Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Динамические квазитрехмерные модели деформирования литосфры 18
1.1 Современные геодинамические модели и подходы к описанию деформирования литосферы 19
1.2 Управляющие уравнения и ограничения 23
1.3 Реология континентальной литосферы 26
1.4 Геодинамические причины раскрытия Байкальского рифта 33
1.5 Модель развития осадочного бассейна типа пул-апарт 62
1.6 Модель колизионно-сдвиговых деформаций литосферы Алтае-Саянской складчатой области 71
Глава 2 Растяжение континентальной литосферы и формирование рифтовых бассейнов 76
2.1 Причины термомеханической дестабилизации континентальной литосферы
2.2 Реконструкция погружения путем процедуры декомпакции осадков и литостатической разгрузки 97
2.3 Модель растяжения 100
2.4 Пространственные и временные вариации погружения и седиментации в Кузнецком осадочном бассейне 114
2.5 Эволюция Енисей-Хатангского прогиба как пример рифтогенного осадочного бассейна 130
2.6 Реконструкция эволюции осадочных бассейнов восточного обрамления Сибирской платформы 142
Глава 3 Процессы конвективного теплопереноса в осадочных бассейнах 151
3.1 Теплоперенос при эволюции Байкальской рифтовой зоны 156
3.2 Конвекция флюида в коллекторах осадочного бассейна при тепловом воздействии даек и силлов 184
3.3 Модель фильтрации при засолении коллекторов 216
3.4 Моделирование теплового воздействия траппов на фазовое состояние и свойства углеводородного флюида 226
Глава 4 Нарушение термомеханического равновесия в земной коре при диапиризме и интрузиях МАГМ 234
4.1 Диапиризм в коре и мантии при плотностной инверсии 234
4.2 Геодинамические модели гравитационно-неустойчивых систем 241
4.3 Математическая постановка задачи 243
4.4 Результаты численного моделирования диапиризма 246
4.5 Геологические приложения модели гравитационной неустойчивости 249
4.6 Моделирование метаморфической зональности с целью определения теплового источника в земной коре 257
4.6.1 Метаморфизм низких давлений/высоких температур в Тонгулакском комплексе (Горный Алтай) 258
4.6.2 Моделирование тепловой истории метаморфической зональности Коннемара (западная Ирландия) 271
Заключение 286
Литература
- Управляющие уравнения и ограничения
- Реконструкция погружения путем процедуры декомпакции осадков и литостатической разгрузки
- Конвекция флюида в коллекторах осадочного бассейна при тепловом воздействии даек и силлов
- Геодинамические модели гравитационно-неустойчивых систем
Введение к работе
Объектом данного исследования являются рифтогенные осадочные бассейны и метаморфические зональные комплексы земной коры, представляющие структуры взаимодействия тектонических и термических процессов в континентальной литосфере.
В работе рассматриваются следующие процессы: растяжение континентальной литосферы - рифтогенез и осадконакопление - диапиризм в коре и мантии - интрузии магмы. Выбор геологических структур определялся масштабом процесса (в порядке уменьшения): литосфера в целом, земная кора, осадочный чехол. Исследовались структуры, в основном относящиеся к континентальному типу литосферы (Кузнецкий, Енисей-Хатангский осадочные бассейны). Рассмотрены примеры бассейнов типа пул-апарт (Тункинский, Чуйско-Курайский прогибы) и др. Основное внимание уделено регионам Центральной и Южной Сибири, входящим в состав Центрально-Азиатского геосегмента. Эта область является крупнейшим на Земле коллажем континентальных литосферных плит, и здесь проявляется большинство из вышеназванных геодинамических обстановок как современных, так и древних. Кроме того, рассматриваются также структуры, территориально не относящиеся к Сибирскому региону: рифтовые структуры Северного моря, Датский и Уэльский бассейны, Днепрово-Донецкий авлакоген.
На рис. В.1 схематично показаны участки литосферы, которые в разное время испытали значительные деформации и тепловое воздействие, связанные с нарушением термомеханического равновесия в литосфере. Оконтуренными полями изображено положение ряда осадочных бассейнов Евразии, которые рассматривались в работе. Вторым источником геологической информации являются участки литосферы, испытавшие термические воздействия магматических интрузий и диапиров: траппы Сибирской платформы, метаморфические зональные комплексы Тонгулак (Алтай) и Коннемара (Ирландия), Баян-Хонгорский гранито-гнейсовый диапир (Монголия) (показаны ромбами).
