СОВРЕМЕННАЯ ГЕОДИНАМИКА 
В работе развивается концепция блоковой геосреды применительно к геодинамическому (сейсмическому и вулканическому) процессу. Работу, в целом, можно представить в виде четырех частей: введения, шести разделов, кратко описывающих разработанную ранее автором ротационную модель сейсмотектонического процесса, трех разделов, посвященных развитию блоковой концепции применительно к вулканическому процессу, и обсуждения результатов.
Во введении на примере анализа исследований, проводимых в течение последних десятилетий сотрудниками Института земной коры СО РАН, показывается, что концепция тектонофизического процесса Байкальской рифтовой зоны, разрабатываемая в рамках разломной тектоники на региональном уровне, не позволяет видеть всю картину в целом. Региональные концепции существенным образом опираются на представления о разломах, представления о блоковой среде используются чисто формально. И, несмотря на большие успехи [Sherman, 2014], уже на первых этапах построения региональной модели ученые вынуждены вводить взаимосвязи между ее параметрами, тем самым резко ограничивая возможности интерпретации модели на заключительных этапах исследования. Отмечается, что принцип Сен-Венана в применении к задачам сейсмологии и геодинамики не может рассматриваться как фундаментальный.
В разделе «Напряжения с моментом силы» проводится построение механически очевидной модели движения блока, являющегося частью вращающейся среды – геосреды. Показывается (рис. 1), что в блоковой вращающейся и передвигающейся вдоль поверхности Земли геосреде генерируется упругое поле с моментом силы, которое действует на блоки через их поверхности. Такие свойства упругого поля являются следствием закона сохранения момента количества движения. Движение блока во вращающейся системе координат ме- ханически эквивалентно движению блока в невращающейся (инерциальной) системе координат под действием собственного момента силы (спина), который в окружающем блок пространстве создает упругое поле с моментом силы. Такие напряжения в геосреде накапливаются, что и может объяснить ее известное свойство – энергонасыщенность [Ponomarev, 2008].
В разделе «Близкодействие и дальнодействие ротационного упругого поля» показывается, что поле упругих напряжений с моментом в геосреде описывается симметричным тензором напряжений. Оно характеризуется близкодействием – «моментным» взаимодействием рядом расположенных блоков, и дальнодействием – «энергетическим» взаимодействием всех блоков сейсмического пояса, протягивающегося на десятки тысяч километров, что может являться отражением общего физического принципа – корпускулярно–волнового дуализма. В ротационной концепции не требуется привлекать модель Коссера, которая является математической, не физической.
В разделах «О ротационных волнах в блоковых вращающихся геосредах»и «Новый тип геодинамических колебаний» описывается разработанная ранее автором в рамках блоковой концепции геосреды модель ротационного сейсмотектонического процесса [Vikulin, 2011]. Характерными скоростями волновой модели являются Сo =
Город Улан-Удэ расположен в сейсмически активном районе и характеризуется сейсмической интенсивностью 8, 8 и 9 баллов для средних грунтовых условий [TheMap…,1999] и трех уровней сейсмической опасности – 10 % (А), 5 % (В) и 1 % (С). По результатам анализа макросейсмических данных отмечается, что максимальный сейсмический эффект от сильных землетрясений за исторический период для г. Улан-Удэ не превышает 7 баллов. Он вызван двумя событиями, произошедшими в Южном и Центральном Байкале: Цаганским (12.01.1862 г; М=7.5) и Среднебайкальским (29.08.1959 г; M=6.8) землетрясениями.
Для уточнения исходной сейсмичности территории г. Улан-Удэ за счет грунтовых условий проведены инженерно-геофизические работы, необходимые для характеристики преобладающих типов грунтов по скоростям распространения в них продольных и поперечных волн и по амплитудно-частотным характеристикам. При расчетах за эталон выбран скальный грунт с Vp=2200 м/с, Vs=1200 м/с и ρ=2.5 г/см3 (средние значения скоростей в 10-метровом слое на участках выхода коренных пород на поверхность). Сейсмическая опасность участков с такими значениями скоростей оценивается на один балл меньше исходной. В этом случае средние грунты (неводонасыщенная толща песчаных и гравийно-галечных грунтов) будут иметь значения Vp=600 м/с, Vs=300 м/с и ρ=1.8 г/см3. Сейсмическая опасность участков с такими значениями соответствует исходной сейсмичности.
