GEOLOGICA CARPATHICA,  49, 1, BRATISLAVA,  FEBRUARY 1998

45–50

THE DEVONIAN PALEOMAGNETIC POLE FOR THE SOUTHERN

PART OF THE RUSSIAN PLATFORM (DONETS BASIN)

AND ITS GEODYNAMIC IMPLICATION

MARINA ORLOVA

Institute of Geophysics, Ukrainian Academy of Sciences, Palladin av. 32, 252680 Kiev-142, Ukraine

(Manuscript received March 18, 1997; accepted in revised form December 11, 1997)

Abstract: Detailed paleomagnetic studies of Middle-Upper Devonian sedimentary and volcanic rocks from the zone

of the junction of the Donbass with the Near-Azov block of the Ukrainian Shield have detected the following main

components of natural remanent magnetization: B-metachronic component (R-polarity) whose nature is secondary on

the basis of the data of statistical tests (before and after tectonic correction) and magnetic-mineralogical studies: A1

and A2-synchronous (N and R-polarity) is interpreted as having been acquired during deposition. The southern paleo-

magnetic pole calculated from mean directions the B-component (Lat. = –36

o

,  Long. = 338

o

, dp = 6.6

o

, dm =3.4

o

)

agrees well with the paleomagnetic poles of Permian sediments of the Donets Basin. The paleopoles calculated from

A1 (Middle Devonian) and A2 (Upper Devonian) components have the following coordinates: A1 (Lat. = 13

o

, Long. =

289

o

, dp = 9.8

o

, dm = 4.9

o

) and A2 (Lat. = –3.7

o

, Long. = 359

o

, dp = 4.7

o

, dm = 2.3

o

). The significant deviation of

paleopoles A1 and A2 from the Eifel-Famenian segment of APWP for Baltica may reflect the effect of the local tectonic

rotation of the block enclosing the rocks studied.

Key words: Middle-Upper Devonian rocks, magnetization components, paleomagnetic poles.

Introduction

In recent years—new confident data on the position of paleo-

magnetic  poles  in  the  Devonian  have  been  obtained  for  the

East-European platform (EEP). EEP sediments in normal sec-

tions show clearly enough the pole positions in the Early De-

vonian (Smethurst & Khramov 1992; Orlova 1992; Mikhailo-

va  et  al.  1994).  Less  clear  are  the  poles  of  Middle  and

especially the Late Devonian since they are similar to Permi-

an  ones.  This  is  illustrated  by  synthetized  curves  of  APWP

set up for the Baltic region (Torsvik et al. 1992; Lewandows-

ki 1993) which the autors consider to be a great part of the

East-European platform. According to these curves, the pale-

omagnetic pole was shifted in the Devonian from an equatori-

al  latitude  (Early  Devonian)  to  the  latitude  of  the  Permian-

Carboniferous poles (Late Devonian).

The present paper aimes to elucidate the results of paleo-

magnetic studies of the clearly stratified Middle-Upper De-

vonian sediments from the Donbass-Near-Azov-block junc-

tion zone of the Ukrainian Shield, including studies of their

tectonic aspects.

Geology

The  Eufelian-Famenian  sedimentary-volcanic  rocks  of  the

Donets  Basin  are  a  continuous  succession  of  four  formations

(upwards):  Nikolaevskaya  (Middle  Devonian),  Antonovskaya

(Middle-Upper  Devonian),  Dolginskaya  and  Razdolnenskaya

(Upper  Devonian)  (Aizenverg  &  Lagutin  1974)  with  normal

stratigraphic boundaries and subhorizontal occurrence. Togeth-

er  with  overlaying  Carboniferous  sediments  this  mass  forms

the so-called southern stepped monocline of the Donbass dip-

ping northward at an angle to 10–20

o

 (Fig. 1c,d). Lithological-

ly, the Middle and Upper Devonian sediments are gravelites,

differently composed and grained sandstones, argillites, volca-

nic tuffs (Fig. 1b). In the middle part a mass of differently com-

posed effusives occurs. Their age is estimated at 387–360 Ma.

Methods of sampling and laboratory studies

Within the territory considered of sedimentary and volcanic

rocks — one in the area of Nikolaevka village — 10 partial

sections and another in the area of  Razdolnoe village —  2

partial sections (Fig. 1b,c) were studied. The tested thickness

of the former and the latter sections is 384 m and 232 m re-

spectively. The oriented samples were taken at 1–5 m inter-

vals along the section. The sedimentary and the majority of

the volcanic rocks were oriented in the bedding plane and for

the some effusives an arbitrary plane which was then referred

to a horizontal one. In general, the sampling was made by a

conventional method. Each section horizon is represented by

a thin sample from which at least eight 2 

×

 2 

×

 2 cm cubes

were then sawn up for further studies. The stratigraphic suc-

cession of the samples is shown on the lithologic columns of

the partial sections (Fig. 1c). Measuring of natural remanent

magnetization (NRM) and magnetic susceptibility were per-

formed with astalic magnetometers MA-21, LAM-2 and with

JR-3, KLY-1 devices.

