CC BY
102
ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 550.311:551.24(470.21)
ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ НЕОДНОРОДНОСТИ КЕЙВСКОГО БЛОКА И ИХ ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ПРИРОДА
В.Т. Филатова1, В.П. Петров2
*Г еологический институт КНЦ РАН 2КНЦ РАН
Аннотация
Для оценки влияния тектонических режимов и характера метаморфических процессов на вещественный состав, строение и промышленную значимость месторождений полезных ископаемых Кейвского блока определена структура геофизических аномалий в пределах района и выявлены её корреляционные связи с петрофизическими характеристиками пород, а также со стадийностью проявления деформационных и метаморфических процессов.
Ключевые слова:
Кейвы, неоархей, палеопротерозой, Балтийский щит, геофизическое поле, тектонический режим, метаморфический процесс.
Введение
В работе рассмотрены тектоноструктурные и пространственно-временные особенности формирования земной коры Кейвского рудного района, наиболее интересного геологического объекта в пределах Кольского региона из-за наличия в нем своеобразных архейских комплексов пород, которые в других структурах региона не наблюдаются. Этот блок сложен неоднократно метаморфизованными и деформированными образованиями зрелой континентальной коры. На его территории известны месторождения и рудопроявления индустриальных минералов и редкометалльного сырья. К уникальным объектам относятся кианитовые сланцы, образующие крупнейшее в мире Кейвское месторождение огнеупорного и глинозёмистого сырья, протягивающееся на 120 км. Многоэтапная тектонометаморфическая переработка этих пород обусловила значительное разнообразие отдельных типов кианитовых руд и их специфические черты структурно-тектонической локализации. Также промышленный интерес представляют месторождения титаномагнетитовых руд с попутным ванадием, приуроченные к габбро-лабрадоритовым массивам. В пределах структуры широко развиты рудопроявления редких элементов. В силу всего этого Кейвы рассматриваются многими исследователями как особая структура докембрия Балтийского щита со специфическими чертами геологии, развития и строения земной коры.
Ниже приводятся результаты впервые выполненного тектонофизического моделирования с использованием численных методов для объяснения динамики становления системы деформационно-магматических структур северо-востока Балтийского щита в раннем докембрии. В этих целях построены количественные модели напряженно-деформированного состояния земной коры региона с учётом её эволюционного развития. Результаты исследований позволили выделить ослабленные зоны в фундаменте Кейвской структуры (сформировавшиеся в интервале мезоарзей - палеопротерозой) и показать, что они коррелируют с местоположением областей развития тектономагматической активности региона в архее и палеопротерозое. Впервые определена структура геофизических аномалий в пределах района и выявлены
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015(20)
19
В Т. Филатова, В.П. Петров
ее корреляционные связи с петрофизическими характеристиками пород и со стадийностью проявления деформационных и метаморфических процессов. Выявлено, что тектонические режимы и характер метаморфических процессов могли оказать существенное влияние на вещественный состав, строение и промышленную значимость месторождений полезных ископаемых Кейвского блока. Задача определения тектоноструктурных условий формирования и пространственно-временных закономерностей развития земной коры региона весьма актуальна. Корреляционные связи между физическими характеристиками пород, геофизическими полями, геолого-структурными факторами, тектоникой и оруденением могут рассматриваться как информативный признак при выяснении условий рудообразования и при металлогеническом прогнозировании.
Геологическая позиция района
Характерная особенность докембрийской земной коры северо-восточной части Балтийского щита заключается в ее блоковом строении. Всеми исследователями отмечается структурная и формационная неоднородность земной коры региона, которая рассматривается как результат последовательного развития, начиная с мезоархея, различных эндогенных геологических процессов (тектонических, магматических, метаморфических) [1-3]. В пределах региона в качестве главных структурных элементов выделяются архейские мегаблоки -Мурманский, Кольский, Беломорский и Карельский, в своей взаимосвязи формирующие коллажное строение земной коры (рис. 1). Особое место в структуре коры занимают архейские зеленокаменные пояса - Колмозеро-Воронья, Ёнский, Терско-Аллареченский и палеопротерозойские мобильные пояса - Лапландский гранулитовый и Печенга-Имандра-Варзугский рифтогенный, а также гигантские палеозойские щелочные массивы (Хибинский, Ловозерский). Палеопротерозойский Печенга-Имандра-Варзугский рифтогенный пояс наследует область развития архейского Терско-Аллареченского пояса.
Современный структурный план региона в основном сформировался на завершающей стадии свекофенского тектогенеза. В результате его перестройки возникли основные складчатые структуры северо-западного простирания, но в восточной части региона наблюдаются элементы более древних архейских структур, которые сохранили реликтовую субширотную ориентировку [1, 2].
Кейвский блок, встроенный в каркас Кольского мегаблока, - структурный элемент второго плана, он занимает особое положение не только из-за своего размера, но, прежде всего, из-за особенностей своего строения и состава пород [3] (рис. 1). На северо-востоке данная структура граничит с Мурманским мегаблоком, на юго-востоке - с Пурначским блоком, на юго-западе - с Имандра-Варзугой, на северо-западе - с Центрально-Кольским блоком. Особенность состава слагающих пород состоит в том, что в пределах выделенных зон развиты комплексы, которых практически нет в других районах региона. В структурном плане это пологая синклиналь при наличии блокового поднятия фундамента на отдельных участках. Также ее можно представить как грабен в виде двухъярусного складчато-глыбового сооружения [4]. Предполагается, что Кейвский блок в архее развивался в условиях режима срединного массива [1].