Таким образом, проведенные измерения скоростей сейсмических волн на территории города и расчет приращений балльности (табл. 2) показывают, что относительно выбранного эталона (скальный грунт – 7 баллов) грунты, служащие основаниями сооружений города Улан-Удэ, будут иметь приращение балльности от +0.17 до +2.3 балла, а их сейсмическая опасность изменится от 7.17 до 9.3 балла.
Представлена методика формирования исходного сейсмического сигнала, отвечающего параметрам относительно сильных землетрясений из зон ВОЗ (вероятных очагов землетрясений). Отмечается, что выбранные акселерограммы относились к землетрясениям с различными магнитудами, поэтому была использована зависимость M(f). Онапоказывает изменения уровня спектра ускорения с изменением магнитуды и зависит от частоты.
Используя эту зависимость, мы приводили амплитудные спектры к магнитуде рассматриваемой зоны ВОЗ. Завершающим шагом стало получение записей акселерограмм землетрясений из конкретных зон ВОЗ заданных магнитуд, являющихся характерными для каждой конкретной зоны (рис. 5). Это реализовано путем обратного преобразования Фурье среднего спектра ускорения данной зоны и фазового спектра наиболее сильного землетрясения, зарегистрированного из данной зоны ВОЗ.
В результате показана возможность использования полученного сигнала и проведены теоретические расчеты для сейсмогрунтовых моделей, характеризующих вероятностные параметры эталона для коренных пород (грунтов 1-й категории), средних грунтов (2-й категории) и водонасыщенных грунтов (3-й категории).
По результатам теоретических расчетов (раздел 2), данным экспериментальных измерений (раздел 1), имеющимся инженерно-геологическим и гидрогеологическим сведениям составлена в первом приближении схематическая карта (рис. 10) основных параметров сейсмических воздействий. На территории города выделены 7–9-балльные участки, характеризующиеся различной по мощности грунтовой толщей водонасыщенных и неводонасыщенных отложений. В каждой из зон по сейсмической опасности (рис. 10) при СМР могут быть выделены участки от 7 до 9 баллов. В этом случае они будут отвечать той или иной грунтовой модели (табл. 5) и требуют дальнейшего уточнения в соответствии с масштабом СМР территории города путем детализации расчетных моделей по предлагаемой нами методике.
Результаты исследований предполагается использовать для разработки рекомендаций по направлению, видам и очередности проведения дальнейших инженерно-сейсмологических исследований и для обновления технологии построения карты сейсмического микрорайонирования территории г. Улан-Удэ.
Таким образом, показано, что для конечного варианта карты СМР следует выявить и охарактеризовать на новом вероятностном уровне потенциальные сейсмические источники (локализацию деформаций и активных разломов, период повторяемости землетрясений, уровень сейсмичности, а также вероятность возникновения землетрясений), которые связаны с прогнозированием сильных сейсмических воздействий для г. Улан-Удэ. Необходимо определить параметры распространения сейсмических волн и их эффекты, обусловленные проявлением сейсмичности, на конкретных строительных площадках города. Затем необходим расчет спектров реакции и связанной с ними вероятности возникновения сильных землетрясений для составления карты сейсмического риска с указанием параметров, которые могут оказаться полезными в строительной политике региона.
ПАЛЕОГЕОДИНАМИКА
Формирование базит-гранитных комбинированных даек происходит в широком спектре условий и обстановок взаимодействия контрастных по составу расплавов, начиная от специфики состава и флюидонасыщенности расплавов и заканчивая тектоническими обстановками и глубинностью процессов. Все эти факторы отражаются на структурно-текстурных и петрогеохимических характеристиках даек. В настоящей работе данные вопросы рассмотрены на примере комбинированных (минглинг) даек Западного Сангилена (Юго-Восточная Тува).
