Fault Tectonites of the Yenisei Shear Zone (Yenisei Ridge): Evidence and Thermomechanical Numerical Model of Generation of Tectonic Overpressure

O. P. Polyansky; Полянский О. П.; I. I. Likhanov; Лиханов И. И.; A. V. Babichev; Бабичев А. В.; P. S. Kozlov; Козлов П. С.; S. V. Zinoviev; Зиновьев С. В.; V. G. Sverdlova; Свердлова В. Г.

doi:10.31857/S0869590324010036

Fault Tectonites of the Yenisei Shear Zone (Yenisei Ridge): Evidence and Thermomechanical Numerical Model of Generation of Tectonic Overpressure

Authors: Polyansky O.P.¹, Likhanov I.I.¹, Babichev A.V.¹, Kozlov P.S.¹, Zinoviev S.V.¹, Sverdlova V.G.¹
Affiliations:
1. Sobolev Institute of Geology and Mineralogy, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences
Issue: Vol 32, No 1 (2024)
Pages: 19-45
Section: Articles
URL: https://journals.rcsi.science/0869-5903/article/view/256415
DOI: https://doi.org/10.31857/S0869590324010036
ID: 256415

Cite item

Full Text

Open Access
Restricted Access

Access granted
Restricted Access

Subscription Access

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

Based on the proposed numerical model of the stress-strain state of polymineral rocks, which describes the formation of blastomylonites in the Yenisei Regional Shear Zone (PRSZ) in the Yenisei Ridge, the possibility of local tectonic overpressure exceeding the lithostatic pressure in rocks subjected to shear deformations is shown. For tectonites of the southern (Angara-Kan block) and northern (Isakovka terrane and Garevka complex) segments of the PRSZ, estimates of the maximum overpressure were obtained from 2–3 to 4–5 kbar, which range from 25 to 50% of the lithostatic pressure. It is shown that excess pressures can be preserved in a local volume on a geological time scale sufficient for their fixation in metamorphic minerals. Model values of overlithostatic pressure in garnet-amphibole tectonites and geobarometric estimates of peak values during stress metamorphism allow us to offer new evidence of pressure inhomogeneity in natural mineral associations. Using the results of numerical modeling for the evolution of fault metabasite blastomylonites, it was established that the overpressure at the stage of syn-deformation metamorphism in the shear zone are possible at temperatures up to 600–650°C and not reaching 800°C; the presence of fluid or partial melt prevents the occurrence of overpressure. The amount of excess pressure due to shear stresses depends on the mineral composition and structure of the rock.

Keywords

overlithostatic pressure, numerical modelling, fault tectonites, geothermobarometry, rheology, Yenisei Ridge

