых образцов.

4) Получение новых данных по составу и температуре гомогенизации расплавных включений в минералах-вкрапленниках базальтов Палео-Азиатского океана и Палео-Пацифики, что позволит определить основные петрологические параметры исходных расплавов;

5). Составление геологических и структурных схем для комплексов, включающих внутриплитные базальтов для уточнения их взаимоотношений с осадочными породами.

6). Построение предварительной петрологической модели плавления для венд-раннекембрийских, раннеордовикских и позднедевонско-раннекарбоновых базальтов Палеоазиатского океана и мезозойских базальтов Палеопацифики с использованием данных по химическому составу вкрапленников клинопироксена, PT-параметрам расплавных включений и их химическому составу, данным по геохимии породообразующих и редких элементов и по изотопному составу базальтов.

7) Петрографическое описание базальтов, содержащих вкрапленники и расплавные включения, для подготовки проб на SIMS анализ для последующего определения состава исходного расплава и содержания летучих в нем.
8) Отбор образцов карбонатных пород, их петрографическое описание для анализа редких элементов в них и реализации метода кислород-редкоэлементной барометрии карбонатных пород.

 

Современное состояние исследований в данной области науки, сравнение ожидаемых результатов с мировым уровнем (на русском языке)

 

Большинство исследователей признает, что наземные излияния базальтов Сибирского суперплюма в пермо-триасовое время привели к колоссальному изменению химического состава атмосферы, что, вероятно, и было причиной вымирания большого количества видов органического мира, как флоры, так и фауны, включая полное исчезновение динозавров. Влияние же подводных излияний базальтов на изменение окружающей среды в целом и состава атмосферы и морской воды, в частности, пока слабо изучено.

Фрагменты палеоокеанической литосферы сохраняются в складчатых поясах, фиксируя, наряду с более крупными фрагментами периокеанических островных дуг, реликты исчезнувших океанов. Чаще всего идентифицируются фрагменты разнотипных офиолитов (Coleman, 1977; Dobretsov et al., 1977; Dobretsov, Zonenshain, 1985; Nicolas, 1989). В последние годы выясняются все более частые случаи нахождения фрагментов океанических поднятий или островов в складчатых поясах разного возраста. Важным элементом океанических поднятий являются вулканогенно-осадочные толщи, состоящие чаще всего из базальтов, лавакластитов, осадочных пород склоновых фаций и карбонатной «шапки» (Safonova et al., 2004; Uchio et al., 2004; Добрецов и др., 2004).

Многолетнее изучение карбон-пермского террейна Акиоши на японских островах (Kanmera, Sano, 1991) показало, что в его составе различаются мелководные рифовые известняки, венчающие разрез океанического поднятия, и склоновые фации осадков, представленные карбонатно-кремнистыми породами типа спикулолитов, фациально замещающимися радиоляритами глубоководного подножия, и турбидитовыми кремнистыми и карбонатно-кремнистыми илами, реже туфо-песчаниками и туффитами, обрамляющими склоны поднятий. Аналогичные вулканогенно-осадочные фации были обнаружены и описаны в течение последних 5-ти лет в складчатых областых Центральной Азии (Buslov et al., 1993; Watanabe et al., 1996; Safonova et al., 2004; Dobretsov et al., 2004).

            Палеогеографическая идентификация океанических осадочных пород основана на: 1) ограниченном распространении терригенного материала, 2) одновременности накопления карбонатных и кремнистых толщ, которые накапливались на базальтах и перекрываются кремнистыми туфами с радиоляриями, и 3) наличием латеральной связи между массивными известняками и кремнями с радиоляриями через толщу обломочных известняков с прослоями кремней со спикулами губок и толщу  кремней, содержащую перемещенные линзы известняков. Перечисленные образования отлагались одновременно и по латерали тесно связаны друг с другом (Isozaki et al., 1990; Isozaki, 1997; Dobretsov et al., 2004; Uchio et al., 2001, 2004).

            Поэтому изучение элементов океанических островов и поднятий прошлого – вулканических пород (в первую очередь, базальтов) и осадочных толщ (в первую очередь, карбонатов) может оказать ключевым моментом в понимании эволюции внутриплитного магматизма и степени его воздействия на окружающую среду. Если в базальтах фиксируется эволюция магматических расплавов, то изменения окружающей среды фиксируются в составе карбонатов.

Из существующих представлений об эволюции древних океанов наиболее общепринятой является гипотеза связи раскола континентов и образования океанов с действием суперплюмов и их влиянием на дальнейшую эволюцию океанов и океанического магматизма (Hoffman, 1991; Tucker, 1992; Maruyama, 1994).

Плюмовые базальты Алтае-Саянской области, Восточного Казахстана и Японии, сохранившиеся в виде фрагментов в аккреционно-коллизионных поясах, являются единственными объектами, позволяющими охарактеризовать эволюцию самого Тихоокеанского суперплюма и построить петрологическую модель плюмового магматизма для широкого временного интервала около 600 млн. лет от венда до мела. Сравнение результатов, полученных в ходе изучения геохимии и петрогенезиса рассматриваемых объектов и геодинамической эволюции Палео-Азиатского океана и Палео-Пацифики, позволит наиболее полно и достоверно решить поставленную в проекте задачу.