Рассматриваемая структура ранее выделялась условно как область преимущественного развития пород определённого возраста. По мере изучения геологии и тектоники Кольского региона в пределах Кейв выделены отдельные структурные зоны (Верхнепонойский блок, Пурначский блок, Западные Кейвы, Понойская зона, Центральные Кейвы, Большие Кейвы, Малые Кейвы) (рис. 2), их границы в основном проходят по крутопадающим разрывным нарушениям, зачастую разделяющим однородные геологические комплексы [1, 2]. Наблюдаемые тектонические нарушения в районе исследований не относятся к периоду формирования первичных геологических образований, а связаны с палеопротерозойским этапом развития земной коры региона. Схема расположения структурных зон в пределах Кейв основана на учете
20
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015(20)
Г еофизические неоднородности Кейвского блока и их геологическая природа
только морфологических особенностей геологических тел и не несет информации о геологической истории развития района [2]. При этом выделенные зоны различаются типом и интенсивностью складчатости, а также степенью дифференцированности структур. Выраженная зональность может отражать интегральный эффект различных и многократно проявившихся эндогенных и экзогенных процессов в земной коре региона.
Рис. 1. Геолого-структурная карта Кольского региона Балтийского щита (по работе [3]). Области: Mur - Мурманская; Kol - Кольская; Bel - Беломорская; Ter - Терская; Ke - Кейвская; In - Инари, Kar - Карельская. Пояса: Jon - Енский; K-V - Колмозеро-Воронья (архейские зеленокаменные); LGB - Лапландский; KGB - Кандалакшско-Колвицкий (гранулитовые); Pe - Печенга, Im-V - Имандра-Варзуга, S-K - Северо-Карельский (палеопротерозойские). 1 - контуры палеозойских интрузий; 2 - осадочные породы верхнего протерозоя; Палеопротерозой: 3 - граниты, гранодиориты и диориты; 4 - чарнокиты, граниты (а), щелочные граниты (в Кейвах - неоархейские) (б); 5 - вулканогенно-осадочные породы; 6 - анортозиты, габбро-анортозиты (в Кейвах - неоархейские), габбро, пироксениты, перидотиты. Палеопротерозой (или неоархей?): 7 - гранулиты основного и среднего состава; 8 - кислые гранулиты. Неоархей: 9 - гранодиориты, диориты и эндербиты; 10 - глиноземистые и суперглинозёмистые гнейсы и сланцы; 11 - кислые гнейсы; 12 - фрагменты зеленокаменных поясов (гнейсы, амфиболиты и метакоматииты); 13 - фрагменты железорудной (BIF) формации (гнейсы, амфиболиты и железистые кварциты); 14 - гнейсы и сланцы; 15 - гнейсы и амфиболиты; 16 - гранодиориты и диориты; 17 - плагиограниты и гранито-гнейсы; 18 - кианит-гранат-биотитовые гнейсы; 19 - гранито-гнейсы, гнейсы, мигматиты и редко амфиболиты. 20 - элементы залегания, 21 - субвертикальные разломы и пологие надвиги, разделяющие протерозойские структуры, 22 - субвертикальные разломы и надвиги
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015(20)
21
В Т. Филатова, В.П. Петров
Рис. 2. Схема распределение геофизических неоднородностей в пределах Кейвской структуры и сопредельных территорий:
1 - градиенты гравитационного поля: а - 1-го, б - 2-го, в - 3-го порядков; 2 - аномалии магнитного поля: а - локальные изометричные, б - локальные > 3000 нТл; 3 - оси локальных магнитных аномалий: а - протяженные интенсивные, б - рядовые; 4 - секущие зоны пониженных значений магнитного поля (Мурманский блок); 5 - разрывные нарушения по геофизическим данным; 6-12 - структурные зоны (по данным работы [2]):
6 - Верхнепонойский блок, 7 - Пурначский блок, 8 - Западные Кейвы, 9 - Понойская зона,
10 - Центральные Кейвы, 11 - Большие Кейвы, 12 - Малые Кейвы; 13 - ослабленные зоны в фундаменте (выделены по результатам тектонофизического моделирования [9-11]):
1 - Северо-Кольская, 2 - Цагинская, 3 - Щучьеозерская, 4 - Терско-Аллареченская (Имандра-Варзугская), 5 - Восточные Кейвы - Панаречка, 6 - Восточно-Кольская. Цифрами в квадратах обозначены массивы: 1 - Цагинский, 2 - Щучьеозерский, 3 - Медвежьеозерский,
4 - Ачинский, 5 - Фёдоровы тундры, 6 - Панские тундры, 7 - хребет Серповидный
Геологические особенности района
Индивидуальное своеобразие рассматриваемой структуры определяется широким развитием мощной толщи кислых вулканитов Лебяжинского комплекса (нижний структурный ярус) и метаосадочных пород Кейвского комплекса (верхний ярус). В низах супракристаллического разреза развиты андезито-базальты Понойского комплекса, которые прослеживаются фрагментарно на контакте Понойской зоны и Центрально-Кейвского блока (Центральные Кейвы). При этом отсутствуют явно выраженные несогласия на границе между Понойским и Лебяжинским комплексами. Первоначально U-Pb изохронный возраст метавулканитов (район Малых Кейв) был определен как 2871±15 млн лет и интерпретировался как время кристаллизации кислых вулканитов [5]. Новое U-Pb датирование магматических
22
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015(20)
Г еофизические неоднородности Кейвского блока и их геологическая природа
цирконов из кислых вулканитов района Больших Кейв показало, что, вероятно, возраст образования метавулканитов нижнего яруса может быть 2678±7 млн лет [6]. Возраст 2871±15 млн лет предположительно определяет время образования эффузивных протолитов пород нижнего структурного яруса, которые могли формироваться в течение продолжительного времени с учетом перерывов. На породах нижнего яруса парасланцы (верхний ярус) залегают с несогласием. В современном эрозионном срезе они сохранились в грабенах, имеющих линейную форму. Сланцы верхнего яруса по особенностям химического состава относятся к образованиям осадочного чехла неоархейской протоплатформы [1], но время их формирования геохронологическими изотопными методами не определено. Комплекс кейвских сланцев, развитый преимущественно в пределах Больших Кейв и претерпевший многоэтапные тектонометаморфические преобразования, составляет уникальное по своим масштабам Кейвское месторождение высокоглиноземистого сырья, представленное углеродистыми кианитовыми сланцами.
