STRESSANDSTRAIN RECONSTRUCTION FOR THE EASTERN SEGMENT OF THE BALTIC SHIELD

The publication presents stress determinations from geological and kinematical indicators of tectonic stress fields, varying in ranks, for the Kola Peninsula. The objective is to determine possible mechanisms of formation of recent structures in the eastern segment of the Baltic shield and to forecast seismogenic and technogenic hazard of fracturing.

The study is focused on the Kovdor and Khibin Paleozoic alkaline-ultrabasic blocks. Tectonic stresses are reconstructed by M.V. Gzovsky’s method [1954; 1975] based on identification of conjugated shear systems. Neotectonic stresses are studied by the kinematic method [Gushchenko, 1979] on the basis of measurements of tectonic displacment vectors from slickensides (Figure 2). Local stress data processed by the method for determination of general stress fields provide for reconstruction of main normal stresses which are arbitrarily considered as regional stresses [Sim, 1980; 2000]. This study uses the method of bandpattern distribution of fracturing in fault zones [Danilovich, 1961] which determines the main displacement line on the fault plane.

The study of the Zhelezny mining site (Kovdor block, Figures 3 and 4) revealed that elements of fractures of two different ages (centroclinal fractures of the prototectonic genesis and fractures of later tectonic activation) are spatially overlapping due to rock collapse and lacking stability of benches. Numerous inversions and changes of kinematics of relative displacements were reviewed. It was observed that the southeastern wall of the quarry collapsed due to local extension (Fig. 6B
and Photos 1 and 2), and a large fault, i.e. a prototectonic fracture, was dipping towards the quarry. Based on the analyses of local stresses at various points of the quarry (Table 1), two ‘regional’ stress fields can be revealed (Figures 7 and 8). The first paleostess field was associated with reverse faults of the WNW subhorizontal axis of compression and the steeply dipping axis of extension. The second field was related to shear faults; its axis of compression maintained the WNW orientation, while the extension axis was reoriented, and the axis of extension attained submeridional position and a less steep dip. The second field is younger as suggested by traces of two displacements identified on several planes, the youngest of which are shears.

From the analysis of measurements taken at 273 planes with striations, it is evident that striations are distributed in a bandshape pattern. The band of fractures is coincident with the plane of the transition axis of the young ‘regional field (Figure 9); main maximums of density of the planes with striations are symmetrically scattered in a fanlike pattern from the axis of compression and extension of this field. Generally, the striations reflect traces of younger displacements, and their consistency with the axes of the young field supports our conclusions on age relationships between  the two ‘regional’ fields. Four major stages of deformation of the Kovdor block under study are distinguished by analyses of the tectonic stresses (Figure 10).

Within the limits of the Khibin block, 14 local states of stresses are reconstructed for three mining sites (Table 2, Figure 11). At the Central mining site, reindexation of local axis of compression and extension in the fault wings give evidence of the fault activity during the neotectonic stage (Figure 13). The ‘regional’ stress field of the Khibin block is associated with a reserve fault with lowangle NNW orientation of the axis of compression (Figure 14). The tectonophysical studies conducted at the mining sites of the Kola Peninsula give grounds to conclude that activity of faults, which positions are different at the mining sites, is variable, depending on orientations of the faults against the youngest ‘regional’ main stress. From sets of indicators, a relative age of the revealed ‘regional’ fields of stresses is accepted as neotectonic and recent.

For the segments of the Kovdor block under study, four phases of deformation are distinguished, including two early phases revealed by structural indicators, and two last phases revealed from orientations of the axes of the main stresses in the reconstructed ‘regional’ fields. The reverse field of stresses of Deformation Phase 3 (which is a more ancient ‘regional’ field according to reconstructed tectonic stresses) at the Kovdor block and the reversefault field at the mining sites of the Khibin block may reflect a phase of brittle deformation of the rocks after the blocks were exposed to the day surface. Since then the deformation mechanisms might have been determined by two factors which controlled subhorizontal compression: residual gravity stresses in considerably eroded magmatic bodies as ‘recollections’ of being subject to constraint environment at depth [Rebetsky, 2008], and the impact of rifting in the Northern Atlantics. The fact that the neotectonic ‘regional’ stress field of the Kovdor block is fully similar to that of the Central Karelia (Figure 1) give grounds to conclude that the mechanism of deformation of the block under study might have been controlled by both factors. The Khibin block has a lopolithic shape which gradually converts into a centraltype conic structure with depth. It should thus be squeezed upward by the impact of horizontal compression of any genesis, as evidenced by the subvertical extension axis of the general field of the Khibin area and the recent topography as the highest mountains of the Kola Peninsula are located in the block under study.

1. Бабак В.И., Гарбар Д.И., Сим Л.А., Касаткин Ф.Г. Тектонические условия и тенденции развития Онежского озера // Изв. ВУЗов. Геология и разведка. 1979. № 2. С. 44–51.

