Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Изученность глубинного строения земной коры северо - восточной части балтийского щита как основа для моделирования и палеореконструкций 19
1.1. Основные черты геологического строения 19
1.2. Петрофизические характеристики пород 41
1.3. Геофизические исследования и глубинное строение 60
1.4. Эволюция взглядов на докембрийскую историю развития региона 90
1.5. Выводы 102
ГЛАВА 2. Состояние проблемы тектонофизического моделирования при интерпретации геолого - геофизических данных 106
2.1. Цели и задачи тектонофизики 106
2.2. Существующие методы и подходы в области тектонофизического моделирования 110
2.3. Выводы 134
ГЛАВА 3. Предлагаемая методика реконструкции геодинамических режимов формирования земной коры 136
3.1. Выбор схемы развития тектонических процессов в исследуемом регионе 137
3.2. Построение реологической модели среды 142
3.3. Оценки параметров мантийного плюма по его геологическим проявлениям 155
3.4. Моделирование внутрикоровых массопотоков с количественными оценками скорости течения пластичных породи возникающих давлениях в пластичных зонах 158
3.5. Расчёт распределения температур в земной коре 166
3.6. Моделирование полей напряжений в жёстком коровом блоке 171
3.7. Выводы 174
ГЛАВА 4. Тектонофизическое моделирование геодинамических обстановок формировании земной коры северо - восточной части балтийского щита 176
4.1. Количественные оценки параметров раннепротерозойского плюм - литосферного взаимодействия 176
4.2. Количественные оценки физико-механических параметров коллизии коровых мегаблоков 181
4.3. Условия возникновения латеральных массопотоков в пределах развития Кольской рифтогенно - коллизионной системы 195
4.4. Оценка влияния термомеханических эффектов на режимы метаморфизма и гранитообразования 203
4.5. Характер пространственных и динамических соотношений в пластичных зонах при формировании Лапландского гранулитового пояса и Печенгско - Варзугской палеорифтогенной системы 207
4.6. Особенности формирования полей напряжений в жёстком коровом блоке при одноосном сжатии 210
4.7. Выводы 221
ГЛАВА 5. Гео динамическая модель развития кольской рифтогенно - коллизионной системы 223
5.1. Фактографическая основа для моделирования и
палеореконструкций в северо-восточной части Балтийского щита 223
5.2. Основные этапы развития Кольской рифтогенно -коллизионной системы в раннем протерозое 226
5.3. Выводы 232
Заключение 233
Литература
- Петрофизические характеристики пород
- Существующие методы и подходы в области тектонофизического моделирования
- Оценки параметров мантийного плюма по его геологическим проявлениям
- Количественные оценки физико-механических параметров коллизии коровых мегаблоков
Введение к работе
Существующие в области тектонофизического моделирования направления, различающиеся между собой как по концептуальной основе, так и по методам применяемого анализа, часто не обеспечивают должного выполнения исследований по реконструкции геодинамических режимов формирования земной коры в прошлые геологические эпохи. Особенно это касается реконструкции геодинамических режимов докембрия, являющейся фундаментальной проблемой наук о Земле.
Актуальность темы. В соответствии с возрастающими требованиями к выполняемым палеогеодинамическим реконструкциям в целях выявления генетических связей между прогнозируемыми металлогеническими провинциями и закономерностями формирования земной коры в пределах древних щитов, особое значение имеет моделирования геодинамических режимов, позволяющих создавать количественные модели процессов формирования древней земной коры, а также объяснять механизм и динамику её преобразования. Поэтому весьма актуальной является разработка новых методов тектонофизического обоснования возможных геодинамических обстановок, имевших место при формирования реологически неоднородной земной коры. Эти методы должны отвечать требованиям, включающим реконструкции геодинамических режимов на количественном уровне в случае многоярусных внутрикоро-вых геодинамических систем.
Северо-восточная часть Балтийского щита считается благоприятным структурным элементом для изучения внутреннего строения кристаллической коры. В регионе отсутствует искажающее влияние осадочного чехла, что создаёт возможность для непосредственного исследования и сопоставления гео-
логических и геофизических данных. Интерес со стороны исследователей к данному региону обусловлен ещё тем, что здесь был открыт ряд крупнейших месторождений чёрных, цветных и редких металлов, апатита, слюды и других полезных ископаемых. В ходе поисковых, разведочных и научно-исследовательских работ была накоплена обширная геолого-геофизическая информация по строению и истории района. Проходка уникальной Кольской сверхглубокой скважины дала возможность прямого изучения пород, залегающих на глубинах до 12.3 км. Эти достижения сделали регион эталоном в решении многих проблем региональной геологии Балтийского щита. В силу этого северо-восточная часть Балтийского щита, важнейшая металлоге-ническая провинция, служит естественным полигоном для всестороннего исследования кристаллических комплексов земной коры и для реконструкции условий формирования коры континентального типа.