В пределах Кейв широко развиты плутонические породы (ультрабазиты, габброиды, анортозиты, щелочные граниты, граниты, пегматиты), прорывающие породы блока и сформированные в интервале от 2.7 до 1.65 млрд лет [5]. Магматизм в неоархейский период начинался с внедрением массивов габбро-лабрадоритов (Цагинский, Щучьеозерский, Медвежьеозерский, Ачинский) в интервале от 2.68 до 2.63 млрд лет и завершился формированием тел щелочных и нефелиновых сиенитов (2.67-2.61 млрд лет). Наиболее распространённые интрузивные породы в районе исследований - щелочные граниты, возраст которых укладывается в интервал 2.67-2.63 млрд лет [5].
Габбро-лабрадориты преимущественно развиты в пределах Верхнепонойского блока, но маломощные ленточные тела присутствуют в зоне контакта Мурманского мегаблока и Кейвской структуры и на контакте с Пурначским блоком, щелочные граниты - в пределах Верхнепонойского блока, Западных Кейв и Понойской зоны. Небольшие массивы щелочных и нефелиновых сиенитов пространственно ассоциируют со щелочными гранитами. В районе широко развиты редкометалльные пегматиты. U-Pb возраст пегматитов, пространственно ассоциирующихся с массивами щелочных гранитов, определен как палеопротерозойский -1682±35 млн лет [5]. В северо-западной части Кейв (север Понойской зоны, район хребта Серповидный) среди архейских сланцев наблюдается незначительное распространение вулканогенно-осадочных пород, которые образуют останцы или фрагменты грабен-синклинальных структур. Данные породы на структурно-формационном уровне коррелируют с образованиями варзугской серии в пределах Имандра-Варзугской рифтогенной структуры палеопротерозойского возраста [1, 2, 7], которая ограничивает Кейвский блок с юга. Непосредственно на контакте Кейв и Имандра-Варзуги локализованы палеопротерозойские массивы основных-ультраосновных пород Фёдоровой и Панских тундр.
Архейский фундамент северо-востока Балтийского щита характеризуется сложной полициклической историей метаморфизма. Породы, слагающие фундамент, в неоархее претерпели синтектонический метаморфизм высоких ступеней амфиболитовой и гранулитовой фаций, но при этом в пределах Кейвской структуры следов проявления указанного метаморфизма не отмечается. Видимо, на тот период термодинамические обстановки формировались дифференцировано по отдельным структурным зонам. В супракрустальных образованиях Кейвского блока (Лебяжинский комплекс) наблюдаются слабые и неконтрастные следы ультраметаморфизма по сравнению с архейскими комплексами смежных областей [8]. Породы Лебяжинского комплекса в неоархее претерпели метаморфизм низкотемпературных фаций неустановленного фациального типа. В палеопроторозое, в течение свекофенского тектонометаморфического цикла, Лебяжинский и Кейвский комплексы в пределах большей части территории Кейвского блока - Большие и Центральные Кейвы, Понойская зона, Малые Кейвы - были метаморфизованы в условиях дистен-ставролитовой субфации. В зонах нахождения щелочных гранитов в Западных Кейвах и в обрамлении Кейвского блока
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015(20)
23
В Т. Филатова, В.П. Петров
метаморфизм на тот период достигал силлиманитовой субфации с развитием процессов мигматизации и щелочного метасоматоза. При этом в Западных Кейвах контактовометасоматические воздействия щелочных гранитов на породы Лебяжинского и Кейвского комплексов проявились в региональном масштабе [8]. Следует отметить, что степень метаморфизма в блоках заметно варьирует, и границы метаморфических зон трансгрессивны по отношению к структурным образованиям.
На основе имеющихся данных о геологии и петрологии палеопротерозойских метаморфических комплексов признается, что при объяснении механизмов формирования земной коры региона необходимо учитывать следующие факторы: а) имело место
тектономагматическое и метаморфическое преобразование ранее сформированной архейской континентальной коры; б) давление при метаморфизме супракрустальных образований определялось региональными и локальными тектоническими напряжениями в земной коре; в) метаморфические данные не допускают прямого использования положений тектоники плит при реконструкции геодинамических обстановок развития коры в палеопротерозое [8].
Результаты тектонофизических исследований
В целях объяснения динамики становления системы деформационно-магматических структур северо-востока Балтийского щита в раннем докембрии нами впервые выполнены исследования с использованием методов численного моделирования. Допускается, что тип тектономагматической активности, установившийся в раннем докембрии региона, был внутриплитный, а Кейвский блок развивался в условиях режима срединного массива, начиная с мезоархея. Полагаем, что северо-восточная часть Балтийского щита на тот период представляла собой неоднородное упругое тело, подверженное действию объёмных сил и заданных напряжений на его границе. Рассматриваемая область состоит из нескольких конечных подобластей, каждая из них считается однородно изотропной и линейно-упругой с линейноупругими постоянными (коэффициент Пуассона и модуль Юнга), значения которых приведены в работе [9]. Каждый архейский мегаблок (включая Кейвский блок) - это отдельная подобласть. В целях построения количественных моделей напряжённо-деформированного состояния земной коры региона с учётом её эволюционного развития решалась краевая задача в напряжениях [10].