Сформированные за счет плюмов океанические острова и поднятия в современных океанах слагают значительные объемы, не уступающие площади и объему островных дуг. Высота таких поднятий над дном океана варьирует от 1,5 до 5 км, мощность коры – от 10 до 35 км (как в островных дугах), площадь варьирует от отдельных гор около 100 км до поднятий (типа поднятий Шацкого, Онтонг-Ява, Кергулен) c площадью до 100000 км2 и более (Cloos, 1993; Чехович, 1999 и др.). Несомненно, что огромная масса излившихся под водой базальтов оказала то или иное воздействие на баланс двуокиси кислорода и кислорода как в атмосфере, так и в океанической воде, которое фиксируется в редкоэлементном составе карбонатных пород, отлагающихся на вершине и мелководных склонах подводных гор. Состав же газов, выделяющихся из магмы при извержении, можно изучить по составу газовой фазы в расплавных микровключениях в минералах-вкрапленниках.

Базальты, связанные с плюмовой активностью, изучались многими исследователями (Albarede, Hofmann, Saunders, Maruyama, Kerrich, Campbell, Putchel, White, Tarney, Arnd и др.). Для выяснения связи вещественного состава пород с геодинамическими условиями формирования и эволюции магм обычно проводятся комплексные геохимические, петрологические, геологические и тектонические исследования (Hofmann, 1997).

Алтае-Саянская складчатая область (АССО) является палеозойской аккреционно-коллизионной структурой, сформированной по периферии Сибирского континента в результате закрытия Палеоазиатского океана [Зоненшайн и др., 1990;  Берзин и др., 1994, 1994; Dobretsov et al., 1985). Считается, что в вендско-кембрийское время в зоне сочленения Палеоазиатского океана и Сибирского континента была сформирована островодужная система. Наиболее полно геодинамические комплексы субдукционно-коллизионной стадии эволюции Палеоазиатского океана сохранились на Горном Алтае и Восточном Казахстане (Simonov et al., 1994; Buslov, Watanabe, 1996; Buslov et al., 2001).

В Горном Алтае в составе раннекаледонской аккреционно-коллизионной структуры  выделяются примитивная венд-раннекембрийская островная дуга, кембрийско-аккреционная призма, развитая ранне-среднекембрийская островодужная система, преддуговой прогиб и задуговой бассейн. Аккреционная призма была сформирована в результате субдукции океанической коры и коллизии океанических поднятий с островной дугой. В ее составе совместно с пластинами олистостром и серпентинитовым меланжем находятся террейны океанических островов и поднятий, океанических базальтов и субдукционные метаморфические породы (эклогиты, гранатовые амфиболиты, голубые сланцы) (Buslov et al., 1993, 1998, 2001, 2002, 2004; Safonova et al., 2004).

Изучение перечисленных геодинамических единиц позволило реконструировать особенности палеогеодинамических процессов на ранних стадиях формирования складчатых структур АССО, которые развивались по аналогии с активной окраиной западной части Тихого океана (Buslov et al., 1993; Watanabe et al., 1994; Буслов, Ватанабэ, 1996).

Горно-Алтайский регион включает Курайский и Катунский аккреционные клинья, формирование которых связано с венд-средне-кембрийским этапом субдукции океанической коры Палео-Азиатского океана и аккреции палеоокеанических островов к Кузнецко-Алтайской островной дуге. Чарыш-Теректинская зона сдвигов СЗ Алтая с базальтами засурьинской свиты представляет собой позднедевонско-раннекарбоновую зону сочленения Алтае-Монгольского микроконтинента с Сибирским континентом. Чарская зона сдвигов маркирует позднекарбоново-раннепермскую коллизионную структуру Казахстанского и Сибирского континентов, образованную при закрытии Обь-Зайсанской ветви Палео-Азиатского океана (Buslov et al., 2001). Карбонатные отложения Баратальского террейна были детально изучены сотрудниками ИТМ СО РАН и Токийского института технологий, что позволило доказать их тесную связь и определить их возраст (Isozaki, Ota, 2001Uchio et al., 2004)

Курайский аккреционный клин южной части Горного Алтая состоит из трех структурных единиц (Buslov et al., 1993, 2002). Верхняя структурная единица представлена тектоническими платинами, сложенными олистостромами и отложениями океанического острова, включающими кремнисто-карбонатные брекчированные породы склоновых фаций с характерной конседиментационной Z-складчатостью и известняки «шапки» океанического острова с ооидами и строматолитами с возрастом 598±25 млн. лет (Pb-Pb метод, Uchio et al., 2003) (рис. 2). Средняя структурная единица состоит из вулканогенной и карбонатной толщ, олистостром и метаморфических пород. Вулканогенная толща представлена базальтовыми лавами и дайками диабазов. Карбонатная толща сложена слоистыми и массивными известняками, глинистыми породами и песчаниками. Нижняя структурная единица представлена Чаган-Узунской офиолитовой меланжевой зоной, включающей пластины габбро-ультрамафитов, серпентинитовые сланцы с блоками  эклогитов и  гранатовых  амфиболитов.