Full Text

References

Беляев О.А. Митрофанов Ф.П., Петров В.П. Локальные вариации РТ-параметров тектонометаморфизма в зоне пластического сдвига // Докл. АН. 1998. Т. 361. № 3. С. 370–374.
Верниковский В.А., Верниковская А.Е., Ножкин А.Д., Пономарчук В.А. Рифейские офиолиты Исаковского пояса (Енисейский кряж) // Геология и геофизика. 1994. Т. 35. № 7–8. С. 169–181.
Качевский Л.К. Легенда Енисейской серии Государственной геологической карты Российской Федерации масштаба 1:200000 (второе издание). Красноярск: ПГО Красноярскгеология, 2002. 200 с.
Козлов П.С., Лиханов И.И., Ревердатто В.В., Зиновьев С.В. Тектоно-метаморфическая эволюция гаревского полиметаморфического комплекса как свидетельство проявления гренвильских событий на западной окраине Сибирского кратона // Геология и геофизика. 2012. Т. 53. № 11. С. 1476–1496.
Козлов П.С., Филиппов Ю.Ф., Лиханов И.И., Ножкин А.Д. Геодинамическая модель эволюции Приенисейской палеосубдукционной зоны в неопротерозое (западная окраина Сибирского кратона), Россия // Геотектоника. 2020. Т. 54. № 1. С. 62–78.
Коробейников С.Н. Нелинейное деформирование твердых тел. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2000. 262 с.
Коробейников С.Н., Полянский О.П., Лиханов И.И. и др. Математическое моделирование надвига как причины формирования андалузит-кианитовой метаморфической зональности в Енисейском кряже // Докл. АН. 2006. Т. 408. № 4. С. 512–516.
Коробейников С.Н., Полянский О.П., Ревердатто В.В. и др. О влиянии выбора реологического закона на результаты компьютерного моделирования субдукции плит// Сиб. журн. вычисл. математики. 2011. Т. 14. № 1. С. 71–90.
Кулаковский А.Л., Морозов. Ю.А., Смульская А.И. Тектонический стресс как дополнительный термодинамический фактор метаморфизма // Геофизические исследования. 2015. Т. 16. № 1. C. 44–68.
Лиханов И.И. Метаморфические индикаторы геодинамических обстановок коллизии, растяжения и сдвиговых зон земной коры // Петрология. 2020. Т. 28. № 1. С. 4–22.
Лиханов И.И. Свидетельства гренвильских и вальгальских тектонических событий на западной окраине Сибирского кратона (Гаревский метаморфический комплекс, Енисейский кряж) // Петрология. 2023. Т. 31. № 1. С. 49–80.
Лиханов И.И., Полянский О.П., Ревердатто В.В. и др. Метаморфическая эволюция высокоглиноземистых метапелитов вблизи Панимбинского надвига (Енисейский кряж): минеральные ассоциации, Р-Т параметры и тектоническая модель // Геология и геофизика. 2001. Т. 42. № 8. С. 1205–1220.
Лиханов И.И., Ревердатто В.В., Зиновьев С.В., Ножкин А.Д. Возраст бластомилонитов Приенисейской региональной сдвиговой зоны как свидетельство вендских аккреционно-коллизионных событий на западной окраине Сибирского кратона // Докл. АН. 2013. Т. 450. № 2. С. 199–203.
Лиханов И.И., Ревердатто В.В., Козлов П.С. и др. P-T-t реконструкция метаморфической истории южной части Енисейского кряжа (Сибирский кратон): петрологические следствия и связь с суперконтинентальными циклами // Геология и геофизика. 2015. Т. 56. № 6. С. 1031–1056.
Лиханов И.И., Ножкин А.Д., Ревердатто В.В. и др. Метаморфическая эволюция ультравысокотемпературных железисто-глиноземистых гранулитов Южно-Енисейского кряжа и тектонические следствия // Петрология. 2016. Т. 24. № 4. С. 423–440.
Лиханов И.И., Ножкин А.Д., Савко К.А. Аккреционная тектоника комплексов западной окраины Сибирского кратона // Геотектоника. 2018а. Т. 52. № 1. С. 28–51.
Лиханов И.И., Крылов А.А., Ренье Ж.-Л. Приразломные тектониты Енисейского кряжа. Статья 1: геолого-структурные, минералогические и геохронологические свидетельства полиметаморфизма // Вест. Воронежского ун-та. Сер. геол. 2018б. № 2. C. 56–71.