В пределах Кольского полуострова и смежных территорий Норвегии и Финляндии представлен почти полный набор раннедокембрийских комплексов, которые сформировались в интервале 2.9-1.7 млрд. лет, испытали неоднократное воздействие метаморфических и магматических процессов и превратились в уникальную систему тектонических структур. В северо-восточной части Балтийского щита сохранились самостоятельные континентальные системы, образованные в карельский период (2500-1650 млн. лет назад) [Загородный, Радченко, 1988]. В целом структуру региона можно рассматривать как раннепротерозойскую.
В настоящее время в пределах изучаемого региона выделяются наиболее крупные архейские мегаблоки (инфракрустальные домены) - Мурманский, Центрально-Кольский (Кольский или Кольско-Норвежский) и Беломорский, разделённые глубинными разломами, и раннепротерозойские мобильные поя-
са (супракрустальные террейны) - Лапландский (Лапландско-Колвицкий) гра-нулитовый и Печенгско-Варзугский рифтогенный, которые в свою очередь подразделяются на более мелкие блоки, зоны, отдельные структуры и их фрагменты. Перечисленные мегаблоки (Мурманский, Кольский, Беломорский) и мобильные пояса (Лапландский, Печенгско-Варзугский) образуют систему тектонических структур - Кольскую рифтогенно-коллизионную систему [Mitrofanov et al., 1995], охватывающую всю северо-восточную часть Балтийского щита и определяющую особенности формирования докембрий-ской земной коры континентального типа.
Кольская рифтогенно-коллизионная система представляет собой сложную коллизионную постройку, рифтогенно-коллизионную триаду сопряжённых зон сжатия и растяжения с продолжительной длительностью развития [Mitrofanov et al., 1995; Mitrofanov et al., 1997; Филатова и др., 2002]. В данном случае осевая зона рифтинга представляет собой Печенгско-Варзугский рифтогенный пояс континентального типа, а под коллизией подразумевается столкновение коровых мегаблоков континентального типа - Кольского и Беломорского.
Главные геолого-геофизические особенности северо-восточной части Балтийского щита были определены к концу 60-х годов [Кратц, 1963; Земная кора ..., 1978]. В эти годы для анализа протерозойских образований широко применялась геосинклинальная модель, согласно которой зоны карелид прошли полный цикл в своём развитии - от заложения геосинклинального пояса до его орогенеза и превращения в платформу. За прошедший период произошло заметное изменение взглядов на докембрийскую историю развития Балтийского щита, на глубинное строение земной коры, механизм и динамику её преобразования. В целях объяснения процесса формирования па-
леопротерозойской земной коры северо-востока Балтийского щита предлагались и разрабатывались различные геотектонические и геодинамические модели развития региона.
Для анализа раннепротерозойских структур щита была показана возможность использования рифтогенных моделей [Милановский, 1976; Загородный, Радченко, 1983], режим развития которых носил субплатформенный характер. Позднее, по результатам исследований геохимических особенностей вулканогенных образований, вскрытых скважиной СГ-3, в истории развития Печенгской структуры был выделен океанически-рифтогенный этап [Кременецкий, Овчинников, 1983]. В последующие годы были получены не только дополнительные подтверждения рифтогенной природы Печенгско-Варзугского пояса [Эндогенные ..., 1991], но и была предложена модель [Магматизм, ..., 1995; Смолькин, 1997], согласно которой Печенгско-Варзугский пояс интерпретируется как сложнопостроенная рифтогенная система, заложенная на архейской коре континентального типа. Развитие системы связывается [Buyanov et al., 1995] с формированием первоначально обширной астенолинзы, неоднородным разогревом в ней мантийного вещества и подъёмом на коровый уровень крупных диапиров.
Для объяснения процесса формирования докембрийской земной коры северо-востока Балтийского щита был предложен также ряд альтернативных геодинамических моделей, базирующихся на концепции плейт-тектоники или её комбинации с элементами рифтогенеза [Barbey et al., 1984; Berthelsen, Marker, 1986; Melezhik, Sturt, 1994; Минц и др., 1996],. При составлении геодинамических схем применительно к северо-востоку Балтийского щита также использовался и террейновый анализ [Балаганский, 2002], в основе которого заложено использование концепции мобилизма, допускающей крупные гори-
зонтальные перемещения отдельных блоков земной коры и литосферы в самых различных направлениях. Автором [Балаганский, 2002] выделяется Ла-пландско-Кольский ороген, история развития которого в протерозое включает распад и реставрацию суперконтинента в течение одного полного цикла Вильсона длительностью около 700 млн. лет.
К сожалению, ни одна из предложенных геодинамических моделей не смогла обеспечить адекватного соответствия ни с новыми данными о природе и особенностях проявления магматических и метаморфических процессов раннего протерозоя Кольского региона [Эндогенные режимы ..., 1991; Смолькин, 1997; Петров, 1999], ни с результатами геохронологических исследований [Митрофанов и др., 1997; Баянова и др., 2002]. Сейсморазведочные исследования [Шаров и др., 1997] не подтвердили предположение о наличии реликтов субдукционных зон, глубоко погружённых под гранито-гнейсовые толщи коры. На территории Кольского региона также не обнаружены индикаторные для океанического типа коры комплексы офиолитов и параллельных даек или их гранитизированных аналогов. В пределах развития Печенгско-Варзугского пояса в условиях интенсивного надвигообразования не установлены случаи, когда более древние породы залегали бы на более молодых.