Подушечные и вариолитовые лавы палеокеанического поднятия находятся в ассоциации с отложениями склоновых фаций и массивными известняками карбонатной “шапки “ (Buslov et al., 1993, Dobretsov et al., 1995, 2004;  Буслов, Сафонова, 2004; Safonova et al., 2004).

Катунский аккреционный клин северной части Горного Алтая состоит из нескольких тектонических пластин, в пределах которых наблюдаются стратиграфические взаимоотношения базальтов с осадочными породами (Гибшер и др., 1996; Добрецов и др., 2004; Буслов, Сафонова, 2004; Сафонова, 2004). Базальт-осадочные толщи представлены тремя группами пород, формировавшими ранее единый комплекс отложений палеоокеанического острова: 1) базальт-кремнисто-глинистое основание острова; 2) брекчированные карбонатно-кремнисто-глинисто-базальтовые  склоновые фации; 3) массивная и слоистая карбонатно-туфовая вершина (“шапка”). Возраст пород второй группы  надежно датируются микрофитолитами, известковыми водорослями и спикулами кремневых губок как раннекембрийский (Терлеев, 1991), а также по несогласно перекрывающим отложения аккреционного клина островодужным отложениям ранне-среднего кембрия с конгломератами в основании (Репина, Романенко, 1978).

Чарыш-Теректинская сдвиговая зона состоит из деформированных фрагментов окраинных частей Алтае-Монгольского микро-континента и Сибирского континента и океанической коры Палео-Азиатского океана (Buslov, Safonova et al., 2001). Океанические базальты обнаружены в составе засурьинской свиты, которая представлена тектоническими чешуями, сложенными пестроцветными песчаниками, кремнистыми породами, пиллоу-лавами базальтов, их туфами, силлами и дайками габбро-диабазов. Базальты ассоциируют с темно-красными и серо-зелеными кремнистыми породами, которые содержат конодонты и радиолярии позднего кембрия - раннего ордовика (Iwata et al., 1997; Сенников и др., 2003). В прослоях крупнозернистых песчаников встречаются обломки исключительно кремнисто-глинистых пород, кремнистых отложений, базальтов и туфов. Брекчированность и Z-образная складчатость пород в некоторых тектонических пластинах предполагает их отложение на склонах океанического острова  (Буслов, Сафонова и др., 1999).

Чарская сдвиговая зона является главным элементом геологической структуры Восточного Казахстана, в пределах которой наиболее изученным  является Чарский офиолитовый пояс. В Чарской зоне выделяются тектонические единицы различного строения, возраста и геодинамического происхождения: 1) субдукционный меланж с блоками O3-S1 HP метаморфических пород и вулканогенно-кремнистых пород с остатками радиолярий и конодонтов D2-C1, (Iwata et al., 1994, 1997); 2) ордовикские офиолиты с чешуями пород океанической коры, структурно связанные с прослоями кремнистых алевролитов и яшмоидов с радиоляриями и конодонтами D2-C1 (Сенников и др., 2003); 3) полимиктовый меланж C2-P1 c фрагментами субдукционного меланжа и офиолитов. Чарские базальты ассоциируют с массивными известняками и кремнистыми отложениями склоновых фаций с конодонтами, что предполагает мелководную океаническую обстановку их излияния в условиях океанического поднятия.

Современный подход к изучению геодинамических обстановок формирования, мантийных источников, пост-магматических изменений и петрологии плюмовых базальтов из древних складчатых областей предполагает детальное изучение их редкоэлементного, редкоземельного и изотопного состава, определения их возраста с помощью современных методов и аппаратуры, корреляции геохимических данных с геологическими. В публикация многих исследователей представлены результаты такой работы, выполненной в самых разных регионах Земли и на самом высоком аналитическом и теоретическом уровне (Mahoney et al., 1993; Hemond et al., 1993; Hards et al., 1995; Puchtel et al., 1997b; Polat et al., 1999; Condie et al., 2002; Komiya et al., 2002, 2004 и др.).

Таким образом, мировая практика изучения редкоэлементного и изотопного состава базальтов, минералогического изучения фенокристов и расплавных включений в них весьма обширна и позволяет проследить эволюцию океанического магматизма, а именно, состава исходных расплавов, РТ- параметры этих расплавов, состав излившихся базальтов, тип мантийных источников и т.д.. Метод кислород-редкоэлементной бароментрии по составу карбонатов позволяет получить информацию о кислородном составе океанической воды.

Полученные нами результаты позволят выяснить существует ли связь между составом исходных расплавов и количеством газов, выделяющихся при извержении, и, в свою очередь, оценить степень воздействия извержений прошлого на окружающую среду.