Лиханов И.И., Зиновьев С.В., Козлов П.С. Бластомилонитовые комплексы западной части Енисейского кряжа (Восточная Сибирь, Россия): геологическая позиция, эволюция метаморфизма и геодинамические модели // Геотектоника. 2021. Т. 55. № 1. С. 41–65.
Ножкин А.Д., Туркина О.М., Лиханов И.И., Дмитриева Н.В. Позднепалеопротерозойские вулканические ассоциации на юго–западе Сибирского кратона (Ангаро–Канский блок) // Геология и геофизика. 2016а. Т. 57. № 2. С. 312–332.
Ножкин А.Д., Дмитриева Н.В., Лиханов И.И. и др. Геохимические и изотопно–геохронологические свидетельства субсинхронного островодужного магматизма и терригенной седиментации (Предивинский террейн Енисейского кряжа) // Геология и геофизика. 2016б. Т. 57. № 11. С. 1992–2014.
Перчук Л.Л., Геря Т.В., ван Ринен Д.Д., Смит С.А. P-T тренды и проблемы высокотемпературного полиметаморфизма // Петрология. 2006. Т. 14. № 2. С. 131–167.
Полянский О.П., Бабичев А.В., Коробейников С.Н., Ревердатто В.В. Компьютерное моделирование гранитогнейсового диапиризма в земной коре: контролирующие факторы, длительность и температурный режим // Петрология. 2010. № 4. С. 450–466.
Полянский О.П., Коробейников С.Н., Бабичев А.В., Ревердатто В.В. Формирование и подъем мантийных диапиров через литосферу кратонов на основе численного термомеханического моделирования // Петрология. 2012. Т. 20. № 2. С. 136–155.
Полянский О.П., Бабичев А.В., Семенов А.Н., Ревердатто В.В. Моделирование теплогенерации при трении и вязкопластической деформации на примере Приенисейской сдвиговой зоны (Восточная Сибирь) // Геодинамика и тектонофизика. 2021. Т. 12. № 4. С. 909–928.
Полянский О.П., Ножкин А.Д., Сокол Э.В. и др. Псевдотахилиты Главного Анабарского разлома (Северная Якутия) – петрологические и хронологические индикаторы плавления при высокоскоростных тектонических деформациях // Докл. АН. 2022. Т. 503. № 1. С. 18–25.
Попов Н.В., Лиханов И.И., Ревердатто В.В., Савко К.А. Палеопротерозойский гранитоидный магматизм в тектонической истории Ангаро-Канского блока юго-западного обрамления Сибирской платформы // Докл. АН. 2020. Т. 490. № 2. С. 39–44.
Тен А.А. Динамическая модель генерации высоких давлений при сдвиговых деформациях горных пород (результаты численного эксперимента) // Докл. АН. 1993. Т. 328. № 3. С. 322–324.
Aerden D.G.A.M., Bell T.H., Puga E. et al. Multi-stage mountain building vs. relative plate motions in the Betic Cordillera deduced from integrated microstructural and petrological analysis of porphyroblast inclusion trails // Tectonophysics. 2013. V. 587. P. 188–206.
Bauville A., Yamato P. Pressure-to-depth conversion models for metamorphic rocks: Derivation and applications // Geochem. Geophys. Geosystems. 2021. V. 22. e2020GC009280.
Beaumont C., Jamieson R.A., Nguyen M.H., Lee B. Hymalayan tectonics explained by extrusion of a low-viscosity crustal channel coupled to focused surface denudation // Nature. 2001. V. 414. P. 738–742.
Bell T.H., Rieuwers M.T., Cihan M. et al. Inter-relationships between deformation partitioning, metamorphism and tectonism // Tectonophysics. 2013. V. 587. P. 119–132.
Brown E.H. High-pressure metamorphism caused by magma loading in Fiordland, New Zealand // J. Metamorph. Geol. 1996. V. 14. P. 441–452.
Burg J.-P., Gerya T.V. The role of viscous heating in Barrovian metamorphism: thermomechanical models and application to the Lepontine Dome in the Central Alps // J. Metamorph. Geol. 2005. V. 23. P. 75–95.
