- 2 -
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ._____________________________________________________ 6
ГЛАВА I. ГЕ0Л0Г0-ГЕ0Ф1ЛЗИЧЕСКАЯ ИЗУЧЕННОСТЬ ЗЕМНОЙ
КОРЫ АРМЯНСКОЙ ССР._______________________________ 10
1.1. Геологическое строение и тектоно-магматичес-кое развитие земной коры в кайнозоо Армянской ССР.___________________________________________________ 10
1.2. Глубинное строение земной коры Армянской ССР. 16
1.3. Выделение отдельных геолого-тектонических структур(блоков) с помощью изучения геологогеофизических полей.________________________________________ 28
1.4. Верхнеплиоцен-антрологеновые вулканические комплексы Армении. _________________________________________ 32
Г.4.1. Кечутская вулканическая подзона.______________________ 33
1.4.2. Арагацкая вулканическая подзона. _____________________ 35
1.4.3. Гегамская вулканическая подзона. _____________________ 36
1.4.4. Айоцдзор-Варденисская вулканическая подзона. 37
1.4.5. Сюникская вулканическая подзона. _____________________ 38
1.4.6. Кафанская вулканическая подзона. _____________________ 38
1.5. Краткая петрохимическая характеристика и эволюция магматизма.___________________________________________ 39
1.6. Экспериментальная изученность горных пород
земной коры Армении при высоких р,Т-условиях. 43
1.7. Общие вопросы и пути построения физико-химических моделей земной коры (на основе изучения глубинных включений и магматических пород). ______________________________________________________ 46
- з
Стр.
ГЛАВА П. АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИ-
• ♦
МЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЙ. _ _ 51
2.1. Аппаратура высокого давления для измерения упругих волн и плотностных характеристик при комнатной температуре._____________________________________________ 52
2.2. Метод вычисления скорости упругих волн, декремента объема и плотности. _____________________________ 55
2.3. Аппаратура высокого давления и температуры для измерения скорости продольных волн. ___________________ 57
2.Д. Методика измерения скоростей продольных волн и проведения эксперимента при высоких давлениях и температурах.________________________________________________ 61
2.5. Аппаратура и методика определения декремента объема горных пород при высоких р,Т-условиях. _____________ 65
2.6. Аппаратура высокого давления и температуры для проведения петрологических экспериментов. _____________ 69
2.7. Камера высокого давления и температуры. _________________ 71
2.8. Методика проведения экспериментов по плавлению
и кристаллизации горных пород и определения состава минеральных фаз.__________________________________ 74-
ГЛАВА Ш. ЛАБОРАТОРНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГЛУБИННЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ ПРИ ВЫСОКИХ РТ ПАРАМЕТРАХ. ________________________________________________________ 79
3.1. Отличительные особенности глубинных включений
(обзор).________________________________________________ 79
- 4 -
Стр.
3.2. Сведения об изученности глубинных включений
в лавах Армянского вулканического нагорья. 83
3.3. Глубинные включения ассоцирующие с лавами вулканических подзон Армении. _______________________ 84
3.4. Петрохимические особенности глубинных включений и вмещающих лав Армянского вулканического нагорья.________________________________________ 99
3.5. Упруго-плотностные свойства глубинных включений в лавах Армянского вулканического нагорья при высоких давлениях и температурах. ________________ 103
3.5.1. Минералого-петрографические особенности испытанных образцов глубинных включений. _____________________ 103
3.5.2. Анизотропия глубинных включений. _____________________ 107
3.5.3. Исследования упругих и плотностных характеристик глубинных включений при давлении до 15 кбар
и комнатной температуре. ____________________________ 113
3.5.4. Результаты измерения скоростей 'Ор волн в образцах глубинных включений при давлениях до
15 кбар и температурах до 600°С.___________________ 122
3.5.5. Измерение начальной плотности и объемной ски-маемости глубинных включений при давлении до
12 кбар в интервале температур 20-250°С. ____________ 132
3.6. Экспериментальное изучение плавления ксенолитов из лав Гегамского нагорья при высоких давлениях. 143
5 -
Стр.