Несмотря на большой объём выполненных геолого-геофизических работ среди геологов до сих пор существуют альтернативные точки зрения о механизме вывода на поверхность плотных нижнекоровых пород при формировании гранулитового пояса [Жданов, 1966; Беляев, 1971; Прияткина, Шар-ков, 1979; Терехов, 1982; Богданова и др., 1992; Buyanov et al., 1995; Kozlov et al., 1995; Перчук и др., 1999; Балаганский, 2002]. Не объяснён механизм формирования крупной коллизионной структуры (такой как Кольская рифтоген-но-коллизионная система) при отсутствии проявления орогенеза, так как в зо-
не коллизионного шва фиксируется полное отсутствие следов проявления горообразования и характерных для горных стран молассовых формаций [Mitrofanov et al., 1995]. Остаётся необъяснимой синхронность образования структур сжатия и растяжения в пределах развития Кольской рифтогенно-коллизионной системы и синхронность формирования соответствующих магматических и метаморфических формаций. Не установлен характер пространственных и динамических соотношений при формировании Лапландского гранулитового пояса и Печенгско-Варзугской палеорифтогенной системы.
Выполненный анализ предложенных геодинамических моделей показал, что все проводимые ранее стандартные реконструкции геодинамических режимов при формировании земной коры региона осуществлялись без учёта существующих различий геомеханических свойств разных уровней коры и верхней мантии [Barbey et al., 1984; Berthelsen, Marker, 1986; Melezhik, Sturt, 1994; Минц и др., 1996; Балаганский, 2000]. Видимо этот факт также сыграл свою негативную роль при попытках получить удовлетворительные результаты в объяснении процессов формирования древней континентальной коры. В силу этого возникает необходимость развивать новые методы палеогеодина-мических реконструкций с применением математического моделирования процессов формирования реологически неоднородной земной коры, а также пересмотреть некоторые существующие представления о механизмах её формирования.
В настоящей работе предпринята попытка расширить возможности применения тектонофизического моделирования путём привлечения математического моделирования с использованием геологических факторов для решения фундаментальной проблемы раннего докембрия - реконструкции геодинамических режимов, ответственных за формирование континентальной
земной коры и определяющих как её состав и строение, так и направленность глубинных процессов магмогенерации и метаморфизма.
Цель работы
Главной задачей работы явилось выполнение тектонофизического обоснования возможных геодинамических обстановок, имевших место при формировании земной коры северо-восточной части Балтийского щита. Для реализации поставленной цели было выделено в качестве основных решение следующих задач:
разработать методический подход к выполнению палеогеодинамиче-ских реконструкций, позволяющий осуществить переход с глобального на региональный уровень и решать задачи внутрикоровой геодинамики в случае реологически расслоенных сред;
разработать принципиальную схему динамических процессов, развивавшихся в северо-восточной части Балтийского щита при формировании раннепротерозойской земной коры;
определить установившийся тип тектоно-магматической активности в северо-восточной части Балтийского щита на период раннего протерозоя и выявить ведущий механизм формирования главных геологических и тектонических структур региона;
получить количественные оценки раннепротерозойского плюм-литосферного взаимодействия в северо-восточной части Балтийского щита;
разработать количественные геодинамические модели формирования главных структурных элементов Кольской рифтогенно-коллизионной системы;
охарактеризовать эволюцию коровых астеносферно-террейновых ансамблей Балтийского щита и дать количественную оценку параметров геодинамических режимов, установившихся при формировании до-кембрийской земной коры;
разработать комплекс программ для ЭВМ в целях решения поставленных выше задач.
Защищаемые положения
Выполненное моделирование выявило, что при определённых соотношениях параметров геодинамического процесса эффект возвратных течений, проявляющийся при поддвигах ме-габлоков в пластичных зонах, обуславливает возникновение глубинных латеральных массопотоков внутри коры, определяющих распределение температурных аномалий и скалывающих напряжений. Выявленный эффект возвратных течений открывает новые возможности для оценки условий и характера процессов вязкого внутрикорового течения в коллизионный период.
Объяснено возникновение и оценены масштабы гипердавлений в пластичных зонах, возникающих на стыках мегабоков при поддвиге. Численное моделирование показало, что во время поддвига мегаблока с незначительным углом наклона его дневной поверхности в пластичных зонах возникают высокие давления при сравнительно медленном движении.
Установлено, что при незначительных поддвигах мегабло-ков в импульсном режиме и попеременной направленности со
скоростью 0.5-3 см/год в пластичных зонах в основании и на стыках геоблоков возникали аномальные гипердавления, кратковременно превышающие 8-50 кбар, а также создавались замкнутые латеральные массопотоки, вызывающие эрозию гранитно-метаморфического слоя в основании коровых блоков и по всей вертикальной зоне их контакта. Геодинамический режим, установившийся при формировании Лапландского гранулитового пояса, обеспечивал выдвижение обдукционных пакетов из гранулит-базитового слоя коры в гранитно-метаморфический и затягивание вниз пород верхнего яруса коры, а также латеральное перераспределение гранитоидных анатектических расплавов из коллизионного шва в тыловые зоны и трансформные разломы.
