Delist.ru

Структура и вещественный состав осадочного чехла Хубсугульской впадины как летопись тектоно-климатической эволюции Северной Монголии в позднем кайнозое (15.04.2007)

Автор: Федотов Андрей Петрович

1. Вещественный состав донных осадков Хубсугула, сформированных в аридные периоды, характеризуется повышенными содержаниями аутигенных карбонатов, карбонатофильных элементов и водорастворимых солей, резким снижением элементов первичной биологической продуктивности и доли пыльцы древесной растительности. Периоды аридизации регионального палеоклимата соотносятся с оледенениями неоплейстоцена.

2. На основе комплексного исследования донных осадков Хубсугула, выделено три стадии развития регионального палеоклимата, последнего 1 млн. лет: 1-я стадия (1-0.7 млн. лет назад), 2-я стадия (0.7-0.42 млн. лет назад), 3-я стадия (0.42-0 млн. лет назад).

3. Палеотектоническая реконструкция, на основе сейсмоакустических исследований структуры осадочного чехла Хубсугульской впадины, свидетельствует, что формирование озерного осадочного чехла, начиная с 5.5-6 млн. лет, маркирует начало регионального неотектонического цикла.

4. На основе структурного взаимоотношений осадочных толщ впадины выделяются два режима палеотектонической летописи Северной Монголии. Первый режим существовал 5.5-0.4 млн. лет назад и характеризовался высокой тектонической активностью, с максимумами ~3.5 и ~1.5 млн. лет. Второй режим начался с 0.4 млн. лет назад и длится до сих пор, характеризуется резким ослаблением региональной тектонической активности.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые выполнено комплексное исследование западного сегмента Байкальской рифтовой зоны в определении основных этапов тектоно-климатической эволюции Северной Монголии. На основе распределения в донных осадках Хубсугула биологической, геохимической и минеральной составляющей рассмотрена детально, с шагом в 1000-1500 лет, палеоклиматическая летопись последнего 1 млн. лет. Определено, что главным климатическим параметром для изучаемой территории являлся уровень увлажненности региона. Установлено, что климат Северной Монголии приобрел полностью резко континентальные черты после 700 тыс. лет назад, с этим рубежом также связывается резкое усиление влияния на регион Сибирского антициклона.

Предложена типизация сейсмоакустических записей для выполнения сейсмофациального анализа донных осадков крупных озер. Изучены процессы осадконакопления в высокогорных условиях при различных климатических режимах и различных уровнях минерализации вод озера. На основе результатов сейсмофациального анализа и литолого-геохимического изучения донных осадков Хубсугула определены основные тенденции изменения регионального палеоклимата, за последние 5 млн. лет. Показано, что изменения климатического режима региона были вызваны формированием в регионе крупных горных построек (Саяны, Алтай, Хангай, Хэнтэй), изменивших направление атмосферных циркуляций и глобальными климатическими изменениями.

На основе сейсмоакустических исследований структуры осадочного чехла Хубсугульской впадины определено начало активного формирования структур западной части БРЗ. Дается обоснование раннеплиоценовой границы начала неотектонического этапа; и показана неоднородность тектонического режима региона, выраженная в снижении тектонической активности от плиоцена к голоцену.

На основе сопоставления полученных в ходе выполнения работы данных предложена модель геодинамического развития региона, подтверждающая гипотезу комбинированного формирования БРЗ под действием Индо-Азиатской коллизии и мантийных плюмов.

Выполнена корреляция тектоно-климатических событий плиоцен-четвертичного времени Северной Монголии с Центральной и Западной Монголией, Прибайкальем и Западной Сибирью.

Апробация работы. Результаты диссертации неоднократно докладывались на российских и международных конференциях и симпозиумах: Земная кора, Иркутск, 1996; Строение литосферы и геодинамика, XVI молодежная научная конференция, Иркутск, 1997; Актуальные вопросы геологии и географии Сибири, Томск, 1998; Проблемы реконструкции климата и природной среды голоцена и плейстоцена Сибири, Новосибирск, 1998; Междисциплинарные исследования в Байкальском регионе, Иркутск, 2000; International Workshop for the Baikal & Hovsgol drilling project, Ulaanbaatar, 2001; Третья Верещагинская Байкальская конференция, Иркутск, 2000; Pages meeting on high latitude paleoenvironments, Moscow, 2002; Third International Symposium Ancient Lakes: Speciation, Development in Time and Space, Natural History, Irkutsk, 2002; BAIK-SED-2 Workshop, Gent, 2003; Geology and Geoecology of Mongolia, Ulaanbaatar, 2003; Палеомагнетизм и магнетизм горных пород. Теория, практика, эксперимент, Казань, 2004; Science for watershed conservation: multidisciplinary approaches for natural resource management, Ulan-Ude-Ulan Bator, 2004; Environmental Processes of East Eurasia, past-present-future, Xi’an 2004; Third International Conference Environmental Change in Central Asia, Ulaanbaatar, 2005.