 

Имеющийся у коллектива научный задел по предлагаемому проекту: полученные ранее результаты, разработанные методы

 

В ходе предыдущих российско-японских исследований участниками коллектива были предварительно определены геодинамические условия формирования и основные типы мантийных источников базальтов на основе анализа геохимических данных в сочетании с данными о структурном положении базальтовых толщ в складчатых аккреционно-коллизионных зонах. Были сделаны предварительные выводы о формировании океанических базальтов Палео-Азиатского океана в геодинамических обстановках срединно-океанических хребтов, океанических плато и океанических островов, однако, требующие более четкого обоснования. Было показано, что в пределах западной части Палео-Азиатского океана в период с позднего венда до раннего карбона проявилось действие мантийных плюмов (cсылки см. пункт 33.12 Формы 33).

В западной части Алтае-Саянской области выделяется три крупных складчатых структуры, включающие океанические базальт-осадочные толщи: Горноалтайский террейн, в состав которого входят Курайская и Катунская аккреционные призмы, Чарыш-Теректинская сдвиговая зона (СЗ Алтай) и Чарская сдвиговая зоны (Восточный Казахстан).

В Курайском аккреционном клине (вендская океаническая кора) выделено два типа базальтов поздневендско-раннекембрийского возраста: обогащенные Ti базальты океанического плато и/или острова и базальты схожие с MORB со средним содержанием  TiО2. Базальты океанического плато характеризуются плоскими кривыми распределения редкоземельных элементов (РЗЭ) с небольшими вариациями легких РЗЭ (La/SmN =0,67-1,3, Gd/YbN = 0,95-1,39). Относительно средних РЗЭ имеются небольшие отрицательные аномалии по Zr и Hf. Базальты типа MORB (среднетитанистые) слегка истощенны легкими РЗЭ и характеризуются плоскими участками тяжелых РЗЭ (La/SmN =0,6-0,8, Gd/YbN = 0,7-1,0), а также Nb-Ta минимумами (Nb/LaN =0,3-0,7, La/TaN= 1,7-2,3). Базальты океанического плато/острова обнаруживают небольшое истощение железом по отношению к среднетитанистым базальтам (Fe2O3 = 11-13 vs. 11-16 масс.%). В них Mg# варьирует от 36 до 53 при относительно узком разбросе содержаний SiO2 (48-52 масс.%). Fe, Ti, Zr и все РЗЭ неравномерно возрастают с ростом Mg#. По составу базальты близки к меловым океаническим платобазальтам, как, например, бассейна Науру. Характер Th аномалий по отношению к La в курайских базальтах меняется от негативного к позитивному (Th/Lan=0,4-3,7) при негативных Nb аномалиях относительно La (Nb/LaN =0,2-0,7). Курайские базальты, промежуточные по составу между щелочными и толеитовыми, интерпретируются как базальты океанического плато, выплавленные в результате действия гетерогенного многокомпонентного мантийного плюма. Отрицательные аномалии по Zr и Hf в платобазальтах соответствуют представлениям об их выплавлении на уровне глубин шпинелевой фации. Такое плато могло быть разбито на отдельные фрагменты, которые вошли в состав субдукционно-аккреционного комплекса, сформированного на юго-западной окраине Сибирского континента и тектонически перемешаны с островодужными вулканическими породами в раннем кембрии (Safonova et al., 2004; Добрецов и др., 2004; Dobretsov et al., 2004; Safonova and Buslov, 2004, Сафонова, Буслов, 2004).

Карбонатные пород Курайского палеосимаунта были изучены Pb-Pb методом в Токийском Институте Технологий, который дал их возраст 590 ±30 млн.лет (Uchio et al., 1997).

Температуры кристаллизации клинопироксена (1005-1120°C и 1100-1205°C) и температуры образования курайских базальтовых расплавов (1160-1250°С) соответствуют таковым для плато Науру (Симонов и др., 2004).

В Катунском аккреционном клине (раннекембрийская океаническая кора) выделяются два типа базальтов по содержаниям TiO2 и P2O5. Высокотитанистые базальты 1 типа обогащены HFSE, истощены Sr, Rb и Ba, имеют высокие отношения K/Rb, K/Ba и Zr/Nb, промежуточные Nb/Zr и Nb/Y. Имеются небольшие положительные аномалии Nb и отрицательные аномалии по Th. Низкотитанистые базальты 2 типа включают истощенные HFSE и обогащенные LILE породы усть-семинской свиты с низкими отношениями K/Rb, K/Ba и Zr/Nb, низкими Nb/Zr и Nb/Y  близкими к MORB. Базальты 2 типа имеют отрицательные аномалии по Nb. Для базальтов 1 типа характерны кривые распределения редкоземельных элементов, явно обогащенные легкими РЗЭ. Образцы 2 типа истощены легкими РЗЭ и близки по составу с многими щелочными базальтами океанических островов, образованных без участия корового материала. Отрицательные аномалии Nb и Ta для 2-го типа базальтов предполагают, что магмы генерировались при участии фракционной кристаллизации минералов богатых Nb и Ta (Ti-Fe оксиды).

Два типа Катунских базальтов могли выплавляться при различных степенях частичного плавления в мантии и на различной глубине. Предварительная интерпретация геохимических данных показала, что Катунские базальты могли сформироваться в обстановках срединно-океанических хребтов и океанических островов Палео-Азиатского океана (Dobretsov et al., 2004; Safonova and Buslov, 2004).