2. Бабак В.И., Николаев Н.И. Пояснительная записка к карте геоморфолого-неотектонического районирования Нечерноземной зоны РСФСР (за исключением горной части Урала и Калининградской области). Мб 1:500000. М.: МГУ, 1983.

3. Бабак В.И., Сим Л.А., Касаткин Ф.Г. Вариации тектонического поля напряжений восточной части Балтийского щита // Бюл. МОИП. Отд. геол. 1981. Т. 56, вып. 1. С. 150.

4. Геологическая карта Кольского региона. Мб 1:100000 / Ред. Ф.П. Митрофанов. Апатиты, 2001.

5. Геология рудных районов Мурманской области / В.И. Пожиленко, Б.В. Гавриленко, Д.В. Жиров, С.В. Жабин. Апатиты: КНЦ РАН, 2002. 359 с.

6. Гзовский М.В. Тектонические поля напряжений // Известия АН СССР. Серия геофизическая. 1954. № 5. С. 390–410.

7. Гзовский М.В. Основы тектонофизики. М.: Наука, 1975. 375 с.

8. Гущенко О.И. Анализ ориентировок сколовых тектонических смещений и их тектонофизическая интерпретация при реконструкции палеонапряжений // Доклады АН СССР. 1973. Т. 210, № 2. С. 331–334.

9. Гущенко О.И. Метод кинематического анализа структур разрушения при реконструкции полей тектонических напряжений // Поля напряжений в литосфере. М.: Наука, 1979. С. 7–25.

10. Гущенко О.И., Сим Л.А. Обоснование метода реконструкции напряженного состояния земной коры по ориентировкам сдвиговых тектонических смещений (по геологическим и сейсмологическим данным) // Механика литосферы: Тез. докл. Всесоюз. науч.техн. совещ. Л.–М., 1974. С. 5−8.

11. Данилович В.Н. Метод поясов в исследовании трещиноватости, связанной с разрывными смещениями. Иркутск: Иркут. политехн. ин-т, 1961. 47 с.

12. Жиров Д.В., Сим Л.А. Мультикинематические дизъюнктивы как регуляторы транспозициональных полей напряжений на примере массива пород Ковдорского апатит-магнетитового месторождения // Триггерные эффекты в геосистемах: Тез. докл. семинара-сов. (Москва, июнь 2010). М.: ИДГ РАН, 2010. С. 31–32.

13. Карта новейшей тектоники СССР и сопредельных областей м-ба 1:1000000 / Ред. Н.И. Николаев. М.: ГУГК СМ, 1985.

14. Кольская сверхглубокая. М.: Недра, 1984. 490 с.

15. Кошечкин Б.И. Голоценовая тектоника восточной части Балтийского щита. Л.: Недра, 1979. 152 с.

16. Митрофанов Ф.П., Баянова Т.Б., Балабонин Н.Л., Сорохтин Н.О., Пожиленко В.И. Кольский глубинный раннедокембрийский коллизион: новые данные по геологии, геохронологии, геодинамике и металлогении // Вестник СПбГУ. 1997. Сер. 7, вып. 3. С. 5–18.

17. Мультимедийный справочник по минерально-сырьевым ресурсам и горно-промышленному комплексу Мурманской области: Цифровой информационный ресурс / Под ред. Ф.П. Митрофанова. Апатиты: ГИ КНЦ РАН, 2001. Ч. 1. (CDROM).

18. Николаев П.Н. Методика тектоно-динамического анализа. М.: Недра, 1992. 295 с.

19. Осокина Д.Н. Об иерархических свойствах тектонического поля напряжений и деформаций в земной коре // Поля напряжений и деформаций в земной коре. / Под ред. А.С. Григорьева, Д.Н. Осокиной. М.: Наука, 1987. С. 136–151.

20. Осокина Д.Н. Парагенезы напряжений и вторичных структур в зонах активных разломов: Математическое моделирование. Структурные парагенезы и их ансамбли / Под ред. А.В. Лукьянова. М.: ГЕОС, 1997. С. 129–131.

21. Ребецкий Ю.Л., Сим Л.А., Козырев А.А., Рыбин В.В., Жиров Д.В. Первые оценки величин напряжений по геологическим данным // Современное состояние наук о Земле: М-лы

22. междунар. конф., посв. памяти В.Е. Хаина. М.: Геол. факультет МГУ, 2011, С. 1553–1554. http://khain2011.web.ru.

23. Ронов А.Б., Хаин В.Е., Балуховский А.Н. Атлас литолого-палеогеографических карт мира. Мезозой и кайнозой континентов и океанов / Отв. ред. В.Л. Барсуков, Н.П. Лаверов. Л.: ВСЕГЕИ, 1989. 79 с.

24. Рухлов А.С., Иванников В.В., Белл К. Рекуррентный дайково-диатремовый магматизм Кандалакшского грабена (Кольская щелочная провинция) // Рифтогенез, магматизм, металлогения докембрия. Корреляция геологических комплексов Фенноскандии. Тез. междунар. конф. Петрозаводск, 1999. С. 124–125.