The  following  laboratory  tests  were  employed  to  deter-

mine the stability as well as the origin of the NRM: alternat-

ing  field  (AF)  demagnetization  with  steps  at  2.5,  7.5,  10,

16 mT up to 200 mT and thermal demagnetization (T) with

46                                                                                               ORLOVA

steps of 50–100 

o

C up to 700 

o

C in field-free space; determi-

nation  of  partial  thermo-remanent  magnetization  (PTRM),

Curie temperature (Tc), acid leaching HCl. Chemical leach-

ing  of  the  secondary  magnetic  minerals  was  performed  on

the  cube  samples  with  the  special  shaped  cross-sections.

These cross-sections allowed enlargement of the surface of

the sample for more effective leaching by HCl acid. The du-

ration of the sample exposure in acid was different and it de-

pended  on  rock  porosity  and  composition  of  ferrimagnetic

mineral  (the  minimal-exposure  was  24  h  and  the  maximal

one  220  h).  After  each  leaching  cycle  the  cubes  were  ex-

tracted from acid, washed with water, dried and measured.

The chemical leaching was continued till the separation of

magnetization component with stable orientation. This pro-

cedure was frequently combined with T-demagnetization. In

some cases the samples were first demagnetized by AF to 10

mT or exposed to acid during 24 h and then tested by thermal

method.  The  method  for  determination  of  original  NRM

based on a comparison of the spectrum of isothermal rema-

nent  magnetization  (IRM)  curves  was  devised  by  Cholpo

(1977, pers. com.). The NRM directions remaining after each

demagnetization step were analysed using the Zijderveld or-

tagonal vector projections. The magnetic minerals were iden-

tified  by  both  the  rock  magnetic  and  microscopic  methods.

Laboratory works were carried out by the instruments and ap-

paratus of the Institute of Geophysics of the UAS.

Fig. 1. The geological map of the paleomagnetic sampling area, showing the location of the sites of Middle-Upper Devonian sedimentary

and volcanic rocks in the Donets Basin with US joint zone. 1 — Precambrian granites; 2 — Upper-Middle Devonian sedimentary-volca-

nic rocks; 3 — Middle Devonian volcanic; 4 — Upper Devonian volcanics; 5 — Carbonate sedimentary units; 6 — faults; 7 — Late Pale-

ozoic intrusions; 8 — sampling sites (sections): 9 — the points reflecting the stratigraphic order of sampling and the sample numbers (the

investigated thickness shown on the right side the partial sections); 10 — sandstones; 11 — volcanic tuffs; 12 — argillites; 13 — lime-

stones; 14 — gravel; 15 — map; 1–1, 2–2 — cross sections lines. Numbers inside of a circle: 1, 2, 3, 10 — Razdolnenskaya Formation

(D3 RS); 9,11 — Antonovskaya Formation (D-2-3 AN); 4–8 — Nikolaevskaya Formation (D2 N).

THE DEVONIAN PALEOMAGNETIC POLE FOR THE SOUTHERN PART OF THE RUSSIAN PLATFORM                 47

Results

The  magnetic  properties  of  the  sedimentary  and  volcanic

rocks  were  described  in  a  previous  study  (Orlova  1992;

Mikhailova et al. 1994).

Combined  laboratory  studies  show  inhomogeneity  of  the

NRM composition of the rocks studied. Together with the one-

component magnetization generally marked in effusives (Fig. 2,

samples  105,  59),  the  great  majority  of  the  rocks  studied  has

polycomponent NRM structure consisting of two or more com-

ponents of different orientation (Fig. 2, samples 40, 27).

The complicated NRM composition is shown by  magnet-

ic-mineralogical analysis to be due to the concentration and

proportion  of  ferrimagnetic  minerals  of  different  generation

in rocks. These are firstly primary homogeneous magnetites,

titanomagnetite,  synchronous  in  time  with  rock  formation

which  were  presented  as  relicts  of  mostly  greatly  changed

grains in effusives and their detritus in sediment and second-

ary  maghemite,  titanomaghemite  and  hematite  of  oxides

which appeared both at the pre-lithification stage and during

diagenesis and finally, iron hydroxides formed in hypergenic

conditions.  Together  with  multi-domain  titanomagnetite  and

fine-dispersed  hematite  they  cause  low-coercive  including

viscous magnetization.