Актуальность исследований. Несмотря на то, что недавно возникшее фундаментальное направление в науках о Земле - глубинная геодинамика - ох-
\ '<я^%^-
Рис. B.l. Оконтуренными полями схематично показано расположение объектов
исследования - осадочные бассейны Евразии:
УБ - Уэльский бассейн,
ДБ - Датский бассейн,
Д-ДА- Днепрово-Донецкий авлакоген,
КБ - Кузнецкий бассейн,
Е-ХР- Енисей-Хатангский рифт,
БРЗ - Байкальская рифтовая зона,
ПВП - Предверхоянский прогиб,
ВС - Вилюйская синеклиза.
Ромбами обозначены объекты исследований - интрузивные тела, диапировые
структуры, метаморфические зональные комплексы:
- Баян-Хонгорский гранито-гнейсовый купол (Монголия),
- метаморфический комплекс Тонгулак (Алтай),
- метаморфический комплекс Коннемара (Ирландия),
- Усольский силл в пределах южной части Сибирской платформы.
ватывает проблемы коры, верхней и нижней мантии вплоть до границы мантии с ядром (Добрецов, Кирдяшкин, Кирдяшкин 2001), целый ряд вопросов, касающихся верхней части литосферы, остается нерешенным. Одна из причин этого в том, что в отличие от мантии, которая достаточно хорошо описывается реологией вязкой ньютоновой жидкости, деформирование литосферы происходит в упругом и вязко-пластичном режимах, для которых трудно построить согласованные физико-математические модели. Кроме реологической стратификации литосферы при геодинамическом моделировании существует проблема учета реальной сети разломов, границ литосферных плит, внутренней структуры (неопределенность формы поверхности Мохо и основания литосферы). Это затрудняет построение объемных, трехмерных динамических моделей. Актуальность работы состоит в необходимости исследовать геодинамику литосферы, обусловленную коро-мантийным взаимодействием, на основе современных, экспериментально обоснованных моделей реологического поведения вещества.
Нарушение термомеханического равновесия в континентальной литосфере может привести к формированию термических аномальных областей или к деструкции литосферы. С этой точки зрения и рифтогенез, и развитие метаморфической зональности являются результатом такого нарушения. Рифтогенез, как один из примеров дестабилизации литосферы, хорошо понятен для океанической литосферы, но менее изучен на континентах. Прогресс в понимании океанического этапа развития рифтов определяется более простым строением литосферы океанов по сравнению с континентами, более молодым возрастом современных океанических рифтов, отсутствием наложенных процессов. В отношении метаморфизма пород вблизи магматических интрузий слабо изучено влияние фазового перехода пар/жидкость на эффективность передачи тепла и флюидодинамиче-ский режим. Для изучения метаморфизма ранее применялись термические модели с постоянными теплофизическими коэффициентами, не всегда учитывался механизм конвективного теплопереноса поровым флюидом, вместо чего использовалось понятие «эффективная теплопроводность» пород. Как правило, модели ограничивались рассмотрением магматических тел простой формы, не учитывалась нерегулярность контактов с вмещающими породами, неоднородные
свойства последних. В силу вышесказанного, актуальность темы представленной работы определяется необходимостью применения многомерных методов численного моделирования к изучению процессов нарушения термомеханического равновесия литосферы. Причем модели должны основываться на появившихся новых данных по глубокому бурению, учитывать возросший объем и новые методы интерпретации сейсмических данных, методы сиквенс-стратиграфии и т.д.
Цель исследований - разработка нового интеграционного подхода к решению проблемы нарушения термомеханического равновесного состояния континентальной литосферы путем синтеза и совместной интерпретации математических многомерных сеточных моделей и геолого-геофизических данных (седиментационно-стратиграфический бассейновый анализ, оценки термодинамических параметров метаморфизма, наблюдений теплового потока, GPS-измерения деформаций литосферы и др.).
Научные задачи исследований. Цель исследования достигается путем решения четырех взаимосвязанных задач:
Установить роль межплитных сил растяжения и мантийного диапириз-ма при формировании континентальных рифтов; выяснить характер взаимодействия частей литосферы с хрупко-пластичной и вязкой реологией в зависимости от напряженного состояния в условиях растяжения, сжатия, сдвига.
Определить влияние интенсивности растяжения континентальной литосферы на скорость осадконакопления и амплитуду погружения, на динамику и степень метаморфизма осадочных отложений.