ГЛАВА 1У. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ГЛУБИННЫХ ПРОЦЕССОВ И СОСТАВА ЗЕМНОЙ КОРЫ АРМЯНСКОГО ВУЛКАНИЧЕСКОГО НАГОРЬЯ НА ПОЗДНЕКАЙНОЗОЙСКОМ ЭТАПЕ РАЗВИТИЯ.____________________________________ 154
4*1# Петроскоростная модель земной коры вулканических подзон Армении по данным изучения упруго-плотностных свойств включений глубинных пород
при р,Т-параметрах земной коры. ___________________ 154
4.2. Позднекайнозойская геодинамика Армянского вулканического нагорья.__________________________________166
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ. ________________________________________ 179
ЛИТЕРАТУРА. 180-202
- б -
ВВЕДЕНИЕ
Одной из важнейших проблей современной геологии и геофизики является изучение глубинного строения Земли В этом
отношении большое внимание уделяется комплексным исследованием глубинных зон земной коры и верхней мантии. Совершенно очевидно, что основной причиной наблюдаемых на поверхности геологических явлений (тектонических, магматических, метаморфических, металло-генических и др.) являются процессы, протекающие на глубинах, соответствующих низам земной коры и в верхней мантии [ 3-4]. Исследование строения и состава глубоких зон земной коры и верхней мантии, а также явлений, происходящих в них, позволяет решать не только вышеперечисленные задачи геологии, но и обеспечивает фактическим материалом исследователей, занимающихся изучением внутреннего строения Земли и других планет [2,5-6]. Процессы, протекающие в недрах Земли, предопределяют ее внутреннюю динамику геолого-геофизических явлений в различных регионах [6—7]•
До последнего времени решение этой проблемы было возможно благодаря инструментальным геофизическим методам исследования-сейсмологическим, гравиметрическим, МТЗ и т.п. В последнее десятилетие мощным инструментом в познании глубинных процессов и конкретизации вещественного состава верхних оболочек Земли стали лабораторные физико-химические исследования горных пород, минералов и модельных силикатных систем [5,8-12] . Эти исследования дают реальные предпосылки для интерпретации региональных (и глобальных) геолого-геофизических данных.
В настоящее время сложилось представление о сложном, слоисто-блоковом строении земной коры и верхней мантии, которое определяет региональные различия по мощности и составу слагаю-
- 7 -
щих пород [13-14]. Слоисто-блоковое строение на континентах приводит к латеральному и вертикальному неоднородному распределению вещества коры и верхней мантии [15-17].
Для выяснения региональных особенностей строения континентальной земной коры и верхней мантии, с разработкой вещественной модели и определения характера развивающихся в недрах региона глубинных процессов, большое значение имеет экспериментальное моделирование при высоких р,Т-параметрах. Пути построения вещественных моделей глубинных зон Земли и протекающих в них процессов на основе комплексных геолого-геофизических данных были детально разработаны Ю.М.Шейнманном [18-19].
Конкретные требования к регионам, для которых в настоящее время возможно построение достоверной физико-химической модели отроения земной коры и верхней мантии и глубинных процессов, разработаны Ю.С.Геншафтом и др.[20]. Наиболее удачными для такого рода исследований являются те районы, которые в настоящее время, или в недавнем геологическом прошлом характеризовались активной вулканической деятельностью. При вулканизме одновременно с лавами на дневную поверхность выносились включения основных и ультра-основных пород, являющиеся отторженцами вещества нижних слоев земной коры и верхней мантии.