Сангиленский выступ представляет собой фрагмент раннекаледонской орогенной структуры Тувино-Монгольского массива, тектоническая эволюция которой отражает смену геодинамических обстановок – от коллизионной (режим сжатия, 570–480 млн лет) до сдвиговой (режим растяжения, 480–430 млн лет). Интенсивные тектонические деформации способствовали проявлению масштабного базитового и гранитоидного магматизма на различных уровнях земной коры и связанного с ним теплового прогрева и метаморфизма пород в период 510–460 млн лет. С этим же периодом связано проявление базит-гранитных комбинированных даек, формирование которых происходило в различных тектонических обстановках, контролирующих условия их внедрения и становления.
В статье рассматривается две группы минглинг-даек, изученных в междуречье Эрзина и Нарына и на правобережье р. Эрзин (рис. 1). В обоих случаях их происхождение связано с одним источником базитового расплава. Однако, механизмы смешения контрастных расплавов отвечают различным моделям внедрения.
В междуречье Эрзина и Нарына вмещающими породами комбинированных даек являются гранитоиды Нижнеэрзинского массива. Минглинг-дайки сложены амфиболовыми габбро и монцогаббро, граносиенитами и двуполевошпатовыми гранитами. Контакты между основными и кислыми породами различны и изменяются от ровных и контрастных до пламеневидных и микрофестончатых с образованием зон постепенных переходов (рис. 6).
Формирование даек этого типа происходило на мезоабиссальных либо абиссальных уровнях глубинности, что обеспечило при их становлении сохранность длительного субликвидусного теплового режима и относительно продолжительный период консолидации даже мелких порций базитового расплава. Как следствие, в комбинированных дайках отсутствуют признаки деформаций, но наблюдаются переходные зоны и гибридизация.
Дайки на правобережье р. Эрзин прорывают мигматит-граниты эрзинского комплекса в одноименной тектонической зоне. Контакты с вмещающими породами секущие. Меланократовые породы представлены мелкозернистыми диоритами и кварцевыми диоритами, кислая часть комбинированных даек сложена средне-, мелкозернистыми двуполевошпатовыми гранитами и лейкогранитами. Для всех типов контактов характерно отсутствие зон перехода, ороговикования и контактовых изменений (рис. 8).
Внедрение и становление комбинированных даек данного типа происходило в условиях обстановок растяжения и фрагментации сдвиговой зоны, что обусловило как активное внедрение базитовых и, возможно, кислых расплавов по сопряженным трещинам, так и их быструю кристаллизацию. Наличие остроугольных обломков магматических и вмещающих метаморфических пород, существование жильных пегматоидных образований, сетчато-фестончатый характер минглинг-даек с преобладанием базитовой составляющей прямо указывают на быструю кристаллизацию базитовых расплавов без возможности их последующего теплового воздействия на окружающие породы.
Внедрение первой группы минглинг-даек связывается с заложением Эрзинской и Кокмолгаргинской тектонических зон и отвечает раннему этапу тектономагматической эволюции Сангиленского орогена на рубеже 510–490 млн лет. Данный этап сопровождался как внедрением базитовых расплавов с формированием относительно крупных массивов основного состава (Эрзинский и Баянкольский габбро-монцодиоритовые массивы), так и появлением комбинированных даек, распространенных в междуречье Эрзина и Нарына. Второй этап формирования минглинг-даек связывается с тектономагматической активностью в регионе на рубеже 460–430 млн лет, когда происходило активное растяжение орогенной структуры по системе тектонических зон, внедрение и становление Башкымугурского массива габбро-монцодиоритов и развитие трещинно-жильных образований, в том числе комбинированных даек.