Личный вклад автора. Весь фактический материал, представленный в работе, получен и проанализирован с непосредственным участием и под руководством автора. Представленные результаты получены в результате выполнения научных программ грантов РФФИ, в которых автор являлся руководителем, а также Интеграционных проектов СО РАН, в которых автор являлся ответственным исполнителем тематических разделов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 48 работ, как в российских, так и в иностранных изданиях.

Диссертация изложена на 383 страницах и состоит из введения, 7 глав, заключения и списка литературы. Она иллюстрирована 91 графико-схемами, 9 фотографиями, 4 таблицами. Список литературы включает 385 наименований.

Автор считает своим долгом выразить искреннюю благодарность сотрудникам Лимнологического института СО РАН: м.н.с. Зиборовой Г.А., к.х.н. Чебыкину Е.П., к.б.н., Воробьевой С.С., к.ф.-м.н Федорину М.А., к.б.н Семенову М.Ю., с.н.с. Хлыстову О.М., к.г.н. Осипову Э.Ю., к.ф.-м.н. Гольдбергу Е.Л., вед.инж. Железняковой Т.О., м.н.с. Крапивиной С.М., вед.инж. Чебыкину А.П., вед.инж. Жученко Н.А., к.г.н. Голобоковой Л.П., н.с. Погодаевой Т.В., д.г.н. Мизандронцеву И.Б., д.б.н. Ситниковой Т.Я., к.б.н. Слугиной З.В., н.с. Вершинину К.Е., асп. Хабуеву А.В.; сотрудникам Центра морских исследований им. Ренарда, Бельгия: асп. Поулсу Т., инж. К. Де Райкеру; сотрудникам Института геологии и природных ресурсов АНМ (Монголия): н.с. Наранцэцэг Ц., н.с. Оюунчимэг Ц.; сотрудникам Института земной коры СО РАН: к.г.м-н. Санькову В.А, к.г.-м.н. Вологиной Е.Г., асп. Юлдашеву А.А., к.г-м.н. Парфеевец А.В., к.г.-м.н. Иванову А.В., д.г.-м.н. Рассказову С.В., к.г.-м.н. Меньшагину Ю.В.; сотрудникам Объединенного института геологии, геофизики и минералогии СО РАН: д.г.-м.н. Казанскому А.Ю., д.г.-м.н. Калугину А.И., д.г.-м.н Матасовой Г.Г., н.с. Родякину С.В.; сотрудникам Института геохимии СО РАН: д.г.н. Безруковой Е.В., с.н.с. Летуновой П.П., н.с. Абзаевой А.А.; сотрудникам КГУ: д.г.-м.н. Нургалиеву Д.К., к.г.-м.н. Ясонову П.Г., к.г.-м.н Хасанову Д.И., асп., Косаревой Л.Р.; Бурятского геологического института СО РАН к.г.м.-н. Посохову В.Ф., а также буровой команде ПБУ «Иркутскгеология» и экипажу НИС «Дыбовский».

Автор выражает свою признательность акад. РАН Добрецову Н.Л., акад. АНМ Томуртогоо О., док. Томурхуу Д., проф. де Батисту М., чл.-корр. РАН Склярову Е. В. за поддержку, помощь и содействие в проведении исследований в Монголии.

Отдельную благодарность автор выражает акад. РАН М.А. Грачеву за научные консультации при выполнении палеоклиматических реконструкций и постоянную помощь в организации и проведении научно-исследовательских и экспедиционных работ.

Глава.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЯ, ОБЗОР ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ ИЗУЧЕННОСТИ

Физико-географическая характеристика. В орографическом отношении район исследования ограничен Восточными Саянами на севере, отрогами Хангая на юге, горными системами Тувы на западе и Байкальской горной областью на юге (рис.1). Большинство горных хребтов ориентированно меридионально и субмеридионально, исключение составляют отроги Восточных Саян, ориентированные субширотно.

В среднем, уровень выпадающих в Прихубсугулье осадков равен 300 мм/год; 80-85% осадков приходится на летний период. Низкое количество выпадающих осадков сочетается с высокой континентальностью климата. Среднегодовая температура составляет -4-5°С (Богданова и др., 1976).