Включения глубинных пород, ассоцирующие о вмещающими их вулканитами, являются индикаторами не только вещества глубин, но и позволяют оценить распределение термодинамических параметров. Комплексное изучение состава глубинных включений и вмещающих их лав, а также экспериментальное их изучение при высоких р,Т-усло-виях, по мнению ряда исследователей [10-17,21], в настоящее время является практически единственным методом к построению региональных физико-химических моделей глубинных процессов и строения 36М-
ной коры и верхней мантии. Экспериментальное лабораторное исследование глубинных включений и вмещающих их вулканитов при высоких р,Т- условиях имеет большое значение для решения фундаментальных задач петрологии - происхождения серий вулканических пород.
Исходя из вышеизложенного, весьма перспективным регионом для построения физико-химической модели глубинных процессов и изучения строения земной коры и верхней мантии является территория Армянской ССР, где в недавнем геологическом прошлом имели место активные вулканические процессы (две трети территории Армении покрыто продуктами позднекайнозойской вулканической деятельности). Значительная часть этой площади составляет Армянское вулканическое нагорье. С другой строны,’ территория Армянской ССР достаточно детально изучена в геолого-геофизическом отношений.
Целью настоящей работы является - разработка физикохимической модели глубинных процессов и строения земной коры и верхней мантии под Армянским вулканическим нагорьем на позднекайнозойском этапе развития.
Осуществление этой программы слагается из решения следующих конкретных задач:
1. Изучение ыинералого-петрографических, геохимичеоких, петрохимических особенностей глубинных включений в ассоциации с вмещающими вулканитами. Изучение закономерностей пространственно-временных вариации этих характеристик.
2. Исследование закономерностей изменения упруго-плот-ностных свойств глубинных включений при высоких термодинамических параметрах.
3. Исследование плавления и кристаллизации глубинных включений при высоких давлениях и температурах для выяснения
- 9 -
возможных генетических соотношений между включениями и лавами.
4. Разработка петроскоростного разреза и физико-химической модели глубинных процессов и строения земной коры и верхней мантии для территории Армянского вулканического нагорья на основе сопоставления лабораторно-экспериментальных и геологогеофизических данных.
- 10 -
ГЛАВА I
ГЕОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ ИЗУЧЕННОСТЬ ЗЕМНОЙ КОРЫ АРМЯНСКОЙ ССР
1.1. Геологическое строение и тектоно-магматическое развитие земной коры в кайнозое Армянской ССР.
Армянская ССР располагается в центральной части меганти-клинория Малого Кавказа, входящего в состав Понтийско-Малокав-каэской дуги Средиземноморского складчатого пояса [22]. В пределах Армянской части Малого Кавказа мегантиклинорий представляет собой вытянутую на ССЗ сложную дугообразную систему протяженностью 360 км и шириною 180 км.
Вопросы региональной геологии Армении рассматривались в работах К.Н.Паффенгольца [23-24], А.А.Габриеляна [25-27], А.Т. Асланяна [22,29-31], И.Г.Магакьяна [32], Е.Е.Милановского [зз], А.Т.Вегуни [22,30] и многих других исследователей, которые заложили основу геологического строения территории Армении.
Мегантиклинорий сложен чередующимися дугообразными структуры о-фациальными зонами (антиклинориями и синклинориями) размером 35x40 км [30-31]. С севера на юг выделяются Предмалокавказ-ский (Прикуринский) синклинорий, Сомхето-Карабахский антиклино-рий, Севано-Акеринский синклинорий, Кафанская моноклиналь, Ыис-хано-Зангезурский синклинорий, Еревано-Ордубадский синклинорий и Приараксинский антиклинорий.
По представлениям В.В.Белоусова [ 3-4] вышеуказанные структуры представляют собой отдельные блоки единой, более крупной структуры - Армянского срединного массива с зонами разного тектонического режима развития.