Количественно оценить масштаб и механизмы тепломассопереноса в осадочных бассейнах и вблизи интрузивных тел в зависимости от распределения теплофизических параметров, температуры теплового магматического источника, скорости конвективных течений порового флюида и его фазового состояния.
Определить природу, форму и глубину магматического теплового источника по термодинамическим характеристикам метаморфических зональных комплексов низкого давления и высоких температур.
Этапами решения сформулированных задач являлись:
Классификация и систематизация типов изученных осадочных бассейнов для понимания геодинамических причин их формирования.
Усовершенствование и применение «Ьаскзпіррії^-метода для реконструкции эволюции осадочных бассейнов, оценки максимальных температур при метаморфизме погружения, оценки длительности процессов рифтогенеза, а также для оценок толщины термической литосферы и величины растяжения/утонения коры и литосферной мантии в конкретных осадочных бассейнах. Определение количественных характеристик взаимосвязи процессов: а) растяжения/утонения литосферы, б) осадконакопления и в) метаморфизма погружения.
Разработка новых и адаптация существующих численных методов для решения геотектонических задач деформирования и напряженного состояния литосферы в различных геодинамических обстановках с учетом латерально-неоднородной двуслойной литосферы, характеризующейся бимодальной нелинейной реологией; реализация математических моделей формирования континентальных рифтов на основе численных методов конечных элементов в квазитрехмерном приближении (модели в «глобальном» масштабе п* 100-1000 км); количественная оценка влияния контролирующих реологических параметров на характер и степень деформирования литосферы.
Определение преобладающего типа тепломассопереноса (конвективный или кондуктивный) в континентальных рифтах и контактовых ореолах магматических интрузий; определение вклада внешних (тепловой поток) и внутренних источников тепла (базитовый вулканизм, интрузии в форме силлов и даек, конвективные течения флюидов при уплотнении осадков); учет фазового перехода «газ-жидкость» во флюиде в двумерных нестационарных моделях конвективного тепломассопереноса в пористой среде.
Фактический материал и методы исследований.
Теоретической основой решения проблемы термомеханического состояния литосферы являются принципы глубинной геодинамики - научного направления, сформировавшегося в течение последних десятилетий (Теркотт, Шуберт, 1985; Артюшков, 1979; 1993; Добрецов, Кирдяшкин, 1994; Хаин, 2001; Леонов и
др., 2004; Лобковский и др., 2004).
В основу диссертации положены фактические данные, собранные автором по комплексу геодинамических, метаморфических, геофизических, лито-лого-стратиграфических и структурно-геологических аспектов формирования осадочных бассейнов и метаморфических зональных комплексов в обрамлении Сибирской платформы, а также Алтая, Монголии, Байкальской и Центрально-Атлантической рифтовых зон. Для сравнительного анализа, верификации и тестирования моделей использованы термодинамические данные по метаморфической зональности Коннемары (Ирландия) (Yardley, 1989, 1986), метаморфизму погружения в Уэльском бассейне (Robinson et all., 1987; 1999), литолого-стратиграфические данные по строению Днепрово-Донецкого авлакогена (Чеку-нов и др., 1990), Усть-Енисейского и Хатангского рифтов (Калинко, 1959; Ени-сей-Хатангская нефтегазоносная..., 1974; Палеогеография..., 1967), Лено-Вилюйской синеклизы и Верхоянского прогиба (Парфенов, Кузьмин, 2001). Для бассейнового анализа использованы опубликованные данные изучения керна и скважинные исследования (Конторович и др., 1986), измерения теплового потока в осадочных бассейнах Сибирской платформы, Алтае-Саянской складчатой области и Байкальской рифтовой зоны (Дучков и др., 1987; Лысак, Зорин, 1976; Голубев, 1979). Геологические задачи решены с использованием современных методов: палереконструкции осадконакопления и погружения фундамента бассейна, бекстриппинг-анализа, картирования зональных метаморфических комплексов, минералогической термобарометрии для оценок термодинамических параметров метаморфизма, углепетрографического метода определения степени диагенеза и катагенеза органического вещества по отражательной способности витринита и др.