Введение. Влияние процессов мантийного метасоматизма и магматизма на эволюцию литосферной мантии в северо-восточном Биректинском террейне Сибирского кратона рассмотрено на примере флогопит- и флогопит-амфиболсодержащих глубинных ксенолитов из кимберлитов Куойкского поля (рис. 1). Глубинные ксенолиты с мантийной флогопитовой и флогопит-амфиболовой минерализацией в кимберлитовых трубках поля развиты в двух генетически разных сериях пород: магнезиальной (Mg) пироксенит-перидотитовой (с магнезиальным составом пород и минералов) и в серии флогопит-ильменитовых (Phl-Ilm) ги- пербазитов (с железистым типом пород и минералов). В настоящей работе уделяется большое внимание петрографии и минералогии ксенолитов с мантийной флогопитовой и флогопит-амфиболовой минерализацией, и приводятся новые данные по 40Ar/39Ar возрасту флогопита.
Методы исследований. Флогопит- и флогопит-амфиболсодержащие парагенезисы ксенолитов были детально изучены в образцах и шлифах. Зерна минералов были проанализированы на содержания главных оксидов на рентгеновском электронно-зондовом микроанализаторе JXA-8200 в Институте геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН (г. Иркутск). Анализ изотопного состава кислорода в гранате выполнен в аналитическом центре ДВГИ ДВО РАН (г. Владивосток) на масс-спектрометре Finnigan MAT 252, [Ignatiev, Velivetskaya, 2004]. Определение возраста флогопита 40Ar/39Ar методом произведено в Институте земной коры СО РАН (г. Иркутск) с использованием мультиколлекторного масс-спектрометра Argus VI.
Петрография и минералогия. Магнезиальная (Mg) серия представлена непрерывным переходом пород от Sp, Sp-Grt, Grt клинопироксенитов, ортопироксенитов к вебстеритам, оливиновым вебстеритам и лерцолитам и рассматривается рядом исследователей как расслоенная интрузия в мантии [Ukhanov et al., 1988; Solov’eva et al., 1994]. Мантийная метасоматическая флогопит-амфиболовая минерализация проявлена во всех петрографических типах пород серии и развита в виде секущих прожилков и неправильных участков по границам зерен первичных минералов (рис. 4, 5). В ксенолитах с мегакристаллами пироксенов, состоящих из параллельных пластинок клино- и ортопироксена ± граната ± шпинели (структуры распада высокотемпературного пижонита [Solov’eva et al., 1994]), метасоматический флогопит-амфиболовый агрегат развивается преимущественно по пластинчатым вросткам одного из пироксенов и граната и в перекристаллизованной мелкозернистой матрице пород. Это указывает на значительный интервал времени между кристаллизацией пород пироксенит-перидотитовой серии и развитием флогопит-амфиболового метасоматизма. Phl-Ilm гипербазиты также образуют сложную ассоциацию парагенезисов, представленных Phl-Ilm гранатовыми и безгранатовыми пироксенитами, вебстеритами, оливиновыми вебстеритами, ортопироксенитами, лерцолитами и оливинитами. Характерной особенностью серии являются высокие содержания K, Ti, Fe в породах и минералах. Содержание флогопита в породах широко варьируется – от первых процентов до 40–80 %, ильменита – от первых до 15 %, реже до 30–40 %. Количество слюды и ильменита резко уменьшается в гранатизированных ксенолитах, в которых гранат интенсивно замещает эти минералы, а также первичные силикаты. Панидиоморфнозернистые, гипидиоморфнозернистые, сидеронитовые и порфировидные структуры в негранатизированных ксенолитах указывают на первичный магматический генезис пород. Для пород серии характерно также разнообразие автометасоматических и метасоматических структур. Гранат и флогопит развиваются на субсолидусном этапе близко одновременно: первый за счет охлаждения первичных магматических пород (рис. 11, 12, 14), а второй при воздействии на них остаточных флюидов-расплавов, обогащенных калием и летучими (рис. 8). Особый тип парагенезисов в серии Phl-Ilm гипербазитов представляют сильно деформированные флогопит-амфиболовые породы с новообразованным хромитом и с реликтовыми резорбированными ильменитом и клинопироксеном (рис. 21–23). Дифференцированная серия флогопит-ильменитовых гипербазитов по петрографическим признакам относится к мантийным магматитам, за исключением более поздних деформированных флогопит-амфиболовых пород из зон глубинных разломов. В отличие от соответствующих минералов Mg пироксенит-перидотитовой серии, минералы из Phl-Ilm гипербазитов имеют значительно меньшую магнезиальность (Mg#) и содержат существенно больше TiO2, FeO и меньше Cr2O3 (таблица). Точки метасоматических флогопитов из пород Mg серии на диаграммах Mg# – TiO2 и Mg# – Cr2O3 существенно отделены от поля точек слюд из флогопит-ильменитовых парагенезисов (рис. 24). Амфибол, представленный в Phl-Amph метасоматитах Mg серии типичным паргаситом по химическому составу резко отличается от K-рихтерита из деформированных флогопит-амфиболовых пород серии Phl-Ilm гипербазитов (таблица).