Геологические исследования на территории Армении осно-
- II -
вываются на схемах тектонического районирования, разработанных К.Н.Паффенгольцом [23], А.А.Габриеляном [25] и А.Т.Асланяном [29]. Бее эти авторы по-разному интерпретируют геологическую историю развития этих тектонических зон. Тем не менее, все исследователи признают трехчленное тектоническое деление территории Армении (рис.1). По А.Т.Асланяну, центральная и внешние зоны относительно линеамента Ани-Арагац-Раздан-Камо-Ехегнадзор-Азизбеков-Ордубад, характеризуются в пределах герцинского, киммерийского и альпийского циклов (до ниянего-среднего миоцена включительно) эвгеосияклинальным стилем развития; внутренние зоны, обращенные к среднему Араксу, миогеосинклинальным (параплат-форменным) стилем развития. Структурно-фацильныв зоны главным образом ограничены разломами глубокого залокения и сложены разнообразными метаморфическими; магматическими и осадочными породами [22].
Анализ фактического материала [22-34] свидетельствует о том, что вся территория Армении характеризуется складчато-глыбовыми структурами.
В регионе по геолого-геофизическим данным выделяется три продольных глубинных разлома - Севано-Амасийский, Анкаван-Сюник-ский и Араксинский, к которым приурочены очаги наиболее сильных землетрясений. Наиболее крупной и хорошо выраженной системой разломов является Транскавказская. Особенностью структурной эволюции тектонических зон Армении является: расчленение тектонических структур в раннем карбоне на внутреннюю и внешние зоны.
Внутренняя зона, обращенная к среднему Араксу (Приарак-синская), является средневерхнепалеозой миогеосинклиналью, завершившей свое структурное развитие в триасе, а в настоящее
- 12 -
Г. ■ • *
Рис.I. Схема тектонического районирования Армянской ССР:
1 - границы тектонических зон по А.Т.Асланяну;
2 - границы тектонических зон по А.А.Габриеляну;
3 - границы тектонических зон по К.Н.Паффенгольцу.
- 13 -
время, в большей своей части, представляющая межгорный прогиб [29,30].
В раннекаменноугольное время эпибайкальская платформа была разделена Анкаван-Сюникским глубинным разломом на юго-западный парагеосинклинальный прогиб и северо-восточную область горстобразного поднятия [34]. Территория, расположенная к востоку-северо-востоку от Анкаван-Сюникского глубинного разлома, начиная с раннеальпийокого времени, вовлекалась в общее погружение, а противоположный от разлома регион испытывал общее поднятие. Таким образом, возникшие две крупные тектонические структуры Армении, разграниченные Анкаван-Сюникским глубинным разломом, уже на ранних этапах эволюции земной коры Армении развиваются самостоятельно.
Согласно А.А.Габриеляну [25],Сомхето-Кафанская (Сомхето-Ганджинско-Карабахская по [23]) антиклиналь, расположенная к северу от Анкаван-Сюникского глубинного разлома, характеризуется спокойной тектоникой и пологой складчатостью. Эта структура прошла стадию первичного геосинклинального развития, охватив позднюю юру; позднее в течение мелового и палеогенового времени наступает стадия вторичного геосинклинального развития, с которой был связан верхнеплиоцен-четвертичный вулканизм. Он проявился главным образом в северо-западной части Армянского вулканического нагорья (Кечутская подзона) и фактически является продолжением обширной Ахалкалакской вулканической провинции [23-24].
В отличие от Сомхето-Кафанской зоны, тектоническая активность складчатой зоны Армении [23,24]сохранилась, начиная с раннего палеозоя до позднеорогенного (четвертичного) этапа.
Здесь эпибайкальская платформа была разделена на более мелкие структуры, которые испытывали вертикальные перемещения перемен-
- 14 -
ного знака. На позднворогенном этапе альпийского тектонического цикла формировались многочисленные поперечные разломы и относительно консолидированные неовулканические структуры и блоки«-’
На разных этапах альпийского орогенеза вертикальные перемещения переменного знака характеризовались различным формационным составом и режимом осадконакопления.