При решении задачи рассмотрены три временных этапа развития Кольского региона -мезоархей, неоархей, палеопротерозой, соответственно, на каждом этапе задавалась определённая базовая модель, описывающая исследуемую область с учётом сформировавшихся к этому времени геологических структур. К началу неоархея консолидация земной коры превращает регион в относительно стабильную континентальную структуру, и исследуемая область на тот период находится в устойчивом состоянии [1, 2]. Следовательно, можно допустить, что регион в тот период мог испытывать всестороннее равномерное сжатие вследствие действия удалённых сил. В раннем протерозое основной фронт тангенциальных напряжений был направлен на северо-восток [1, 2]. Тогда Мурманский мегаблок занимал устойчивое положение; не исключено, что он испытывал давление, направленное с северовостока на юго-запад. Следовательно, допускаем, что в раннем протерозое регион был подвержен одноосному сжатию равномерно распределёнными усилиями с юго-запада и с северовостока. В итоге рассчитывалось три варианта нагрузки области: мезоархей и неоархей -всестороннее равномерное сжатие; палеопротерозой - одноосное сжатие по линии юго-запад -северо-восток [11]. В последующие эпохи значительных геолого-тектонических процессов регион не переживал. В силу того что нет достоверных данных об абсолютной величине действовавших в регионе сил, принимаем их интенсивность равной единице. Для каждой базовой модели рассчитаны максимальные по абсолютному значению скалывающие напряжения [10]. Окончательно вычисленные величины скалывающих напряжений нормировались и представлялись в процентном соотношении от максимального значения по региону,
24
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015(20)
Г еофизические неоднородности Кейвского блока и их геологическая природа
а по их аномальным значениям выделялись линейные зоны, интерпретируемые как ослабленные области в фундаменте и предопределившие локализацию магматических процессов в регионе.
Выполненные расчеты показали, что структурные особенности Кольского региона, обусловленные развитием проницаемых зон земной коры региона, отчётливо выделяются в поле скалывающих напряжений. Исследования с использованием базовой модели для мезоархея выявили линейные области в фундаменте Кейвского блока, которые сформировались, предположительно, в мезоархее как ослабленные: (1) обрамляющие Кейвскую структуру -Северо-Кольская, Цагинская, Терско-Аллареченская (Имандра-Варзугская); (2) в пределах структуры - Щучьеозерская (рис. 2). В неоархее к областям Цагинская и Щучьеозерская было приурочено внедрение комплементарной ассоциации габбро-лабрадоритов и субщелочных гранитов [2, 5]. Терско-Аллареченская ослабленная зона контролировала формирование архейского Терско-Аллареченского зеленокаменного пояса, местоположение которого в палеопротерозое унаследует Печенга-Имандра-Варзугская рифтогенная система. Расчеты для второй базовой модели (неоархей) позволили выявить ослабленную зону Восточно-Кольскую, обрамляющую Кейвы с востока, простирающуюся субмеридионально и секущую восточную оконечность Кольского полуострова и акваторию Белого моря (рис. 2). Эта зона не отмечается как магмапроводящая, но при этом сечет под углом в 10° систему разломов (предположительно архейского возраста), представленную на тектонических схемах региона [1, 2].
Реконструкции напряженно-деформированного состояния коры для северо-востока Балтийского щита при принятых граничных условиях показали, что фундамент Кейв в неоархейское время не испытывал существенного воздействия скалывающих напряжений в отличие от сопредельных территорий [9-11]. Имеющиеся данные о палеотектонической зональности в Кольском регионе констатируют, что район Кейв на тот период относился к слабо дифференцированной области, здесь следов развития архейских зеленокаменных поясов не наблюдается в отличие от других районов региона [2].
Породы, слагающие фундамент в Центрально-Кольском блоке, в неоархее претерпели синтектонический метаморфизм высоких ступеней амфиболитовой и гранулитовой фаций, а в пределах Кейвской структуры следов проявления подобного метаморфизма не отмечается [8]. Следовательно, на фоне стабилизации региона термодинамические обстановки формировались дифференцированно по отдельным структурным зонам так же, как и поля скалывающих напряжений на фоне всестороннего равномерного сжатия.
В палеопротерозое имели место широкомасштабные тангенциальные напряжения, почти все архейские структурно-вещественные комплексы Кольского региона в разной степени были переработаны, и сформировалась сеть разломов, в том числе в пределах Кейв, разграничивающая структурные зоны [1]. Наиболее интенсивно деформировались шовные зоны, окаймляющие Кейвскую структуру, особенно в районе Малых Кейв, где наблюдается чешуйчато-блоковое строение [1, 2]. По аномальным значениям скалывающих напряжений отчётливо выделяется линейная зона Восточные Кейвы - Панаречка, протягивающаяся по контакту Кейвского блока с Пурначским блоком и Имандра-Варзугой и охватывающая Малые Кейвы. Она рассматривается как мобильно-проницаемая зона, определившаяся в палеопротерозое (рис. 2). Кроме этого, результаты тектонофизического моделирования показывают, что тогда были ремобилизованы по периферии Кейвской структуры зоны, сформировавшиеся в архее как ослабленные - Северо-Кольская, Терско-Аллареченская (Имандра-Варзугская) и Восточно-Кольская (рис. 2). Причем Восточно-Кольская зона протягивается вглубь современной акватории Баренцева моря и на своём продолжении совпадает с восточным бортом Восточно-Баренцевоморской рифтовой системы палеозойского возраста.