Химический состав атмосферных осадков и речного стока. Выпадающие в Прихубсугулье атмосферные осадки имеют слабую минерализацию (в среднем 18.3 мг/л) и относятся к гидрокарбонатному или сульфатному классу (Бадрах и др., 1976; Шпейзер, Стальмакова, 1995).

) Цифрами в кружках показаны высокогорная область Западного Прихубсугулья (1) и отрогов Восточных Саян (3), область распространения низкогорного рельефа Восточного Прихубсугулья (2).

По уровню минерализации притоки Хубсугула можно разделить на три класса: до 110 мг/л (ультрапресные), от 110 до 200 мг/л и от 201 до 540 мг/л. Они относятся к гидрокарбонатному классу, преимущественно, группы кальция (Шпейзер, Стальмакова, 1995; Атлас озера Хубсугул, 1989).

Характеристики озера Хубсугул. Озеро расположено на высоте 1645 м над уровнем моря, простираясь с севера на юг на 136 км. Его средняя ширина 20 км, средняя глубина 139 м, максимальная глубина 262 м (Атлас озера Хубсугул, 1989). Котловина озера имеет корытообразную форму. Глубины более 100 м занимают 60% площади озера, а литоральная зона (до 50 м) занимает 15% от его площади. Гидрохимический состав Хубсугула наследует химический состав вод притоков. На долю гидрокарбонатов приходится более 90% эквивалентного общего количества ионов, минерализация вод озера равна 200-220 мг/л. Хубсугул является олиготрофным озером; среди фитопланктона основными доминантами являются диатомовые и протококковые водоросли (Кожов и др., 1965; Загоренко, Кожова, 1973, Дулмаа и др., 1976).

Геологическое строение. Традиционно Хубсугульская впадина относится к западному флангу БРЗ, при этом имеет субмеридиональную ориентировку, характерную для монгольского сегмента зоны (Дархатская, Бусиногольская и Хубсугульская впадины), что отлично от субширотной - СВ ориентировки впадин БРЗ, расположенных на территории России (рис.1) (Флоренсов, 1960, 1968; Логачев, 2003). В схеме разломов Северной Монголии четко выделяются две системы: ортогональная (глубинные разломы) и диагональная (Ган-Очир и др., 1978). Геологическая специфика района исследования обусловлена сочетанием двух крупных региональных геологических структур, приуроченных к Тувино-Монгольскому микроконтиненту и Джида-Ильчирской зоне (Беличенко, Босс, 1988; Беличенко и др., 2003). В геологическом строении Прихубсгулья участвуют рифейско-кембрийские, юрские и палеоген-четвертичные отложения (Зайцев, Ильин, 1970; Кузнецов, Сульдин, 1976; Шувалов, Николаева, 1989; Атлас озера Хубсугул, 1989; Беличенко и др., 2003; Rasskazov et al., 2003).

По данным глубинного сейсмического зондирования и моделирования гравиметрических данных мощность земной коры в районе Прихубсугулья составляет 37-48 км (Мац и др., 2001; Suvorov et al., 2002; Petit et al., 1997, 2002). Территория Прихубсугулья более изостатически аномальна (-15-20 мГл) по сравнению с Байкальской впадиной (-10-15 мГл), это объясняется проявлением астеносферного плюма (Zorin et al., 1989; Logatchev and Zorin, 1992; Gao et al., 1994; Zorin et al., 2003).

По данным GPS-геодезии, имеется геодинамическая связь между воздействием Индо-Азиатской коллизии и смещением блоков территории Монголии (Саньков и др., 2005).

Геология неоген-четвертичного периода. Основным геологическим процессом этого периода является сочетание высоко амплитудных вертикальных тектонических движений и формирование осадочных покровов. На фоне детальной геолого-геофизической изученности осадочного чехла Байкальской впадины знания об осадочных чехлах впадин западного фланга (Хубсугульская, Дархатская, Бусиногольская, Муренская) БРЗ крайне скудны. Их основу составляют данные гравиметрической съемки 1986-1987 гг. (Зорин и др., 1989; Кочетков и др., 1993). По результатам этих данных наибольшую мощность осадочного чехла имеет Хубсугульская впадина. Основные осадочные депоцентры Хубсугульской впадины приурочены к южной части, где регистрируется ~10 км линза осадков мощностью в 300 м, и к северной, где регистрируется ~20 км линза осадков мощностью в 500 м (Кочетков и др., 1993).