The  results  of  the  component  analysis  have  allowed  sug-

gestion of the following interpretation:

1. Soft component oriented with present geomagnetic field.

It  is  generally  destroyed  by  alternating  magnetic  field  to

20 mT, heating to 100–150 

o

C and sometimes to 250

o

 or ex-

posure to concentrated HCl acid for 24 h. As this component

does not carry information on the ancient geomagnetic field it

has not been considered here.

 2. B-component (R-polarity) that is hard in effusive rocks

(AF = 70 mT,  T = 500–600 

o

C)  and  relatively  soft  in  the

sediments (AF = 5–200 mT, T = 20–300 

o

C) practically ex-

ists in all rocks of the studied sections. The tectonic correc-

tion  for  the  tilt  angle  of  the  thickness  (Fig. 4a–c)  showing

the change of the Fisher parameters k and  

α

95

 clearly indi-

Fig. 2. Progressive T-demagnetization diagrams of A1, A2 — andesite from the Antovskaya Formation sampled near village of Razdol-

noe, B — basalt (v. Nikolaevka) from the Razdolnenskaya Formation. Open (closed) symbols represent projections of the end points of

NRM vectors on the vertical (horizontal) planes.

48                                                                                               ORLOVA

Fig. 3. The mean directions of characteristic magnetizations A1 and A2 with the circles of 95 % confidence: a — the mean directions of

component A1 of the Nikolaevskaya and b — Antonovskaya Formations (1, 2 — from sections near village of Nikolaevka, 3, 4 — sec-

tions near v. Razdolnoe), c — the mean directions of component A2 of Razdolnenskaya Formation from sections near v. Nikolaevka, d —

from sections near v. Razdolnoe.

cates  the  secondary  post-fold  nature  of  this  component,

which agrees with the data of magneto-mineralogical studies

of rocks. The mean direction of the B-component of all sec-

tions studied D = 225

o

, I =  –18

o

, coincides well with the di-

rection  of  synchronous  magnetization  of  Permian  sediments

of the Donets Basin (Chramov 1992 in Orlova 1992).

3.  The  hard  component  A1(R  and  N-polarity)  exists  in

NRM of some effusives and in sediments as a single compo-

nent, but in most cases together with the B-component. In the

sediments  it  is  distinguished  in  the  20–500

o

  or  350–600 

o

C

and in volcanites in 20–450

o

 or 20–700 

o

C temperature range

(Fig. 3a,b). As seen from this figure the A1-component orien-

tation  does  not  notably  differ  in  the  formations  of  the  Ni-

kolaevskaya  and  Antonovskaya  Formations  (Middle  Devo-

nian age). The mean direction of the A1 component is D =

294

o

, I = 4

o

 for rocks of the Nikolaevskaya Formation in the

section near village of Nikolaevka. Similar A1-component di-

rections are seen for volcanites of the Antonovskaya Forma-

THE DEVONIAN PALEOMAGNETIC POLE FOR THE SOUTHERN PART OF THE RUSSIAN PLATFORM                 49

Fig. 4. Tilt corrected characteristic mean directions of samples with the B-component show with the circles of 95 % confidens: a — the

Nikolaevskaya Formation, b — the Antonovskaya Formation, c — the Razdolnenskaya Formation, d — mean directions of the B-compo-

nents from the sections a, b, c corrected respecting the present day bed thicness; 1 — mean direction, 2 — the Nikolaevskaya Formation,

3 — the Antonovskaya Formation, 4 — the Razdolnenskaya Formation.

tion both in village of Nikolaevka section and near village of

Razdolnoye  (Fig.  3a,b).  Magneto-mineralogical  data  clearly

show the A1-component to be synchronous with the forma-

tion  of  rocks  of  Eufelian-Givetian  age  in  the  study  region.

The  mean  directions  calculated  for  rocks  of  all  sections  of

this age (Nikolaevskaya and Antonovskaya Formations) have

coordinates Dm = 292

o

, Im = –5

o

.

4. The hard component A2 (R and N-polarity) of Razdol-

nenskaya Formation (Upper Devonian age) oriented also with

a slight difference in directions both in near village of Ni-

kolaevka and near village of Razdolnoe sections, but notably

differs  from  A1-component  in  declination  (Fig.  3c,d).  The

mean direction of the A2-component Dm = 210

o

 and Im = –3

o

roughly  coincides  with  the  Famenian  geomagnetic  field  di-

rection for Baltica.