4) Мантийный плюм, регулировавший проявления раннепро-терозойского базит - ультрабазитового магматизма в северовосточной части Балтийского щита, поднимался с глубины 220-240 км со скоростью 7-8 см/год при одновременном вращении его головной части со скоростью 2-3 см/год и конвективных течениях в канале плюма со скоростью 0.2 см/год. Заключение основано на результатах выполненного математического моделирования параметров плюма по его геологическим проявлениям с привязкой к геохронологическим данным.
Научная новизна
1) Разработана методика тектонофизического моделирования процессов формирования реологически неоднородной земной коры, которая впервые позво-
лила на количественном уровне реконструировать геодинамические режимы докембрия северо-восточной части Балтийского щита.
Впервые на количественном уровне дана оценка физико-механических параметров коллизии коровых блоков, при которых выдерживались условия высокотемпературного и высокобарического метаморфизма в зоне коллизионного шва, а тектоническое скучивание в коре не сопровождалось проявлениями орогенеза и компенсировалось латеральными массопотоками во внутрикоро-вой астенолинзе.
Впервые количественно оценены масштабы влияния термомеханических эффектов на режимы метаморфизма и гранитообразования в коллизионный период. Построены численные модели распределения температур по временным срезам в пределах развития Кольской рифтогенно-коллизионной системы и выявлено, что дополнительный локальный разогрев среднего и верхнего уровней коры обеспечивает как повышение степени метаморфизма на 1-2 ступени, так и генерацию в коре кислых магм.
Впервые предложена и обоснована модель развития динамических процессов в раннем протерозое региона, при которой одним из ведущих механизмов формирования главных геологических и тектонических структур был подъём мантийного плюма в виде бегущей волны с винтовым вращением около вертикальной оси, активно взаимодействующий с породами литосферы и обуславливающий проявление обширного спектра тектоно-магматических процессов в земной коре.
Впервые количественно оценены параметры мантийного плюма, регулировавшего геодинамику северо-восточной части Балтийского щита в раннем протерозое, и впервые построена схема его взаимодействия с литосферой,
обусловившего как массовое внедрение раннепротерозойских расслоенных базит-ультрабазитовых интрузий, так и сложную тектонику региона.
Впервые разработана геодинамическая модель эволюции пограничной зоны Кольского и Беломорского мегаблоков (зона коллизионного шва) и реконструированы геодинамические режимы становления Лапландского гранулитового пояса в виде внутрикоровой обдукционной структуры.
Впервые показано, что на фоне общего сжатия региона в пределах жёстких коровых мегаблоков при наличие их зубчатого сочленения друг с другом могут одновременно развиваться локальные зоны сжатия и растяжения сложной конфигурации. Объяснён механизм синхронного формирования Печенгско-Варзугской палеорифтогенной системы и Лапландского гранулитового пояса как комплементарных поясов растяжения и сжатия внутри литосферной плиты с корой континентального типа.
Впервые даны количественные оценки пространственным и динамическим соотношениям эволюции структурных элементов Кольской рифтогенно-коллизионной системы как комплементарных структур над головной частью вихревого мантийного плюма и впервые представлена в обобщённом виде картина нелинейного развития коро-астеносферной системы в литосферном блоке.
Практическая значимость работы. Разработанная методика тектоно-физического моделирования позволяет подняться на более высокий качественный уровень в создании адекватных количественных моделей процессов формирования древней земной коры и реконструировать геодинамические режимы, что является фундаментальной проблемой докембрия. Выполненные исследования выявили принципиально новые особенности механизмов формирования земной коры, что позволяет пересмотреть некоторые существую-
щие представления о процессах формирования земной коры северо-восточной части Балтийского щита. Разработанные методы и численные алгоритмы позволяют оперативно проводить интерпретацию современных геолого-геофизических данных и создавать геодинамические модели формирования земной коры континентального типа в целях выявления генетической взаимосвязи возникающих геодинамических обстановок и процессов образования -преобразования пород и руд в пределах древних щитов.
Исходный материал. При выполнении диссертационной работы использовались материалы ЦККГЭ ПГО "Севзапгеология" (карты изолиний поля Ag масштаба 1:500000 и 1:50000, результаты картировочного бурения), ГП ЭГГИ (результаты сейсморазведочных исследований МОГТ в Лапландско-Печенгском районе, геологическая карта Лапландского гранулитового пояса), геологические карты северо-восточной части Балтийского щита, выполненные Геологическим институтом КНЦ РАН. Кроме того был использован литературный материал о петрофизических свойствах пород северо-восточной части Балтийского щита и о результатах сейсморазведочных работ, выполненных в регионе.