Выделение геофизических неоднородностей и обсуждение результатов
Выполненный анализ структуры геофизических аномалий в пределах Кейвского блока и непосредственно примыкающей к ней полосы сопредельной территории позволил построить
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015(20)
25
В Т. Филатова, В.П. Петров
схемы распределения геофизических неоднородностей (рис. 2) и оценить их характер. В этих целях использованы карты гравитационного и магнитного полей масштаба 1:200000. Для характеристики гравитационного поля рассчитывались градиенты поля Ag, а порядок градиентов определялся при их нормировании относительно максимального значения по региону: 1.0—0.7 - градиент поля Ag 1-го порядка, 0.7-0.4 - 2-го порядка, < 0.4 - 3-го порядка. При анализе магнитного поля использован иной подход: выделялись отдельно локальные аномалии магнитного поля, как рядовые изометричные, так и высокоинтенсивные - > 3000 нТл. Кроме этого, на схеме распределения геофизических неоднородностей отражены оси локальных магнитных аномалий как протяжённые интенсивные, так и рядовые в рамках масштаба используемых карт. Для Кейвской зоны характерны региональные геофизические аномалии - отрицательная гравитационная и положительная магнитная. Причем границы зоны достаточно надежно выделяются в геофизических полях: (а) в гравитационном поле -градиентами поля Ag 1 и 2 порядка; (б) в магнитном поле - осями протяженных и интенсивных локальных аномалий.
Кейвская структура, в основном, вмещает архейские породы низкой плотности (граниты и гнейсы - 2.59-2.65 г/см3, щелочные граниты - 2.60-2.63 г/см3) [12]. Для структурных зон можно привести следующие интервалы изменения усреднённых значений петроплотностных характеристик: Верхнепонойский блок - 2.63-3.10 г/см3; Большие и Центральные Кейвы - 2.652.75 г/см3; Западные Кейвы, северная и восточная части Понойской зоны - 2.60-2.64 г/см3; центральная часть Понойской зоны - преимущественно 2.63-2.66 г/см3 [12]. На фоне отрицательного гравитационного поля имеются положительные локальные аномалии, охватывающие районы развития габбро-лабрадоритов, кейвских сланцев и метабазитов с повышенной плотностью - 2.80-3.10 г/см3. В пределах Цагинского массива (габбро-лабрадоритовая интрузия, перспективная на титано-магнетито-ванадиевое оруденение) плотность титаномагнетитовых руд может быть намного выше, а среди кейвских сланцев есть разности с плотностью 2.67-2.75 г/см3. В пределах структуры наиболее контрастно в гравитационном поле выражены массивы габбро-лабрадоритов и комплекс кейвских сланцев: границы характеризуются градиентами поля Ag 2-го порядка. Все наблюдаемые локальные аномалии гравитационного поля на территории блока совпадают с геологическими структурами, сложенными породами повышенной плотности. Таким образом, просматривается корреляция между полем Ag и петроплотностными характеристиками приповерхностных горных пород. Следовательно, можно допустить, что отрицательная гравитационная аномалия вызвана гранитами, гнейсами и щелочными гранитами, развитыми в районе.
В целом для Кейвской структуры типично слабоизрезанное положительное магнитное поле, за исключением центральной части, где присутствует высокоинтенсивное поле. Наиболее контрастно в магнитном поле выделяются массивы габбро-лабрадоритов при магнитной восприимчивости пород до 900 10-6 СГС, здесь присутствуют титано-магнетитовые руды с магнитной восприимчивостью до 6000-16000 10-6 СГС [12]. Для гранитов, гнейсов и щелочных гранитов приводятся значения магнитной восприимчивости в интервале 50-2000 10-6 СГС, а для кейвских сланцев - <50 10-6 СГС [12]. Комплексу кейвских сланцев свойственнно спокойное магнитное поле, но на территории развития гранитов, гнейсов и щелочных гранитов существует изрезанное интенсивное положительное поле. Перечисленные породы не являются существенно магнитными и не могут обусловить формирование региональной магнитной аномалии в районе исследований. Следует отметить, что метаморфическая жизнь архейских комплексов структуры в целом связана с палеопротерозоем, и породы Кейв на тот период были неравномерно преобразованы в процессе ультраметаморфизма [8], что и наложило отпечаток на их петрофизические разности. Лебяжинский и Кейвский комплексы в пределах большей части территории Кейвского блока (Большие и Центральные Кейвы, Понойская зона, Малые Кейвы)
26
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015(20)
Г еофизические неоднородности Кейвского блока и их геологическая природа
были метаморфизованы в условиях дистен-ставролитовой субфации. В зонах нахождения щелочных гранитов в Западных Кейвах и в обрамлении Кейвского блока метаморфизм на тот период достигал силлиманитовой субфации с развитием процессов мигматизации и щелочного метасоматоза. При этом в Западных Кейвах контактово-метасоматические воздействия щелочных гранитов на породы Лебяжинского и Кейвского комплексов проявились в региональном масштабе.
Магнитные свойства пород района в процессе гранитизации могли изменяться неравномерно: на средних уровнях гранитизации плагиогнейсов и гранодиоритов наблюдается возрастание магнитной восприимчивости от 100-200 до 1000 10-6 СГС, а затем её снижение до уровня 30 10-6 СГС [4]. На магнитные свойства пород также влияли наложенные процессы щелочного метасамотоза, который регионально проявлен в толще лебяжинских гнейсов, где магнитная восприимчивость пород на средних стадиях процесса может достигать 3000 10-6 СГС, а на его конечных стадиях уменьшаться в 3-4 раза [12]. Таким образом, наблюдаемое региональное магнитное поле на территории Кейв в полной мере нельзя объяснить существующей намагниченностью поверхностных пород, так как петромагнитная карта района [12] на большей его части не соответствует характеру распределения магнитных аномалий. Не исключено, что существующие особенности регионального поля отражают как интенсивность намагничения глубинных слоёв земной коры, так и развитие процессов гранитизации и метаморфизма в её верхней части.