40Ar/39Ar датирование слюды. 40Ar/39Ar возраст флогопита из метасоматических флогопит-амфиболовых прожилков и межзерновых реакционных обособлений в гранатовом оливиновом вебстерите Mg серии варьируется в пределах 1640–1800 млн лет (рис. 25). Слюды из негранатизированных Phl-Ilm вебстеритов показали возраст 869 и 851 млн лет (рис. 25). В гранатизированных Phl-Ilm лерцолитах возраст слюд значительно меньше (608 и 495 млн лет). Слюда из деформированной флогопит-амфиболовой породы показала возраст 167 млн лет, близкий возрасту кимберлитов Куойкского поля.
Дискуссия и результаты. Возраст метасоматического флогопита (1640–1800 млн лет) несколько ниже возраста присоединения Биректинского террейна к Сибирскому кратону (1.8–1.9 млн лет [Rosen, 2003]), что, возможно, объясняется частичной потерей 40Ar в анализируемой слюде. С другой стороны, это значение близко интервалу позднего эпизода формирования коры в Биректинском блоке 1.8–2.1 млрд лет [Nasdala et al., 2014] и соответствует времени привноса радиогенного осмия в мантийную литосферу из зоны субдукции (1.7–2.2 лет [Pernet-Fisher et al., 2015]). Геохимия изотопов кислорода в породах перидотит-пироксенитовой серии из трубки Обнаженная также свидетельствует о присутствии в них древней субдукционной компоненты (рис. 26). Это позволяет предположить, что мантийный флогопит-амфиболовый метасоматизм в литосферной мантии Биректинского террейна осуществлялся флюидами – расплавами, поступавшими из зоны субдукции примерно 1.8 млрд лет назад, и соответствует эпизоду присоединения этого блока к Сибирскому кратону. Сложная магматическая серия Phl-Ilm пород является более поздней по сравнению с Mg пироксенит-перидотитовой серией. Древний возраст флогопита (869–851 млн лет) из Phl-Ilm гипербазитов несколько превышает наиболее древние датировки щелочного ультраосновного – карбонатитового Томторского массива (800 млн лет [Entin et al., 1990]) и время начала распада суперконтинента Родиния (825 млн лет [Li et al., 2008]). Эта разница может быть объяснена опережающим проявлением высококалиевых, титанистых, железистых магматитов в мантийной литосфере Биректинского блока по сравнению с их проявлением на поверхности. Флогопит из ксенолитов с субсолидусной гранатизацией показывает существенно меньшие значения возраста (500–600 млн лет), вероятно, из-за потери радиогенного аргона при замещении слюды. Этот процесс высвобождал большое количество H2O, K, Ba, F и Cl, поступавших в верхние горизонты коры и мантии. Мантийная высококалиевая и высокотитанистая Phl-Ilm серия, по-видимому, комагматична поверхностным калиевым ультрамафитам и мафитам на Сибирской платформе и связана с ранним эпизодом раскола суперконтинента Родиния. Главные выводы. 1. Рассмотренные флогопитсодержащие серии ксенолитов из кимберлитовых трубок Куойкского поля принадлежат к разным генетическим образованиям и к разным этапам эволюции литосферной мантии Биректинского террейна. 2. Phl-Amph метасоматизм развивается по породам сложной магнезиальной пироксенит-перидотитовой серии ксенолитов, имеет геохимические черты зоны субдукции и маркирует этап, связанный с присоединением Биректинского континентального блока к Сибирскому кратону ~1.8–1.9 млрд лет. 3. Сложная железистая серия Phl-Ilm гипербазитов относится к типичным мантийным калиевым ультраосновным – основным магматитам. Начало формирования магматической серии Phl-Ilm гипербазитов в мантийной литосфере Биректинского террейна (~869–851 млн лет), возможно, соответствует самому раннему этапу распада суперконтинента Родиния.