Личный вклад автора определяется тем, что постановка задач текто-нофизического моделирования и разработка геодинамических моделей формирования земной коры северо-востока Балтийского щита принадлежит автору диссертации, также как и получение теоретических, методических и практических результатов. Материалы, послужившие основой диссертации, собраны лично автором в ходе выполнения научно-исследовательских работ по плановой тематике Геологического института КНЦ РАН и выполнения договоров о содружестве с ПГО "Севзапгеология", а также в ходе исследований, выполняемых при поддержке РФФИ.
Апробация работы. Результаты работ, представленные в диссертации, докладывались на различных совещаниях, конференциях симпозиумах, среди которых следует выделить: международные геологические конгрессы - Китай, 1996 и Бразилия, 2000; конференции Европейского геофизического сообщества - Вена, 1997, Ницца, 1998; симпозиумы 'Математические методы в геологии' - Прага, 1997, 1999, София, 1998, Берлин, 2002 и Портсмут, 2003; международная конференция 'Ранний докембрий: генезис и эволюция континентальной коры (геодинамика, петрология, геохронология, региональная геология)' - Москва, 1999; международная научная конференция им. Л.П. Зонен-шайна - Москва, 2001; международная конференция Европейского союза геологических наук - Страсбург, 2001; Булашевические чтения - Екатеринбург, 2001; геофизические чтения им. В.В. Федынского - Москва, 2000, 2001; научная конференция, посвященная 10-летию РФФИ - Москва, 2002; международная научная конференция, посвященная 50-летию Геологического института КНЦ РАН - Апатиты, 2002.
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 68 работах.
Структура и объём. Диссертация общим объёмом 269 страниц состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 279 наименований и включает 49 рисунков и одну таблицу.
Работа выполнена в Геологическом институте Кольского научного центра Российской Академии Наук.
Благодарности. Автор выражает особую благодарность и признательность акад. Ф.П. Митрофанову и А.Н. Виноградову, без помощи и поддержки которых выполнение данной работы было бы невозможным.
Автор глубоко признателен акад. В.Н. Страхову и акад. Г.С. Голицину,
консультации которых и ценные рекомендации способствовали выполнению
)^- исследований по теме диссертации.
Автор выражает благодарность своим коллегам В.Р. Ветрину, А.А. Пре-довскому, А.А. Жамалетдинову, В.И. Пожиленко, В.Ф.Смолькину, А.С.Егорову, В.А. Поляковой, Ю.Т. Рисположенскому, А.А. Иванову, Н.Е. Козлову, В.П. Петрову, М.И. Дубровскому, Н.В. Шарову, С.Н. Савченко, Ю.А. Балашову за полезное обсуждение результатов и конструктивную критику. Автор признателен В.Е. Рявкину, Н.В. Кукушкиной и Г.А. Пятовской за оказанную помощь в оформлении работы. Всем коллегам, чья доброжелательная критика и постоянный живой интерес к поискам автора создавали благоприятную творческую обстановку, - искренняя авторская благодарность.
Петрофизические характеристики пород
Проведёнными многочисленными исследованиями [Физические свойства ..., 1976; Петрофизика ..., 1982; Петрофизика, 1992] установлено, что физические свойства горных пород и руд зависят от множества факторов. В целом петрофизическая характеристика разновозрастных геологических образований может рассматриваться как память об экстремальных геодинамических процессах прошлого, определявших термобарический режим образования и преобразования горных пород и их ассоциаций. В то же время физические свойства геологических образований в значительной степени определяют ход геологических процессов - магматических, метаморфических, рудообразую-щих. В результате для многих петрографических групп пород наблюдается очень широкий диапазон значений физических параметров.
Петрофизическая характеристика северо-восточной части Балтийского щита лучше всего представлена в работах [Дортман, 1976; Петрофизическая характеристика ..., 1976; Петроплотностная ..., 1977; Петромагнитная ..., 1977; Дортман, Магид, 1980; Петрофизика ..., 1982; Кольская сверхглубокая, 1984; Дортман, Смыслов, 1986; Петрофизика, 1992; Кольская сверхглубокая ..., 1998]. Выполнено региональное петрофизическое районирование [Петрофизика, 1992] на основе петрошютностной и петромагнитных карт масштаба 1:1000000 [Петроплотностная ..., 1977; Петромагнитная ..., 1977], отражающих плотность и намагниченность докембрийских горных пород различного минерального состава. Физическая характеристика пород определяется первичными условиями образования формаций и последующим региональным метаморфизмом в условиях разных фаций, авто- и ультраметаморфизмом. В основе легенд петроплотностнои и петромагнитных карт лежит петрофизическая классификация пород, предусматривающая выделение пе-троплотностных и петромагнитных групп пород на основе их физической характеристики, петрографического состава и генетического типа [Физические свойства ..., 1976]. Имеющиеся сведения по другим физическим параметрам пород носят отрывочный характер и касаются отдельных районов и геологических объектов.