Массивы Цагинский, Щучьеозерский и Медвежьеозерский в силу своих больших размеров наиболее контрастно выделяются в геофизических полях и отличаются максимальными значениями магнитного и гравитационного полей (рис. 2). При этом область повышенных значений поля Ag и AZ перекрывает не только территорию Цагинского массива, но и простирается в северном, северо-восточном и восточном направлении. Аномальная область, перекрывающая Цагинский массив и протягивающаяся полосой в северо-восточном направлении, постепенно меняя направление на восточное, сливается с аномальной областью, перекрывающей Щучьеозерский и Медвежьеозерский габбро-лабрадоритовые массивы. Не исключено, что Цагинский массив продолжается далеко за пределы своих границ, устанавливаемых на эрозионной поверхности. Выделенные ослабленные зоны Цагинская и Щучьеозерская, пересекающиеся под углом в 70° (рис. 2), коррелируют с местоположением областей аномальных значений гравитационного и магнитного полей. Следовательно, эти зоны контролировали внедрение и формирование одновозрастных сближенных интрузивов -Цагинского, Щучьеозерского и Медвежьеозерского, которые сейчас могут представлять фрагменты первоначально крупного и сложного тела.
Выявленная конфигурация осей локальных магнитных аномалий в пределах Кейвской структуры (рис. 2) имеет сложный и неоднородный характер. В зависимости от ориентации осей выделяются отдельные области по однородности создаваемого рисунка, границы которых не совпадают с контактами известных структурных зон за исключением Верхнепонойского блока. В отличие от других зон в его пределах характер рисунка выдержанный: наблюдаются два сближенных купола изометричной формы, оконтуренные градиентами поля Ag 3 порядка и осями локальных магнитных аномалий. Видимо, эти купола отображают жесткий комплекс основания структуры, разбитый на два блока. Центральные Кейвы и Большие Кейвы имеют схожую структуру ориентации осей магнитных аномалий, непротяжённых и незначительно осложнённых складчатостью. При этом комплекс кейвских сланцев, протягивающийся от Западных Кейв по северной части Понойской зоны и по всей территории Больших Кейв, в магнитном поле не выражен, а его границы выделяются градиентами поля Ag.
Наиболее сложная схема ориентации осей магнитных аномалий присутствует в пределах Западных Кейвах: оси интенсивно сминаются в складки. Западные Кейвы в основном сложены щелочными гранитами, которые, как предполагается, первоначально имели пластовую форму
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015(20)
27
В Т. Филатова, В.П. Петров
[8]. Центральная часть этих интрузий слабо магнитна, но породы в зоне эндоконтакта могут быть сильно магнитными [12]. Видимо, в пределах Верхнепонойского блока, Западных Кейв и Понойской зоны протяжённые магнитные аномалии, в основном, контролируются эндоконтактами щелочных гранитов. В пределах Больших и Центральных Кейв значительный вклад в повышение интенсивности магнитного поля внесли продукты гранитизации и щелочного метасамотоза кейвских гнейсов. По характеру распределения геофизических неоднородностей наименее однородной можно признать Понойскую зону, которая делится на 3 части: северная, центральная и восточная. Для центральной части зоны характерны протяжённые оси аномалий с запада на восток, а в северной и восточной частях - смятие в складки. Причем в северной части характер распределения осей магнитных аномалий схож с Западными Кейвами, и оси также образуют конформные очертания с выходами комплекса кейвских сланцев в этом районе. На территории Малых Кейв получена та же картина, что в восточной части Понойской зоны.
Как показывает анализ построенной схемы распределения геофизических неоднородностей (рис. 2), степень осложненности конфигурации осей магнитных аномалий коррелирует с распределением петроплотностных характеристик пород Кейвской структуры: чем плотнее порода, тем менее осложнена структура геофизических неоднородностей. Следовательно, наиболее стабильной структурой является Верхнепонойский блок, который реагировал на давление соседних структур как жёсткое тело. Большие и Центральные Кейвы в целом сохранили жёсткость, но их краевые части испытали складчатость и магматическую активизацию, что и демонстрируется на примере северо-западной и юго-восточной краевых частях комплекса кейвских сланцев. Реакция остальных, менее жёстких, участков земной коры Кейвской структуры (Западные Кейвы, северная и восточная части Понойской зоны) на напряженно-деформированное состояние среды проявилась в виде интенсивной складчатости, подтверждаемой сложной конфигурацией осей локальных магнитных аномалий.
В неоархее район Кейв особых дислокаций не претерпевал, но палеопротерозойский период развития Кольского региона отмечается формированием сводового поднятия коры, в пределах которого возникла интракратонная Печенга-Имандра-Варзугская рифтогенная система [1, 2]. Имандра-Варзугская структура, примыкающая к Кейвскому блоку с юга, составляет юго-восточный фланг рифтогенной системы. Возраст внедрения ассоциации габбро-лабрадоритов и щелочных гранитов (2.68-2.63 млрд лет [5]), реперной для условий геодинамического режима предрифтогенного сводообразования [2], дает основание полагать, что формирование свода, предопределившее начальный этап континентального рифтогенеза в Кольском регионе, началось в неоархее и охватило Кейвский блок. Результаты выполненного тектонофизического моделирования показывают, что в Кейвах на тот период создавались условия, при которых породы структуры были в меньшей степени подвержены тектоно-термальной переработке, так как возникающие скалывающие напряжения были незначительны [10, 11]. По геологическим данным, в районе для неоархея фиксируется размещение низкотемпературных метаморфических фаций неустановленного типа [8], это корреспондируется с результатами моделирования. Наиболее ранние структурные и метаморфические парагенезисы наблюдаются в породах Лебяжинского и Кейвского комплексов, а устанавливаемая по минеральным парагенезисам их структурно-метаморфическая история в основном относится к началу палеопротерозойского геотектонического периода [8]. На рис. 3 представлен обобщённый тренд термобарических условий метаморфизма в Кейвском блоке. Развитие региональных метаморфических процессов на всех стадиях тектоно-метаморфической истории супракомплекса происходило в кианитовом Р-Т-поле.
