Tectonic paleostress fields evolution and calcite veins formation in the southeastern part of the Ukrainian Carpathians during the Cenozoic time

Abstract

Purpose. The main purpose of this paper is to study tectonic paleostress field evolution, its influence on the calcite veins formation and fluid flow in the southeastern part of the Ukrainian Carpathians during the Cenozoic time. The objects of our studies are joints parageneses, slickensides and veins in the Cretaceous sandstones located over the Chornohora, Dukla, Porkulets and Rakhiv nappes in the southeastern part of the Ukrainian Carpathians. Methods. To reconstruct the stress-strain state structural-paragenetic and kinematic methods were used. Fabric 8, StereoNett 2.46, and Tensor software was used to process the data and to determine the principal axes of paleostress field (σ1, σ2, σ3). Slickenside data were processed by using kinematic method with some modern modifications for the Carpathian region. Special attention was paid to the veins in the host rocks. Results. Within the study area we found 16 natural outcrops, 850 joints, 300 veins and 50 slickensides. Further, we described veins structural features and paleostress fields that could initiate joints formation. Not at all outcrops calcite veins were found. The statistically reliable number of carbonate veins was identified only at few study points. It is very important to study not only veins structural features but mineralogy, morphology, crystal microdefects, and fluid inclusions as well. Originality. For the first time we reconstructed tectonic paleostress fields evolution in the southeastern part of the Ukrainian Carpathians during the Cenozoic time by using data on joints and slickensides. The most active tectonic movements, deformation and carbonate veins formation are attributed to the strike-slip and tension paleostress fields. Strike-slip paleostress fields are defined as the youngest, and their tension axes are orientated in NE-SW and NW-SE directions. The number of calcite veins within the Dukla and Porkulets nappes is much more greater than that within the Chornohora and Rakhiv ones. Almost all veins strike in north-west direction. Ancient joints could be reactivated and filled with calcite simultaneously with subsequent tension regimes. Practical significance. Paleostress fields originated at the end of folding-faulting stage indicate that the strike-slip deformation regime changed due to tension in two directions (SE and SW tension axes). The detailed study of veins showed that their formation is the result of newly formed and reactivated joints and fractures filled by the matter due to the younger mechanical deformations. Calcite filled shear and tension joints formed as the result of different deformation regimes, starting from the foldingfaulting stage. We conclude that intensive migration of fluids, including hydrocarbons fluids, took place at the end of folding-faulting stage of the Ukrainian Carpathian tectonic evolution. Цель. Основной целью данной работы является исследование тектонической эволюции полей палеонапряжения и ее влияние на формирование кальцитовых жил и флюидный поток в юго-восточной части Украинских Карпат в кайнозойское время. Объекты нашего исследования – парагенезисы трещин, зеркала скольжения и жилы в меловых песчаниках в Чорногорском, Дуклянском, Поркулецком и Раховском покровах в юго-восточной части Украинских Карпат. Методика. Для реконструкции напряженно-деформированного состояния применяли структурно-парагенетический и кинематический методы. Для обработки данных и определения главных осей полей палеонапряжений (σ1, σ2, σ3) использовали программы Fabric 8, StereoNett 2.46, Tensor. Данные по зеркалам скольжения были обработаны с использованием кинематического метода с некоторыми современными изменениями для Карпатского региона. Особое внимание было уделено жилам во вмещающих породах. Результаты. В изучаемом регионе исследовано 16 естественных обнажений, более 850 трещин, 300 жил и 50 зеркал скольжения. Структурные особенности жил и поля палеонапряжений, которые могли бы инициировать образование трещин, были описаны. Не во всех обнажениях были найдены кальцитовые жилы. Только в нескольких точках наблюдения обнаружено статистически достоверное количество карбонатных жил. Жилы сложнее объекты для исследования. Очень важно исследовать не только жилы, но и структурные особенности, минералогию, морфологию, кристаллические микродефекты, жидкие включения в них. Научная новизна. Используя данные об ориентации жил и зеркал скольжения было реконструировано эволюцию полей