Петроплотностная и петромагнитная характеристики северо-востока Балтийского щита [Петроплотностная ..., 1977; Петромагнитная ..., 1977] несут разную геологическую информацию. Большинство геологических формаций, также как и входящих в них свит и комплексов, являются неоднородными по составу, плотности и намагниченности. Плотность магматических и метаморфических пород в связи с их полнокристаллическими текстурами отражает общий минеральный состав, т. е. среднее содержание породообразующих и акцессорных минералов. Дифференциация горных пород по намагниченности обусловлена главным образом различием в концентрации ферромагнитных минералов, изменяющихся от 0,001 до 3 % (реже до 10 %), и частично их разным составом, закономерно связанным с тонкими изменениями химического состава пород. Намагниченность пород является более чувствительной к термодинамическим условиям их образования и последующего метаморфизма, чем плотность, в связи с чем при близком общем минеральном составе пород и плотности наблюдается существенное различие в намагниченности.
Для северо-восточной части Балтийского щита плотность геологических образований - минералов, горных пород, геологических формаций, по сравнению с другими физическими свойствами, изучена наиболее полно. Большое количество определений, выполненное для горных пород Карело-Кольского региона, позволяет дать их надёжную характеристику. Данные дифференцированы в связи с развитием осадочных, осадочно-вулканогенных и вулканогенных формаций, проявленным региональным метаморфизмом от низких до высоких фаций, присутствием ультраметаморфических формаций. На петроп-лотностной карте [Петроплотностная ..., 1977] в целях унификации выделены ассоциации пород различной основности: салические (кислые), с плотностью менее 2.70-2.75 т/м3 (биотитовые гнейсы и сланцы, граниты и др.); салическо-фемические (средние), с плотностью 2.70-2.85 т/м3 (биотит-амфиболовые гнейсы и сланцы, диориты и др.); фемические (основные и ультраосновные), с плотностью более 2.85 т/м3 (пироксеновые и амфиболовые сланцы, диабазы, габбро, гипербазиты и др.).
В региональной петрофизической характеристике современного среза северо-востока Балтийского щита наиболее яркой особенностью является резко выраженная дифференцированность геологических образований по плотности и чётко прослеживается плотностная латеральная зональность (рис. 1.6). Предполагается, что первая особенность отражает весьма разные условия термодинамики образования (преобразования) пород, отвечающие мантийным, нижнекоровым и верхнекоровым режимам, вторая свидетельствует о приуроченности этих режимов к определённым блокам земной коры [Дортман, 1976]. В пределах исследуемого региона наблюдается чередование зон повышенной ( 2.80 т/м3) и пониженной плотности ( 2.65 т/м3 ) пород. Средняя плотность пород Балтийского щита определяется равной 2.72 т/м3 [Петрофизика, 1992].
Существующие методы и подходы в области тектонофизического моделирования
В области тектонофизического моделирования существует несколько направлений, различающихся между собой как по концептуальной основе, так и по методам применяемого математического анализа. На протяжение девятнадцатого и большей части двадцатого столетий исследования твёрдой Земли в основном проводились на континентах, а основная часть площади континентов относится к внутриплитным областям. На тот период для объяснения и понимания геологических структур, преимущественно, применялись экспериментальные методы тектонофизики на базе имеющихся геолого-структурных наблюдений [Гзовский, 1958]. Наиболее актуальными являлись задачи изучения процессов образования складок и разрывов.
Тектонофизика привлекалась и для объяснения геодинамики литосферы как синхронного сочетания действий многокомпонентной системы сил и процессов в верхних оболочках Земли. Использовались возможности косвенно, а иногда и прямо, чтобы оценить относительные силы, вызывающие тектонические процессы. Как известно, наиболее ярко на континентах проявляются вертикальные движения земной коры, которые формируют высокие горы и глубокие впадины. Эти движения описывались в основном с позиции концепции геосинклинального развития [Stille, 1940; Белоусов, 1966; Обуэн, 1967; Хаин, 1973]. Согласно этой концепции, погружение континентальной коры происходит за счёт вертикальных движений. Горообразование объяснялось увеличением мощности коры при сжатии и её изостатическом поднятии, а сжатие коры в складчатых поясах - как следствие умеренных перемещений коровых блоков, разделяемых геосинклинальными прогибами. При этом давались очень приближённые количественные характеристики тектонических движений, имевших место при формировании континентальной коры.
Активно проводились, а также и сейчас проводятся исследования напряжённого состояния земной коры геолого-структурными методами, результаты которых полезно комплексировать с результатами сейсмологических исследований, так как по механизму очагов землетрясений имеется возможность определять направления векторов сжатия и растяжения. Были проведены серьёзные исследования по реконструкции полей напряжений, результаты которых нашли отражение в работе [Поля напряжений ..., 1979]. Авторами данной работы был разработан метод кинематического анализа структур разрушения для реконструкции полей тектонических напряжений и предложены схемы направлений действия главных нормальных и максимальных касательных напряжений для Евразии, а также по результатам физического моделирования разработаны принципиальные схемы строения поля напряжений для крупных геологических структур.