Геодинамический режим сумийского этапа рифтинга приводил к образованию различных по размеру и скорости прогибания грабенообразных впадин в пределах развития рифтогенной системы [1, 2]. Одновременно в Кейвском блоке формировалась вулканогенно-осадочная толща хребта Серповидный, породы которой сходны с ятулийскими образованиям Имандра-Варзуги. Складчатость в пределах Кейв на тот период формировалась в обстановке оседания свода,
28
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015(20)
Г еофизические неоднородности Кейвского блока и их геологическая природа
что вызывало неравномерные радиальные подвижки блоков земной коры. Предполагаются достаточно кратковременные и интенсивные движения. Большую роль в этом процессе сыграли более стабильные, жёсткие и однородные участки земной коры как в пределах Кейвской структуры, так и на её контактах. Не исключено, что складчатый характер Западных Кейв и северной части Понойской зоны на тот период формировался на фоне относительного воздымания Верхнепонойского блока, так как в настоящее время на эрозионном срезе наблюдается нижняя расщеплённая часть Щучьеозерского и Медвежьеозерского габбро-лабрадоритовых массивов. Тектонические движения сопровождались вертикальными деформациями супракомплексов, что обусловило развитие геотермально-статического метаморфизма (начальный метаморфизм) [8].
Рис. 3. Эволюция термодинамических условий метаморфизма пород Кейвского комплекса:
1 - прогрессивный метаморфизм, сопряжённый со складчатыми деформациями;
2 - метаморфизм в сдвиго-надвиговых зонах; 3 - андалузитовый порфиробластез;
4 - контактовый метаморфизм щелочных гранитов; 5 - амазонитовые пегматиты;
6 - регрессивный метаморфизм; 7 - поле Р-Т-оценок по гранат-биотит-плагиоклазовому геотермобарометру. Ки - кианит, Анд - андалузит, Сил -силлиманит
Кианитовые руды месторождения Кейв в большей мере появляются вследствие наложения различных по природе деформационных и метаморфических процессов. Так, уникальные, наиболее интересные в промышленном отношении конкреционные и тонкозернистые кианитовые руды формировались уже на начальных стадиях геотермального метаморфизма в условиях зеленосланцевой фации в обстановке доминирования радиального сжатия. В линейных зонах (по периферии структуры), контролируемых лишь пластовыми базитовыми интрузиями, развивались процессы андалузитового порфиробластеза. Следовательно, первая фаза складчатости и начальный метаморфизм в пределах структуры проходили синхронно
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015(20)
29
В Т. Филатова, В.П. Петров
на фоне глыбово-волновых колебательных движений поверхности земной коры в сумийское время в период развития рифтового прогиба в Имандра-Варзугской системе.
Последующая активизация тектонических движений в регионе вследствие развития Печенга-Имандра-Варзугской рифтогенной системы сопровождалась последовательным переходом от существенно вертикальных к тангенциальным деформациям супракомплексов, что определило в Кейвах замену геотермально-статического метаморфизма геотермальнодинамическим, а затем тектоническим. Некоторое снижение температуры в пределах эпидот-амфиболитовой низкотемпературной амфиболитовой фации предшествовало развитию северовосточной фазы складчатости и связанному с ней метаморфизму (рис. 3). Следует отметить, что эта стадия в целом характеризуется прогрессивным трендом температуры и давления.
В свекофенский период (1.9—1.7 млрд лет назад) Кольский регион уже находился под влиянием интенсивных тангенциальных напряжений [1, 2], на этом фоне напряжения, естественно, не могли реализоваться в пределах Кейв равномерно из-за присутствия блоков с разным типом реакции на последующие деформации. Перестройка архейского структурного плана региона на тот период в первую очередь обусловлена наложением деформаций, проявившихся при сжатии. В зависимости от определённых факторов (векторы подвижек блоков коры, как контактирующих с Кейвской структурой, так и в её пределах; физические свойства ее отдельных блоков) геологические образования, различные по форме, положению в пространстве, размерам и физическому состоянию, реагировали дифференцированно на возникающее напряженно-деформированное состояние среды и подвергались неоднородным деформациям. Как следствие, имеет место неравномерное формирование структурных нарушений и их локализация в отдельных участках, а также латеральная неоднородность метаморфических преобразований. Метаморфические преобразования в породах Кейвской структуры, связанные с развитием надвиговых деформаций, непосредственно следовавших за кульминацией регионального метаморфизма, характеризуются повышенными давлениями (рис. 3). Однако имеются признаки как значительных вариаций давлений, так и декомпрессии (на примере зон порфиробластеза в отдельных структурах) [8]. Что касается щелочных гранитов, развитие контактово-метаморфических процессов происходило при более низких давлениях по сравнению с кульминацией регионального метаморфизма (рис. 3).
Развитие прогрессивного синтектонического метаморфизма амфиболитовой фации, сопряженного с развитием северо-западной линейной складчатости в свекофенский период, а затем и формирование наложенных северо-западных складок обусловили перекристаллизацию ранних типов руд, укрупнение их зернистости, улучшение их технологических свойств. Перекристаллизация кианита вызвана прогрессивным изменением термодинамических условий метаморфизма, которые повсеместно проявились в регионе на данном этапе развития, сопровождаемом сдвиго-надвиговыми и разломными деформациями при захлопывании Имандра-Варзугского трога. В этот период породы Кейв претерпели второй этап складчатости и полный тектонометаморфический цикл преобразований. Завершающим стадиям тектонометаморфического развития Кейвского блока свойственно снижение температуры и давления, что было характерно и для всей Печенга-Имандра-Варзугской системы.