тектонических палеонапряжений в юго-восточной части Украинских Карпат в течение кайнозоя. Наиболее активные тектонические движения, деформаций и образование карбонатных жил связаны со сдвиговыми полями палеонапряжений. Сдвиговие поля палеонапряжений являются одним из самых молодых, и его оси растяжения ориентированы в северно-восточном – юго-западном и северо-западном – юго-восточном направлении. Количество кальцитовых жил в отложениях Дуклянского и Поркулецкого покровов гораздо больше, чем в Черногорском и Раховском покровах. Почти все жилы простираются в северо-западном направлении. Конечно, древние трещины могли быть реактивированы и заполнены кальцитом под воздействием последующих режимов растяжения. Практическая значимость. Поля палеонапряжений в конце складчасто-надвигового этапа представляют сдвиговый деформационный режим, который был изменен растяжением в двух направлениях (ориентация осей напряженности в SE и SW направлениях). Подробное изучение жил показало, что их формирование является результатом заполнения вольного пространства новообразованных и реактивированных, во время воздействия более поздних дефор- мационных режимов, трещин. Кальцит заполнял сколовые и тенсионные трещины, которые были сфор- мированы в результате действия различных деформационных режимов, начиная со складчато-надвигового этапа. Результаты исследования позволяют сделать вывод, что интенсивная миграция флюидов, в том числе углеводородов, была в конце складчато-надвигового этапа тектонической эволюции Украинских Карпат. Мета. Основною метою цієї роботи є дослідження тектонічної еволюції полів палеонапружень і її вплив на формування кальцитових жил і флюїдний потік у південно-східній частині Українських Карпат у кайно- зойський час. Об’єкти дослідження – парагенезиси тріщин, дзеркала ковзання і жили в крейдових пісковиках у Чорногірському, Дуклянському, Поркулецькому і Рахівському покривах у південно-східній частині Українських Карпат. Методика. Для реконструкції напружено-деформованого стану використано структурно-парагенетичний і кінематичний методи. Для обробки даних і визначення головних осей полів палеонапружень (σ1, σ2, σ3) використано програми Fabric 8, StereoNett 2.46, Tensor. Дані по дзеркалах ковзання опрацьовано зі застосуванням кінематичного методу з деякими особливостями для Карпатського регіону. Особливу увагу акцентовано на вивченні жил у вмісних породах. Результати. У досліджуваному регіоні ми детально описали і дослідили 16 природних відслонень, понад 850 тріщин, 300 жил і 50 дзеркал ковзання. Детально описано структурні особливості жил і поля палеонапружень, які могли спричинити формування тріщин, що заповнені кальцитом. Не в усіх відслоненнях були виявлені кальцитові жили. Тільки в декількох точках спостереження заміряно статистично достовірну кількість карбонатних жил. Жили складні об’єкти для дослідження. Дуже важливо досліджувати не тільки жили, а й структурні особливості, мінералогію, морфологію, кристалічні мікродефекти, флюїдні включення в мінералах. Наукова новизна. Використовуючи дані про орієнтацію жил і дзеркал ковзання, реконструйовано еволюцію полів палеонапружень у південно- східній частині Українських Карпат протягом кайнозойського часу. Найактивніші тектонічні рухи, деформації і утворення карбонатних жил пов’язані зі зсувними полями палеонапружень. Це зсувні поля палеонапружень є одними з наймолодших, і їхні осі розтягнення орієнтовані в північно-східному – південно-західному і північно-західному – південно-східному напрямках. Кількість кальцитових жил у товщах Дуклянського і Поркулецького покривів набагато більша, ніж у Чорногірському і Рахівському покривах. Майже всі жили простягаються в північно-західному напрямку. Звичайно, давніші тріщини ймовірно були реактивовані та заповнені кальцитом під час активації пізніших режимів розтягнення. Практична цінність. Поля палео- напружень у кінці складчасто-насувного етапу представлені зсувним деформаційним режимом, який був змінений розтягуванням у двох напрямках (орієнтація осей напруженння в південно-східному та південно- західному напрямку). Докладне вивчення жил показало, що їх формування є результатом заповнення вільного простору новоутворених і реактивованих, під впливом пізніших деформаційних режимів, тріщин. Кальцит заповнював сколові та тенсійні тріщини, які були сформовані в результаті дії різних деформаційних режимів, починаючи від складчасто-насувного етапу. Результати дослідження дають змогу зробити висновок, що інтенсивна міграція флюїдів, зокрема вуглеводнів, відбувалася вкінці складчасто-насувного етапу тектонічної еволюції Українських Карпат.