История наук о Земле свидетельствует, что геологи постоянно пытаются создать обобщающую геотектоническую концепцию, в рамках которой было бы возможно объяснять как глобальные особенности тектоносферы, так и последовательность геологических событий на региональном уровне. В данном направлении активно используются методы тектонофизического моделирования - экспериментальные исследования на физических моделях. Среди работ такого плана несомненный интерес вызывает работа [Ромашов, 2003], в которой предложен вариант общей модели развития Земли. Автором делается попытка создать обобщающую геотектоническую концепцию, опирающуюся на конкретные физические модели и включающую объединение гипотез контракции и расширяющейся Земли.
В предложенной модели развития [Ромашов, 2003] планета Земля рассматривается как единое небесное тело, которое со временем охлаждается с поверхности при одновременном разогреве внутреннего объёма. Земля представляется в виде сферы, внутренняя часть которой разогревается и расширяется, а внешняя оболочка охлаждается и сдерживает это расширение. В итоге внешняя оболочка подвергается растяжению и происходит нарушение её целостности (возникновение разломов, разделяющих оболочку на блоки), сопровождаемого сбросом избыточного внутреннего давления. Затем внешняя оболочка сокращается и цикл повторяется. Такой механизм как одновременное действие охлаждения и разогрева обеспечивает пульсационный режим развития всей тектоносфери. С этих позиций автор [Ромашов, 2002] пытается объяснить формирование континентов и возникновение океанов, механизмы образования литосферы и астеносферы, а также механизмы образования как континентальной коры, так и океанической.
Тектонофизическая интерпретация геологических данных с использованием математического моделирования, в первую очередь, традиционно связана с моделированием процессов формирования земной коры с помощью представлений физики и механики сплошных сред. Данный подход включает в себя, в основном, изучение полей напряжений в массивах горных пород на различных стадиях разведки и освоения месторождений [Гзовский, 1975; Марков, 1983; Турчанинов и др., 1978; Курленя, Попов, 1983]. В меньшей мере он применяется для оценки напряжённого состояния коры и литосферы в целом [Sbar, Sykes, 1973; Гзовский, 1975; Liu, 1978; Bott, Kusznir, 1984; Шер-ман, Днепровский, 1989], для оценки условий формирования рудных залежей [Чередниченко, 1964; Шерман, 1966; Старостин, 1979; Курленя, Попов, 1983]
Оценки параметров мантийного плюма по его геологическим проявлениям
Природа мантийных плюмов может быть различной, и по проявлению плюмов на поверхности Земли трудно делать вывод об их происхождении. В качестве исходной модели рассмотрим тепловой плюм, являющийся предельным случаем плюма более сложной природы. Воспользуемся результатами экспериментальных исследований тепловой и гидродинамической структуры плюмов [Добрецов и др., 1993; Добрецов, Кирдяшкин, 1994], показавших, что над локальным источником тепла образуется очаг плавления в виде канала или факела, представляющего собой бегущую волну с винтовым вращением около вертикали. При этом форма выплавляемого канала меняется в зависимости от времени выплавления и от мощности источника тепла. Кроме этого установлены неустойчивость и периодическое смещение канала (особенно, головной части) в горизонтальной плоскости.
Принимая во внимание ореол рассеивания раннепротерозойских расслоенных интрузий базит-ультрабазитов в северо-восточной части Балтийского щита допускаем, что суммарная площадь проекций на дневную поверхность головной части мантийного плюма при его вращении с отклонением от оси имеет овальную форму с размерами не менее, чем 500 х 700 км. Исходя из этого, с учётом имеющихся данных физического моделирования [Добрецов и др., 1993; Добрецов, Кирдяшкин, 1994], можно допустить, что в головной части плюма диаметр выплавления канала составляет величину около 250-300 км, а в остальной части мантийного плюма - около 80-100 км.
Выполненные расчёты с использованием величины площади ореола рассеивания расслоенных интрузий и величины разрыва в геохронологических датировках между внедрением северной и южной групп интрузий показали, что скорость вращения головной части мантийного плюма (в горизонтальной плоскости) при его подъёме можно оценить как - U = 2-3 см/год. Вращение связано с перекидыванием восходящих и опускных течений в канала плюма на всём его протяжении от одной стенки к другой и сопровождается, соответственно, плавлением на одной стенки и кристаллизацией - на другой в зависимости от изменения режима течения [Добрецов, Кирдяшкин, 1994]. Следовательно, можно допустить, что скорость плавления субстрата при подъёме плюма была не менее 2-3 см/год.
Рассмотрим осреднённо-стационарный режим в канале плюма с учётом результатов выполненных ранее экспериментальных исследований [Добрецов и др., 1993; Добрецов, Кирдяшкин, 1994]. В данном случае всё тепло отводится в окружающий кристаллический массив. Границу раздела расплав - твёрдое тело принимаем как цилиндр вращения. Перепад температур между поверхностью цилиндра и вмещающим массивом оценивается как - АТ = Т-ТП1, где Т -температура плавления кристаллических пород при давлении Р = const, Tm- температура вмещающего твёрдого массива. В период выплавления канала при подъёме мантийного плюма наблюдается свободно-конвективное течение в расплаве в режиме пограничного слоя при числах Рэлея Ra \04 [Кирдяшкин и др., 1971].