Burg J.-P., Schmalholz S.M. Viscous heating allows thrusting to overcome crustal scale buckling: numerical investigation with application to the Himalayan syntaxes // Earth Planet. Sci. Let. 2008. V. 274. P. 189–203.
Burov E., Yamato P. Continental plate collision, P-T-t-z conditions and unstable vs. stable plate dynamics: insights from thermo-mechanical modeling // Lithos. 2008. V. 103. P. 178–204.
Chu X., Ague J.J., Podladchikov Y.Y., Tian M. Ultrafast eclogite formation via melting-induced overpressure // Earth Planet. Sci. Lett. 2017. V. 479. P. 1–17.
Dale J., Holland T., Powell R. Hornblende-garnet-plagioclase thermobarometry: a natural assemblage calibration of the thermodynamics of hornblende // Contrib. Mineral. Petrol. 2000. V. 140. P. 353–362.
El-Shazly A.E.K. Petrology of lawsonite-pumpellyite, and sodic amphibole-bearing metabasites from north-east Oman // J. Metamorph. Geol. 1994. V. 12. P. 23–48.
Ernst W.G. Tectonic history of subduction zones inferred from retrograde blueschist P-T paths // Geology. 1988. V. 16. P. 1081–1084.
Evans B.W. Phase relations of epidote-blueschists // Lithos. 1990. V. 25. P. 3–23.
Faccenda M., Gerya T.V., Burlini L. Deep slab hydration induced by bending related variations in tectonic pressure // Nature Geosci. 2009. V. 2. P. 790–793.
Fornash K.F., Cosca V.F., Whitney D.L. Tracking the timing of subduction and exhumation using 40Ar/39Ar phengite ages in blueschist- and eclogite-facies rocks (Sivrihisar, Turkey) // Contrib. Mineral. Petrol. 2016. V. 171. P. 67.
Gerya T. Tectonic overpressure and underpressure in lithospheric tectonics and metamorphism // J. Metamorph. Geol. 2015. V. 33. P. 785–800.
Hacker B.R., Abers G.A. Subduction Factory 3: An Excel worksheet and macro for calculating the densities, seismic wave speeds, and H2O contents of minerals and rocks at pressure and temperature // Geochem. Geophys. Geosystems. 2004. V. 5. Q01005. https://doi.org/10.1029/2003GC000614
Hacker B.R., Christie J.M. Brittle/ductile and plastic/cataclastic transitions in experimentally deformed and metamorphosed amphibolite // Geophys. Monograph Ser. 1990. V. 56. P. 127–147.
Holdaway M.J. Application of new experimental and garnet Margules data to the garnet-biotite geothermometer // Amer. Mineral. 2000. V. 85. P. 881–889.
Holland T.J., Blundy J.D. Non-ideal interactions in calcic amphiboles and their bearing on amphibole-plagioclase geothermometry // Contrib. Mineral. Petrol. 1994. V. 116. P. 433–447.
Holland T.J., Powell R. An internally consistent thermodynamic data set for phases of petrological interest // J. Metamorph. Geol. 1998. V. 16. P. 309–343.
Jamieson R.A., Beaumont C., Nguyen M.H., Lee B. Interaction of metamorphism, deformation and exhumation in large convergent orogens // J. Metamorph. Geol. 2002. V. 20. P. 9–24.
Karabinos P., Ketchman R. Thermal structure of active thrust belts // J. Metamorph. Geol. 1988. V. 6. P. 559–570.
Kelsey D.E. On ultrahigh-temperature crustal metamorphism // Gondwana Res. 2008. V. 13. P. 1–29.
Kohn M.J., Spear F.S. Empirical calibration of geobarometers for the assemblage garnet + hornblende + + plagioclase + quartz // Amer. Mineral. 1989. V. 74. P. 77–84.
Kohn M.J., Spear F.S. Two new barometers for garnet amphibolites with applications to southeastern Vermont // Amer. Mineral. 1990. V. 75. P. 89–96.
Kohn M.J., Spear F.S. Error propagation for barometers // Amer. Mineral. 1991. V. 76. P. 138–147.
Li Z.H., Gerya T.V., Burg P. Influence of tectonic overpressure on P-T paths of HP-UHP rocks in continental collision zones: thermomechanical modeling // J. Metamorph. Geol. 2010. V. 28. P. 227–247.