Выводы
Выполненное моделирование выявило, что области развития тектономагматической активности региона в архее и палеопротерозое коррелируют с местоположением ослабленных зон в фундаменте Кейвской структуры, выделенных по аномальным значениям рассчитанных скалывающих напряжений, возникающих в коре под воздействием удаленных сил и при условии, что земная кора северо-восточной части Балтийского щита развивалась в условиях внутриплитного режима. При этом четко прослеживается унаследованность положения магмапроводящих структур от архея до палеопротерозоя, что не противоречит имеющимся геологическим данным.
30
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015(20)
Г еофизические неоднородности Кейвского блока и их геологическая природа
Характер распределения геофизических неоднородностей района показывает, что границы ранее выделенных структурных зон в пределах Кейв [1] зачастую разделяют однородные геологические комплексы, за исключением Верхнепонойского блока. По степени осложнённости конфигурации осей магнитных аномалий и их корреляции с петроплотностными характеристиками пород выделены две новые структуры, включающие в себя: 1) Западные Кейвы и северную часть Понойской зоны, 2) Малые Кейвы и южную часть Понойской зоны. В качестве Понойской зоны можно оставить только ее центральную часть.
Выполненная корреляция деформационных и метаморфических парагенезов указывает на то, что перестройка структурного плана и термодинамические режимы метаморфизма в Кейвской зоне были сопряжены с геотектоническим режимом развития Имандра-Варзугской структуры, являющейся восточным флангом рифтогенной системы Печенга-Имандра-Варзуга. Последовательное изменение тектонического режима и характера метаморфических процессов оказали существенное влияние на вещественный состав, строение и технологические свойства кианитовых руд месторождения Кейв.
ЛИТЕРАТУРА
1. Загородный В.Г., Радченко А.Т. Тектоника раннего докембрия Кольского полуострова (состояние изученности и проблемы). Л.: Наука, 1983. 96 с. 2. Докембрийская тектоника северо-восточной части Балтийского щита (объяснительная записка к тектонической карте масштаба 1:500000) / А.Т. Радченко, В.В. Балаганский, А.Н. Виноградов, Г.Б. Голионко, В.П. Петров, В.И.Пожиленко, М.К. Радченко. СПб.: Наука, 1992. 111 с.
3. Geology of the Kola Peninsula (Baltic Shield) / F.P. Mitrofanov, V.I. Pozhilenko, V.F. Smolkin, A.A. Arzamastsev, V.Ya. Yevzerov, V.V. Lyubtsov, E.V. Shipilov, S.B. Nikolaeva, Zh.A. Fedotov. Apatity: KSC RAS, 1995. 144 р.
4. Мирская Д.Д. Супракрустальные формации Кейвской зоны // Геология и геохимия метаморфических комплексов Кольского полуострова. Апатиты: КФАН СССР, 1975. С. 23-35. 5. Каталог геохронологических данных по северо-восточной части Балтийского щита / Т.Б. Баянова, В.И. Пожиленко, В.Ф. Смолькин, Н.М. Кудряшов, Т.В. Каулина, В.Р. Ветрин. Апатиты: ГИ КНЦ РАН, 2002. 53 с. 6. Балаганский В.В., Мыскова Т.А., Скублов С.Г. О возрасте палеопротерозойской коллизии на юго-востоке Кольского региона, Балтийский щит // Геология и стратегические полезные ископаемые Кольского региона: труды X Всерос. Ферсмановской науч. сессии, посвящённой 150-летию со дня рождения акад. В.И. Вернадского (Апатиты, 8-9 апреля 2013 г.) / Геологический ин-т КНЦ РАН. Апатиты, 2013. С. 13-16. 7. Геология и геохимия метаморфических комплексов раннего докембрия Кольского полуострова / А.П. Белолипецкий, В.Г. Гаскельберг, П.А. Гаскельберг, Е.С. Антонюк, Ю.И. Ильин. Л.: Наука, 1980. 240 с. 8. Петров В.П. Метаморфизм раннего протерозоя Балтийского щита. Апатиты: КНЦ РАН, 1999. 325 с. 9. Филатова В.Т. Мобильно-проницаемые зоны в фундаменте северо-восточной части Балтийского щита и условия их локализации // Геофиз. журн. НАН Украины. 2012. Т. 34, №1. С. 50-62. 10. Филатова В.Т. Формирование каркасных тектоногенов в северо-восточной части Балтийского щита // ДАН. 2014. Т. 455, № 4. С. 464-470. 11. Filatova V. Tectonophysical conditions of magma feeding channels formation in the Archaean basement of the north-eastern Baltic Shield // Proc. the 34th Intern. Geol. Congr. (5-10 August 2012, Brisbane, Australia). Brisbane, 2012. P. 2254. 12. Верба В.В., Гаскельберг В.Г., Зайцев В.Г. Петрофизическая характеристика докембрийских комплексов северо-восточной части Кольского полуострова // Петрофизическая характеристика советской части Балтийского щита. Апатиты: КФАН СССР, 1976. С. 34-38.
Сведения об авторах
Филатова Валентина Тимофеевна - д.ф.-м.н., ведущий научный сотрудник Геологического института КНЦ РАН; e-mail: [email protected] Петров Валентин Петрович - д.г.-м.н., зам. председателя КНЦ РАН; e-mail: [email protected]
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015(20)
31