В головной части мантийного плюма при его предельной высоте выплавления граница раздела расплав-твёрдое тело соответствует полусфере с диаметром D., от которой теплопередача в вмещающие породы характеризуется числом Нуссельта - Nu-2 [Кутателадзе, Боришанский, 1959]. В остальной части канала мантийного плюма границу раздела можно рассматривать как цилиндр вращения с диаметром D2 при числе Нуссельта -Nu = 0.5[Михеев, 1947]. Для данного соотношения имеется оценка значений критерия Фурье - Fo = at/r2 0.04-0.05 [Добрецов, Кирдяшкин, 1994], где а=10"6 м2/с - температуропроводность, /- время с момента подвода тепла, г = /)/2. Отсюда следует, что время выплавления канала плюма при диаметре 80-100 км можно оценить как 2.5-4 млн. лет.
Количественные оценки физико-механических параметров коллизии коровых мегаблоков
Выполненное численное моделирование применительно к заданной реологической модели (рис. 3.4) показало следующее. В зоне стыка Беломорского и Кольского мегаблоков в коллизионный период могло происходить усиленное деформирование нижнекоровых пластичных пород (за счёт проявления эффекта возвратных течений), что способствовало их перемешиванию и дополнительному разогреву. При изучении поведения пластичных пород на стыке мегаблоков в низах коры, а также при их движении вверх по тектоническому шву было выявлено, что скорость послойного движения пластичных пород и направление их течения находятся в зависимости от скорости и направления поддвига мегаблоков V0, угла наклона тектонического шва /?, мощности слоя пластичных пород нижнего яруса коры, мощности слоя пластичных пород, находящихся в зазоре между блоками, скорости вертикальных движений мегаблоков и от градиента продольного давления G в зоне стыка мегаблоков [Филатова, 1994,1996, 1998, 2000а].
Наиболее благоприятные условия для усиленного перемешивания ниж-некоровых пород возникают при динамическом процессе с параметрами: V0=2 см/год, /? = 55, И= 6 км (мощность пластичных пород нижнего яруса коры), поддвиг коровых мегаблоков на северо-восток, Беломорский мегаблок тяжелее Кольского при разности плотности в Ар = 0.11 т/м3. Полученная оценка скорости V0 = 2 см/год согласуется с имеющимися палеомагнитными данными [Kroner, 1982], свидетельствующими о том, что в интервале времени 3500-2400 млн. лет назад скорость перемещения плит варьировала в пределах 1.5-4.0 см/год. Кроме того, по результатам интерпретации глубинных сейсмозондирований (ГСЗ) по профилю Печенга-Ловно в пределах развития грану-литового пояса выделен глубинный разлом под углом падения около 55-60 к северо-востоку, прослеживающийся до глубин 45 км [Литвиненко, 1984].
Выявлено, что при поддвиге коровых мегаблоков в пластичном нижнем ярусе коры могут возникать течения в виде продольных (по отношению к перемещающейся плите) валов. Одновременно происходит вовлечение в процесс перемешивания как пород нижней части верхнего жёсткого яруса коры, так и мантийной литосферы. Возникновение процесса перемешивания пластичного нижнекорового вещества находится в зависимости от соотношения параметров F0, /?, Ли L. При каждой подвижке коровых микроплит скорость движения мегаблока первоначально увеличивается до постоянной величины, а затем при прекращении поддвига уменьшается в течение некоторого времени до нуля. Следовательно, в течение поддвига мегаблоков происходит закономерное изменение соотношение параметров V0, /?, h и L, сопровождаемое возникновением различных геодинамических обстановок в зоне коллизионного шва.
Как показали модельные расчёты, в пределах нижнего яруса коры в зоне стыка Кольского и Беломорского мегаблоков в зависимости от соотношения параметров V0, h и L центр вращения пластичного нижнекорового вещества располагается ближе к верхней жёсткой границе или же к нижней. На рис. 4.2. представлены зависимости местоположения центра вращения от параметров V0, И и L (а - ближе к верхней кромке, б - посередине, в - ближе к нижней кромке). При малой скорости поддвига мегаблоков в северовосточном направлении (К0 =0.25-И.0 см/год ) вращение вещества возможно при мощности яруса пластичных нижнекоровых пород в пределах Л = 2 + 4км. При скоростях поддвига Г0 = 1 ч- 2 см/год круговорот пластичных масс вероятен при мощности А = 4 + 7 км. При дальнейшем увеличении скорости V0 мощность нижнего яруса коры должна значительно увеличиться при условии круговорота нижнекорового вещества.
На рис. 4.3. показано распределение скорости послойного течения нижнекорового пластичного вещества в зависимости от скорости поддвига коровых мегаблоков. Представленный рисунок демонстрирует, как при увеличении скорости V0 центр вращения вещества перемещается по направлению от верхней жёсткой стенки к нижней.