Формирование неовулканических структур в Армянской складчатой тектонической зоне происходило на ранних стадиях альпийского цикла, начиная с позднего мела. На этом этапе вкрест проотирания геосинклинальных бассейнов, в силу дифференциального характера прогибания последних, образуется ряд поперечных разломов, дальнейшее развитие которых привело к разделению Гегамской структуры от Арагацкой на западе и Варденисской на востоке, а также последнюю от Сюникской. На месте Кечутского нагорья формируется субмеридиональный разлом, который в дальнейшем неоднократно активизировался.
Общее воздымание вышеуказанных структурных блоков начинается в раннем палеогене. Наиболее интенсивно воздымаются Гегам-ская и Кечутская структуры. До современных границ поднимаются и расширяются Сюникский и Арагацкий блоки. В межгорных прогибах, разделяющих эти структуры, накапливаются осадки терригенно-фли-шевой и терригенно-карбонатной фаций.
В ранне-среднеэоценовое время структуры испытывают прогибание. Об этом свидетельствуют наложенные прогибы на склонах Арагацкого поднятия, в которых накапливается вулканогенно-осадочный и терригенный материал. В это время более интенсивно прогибаются Кечутский и Гегамский блоки.
В позднем эоцене поднятия имеют место в южной половине
- 15 -
центральной части Гегаыского нагорья и Арагацкого поднятия, вследствие чего последняя вновь расширяется, а Кечутский и Айоц-дзор-Варденисский блоки остаются зонами погружения. Интенсивное погружение Гегаыского и Айоцдзор-Варденисского блоков происходит в ранне-среднеолигоценовое время. В это время границы Арагацкого поднятия продолжают расширяться. В Ереванском, Ленина-канском, Приараксинском прогибах, окружающих Арагацкое поднятие, сохраняется морской режим.
С начала верхнего олигоцена - раннего миоцена до мэоти-са начинается трансгрессия моря. Образуется морской бассейн на месте Арагацкого поднятия, Ленинаканского, Приараксинского, При-ереванского и Севанского прогибов. Здесь накапливаются гипсонос-но-соленосные и вулканогенно-обломочные отложения за счет размыва простирающегося к северу и северо-востоку Малокавказокого антиклинального поднятия, к которому причленяются Айоцдзор-Вар-денисский и Сюникский блоки. Возобновление воздымающихся тектонических движений начинается с начала мэотиса, которые приводят к дислокации верхнеолигоцен-миоценовых отложений и развитию вулканизма .
Позднеорогенный этап альпийского тектогенеза Армянской вулканогенной области охватывает верхнеплиоцен-плейстоценовый подэтап, что достаточно убедительно показано А.А.Габриеляном [27]. За счет Акчагыльской трансгрессии в начале плиоцена образуются ряд озер в тектонических впадинах (оз-ра Севан, Арпа и др.). В верхнем апшероне происходит регрессия моря и в общее воздымание вовлекаются Кечутская и Арагацкая структуры на западе и Гегамская,,Айоцдзор-Варденисская и Сюникская в юго-восточном направлении. В данной стадии активизируются древние разло-
- 16 -
ыы, а за счет дифференциального характера воздыыания образуются новые разломы, которые и контролируют позднеорогенный вулканизм в вышеуказанных структурах.
Таким образом, в альпийском цикле тектогенеза развитие и формирование Армянской неовулканической области претерпело сложный процесс расчленения древнего эпибайкальского фундамента на целый ряд относительно изолированных блоковых структур с переменным знаком дифференциальных движений. Перемещение этих блоков и привело к формированию современного горного рельефа Армении.
Существенным является то, что в процессе этих преобразований важную роль играл позднеплиоценовый вулканизм, который является источником обширной информации о веществе и процессах, протекавших в земной коре и верхней мантии.
1.2. Глубинное строение земной коры Армянской ССР.
В течение всей истории геологического развития территория Армении была ареной интенсивных тектоно-магматических процессов, которые в значительной степени предопределили глубинное строение земной коры и верхней мантии региона.