Северная Монголия является наиболее высокогорным звеном БРЗ, что должно положительным образом отображаться на интенсивности оледенения территории в периоды похолоданий. Географически ледники Северного Прихубсугулья являются звеном единого оледенения Саяно-Тувинского нагорья, занимавшего обширную территорию, расположенную между Верхним Енисеем и оз. Байкал (Гросвальд, 1987).

До 90 г. прошлого века осадочные разрезы впадин Северной Монголии систематически не изучались и представления о характеристиках четвертичного периода основывались на литологическом строение и палинологическом анализе речных и озерных террас, бурового керна из Дархатской впадины (Иванов, 1953; Гросвальд, 1965; Уфлянд и др., 1969, 1971; Золотарев, Кулаков, 1976). У хубсугульских донных осадков изучался только их литологический состав и поровые воды первого метра осадочного чехла. Полный литологический разрез первого метра осадков Хубсугула имеет двучленное строение и состоит из бурых диатомовых илов и светло-серых глин, важной составляющей донных осадков является наличие аутигенных карбонатов (Алтунбаев, Самарина, 1977; Ариунбилэг и др., 2001; Федотов и др., 2001). Использование минералогического, палинологического, диатомового и геохимического анализов показало, что минерально-геохимическая и биологическая составляющая верхнего слоя осадочного чехла Хубсугула в полной мере отображает региональные климатические изменения последних 20 тыс. лет (Дорофеюк, Тарасов, 1998; Солотчина и др., 2003; Федотов и др., 2001, 2006; Fedotov et al., 2000, 2003,2004, 2006; Karabanov et al.,2004; Prokopenko et al., 2005)

Глава 2. ФАКТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ, МЕТОДЫ И ПОДХОДЫ

Сейсмоакустические исследования. Основой для изучения структуры осадочного чехла Хубсугульской впадины послужили 436 км сейсмоакустических профилей высокого разрешения (Федотов и др., 2002), охватывающих практически всю площадь озера с более подробной проработкой площадей северной и центральной котловин, имеющих наиболее сложное строение осадочного чехла. Сейсмоакустические исследования проводились с использованием оборудования «Центра морских исследований им. Ренарда» (университет г. Гент, Бельгия). В качестве источника сигнала использовался мульти-электродный спайкер «Centipede» (300-500 Дж., 300-1000 Гц) и одноканальная сейсмоприемная коса, как ресивер. Полученный сигнал обрабатывался с помощью многофункциональной системы ELICS Delph-2. Процесс доводки сигнала выполнялся в программе Landmark ProMAX и включал в себя деконволюцию, частотную фильтрацию и коррекцию амплитуд. Окончательное представление графических данных: визуализация, интерпретация и построение 3D-моделей сейсмопрофилей проводилось в программе SMT Kingdom Suite. Максимальная проникающая способность сейсмосигнала в осадочный чехол составила около 400 ms TWT, при этом теоретическое разрешение летописи составляло не менее 0.5 м (Pouls et al., 2003). Проведенные сейсмоакустические исследования позволяют достаточно точно проводить сейсмофациальный анализ и интерпретировать условия осадконакопления осадочного разреза впадины. Для интерпретации сейсморазреза за основу были взяты две характеристики сейсмопрофилей: тип сейсмосигнала и формы несогласий (Кунин, 1990; Шлезингер, 1990; Badley, 1985; Schut et al., 2002; Sachpazi et al., 2003; Terrinha et al., 2003). По форме рисунка записи сейсмосигналы типизированы на: параллельный, субпараллельный, дивергентный, волнообразный, кочкообразный, линзовидный, складчатый, дельтовый и хаотичный. Несогласия подразделяются на: кровельное (эрозионный срез, система врезов, профиль наклонного равновесия, кровельное выравнивание), подошвенное (налегание простое и с шелушением, прилегание горизонтальное и при воздымании, облекание простое, со сглаживанием и с раздуванием), латеральное (седиментогенные, постседиментационные, в каналах и врезах).

34’25’’ в.д., глубина воды в точке отбора керна 160 м, длина керна 110 см) и HUB-01/01 (51?26'09" с.ш., 100?33'07" в.д., глубина воды в точке отбора керна 170 м, длина керна 210 см) были отобраны со льда озера. Станция Х105-2 (50?56'40" с.ш., 100?21'25" в.д.) длиной 110 см была получена в одной из самых глубоких частей озера (глубина 241 м), (Федотов и др., 2001, Fedotov et al., 2000, 2003, 2004). Буровой керн KDP-01 получен в 2003 г. из центральной котловины озера с намороженной платформы (50?58’24”с.д., 100?24’33”в.ш) (Grachev et al., 2003; Fedotov et al., 2004). Глубина воды в точке бурения составила 232 м, в результате бурения был получен керн длиной 53 м.