The A1 and A2 components are due to primary ferrimag-

netics  of  the  first  generation  and  are  synchronous  with  the

rock  formation  moment,  i.e.  with  the  Devonian  period.  The

50                                                                                               ORLOVA

Age of the charac- D

I

=

'#

k

n

 The southern pole

teristic magneti- degree degree degree

Lat. Long. @

p

@

m

zation components

degree degree degree degree

Middle Devonian

(Eifel-Givetian) 292

–5 9.81 10.7 19

o

12.7 289 9.84 4.94

(A1-component)

Late Devonian

(Famenian)

210

–3 4.66 25.1 36

o

–37 359 4.66 2.33

(A2-component)

Permian

(B-component) 225 –18 6.34 12.9 38

o

–36 338 6.58 3.42

Table  1:  Mean  paleomagnetic  directions  and  pole  position  for

Middle-Devonian  sedimentary  and  volcanic  rocks  determined  in

this study, Donets Basin.

Fig. 5. Comparison of the paleopoles A1 and A2 with APWP for

Baltica (Lewandowski 1993). The poles rotated around the Euleri-

an pole located at the point 50N/39E. Such a rotation places the A1

and  A2  poles  at  the  Eifel-Vizean  part  (points  385  MA  and  374

MA, respectively) of APWP.

B-component  is  a  superimposed  one  and  reflects  the  rock

maghemitization and hematization time.

Discusion

From the statistically averaged orientations of the A1, A2

and B-components the paleomagnetic poles have been calcu-

lated (Table 1). Their comparison with a synthesized curve of

APWP in the Phanerozoic for the Baltic region (Fig. 5) shows

an agreement of the B-component pole with that of the curve

and the proximity of the A2 pole to it, though the curve seg-

ment age does not completely correspond with Famenian age

of  the  rocks  studied.  At  the  same  time  the  result  obtained,

gives reason to consider the high-latitude position of the Up-

per Devonian pole to be a feature of the Devonian geomag-

netic  field,  which  agrees  with  the  present  viewpoint  on  this

problem (Torsvic et al. 1992; Lewandowski 1993) but it is not

the result of remagnetization of Devonian rocks by the Permi-

an field as was postulated earlier.

The significant north-westwards (A1-paleopole) and south-

eastwards (A2-poleopole) deviation from the Eifel-Famenian

segment of APWP for Baltica may be attributed to the clock-

wise rotation of the area in question by about 34

o

 during the

Middle Devonian and 17

o

 in the anti-clockwise direction dur-

ing the Upper Devonian. This interpretation does not contra-

dict  the  geological  insight  into  the  Dnieper-Donets  paleorift

formation, i.e. at the rift’s formation moving apart of blocks

with rotation   was of great importance  as well as the earth’s

crust  becoming  less  concentrated  because  of  extension

(Chekunov 1994).

References

Aizenverg D. & Lagutin P., 1974: The Donets Basin Stratigraphy

of the Ukrainian. V, 4, 2, 228–245 (in Russian).

Catalogue of data of the US, 1978: Kiev, S, f, 224 (in Russian).

Chekunov A., 1994: On geodynamics of Dnieper Donets rift-syn-

eclise. Geophys. Journal. Publ. of the Inst. of Geophys. Uas.

(in Russian, English summary).

Lewandowski  M.,  1993:  Paleomagnetism  of  the  paleozoic  rock  of

Holy Cross MTS (central Poland) and the origin of the Variscan

orogen. Publ. of the Institute of Geophysics PAS, A-23, 1–265.

Mikhailova N., Orlova M. & Tretyak A., 1994: The Devonian pole

according  to  paleomagnetic  investigation  in  Ukraine.  Geo-

phys. Journal. Publ. of the Inst. of Geophys. UAS, 5, 120–124

(in Russian).

Nethaev  S.,  1970:  Mineralization  of  the  Volnovakhan  fault  zone.

Kiev, S, f, 1–179 (in Russian).

Orlova M., 1992: The paleomagnetism of Devonian rocks of joint

zone  of  the  Donbass  with  the  Near-Azov  block  of  the  US.

Typescript of Candidate thesis. Kiev P.~18 (in Russian).

Smetherst M.A., Khramov A.N., 1992: A new Devonian paleomag-

netic pole for the Russian platform and Baltica and related ap-

parent polar wander part. Geophys. J. Inst., 108, 179–192.

Torsvic T.H., Smetherst M.A., Van der Voo R., Trench A., Abra-

chamsen  H.  &  Halvorsen  E.,  1992:  Baltica.  A  synopsis  of

Vendian-Permian paleomagnetic data and their paleomagnetic

implication. Earth Sci. Rev., 33, 133–152.