Likhanov I.I. Mass-transfer and differential element mobility in metapelites during multistage metamorphism of Yenisei Ridge, Siberia // Metamorphic Geology: Microscale to Mountain Belts. Geol. Soc. London Spec. Publ. 2019. V. 478. P. 89–115.
Likhanov I.I. Provenance, age and tectonic settings of rock complexes (Transangarian Yenisey Ridge, East Siberia): Geochemical and geochronological evidence // Geosciences (Switzerland). 2022. V. 12. № 11. P. 402.
Likhanov I.I., Santosh M. Neoproterozoic intraplate magmatism along the western margin of the Siberian Craton: implications for breakup of the Rodinia supercontinent // Precambr. Res. 2017. V. 300. P. 315–331.
Likhanov I.I., Santosh M. A-type granites in the western margin of the Siberian Craton: implications for breakup of the Precambrian supercontinents Columbia/Nuna and Rodinia // Precambr. Res. 2019. V. 328. 128–145.
Likhanov I.I., Reverdatto V.V., Sheplev V.S. et al. Contact metamorphism of Fe- and Al-rich graphitic metapelites in the Transangarian region of the Yenisey Ridge, eastern Siberia, Russia // Lithos. 2001. V. 58. P. 55–80.
Likhanov I.I., Polyansky O.P., Reverdatto V.V., Memmi I. Evidence from Fe- and Al-rich metapelites for thrust loading in the Transangarian Region of the Yenisey Ridge, eastern Siberia // J. Metamorph. Geol. 2004. V. 22. P. 743–762.
Likhanov I.I., Reverdatto V.V., Kozlov P.S. et al. P-T-t constraints on polymetamorphic complexes of the Yenisey Ridge, East Siberia: implications for Neoproterozoic paleocontinental reconstructions // J. Asian Earth Sci. 2015. V. 113. P. 391–410.
Likhanov I.I., Régnier J.-L., Santosh M. Blueschist facies fault tectonites from the western margin of the Siberian Craton: Implications for subduction and exhumation associated with early stages of the Paleo-Asian Ocean // Lithos. 2018. V. 304–307. P. 468–488.
Mancktelow N.S. Tectonic pressure: Theoretical concepts and models // Lithos. 2008. V. 103. P. 149–177.
Maruyama S., Liou J.G., Terabayashi M. Blueschists and eclogites of the world and their exhumation // Int. Geol. Rev. 1996. V. 38. P. 485–594.
Massonne H.J., Schreyer W. Phengite geobarometry based on the limiting assemblage with K-feldspar, phlogopite, and quartz // Contrib. Mineral. Petrol. 1987. V. 96. P. 212–224.
Mei S., Suzuki A.M., Kohlstedt D.L., Xu L. Experimental investigation of the creep behavior of garnet at high temperatures and pressures // J. Earth Sci. 2010. V. 21. P. 532–540.
Moulas E., Podladchikov Y.Y., Aranovich L.Y., Kostopoulos D. The problem of depth in geology: When pressure does not translate into depth // Petrology. 2013. V. 21. № 6. P. 577–587.
Perchuk L.L., Lavrent’eva I.V. Experimental investigation of exchange equilibria in the system cordierite-garnet-biotite // Kinetics and Еquilibrium in Mineral Reactions. Berlin–Heidelberg–New York: Springer, 1983. P. 199–239.
Petrini K., Podladchikov Y.Y. Lithospheric pressure-depth relationship in compressive regions of thickened crust // J. Metamorph. Geol. 2000. V. 18. P. 67–77.
Pleuger J., Podladchikov Y.Y. A purely structural restoration of the NFP20-east cross section and potential tectonic overpressure in the Adula nappe (central Alps) // Tectonics. 2014. V. 33. P. 656–685.
Powell R., Holland T.J.B. Optimal geothermometry and geobarometry // Amer. Mineral. 1994. V. 79. P. 120–133.
Price N.J., Cosgrove J.W. Analysis of Geological Structures. Cambridge: Cambridge University Press, 1990. 502 p.
Ranalli G. Rheology of the Earth. London: Chapman & Hall, 1995. 413 p.