В Чарыш-Теректинской сдвиговой зоне (позднекембрийская-раннеордовикская океаническая кора) СЗ Алтая (засурьинская свита) представлены щелочные и толеитовые базальты. По соотношениям в системе NbZrY выделябтся две группы базальтов: 1) близкие к MORB с низкими содержаниями TiO2, P2O5 и щелочей и 2) близкие к БОО (плюмовые) (Buslov et al., 2000; Safonova et al., 2004).

Базальты плюмового типа обогащены легкими РЗЭ и близки по составу к базанитам Каула. Кривые распределения РЗЭ для базальтов типа MORB меньше обогащены легкими РЗЭ, и от толеитов Каула они отличаются большей истощенностью тяжелыми РЗЭ, а от современных N-MORB – более высокими легкими РЗЭ. Все образцы обогащены некогерентными элементами по сравнению с N-MORB, что делает их похожими на платобазальты (Буслов и др., 2000). Базальты типа MORB слегка обеднены Nb (Nb/LaN < 1), тогда как плюмовые базальты имеют Nb/LaN от 1,03 до 1,44.

В системе Ti/Yb Nb/Th было установлено, что почти все засурьинские базальты имеют значения Nb/Th (15.3 ± 1.1) близкие к БОО. Отношения Ti/Yb ниже, чем для базальтов гавайской системы океанических островов (Буслов и др., 2000, Buslov et al., 2001; Safonova et al., 2004).

В Чарской сдвиговой зоне (позднедевонско-раннекарбоновая океаническая кора) представлены пиллоу-лавы, кремнистые алевролиты и кремни (Buslov et al., 2001a).

По отношению P2O5/TiO2, отражающему степень обогащения несовместимыми элементами было выделено 2 группы базальтов: с характеристиками MORB и толеитовых БОО (P2O5/TiO2<0,15) и близкие к щелочным БОО (Buslov et al., 2001; Safonova et al., 2004).

По содержанию редких элементов выделяется образцы с высоким Nb, т.е. близки к БОО, и образцы, имеющие характеристики MORB. В системе NbZrY Чарские базальты соответствуют N-MORB и внутриплитным базальтам. Базальты типа БОО имеют кривые РЗЭ, обогащенные легкими РЗЭ (LaN = 106, (La/Yb)N = 5.85) и похожие на кривые РЗЭ базальтов засурьинской свиты Восточного Казахстана. Образцы типа MORB не обогащены ЛРЗЭ  и схожи с засурьинскими базальтами типа MORB. Имеются образцы с промежуточными содержаниями легких РЗЭ , котоыре по составу ближе к Катунским базальтоидам, требующие дальнейшего изучения.

По изотопному составу Sm, Nd, Rb, Sr разброс значений εNd  для всех типов базальтов составляет от +5,2 до +8,1, что совпадает с таковыми, характерными для ранне-среднепалеозойских магматических пород всей АССО (Ярмолюк, Коваленко, 2003). Самые высокие значения εNd в вендских базальтах Курайская зоны (от +7,8 до +8,1) связаны с участием в их образовании деплетированной мантии. В целом более обогащенные некогерентными элементами разности имеют более низкие εNd. Образцы с Nb/La>1 близки к мантийному тренду, что предполагает их плавление из обогащенного источника (εNd=+6,5).

Заметное обогащение 87Sr (87Sr/86Sr до 0,7179) рассматривается как результат постмагматических изменений базальтов, что подтверждается данными по 87Sr/86Sr для палеозойских вулканитов АССО и измененных платобазальтов Аруба (Ярмолюк, Коваленко, 2003; White et al., 1999).

Так как нет прямой корреляции между величиной изотопных отношений 143Nd/144Nd и обогащением LREE, можно предположить, что обогащение источника произошло незадолго до выплавления из него базальтового расплава.

Таким образом, в аккреционных и сдвиговых структурах западной части Алтае-Саянской области выделены три группы базальтоидов: базальтовые андезиты и базальты с характеристиками БОО, океанические плато базальты и базальты с характеристиками MORB.

В венд-фанерозойской эволюции Палео-Азиатского океана зафиксировано 4 периода плюмового вулканизма: 1) вендский (Курайская зона); 2) раннекембрийский (Катунская зона); 3) позднекембрийский-раннеордовикский (засурьинская свита) и 4) позднедевонско-раннекарбоновый (Чарский пояс).

Изучение четырех разновозрастных базальтовых комплексов с характеристиками БОО, ОПБ и MORB показало, что они выплавлялись как из обогащенных, так и из истощенных мантийных источников, позже вошли в состав аккреционных клиньев и иллюстрируют историю вулканизма горячих точек Палео-Азиатского океана. Изученные базальты относятся к толеитовой и/или известково-щелочной серии, а также к группе щелочных базальтов.