25. Светов А.П., Свириденко Л.П. Магматизм шовных зон Балтийского щита. Л.: Наука. Ленинградское отд., 1991. 197 с.

26. Сим Л.А. Выявление новейших активизированных разломов в условиях слабообнаженных районов (на примере зоны сочленения Мезенской синеклизы и Среднего Тимана): Автореф. дис. … канд. геол.мин. наук. М.: МГУ, 1980. 24 с.

27. Сим Л.А. Некоторые особенности полей напряжений в зонах разломов (по геологическим и сейсмологическим данным) // Поля напряжений и деформаций в земной коре. М.: Наука, 1987. С. 151–158.

28. Сим Л.А. Изучение тектонических напряжений по геологическим индикаторам (методы, результаты, рекомендации) // Изв. ВУЗов. Геология и разведка. 1991. № 10. С. 3–22.

29. Сим Л.А. Некоторые особенности взаимосвязи неотектонических движений Восточно-Европейской платформы с глобальным тектогенезом на основе изучения неотектонических напряжений) // Неотектоника и современная геодинамика контин. и океанов: Тез. докл. ХХ1Х тект. сов. М., 1996. С. 132–134.

30. Сим Л.А. Влияние глобального тектогенеза на новейшее напряженное состояние платформ Европы // М.В. Гзовский и развитие тектонофизики. М.: Наука, 2000. С. 326–350.

31. Сим Л.А. О возможной причине эрозионного сноса за мезозой – кайнозой и в начале новейшего этапа на Фенноскадинавском щите // Свойства, структура, динамика и минерагения литосферы Восточно-Европейской платформы: Материалы XVI международной конференции, 20–24 сентября 2010 г. Воронеж: Научная книга, 2010. С. 216–221.

32. Сим Л.А., Наумкин А.Н., Никулин В.И., Симонов Д.А. Тектонофизическое изучение разломов Карелии в связи с выбором площадки для строительства Карельской АЭС // Тектонофиз. аспекты разломообразования в литосфере: Тез. Всес. сов. «Разломообразование в литосфере: тектонофиз. аспекты». Иркутск, 1990. С. 63.

33. Сим Л.А., Попова З.В., Шенкман Е.Я., Гущенко А.О., Серов А.В. Поля напряжений в зонах разломов по геологическим и экспериментальным данным // Эксперим. тект. в решении задач теорет. и практ. геологии: Тез. Второго Всес. симп. в Ялте. Киев, 1987. С. 150–151.

34. Сим Л.А., Свириденко Л.П., Брянцева Г.В. Об унаследованном развитии неотектонических разломов восточной части Балтийского щита // Разломообразование и сейсмичность в литосфере: тектонофизические концепции и следствия: М-лы Всерос. сов. (18–21 августа 2009 г.). Т. 1. Иркутск: ИЗК СО РАН, 2009. С. 100–102.

35. Строение и динамика литосферы Восточной Европы. Результаты исследований по программе EUROPROBE. – М.: Геокарт: Геос, 2006. 736 с.

36. Стром А.Л., Никонов А.А. Распределение смещений вдоль сейсмогенных разрывов и учет неравномерности подвижек при палео-сейсмологических исследованиях // Вулканология и сейсмология. 1999. № 6. С. 47–59

37. Шерман С.И. О потенциальной способности глубинных разломов к магмоконтролирующей деятельности // Вестник научной информации Забайкальского отд. Геогр. о-ва СССР. Чита, 1966. № 5. С. 16−24.

38. Garetsky R.G., R.E. Aizberg R.E., Karabanov A.K., Palienko V.P., Sliaupa A.I. Neotectonics and Neogeodynamics of Central Europe // Geotectonics. V. 33. № 5. P. 343–352.

39. Rebetsky Yu.L. Possible Mechanism of Horizontal Compression Stress Generation in the Earth’s Crust // Doklady Earth Sciences. 2008. V. 423. № 2. P. 1448–1451. doi:10.1134/S1028334X08090274.

40. Sim L.A., Zhirov D.V., Smaglichenko T.A., Smaglichenko A.V. Results of the neotectonic stress state study in the eastern part of Baltic shield // Geoph. Research Abstr. V. 12, EGU20103599, 2010, EGU General Assembly 2010.

41. Zoback M.L., Zoback M.D., Adams J., Assumpção M., Bell S., Bergman E.A., Blümling P., Brereton N.R., Denham D., Ding J., Fuchs K., Gay N., Gregersen S., Gupta H.K., Gvishiani A., Jacob K., Klein R., Knoll P., Magee M., Mercier J.L., Müller B.C., Paquin C., Rajenran K., Stephansson O., Suarez G., Suter M., Udias A., Xu Z.H. & Zhizhin M. Global patterns of tectonic stress // Nature. 1989. V. 341. № 6240. P. 291–298. doi:10.1038/341291a0.