Лабораторно-аналитические исследования. За основу были взяты методики, хорошо себя зарекомендовавшие при изучении байкальских осадков и методики, рекомендованные протоколами PALE для изучения палеоклиматических летописей. Некоторые методики были доработаны с учетом специфики донных осадков и вод Хубсугула, вследствие их насыщенности карбонатом кальция.

Определение влажности осадка выполнялось весовым методом (Грачев и др., 1997) с интервалом каждый 1 см. Определение биогенного кремнезема проводилось по методике (Mortlock and Froelich,1989). Определение СО2 карбонатного проведено ацидиметрическим методом (Шеина и Рогова, 1960; Аринушкина, 1970), опробование велось 2-см интервалами (проанализировано 2600 образцов). Диатомовый анализ проводился по методике, описанной в Грачев и др., (1997). В коротких кернах опробование проводилось с шагом в 1-2 см. Палинологический анализ проводился на пробах, отобранных с шагом 2 см (Грачев и др., 1997). Выделение створок остракод проводилось ситовым методом, при шаге пробоотбора каждые 2 см. При изучении водных экстрактов из донных осадков в коротких кернах ионный состав (SO42-, Cl-, NO3- ) определялся с использованием жидкостной хроматографии (Baram et al., 1999), и методом атомной абсорбционной спектрометрии определялись Са2+, Mg2+, K+, Na+ (Русин, 1990). Для поточного анализа по определению сульфат-иона в осадках бурового керна за основу был взят турбидиметрический метод (Руководство…, 1977). Определение сульфатов велось с шагом 1 см.

Микроэлементный состав донных осадков. На коротких кернах проходила адаптация различных методов по последовательной экстракции (от слабых кислот до полного разложения) элементов из хубсугульских осадков (Fedotov et al., 2004; Oyunchemeg et al., 2003). Сравнение полученных результатов по последовательному экстрагированию показало, что при экстрагировании 3-5% азотной кислотой происходит полное извлечение аутигенных элементов и практически полное разрушение глинистых минералов (Fedotov et al., 2004). Исходя из этого, при анализе бурового керна использовалась только методика экстракции 3% HNO3, анализу подвергся каждый сантиметр бурового керна (5300 образцов).

Определение изотопного состава в створках остракод проводилось методом масспектрометрического определения малых вариаций изотопов кислорода и углерода в биогенных карбонатах, разработанным в ДВГИ ДВО РАН (Игнатиев и др., 2003, 2004; Федотов и др., 2006).

Гранулометрический анализ проводился по двум направлениям. Верхние 23 м бурового керна KDP-01 исследовались с интервалом каждые 4 см с использованием лазерного анализатора Microtrac-Х100 (ИГНГ СО РАН) (Федотов и др., 2006). Вторым направлением было измерение доли крупнозернистой составляющей размерностью более 200 ?m. Измерение велось шагом опробования в 2 см, было проанализировано 2300 образцов.

Радиоуглеродное датирование керна Х105-2. Содержание радиоуглерода определялось в рассеянном органическом веществе верхних, богатых диатомеями слоях, с помощью метода ускорительной масспектрометрии (AMS) в радиоуглеродной лаборатории г. Познань (Польша). Временной шаг опробования составлял примерно 1 тыс. лет, при этом аналитическая ошибка определения возраста не превышала 60 лет и в среднем составляла ±30 лет (Fedotov et al., 2004).

Палеомагнитные измерения. Палеомагнитные исследования включали в себя измерение величины и направления естественной остаточной намагниченности (NRM) на приборах JR-4 и величины магнитной восприимчивости (X) на каппометрах KLY-2 и конструкции К.С. Буракова, измерения проводились в ИГ СО РАН (Казанский и др., 2004, 2005; Fedotov et al., 2004). Глубинно-возрастная модель осадка на основе распределения палеомагнитных маркеров строилась линейно-кусочным методом.

Корреляция региональных хроностратиграфических шкал. В работе за основу взяты официальные решения о проведении границ между системами и разделами, выработанные Стратиграфической комиссией ИНКВА и МСК. Принятая в диссертации геохронологическая схема не содержит подразделений рангом ниже звена, а корреляция с более дробными региональными подразделениями приводится на основе принципа возрастной корреляции.

загрузка...