Ранее было сделано предположение, что океанические базальты из четырех участков Алтае-Саянской области выплавлялись либо из разных источников, либо из одного мантийного источника, а потом разделиться в результате контаминации веществом верхней мантии. Например, слабо деплетированная океаническая мантия могла взаимодействовать с восходящими плюмовыми потоками. Достаточно высокие содержания LILE и умеренное истощение Nb позволяет предположить взаимодействие между мантийным плюмом и мантийным источником, находящимся на уровне шпинелевой фации (Safonova et al., 2004; Safonova and Buslov, 2004).

На примере метабазальтов из Горного Алтая, северо-восточного Алтая и Восточного Казахстана было показано, что фрагменты океанической коры, заключенные в аккреционно-коллизионных поясах, включают разрезы океанических островов, и являются важными элементами в структуре таких поясов (Добрецов и др., 2004; Dobretsov, 2004; Сафонова и др., 2004; Safonova et al., 2004; Safonova and Buslov, 2004; Сафонова, Буслов, 2004).

Кроме работ по Алтае-Саянской складчатой области участниками проекта ранее проводились комплексные исследования океанических базальтов с использованием анализа расплавных включений в клинопироксенах, и были получены данные об условиях петрогенезиса базальтовых серий района Онтонг Джава и бассейна Науру (Тихий океан). Результаты показали, что первичные расплавы бассейна Науру и плато Онтонг Джава сформировались в ходе плавления мантийного субстрата при более высокотемпературных условиях и на больших глубинах, чем расплавы СОХ. При это по геохимическим параметрам платобазальты близки к MORB (Симонов и др., 2004, 2005; Simonov et al., 2004).

Таким образом, в ходе предыдущих участниками коллектива впервые для данного региона исследований было сделано следующее:

- выделено нескольких типов базальтов Палео-Азиатского океана – толеитовые, щелочные и субщелочные - присутствующих в виде фрагментов в аккреционно-коллизионных поясах и сдвиговых зонах Восточного Казахстана и западной части Алтае-Саянской складчатой области;

- предварительно определены геодинамические условия формирования базальтов на основе комбинации методов анализа геохимических данных, литологии пород и анализа структурного положения базальтовых толщ в складчатых зонах;

- определено положение базальтовых толщ в аккреционно-коллизионных складчатых структурах, где они встречаются в виде подушечных и массивных лав и даек, ассоциирующих с кремнисто-терригенно-карбонатными породами в случае склоновых фаций океанических островов и перекрыты рифогенными известняками в случае базальтов океанических островов и плато;

- проведено предварительное изучение состава породообразующих, редких и редкоземельных элементов с помощью рентгено-флуоресцентного и нейтронно-активационного анализа;

- с помощью петрографических и геохимических критериев обоснована подвижность крупноионных литофильных элементов (K, Sr, Ca), низкая подвижность Mg, Al, Si и Ti и относительная неподвижность Ni, Cr, тяжелых редкоземельных и высокозарядных элементов в ходе пост-магматических процессов;

- на основании оценки подвижности элементов и поставленных задач обосновано использование тех или иных вариационных и дискриминационных диаграмм для определения геодинамических обстановок и петрологических условий формирования базальтов;

- дана предварительная оценка влиянию процессов вторичных изменений, метаморфизма, коровой контаминации, частичного плавления и фракционной кристаллизации на состав базальтов;

- показано, что вулканизм горячих точек (плюмовый магматизм) действовал на ранних этапах эволюции Палео-Азиатского океана в период с позднего венда до раннего карбона.

На примере Горного Алтая хорошо видно, что фрагменты океанической коры, сохранившиеся в составе аккреционных призм, представлены базальтами и осадочными породами палеоокеанических островов  и плато и, в меньшей степени, базальтами срединно-океанических хребтов.

Плюмовые базальты Алтая и Японии являяются хорошо сохранившимся геологическим объектами, где реконструируются вулканические и седимантационные процессы, происходившие при формировании океанической коры Палео-Азиатского океана. Изучение распространения палеоокеанических островов в структурах складчатых областей имеет важное значение для реконструкции эволюции суперплюмов и их влияния на поверхностные условия осадконакопления. Детальное изучение вулканических и осадочных пород палеоокеанических поднятий, включая анализ состава базальтов и вкрапленников пироксена в них, определение РТ-параметров, состава расплавных включений в пироксене и содержаний летучих, редкоэлементный и изотопный анализ карбонатов и оценка количества СО2, выделяемого в результате супермлюмовой активности, и количества кислорода в океанической воде позволит выяснить степень воздействия вулканической активности на окружающую среду.

Новизна используемых методов состоит в том, что впервые будет проведено детальное изучения редкоэлементного и изотопного (ICP-MS, XRF) состава океанических базальтов для выявления эволюции типа и состава мантийных источников. С помощью LA ICP-MS (на базе Токийского института технологий) впервые будет проведен точечный анализ редких элементов и изотопов в силикатах (и расплавных включений в них) и карбонатах для изучения петрогенезиса, геохронологии и изменений окружающей среды, включая палео-условия окружающей среды (кислородный состав океанической воды). Метод изучения изотопного и редкоэлементного состава карбонатных пород (метод кислород-редкоэлементной барометрии) для интерпретации условий окружающей среды, разработанный группой японских исследователей из Токийского института технологий, будет впервые использован в таком масштабе для пород широкого возрастного диапазона (поздний протерозой – мезозой).