Reverdatto V.V., Likhanov I.I., Polyansky O.P. et al. Causes, geodynamic factors and models of metamorphism // The Nature and Models of Metamorphism. Switzerland: Springer Geology, 2019. Cham. P. 83–228. https://doi.org/10.1007/978-3-030-03029-2_3
Schmalholz S.M., Podladchikov Y.Y. Tectonic overpressure in weak crustal-scale shear zones and implications for exhumation of high-pressure rocks // Geoph. Res. Lett. 2013. V. 40. P. 1984–1988.
Schmalholz S.M., Podladchikov Y.Y. Metamorphism under stress: The problem of relating minerals to depth // Geology. 2014. V. 42. P. 733–734.
Shea W., Kronenberg A.K. Rheology and deformation mechanisms of an isotropic mica schist // J. Geophys. Res. 1992. V. 97. B11. P. 15.201–15.237.
Shi Y., Wang C. Two-dimensional modeling of the P-T paths of regional metamorphism in simple overthrust terranes // Geology. 1987. V. 15. P. 1048–1051.
Shtukenberg A.G., Punin Yu.O., Frank-Kamenetskaya O.V. et al. On the origin of anomalous birefringence in grandite garnets // Mineral. Mag. 2001. V. 65. № 3. P. 445–459.
Spear F.S. NaSi-CaA1 exchange equilibrium between plagioclase and amphibole: an empirical model // Contrib. Mineral. Petrol. 1980. V. 72. 33–41.
Spear F.S., Kohn M.J., Cheney J.T., Florence F. Metamorphic, thermal, and tectonic evolution of central New England // J. Petrol. 2002. V. 43. P. 2097–2120.
Tajcmanova L., Podladchikov Y., Powell R. et al. Grain-scale pressure variations and chemical equilibrium in high-grade metamorphic rocks // J. Metamorph. Geol. 2014. V. 32. P. 195–207.
Tajchmanova L., Vrijmoed J., Moulas E. Grain-scale pressure variations in metamorphic rocks: implications for the interpretation of petrographic observations // Lithos. 2015. V. 216–217. P. 338–351.
Triboulet C. The (Na-Ca) amphibole-albite-chlorite-epidote-quartz geothermobarometer in the system S-A-F-M–C-Na-H2O. 1. An empirical calibration // J. Metamorph. Geol. 1992. V. 10. P. 545–556.
Vrijmoed J.C., Podladchikov Y.Y. Thermodynamic equilibrium at heterogeneous pressure // Contrib. Mineral. Petrol. 2015. V. 170. P. 10. https://doi.org/10.1007/s00410-015-1156-1
Vrijmoed J.C., Podladchikov Y.Y., Andersen T.B., Hartz E.H. An alternative model for ultra-high pressure in the Svartberget Fe-Ti garnet-peridotite, Western Gneiss Region, Norway // Eur. J. Mineral. 2009. V. 21. P. 1119–1133.
Wang Z.H., Shi F., Zhang J.F. Effects of water on the rheology of dominant minerals and rocks in the continental lower crust: a review // J. Earth Sci. 2020. V. 31. № 6. P. 1170–1182.
Wheeler J. The effects of stress on reactions in the Earth: Sometimes rather mean, usually normal, always important // J. Metamorph. Geol. 2018. V. 36. № 4. P. 439–461.
Whitney D.L., Evans B.W. Abbreviations for rock-forming minerals // Amer. Mineral. 2010. V. 95. P. 185–187.
Winkler H.G.F. Petrogenesis of metamorphic rocks. New York: Springer-Verlag, 1976. 348 p.
Wu C.M., Zhang J., Ren L.D. Empirical garnet–biotite–plagioclase–quartz (GBPQ) geobarometry in medium–to high–grade metapelites // J. Petrol. 2004. V. 45. P. 1907–1921.
Wu C.M., Zhao G.C. Recalibration of the garnet–muscovite geothermometer and the garnet–muscovite–plagioclase–quartz geobarometer for metapelitic assemblages // J. Petrol. 2006. V. 47. P. 2357–2368.
Xu L., Mei Sh., Dixon N. et al. Effect of water on rheological properties of garnet at high temperatures and pressures // Earth Planet. Sci. Lett. 2013. V. 379. P. 158–165.
Zuza A.V., Levy D.A., Mulligan S.R. Geologic field evidence for non-lithostatic overpressure recorded in the North American Cordillera hinterland, northeast Nevada // Geosci. Frontiers. 2022. V. 13. 101099.