ОБСУЖДЕНИЕ
Впервые проводится тектонофизическая реконструкция формирования первичной делимости протолитосферы в результате конвекции остывающей примитивной мантии. Формирующиеся в ней конвективные ячеи Рэлея-Бенара предопределяют размеры первичного разделения протолитосферы на отдельные массы – прообразы блоков. Ячеи Рэлея-Бенара не впервые используются в геологии и геодинамике. Первоначально на них ссылались для объяснения формирования первичных континентальных ядер. Обращение к ячеям Рэлея-Бенара и их структурным реликтам способствует пониманию того, как зарождается первичная делимость протолитосферы, которая трансформируется в крупные литосферные плиты – прообразы континентов. Именно консервирующиеся в формирующейся литосфере ячеи Рэлея-Бенара, нижняя граница которых корреспондировала с одним из главных разделов планеты – границей ядра, – предопределили первоначальную мегамасштабную блоковую структуру протолитосферы и формирующейся литосферы. Проведенные теоретические оценки сопоставлены и хорошо согласуются с количеством и размерами площадей первых гипотетических континентальных структур – суперконтинентов Ваальбара и Ура.
Продолжение тектонофизического разбора формирования блоковой структуры литосферы реализовано на детальном анализе карты современных литосферных плит [Bird, 2003] с привлечением фактических материалов [Shermanetal., 2000]. В широкой по размерам площадей иерархии блоков в современной литосфере Земли отчетливо выделяются две группы. Первая – мегаблоки, среднегеометрический размер которых превышает 6500 км. Их формирование на современном этапе геодинамического развития Земли, а также на всех предшествующих, в том числе и на самом раннем, при зарождении протолитосферы связано с конвекционными процессами в мантии Земли. Вторая группа – блоки со среднегеометрическим размером менее 4500 км, вплоть до минимального, соответствующего кусковатости горных пород, отражают, прежде всего, деструкцию мегаблоков в результате их разрушения под действием высоких внутренних напряжений, превышающих предел прочности среды. В этой же группе могут быть блоки, формирование которых также связано с конвекцией, охватывающей верхний мантийный уровень – астеносферу. Можно предполагать, что в громадном промежуточном интервале геологического времени, охватывающем суперциклы Кенорленд, Родинию и, частично, Пангею, формирование крупных литосферных блоков контролировалось конвекцией, а их дальнейшее «дробление» регулировалось физическими законами разрушения твердых тел. Однако четкую границу между процессами, определяющими иерархию формирования блоковых структур разного генезиса в прошедшие времена, провести трудно из-за неопределенности размеров литосферных блоков далекого прошлого.
Таким образом, конвекция в мантии является генетическим эндогенным источником первичной делимости остывающей верхней оболочки Земли, а также мегаблоковой делимости собственно литосферы в последующие этапы ее геодинамического развития. На современном этапе закономерности разномасштабной блоковой делимости литосферы прослеживаются на всех иерархических уровнях. Площади мегаплит литосферы – результат закономерных изменений конвективных процессов в мантии и их воздействия на формирование и кинематику плит; деструкция мегаплит на меньшие по площади блоки – результат закономерного дробления твердых тел литосферы при высоких напряжениях.