Методы термобарогеохимии расплавных включений будут использованы для определения физико-химических параметров исходных расплавов. Метод SIMS будет впервые использован для изучения расплавных микровключений и определения количества и состава летучих в исходной магме (вулканической двуокиси углерода и воды) для последующей оценки степени воздействия активности суперплюмов на окружающую среду.

 

Список основных публикаций коллектива, наиболее близко относящихся к предлагаемому проекту (на языке оригинала публикации)

1.    Буслов М.М., Ватанабе Т. (1996) Внутрисубдукционная коллизия и ее роль в эволюции аккреционного клина (на примере Курайской зоны Горного Алтая, Центральная Азия). Геология и геофизика, т. 37, № 1, с. 82-93.

2.    Буслов М.М., Фудживара И., Сафонова И.Ю., Окада Ш., Семаков Н.Н. (2000) Строение и эволюция зоны сочленения террейнов Рудного и Горного Алтая. Геология и геофизика, т. 41, № 3, с. 383-398.

3.    Добрецов Н.Л., Буслов М.М., Сафонова И.Ю., Кох Д.А.  (2004) Фрагменты океанических островов в Курайском и Катунском аккреционных клиньях Горного Алтая. Геология и геофизика, т. 45, №. 12, с. 1381-1403.

4.    Сафонова И.Ю., Буслов M.M., Кох Д.A. (2004) Фрагменты океанической коры Палео-Азиатского океана в Горном Алтае и Восточном Казахстане: геохимия и структурное положение. Литосфера, № 3, с. 84-96.

5.    Сафонова И.Ю., Буслов М.М. (2004) Геохимия океанических базальтов Курайской аккреционной призмы (Горный Алтай). В кн.: Глубинный магматизм, его источники и их связь с плюмовыми процессами / Под ред. Владыкина Н.В., Иркутск, Институт геохимии им. Виноградова, с. 314-332.

6.    Симонов В.А., Золотухин В.В., Ковязин С.В., Альмухамедов А.И., Медведев А.Я. (2004) Петрология базальтовых серий подводного плато Онтонг- Джава-Науру, Тихий океан. Петрология, т. 12, № 2, с. 191-205.

7.    Симонов В.А., Ковязин С.В., Колобов В.Ю. (2004) Физико-химические параметры магматических систем гайота Кастор (Тихий океан). Доклады РАН, т. 398, 4, с. 529-532.

8.    Симонов В.А., Ковязин С.В., Васильев Ю.Р., Махони Дж. (2005) Физико-химические параметры континентальных и океанических платобазальтовых магматических систем (данные по расплавным включениям). Геология и геофизика, т. 46, №. 9 (принято в печать).

 9.    Buslov M. M., Watanabe T., 1996. Intrasubduction collision and its role in the evolution of accretionary wedge: the Kurai  zone from Gorny Altay, as example. Russian Geology and Geophysics, v. 36, No. 1, p. 83-94.

10. Buslov, M.M., Saphonova, I.Yu, Watanabe, T., Obut, O.T., Fujiwara, Y., Iwata, K., Semakov, N. N., Sugai, Y., Smirnova, L.V., Kazansky, A.Yu. and Itaya, T. (2001a)  Evolution of the Paleo-Asian Ocean (Altai-Sayan Region, Central Asia) and collision of possible Gondwana-derived terranes with the southern marginal part of the Siberian continent. Geoscience journal, v. 5, no. 3, pp. 203-224.

11. Buslov, M.M., Saphonova, I.Yu., Watanabe, T., Obut, O.T., Fujiwara, Y., Iwata, K., Semakov, N. N., Sugai, Y., Smirnova, L.V., Kazansky, A.Yu. and Itaya, T. (2001b)  Evolution of the Paleo-Asian Ocean (Altai-Sayan Region, Central Asia) and collision of possible Gondwana-derived terranes with the southern marginal part of the Siberian continent // Geoscience journal, v. 5, no. 3, pp. 43-56.

12. Buslov M. M., Dobretsov N.L., and Saphonova I. Yu. (2001c). Kurai region in Gorny Altai. In: Dobretsov N.L., Vladimirov A.G. (Eds) “Continental growth in the Phanerozoic: evidence from Central Asia”. Field excursion guide, UIGGM, Novosibirsk, p. 82-101.

13. Buslov M. M., Watanabe T., Saphonova I. Yu., Iwata K., Travin A., Akiyama M. (2002) A Vendian-Cambrian island arc system of the Siberian continent in Gorny Altai (Russia, Central Asia), Gondwana Research (Geosciences Journal), vol. 5, no. 4, p. 781-800.

14. Dobretsov, N.L., Buslov, M.M., Delvaux, D., Berzin, N.A. (1996) Meso- and Cenozoic tectonics of the Central Asian mountain belt: effects of lithospheric plate interaction and mantle plumes. Intern. Geology Review 38, 430-466.