Представления о строении земной коры и верхней мантии Армении основываются на сейсмических и гравиметрических данных, полученных различными методами.
Мощность земной коры для северо-западной части территории Армении, определенная телесейсмическим методом, составляет 50-5^ км [35], из которых "гранитный" слой - 37±2 км, а "базальтовый" - 15±2 км.
Усредненные данные для Малого Кавказа, и, в частности,
для территории Армении, получены с помощью исследования дисперсии фазовых скоростей поверхностных волн [Зб]. Согласно этим данным, средняя мощность осадочного слоя составляет б км с гранич-
= 4,86 км/с, ?£ = 2,79 км/с. Мощность "гранитного" слоя составляет 13 км, со значениями скоростей ^ = 5,49 км/с, = 3,19 км/с. Мощность "базальтового" слоя - 20 км с =6,89 км/с, ^ = 4,0 км/с.
Предполагается наличие промежуточного слоя между "гранитным" и "базальтовым", мощность которого составляет 8 км с ^ = 6,55 км/с и 1^' = 3,8 км/с. Для подкорового субстрата скорость продольных волн равна 7,95 км/с, а поперечных волн - 4,6 км/с.
Сведения о глубинном строении земной коры для отдельных участков территории Армении основываются также на материалах, полученных методом ГСЗ [37]. Согласно этим данным, мощность земной коры оценивается в 40-45 км для северных, и 50-54 км для центральных ее районов.
Исследования глубинного строения и скоростного разреза земной коры и верхней мантии Армении проведены с помощью геофизических станций "Земля" [ 38-41] и "Черепаха" [42]. Полученные результаты достаточно хорошо согласуются между собой. Результаты этих исследований позволяют выделить четыре типа разрезов земной коры:
Первый из них характеризуется наличием достаточно четких, протяженных границ обмена от поверхности фундамента до поверхности "М".
Второй тип отличается наличием нечетко выраженных границ обмена. Вместо границ раздела выделяются зоны, характеризующиеся разбросом точек, шириной 6-8 км. Он развит в основном в Армянской складчатой тектонической зоне, где по-видимому, границы
ными скоростями 1/р
Я
- 18 -
обмена окончательно не сформировались и не стабилизировались.
Третий тип отличается от предыдущих почти полным отсутствием границ обмена в земной коре. Он приурочен в основном к офиолитовым поясам Армении.
И, наконец, четвертый тип характеризуется частичным отсутствием границ обмена и наличием слоев пониженных скоростей в земной коре и в верхней мантии. Слои пониженных скоростей чаще всего встречаются в интервалах от б до 13 км; отличительной особенностью здесь является существование слоя пониженных скоростей в подошве земной коры. Мощность слоев пониженных скоростей составляет от 2 до 10 км, а наиболее характерные разрезы земной коры с внутрикоровыми волноводами приведены на рис.2.
Геофизическими станциями "Земля” и "Черепаха" на территории Армении пройдено свыше двадцати профилей, наибольший интерес из которых представляют два; Маркара-Пойли и Джанфида-Привольное. Эти профили пересекают основные тектонические зоны региона -Приараксинскую, Армянско-складчатую, Сомхето-Кафанскую зоны и Куринскую депрессию (рис.За). Указанные зоны разделяются друг от друга глубинными разломами, охватывающими всю мощность земной коры.
В Приараксинской зоне мощность земной коры колеблется в пределах 46-52 км. Здесь наблюдается увеличение мощности "базальтового" слоя по сравнению с "гранитным" почти в два раза.
Армянская складчатая зона, которая, по мнению многих исследователей [38], является активной областью незавершенных структурных перестроек, характеризуется сложным несогласным залеганием глубинных границ раздела. Мощность "гранитного" слоя здесь колеблется от 18 до 21 км, "базальтового" слоя - от 16 до 25 км. Сред-
- Київ+380960830922