15. Dobretsov N.L., Buslov M.M., Uchio Yu. (2004а) Fragments of oceanic islands in accretion-collision areas of Gorny Altai and Salair, southern Siberia, Russia: early stages of continental crustal growth of the Siberian continent in Vendian-Early Cambrian time // Journal of Asian Earth Sciences, V. 23. – P. 673-690.

16. Ota T., Buslov M.M., Watanabe T. Metamorphic evolution of the Late Precambrian eclogite and associated metabasites, Gorny Altai, Southern Russia. International Geology Review, 2002, pp. 837-858.

17. Safonova I.Yu., Buslov M.M. Geochemistry of oceanic basalts of the Katun accretionary wedge in northern Gorny Altai: evidence for mantle plume magmatism // Deep-seated magmatism: its sources and their relation to plume processes. - N.V. Vladykin (Ed.). – Irkutsk: Vinogradov Inst. Geochem. Publ., 2004.­ - P. 273-292.

18. Safonova I.Yu., Buslov M.M., Iwata K., Kokh D.A. (2004) Fragments of Vendian-Early Carboniferous Oceanic Crust of the Paleo-Asian Ocean in Foldbelts of the Altai-Sayan region of Central Asia: Geochemistry, Biostratigraphy and Structural Setting // Gondwana Research, V. 7, no. 3.­ - P. 771-790.

19. Uchio, Y, Isozaki, Y., Nohada, S., Kawahata, H., Ota, T., Buslov, M.M., Ueno K. and Hisada.K. The Vendian to Cambrian: Paleo-environment in shallow mid-ocean: stratigraphy of Vendian - Cambrian seamount-top limestone in The Gorny Altai mountains, southern Russia // Gondwana Research. Special issue on Rodinia, Gondwana and Asia. October 2001, vol. 4, No.4, pp.L.47-48.

20. Uchio, Y, Isozaki, Y., Nohada, S., Kawahata, H., Ota, T., Buslov, M.M., and Maruyama, S. Mid-oceanic environment in the Vendian to Cambrian: record of ancient seamount-top limestone in Gorny Altai area, southern Russia. In: Sklyarov Eu.V. (Ed.) Assembly and breakup of Rodinia supercontinent: evidence from South Siberia. Irkutsk, 2001, pp. 187-190.

21. Uhio Yu., Isozaki Yu., Ota Ts., Utsunomiya A., Ishikawa A., Buslov M., Maruyama Sh. (1999) Vendian-Cambrian limestone capping plume-derived paleoseamount in the Gorny Altai mountain, southern Russia: field occurrence and lithology. In: Superplume. Intern. Workshop, January 1999, Waco, Japan, p. 143-144.

22. Utsunomiya A., Ota Ts., Ishikawa A., Maruyama Sh., Buslov M. (1999) Petrology of greenstones from the Cambrian accretionary complex, Gorny Altai region, southern Russia. In: Superplume. Intern. Workshop, January 1999, Waco, Japan, p. 153-154.

23. Watanabe T., Buslov M. M., Koitabashi S., 1993. Comparison of arc-trench systems in the Early Paleozoic of Gorny Altai and the Mesozoic-Cenozoic of Japan // Reconstructions of the Paleo-Asian ocean. VSP International Sciences Publishers, the Netherlands, p. 160-177.

 


Список основных (не более 5) публикаций руководителя проекта в рецензируемых журналах за последние 3 года

 

1.     Buslov M. M., Watanabe T., Safonova I.Yu., Iwata K., Travin A., Akiyama M. A Vendian-Cambrian island arc system of the Siberian continent in Gorny Altai (Russia, Central Asia) // Gondwana Research. - 2002. - V. 5, no. 4.­- P. 781-800.

2.     Safonova I.Yu., Buslov M.M. Geochemistry of oceanic basalts of the Katun accretionary wedge in northern Gorny Altai: evidence for mantle plume magmatism // Deep-seated magmatism: its sources and their relation to plume processes. - N.V. Vladykin (Ed.). – Irkutsk: Vinogradov Inst. Geochem. Publ., 2004.­ - P. 273-292.

3.     Safonova I.Yu., Buslov M.M., Iwata K., Kokh D.A. Fragments of Vendian-Early Carboniferous Oceanic Crust of the Paleo-Asian Ocean in Foldbelts of the Altai-Sayan region of Central Asia: Geochemistry, Biostratigraphy and Structural Setting // Gondwana Research . – 2004. - V. 7, no. 3.­ - P. 771-790.

4.     Dobretsov N.L., Buslov M.M., Safonova I.Yu., Kokh D.A.  (b) Fragments of oceanic islands in the Kurai and Katun accretionary wedges of Gorny Altai // Russian Geology and Geophysics, v. 45, no. 12, pp. 1381-1403.

5.     Сафонова И.Ю., Буслов M.M., Кох Д.A. Фрагменты океанической коры Палео-Азиатского океана в Горном Алтае и Восточном Казахстане: геохимия и структурное положение // Литосфера. – 2004. - № 3, С. 84-96.