В основе исследований лежит комплексный подход, сочетающий геолого-геофизические наблюдения и математическое моделирование с применением сеточных алгоритмов решения уравнений механики сплошной среды и уравнений нестационарного тепломассопереноса в пористой среде в двумерной и квазитрехмерной постановке. При математическом моделировании использованы ко-нечноразностные и конечно-элементные методы: в задаче диапиризма применен
переход к лагранжево-эйлеровой системе координат, который позволяет в отличие от методов сквозного счета определять границу раздела сред в явном виде (Полянский, 1989). Использованы разностные схемы для уравнений движения и теплопроводности, решаемые трех-точечной продольно-поперечной прогонкой и схема чередующихся направлений Писмена-Ракфорда, основанная на методе Яненко расщепления шага по времени. Для изучения деформирования литосферы применен подход ПБерда (Bird, 1989) к решению трехмерной задачи о статической деформации тонкой пластины в терминах «мгновенных» скоростей. Визуализация результатов моделирования осуществлена в картографической проекции распределения компонент скорости деформации, эффективных напряжений и др. Для расчета тепломассопереноса в бассейне с изменяющейся геометрией и накоплением осадков использована аппроксимация конечными треугольными элементами с линейными интерполяционными функциями (Kinzelbach, 1986). Применена программа, реализующая описанный алгоритм, на основе метода конечных элементов с автоматическим контролем временного шага, организацией и перестройкой конечно-элементной сетки и присваиванием узловых граничных условий (Bitzer, 1996; Polyansky, Poort, 1998). Для задачи о тепловом влиянии траппового магматизма численная реализация системы уравнений осуществлялась на основе конечно-разностного подхода (Faust, Mercer, 1979). Вычислительный алгоритм строится на основе неявной конечно-разностной схемы с итерациями по методу Ньютона-Рафсона (Hayba, Ingebritsen, 1997). Для решения линеаризованного матричного уравнения используется алгоритм последовательной верхней релаксации, встроенный в итерационный цикл.
Автором разработаны собственные компьютерные программы (Полянский, 1987; 1988; Полянский, Волков 1990; Полянский 1998), модифицированы для задач бассейнового анализа программы BASTA (Friedinger, 1988; Фридин-гер и др., 1991) и BASIN (Bitzer, 1996; 1999; Polyansky, Poort, 2000; Poort, Polyansky 2002), а также использованы имеющиеся готовые некоммерческие пакеты Hydrotherm (Hayba, Ingebritsen 1997), PLATES (Bird, 1989). Последние были адаптированы для применения на современных персональных компьютерах.
Как обязательный элемент верификации моделей проводился сравни-
тельный анализ результатов моделирования и природных наблюдений параметров, полученных геологическими методами (палереконструкции осадконакопле-ния, геотермобарометрии, углепетрографическим методом и др.). Защищаемые положения.
Формирование континентальных рифтов вызвано напряжениями растяжения, возникающими в результате взаимодействия плит. Деформирование литосферы осуществляется в бимодальном реологическом режиме: в хрупко-пластичном — преобладают смещения по разломам, в вязком - в виде течений континентальных литосферных масс с элементами вращательного и поступательного движений. При дальнейшем растяжении и утонении литосферы (в 5-6 раз) начинается плавление мантии с последующим вулканизмом и магматизмом в пределах рифтовых зон и переход к активной стадии рифтогенеза. Трапповый магматизм совпадает с этапом активизации растяжения, быстрого погружения сформированных бассейнов и может инициировать или завершать фазу рифтогенеза.
Между процессами растяжения литосферы и метаморфизмом погружения осадков в рифтовых бассейнах существует прямая зависимость: чем больше степень растяжения, тем выше максимальные температуры в основании бассейнов. В достаточно глубоких впадинах (более 8 км) породы метаморфизу-ются до пренит-пумпеллиитовой или зеленосланцевой фации; выше уровня 350-400С прогрев может быть обусловлен только внедрением магм. Для рифтовых басейнов Сибирской платформы характерно быстрое погружение в течение первых млн лет, связанное с растяжением, и последующее пострифтовое медленное опускание в течение десятков млн. лет, связанное с тепловой релаксацией литосферы.
Преобладающий механизм теплопереноса в литосфере определяется пороговой проницаемостью пород (порядка 5*10"16 м2) и переходит от конвективного в осадках бассейнов (в условиях метаморфизма погружения) к кондук-тивному в консолидированной земной коре (в условиях метаморфизма средних и высоких ступеней). Прогрев пород проницаемого осадочного чехла траппами происходит путем конвекции порового флюида в двухфазном, либо в гомоген-
ном состоянии в зависимости от глубины внедрения магмы. Скорость прогрева вмещающих пород при конвекции флюида вблизи интрузий на один-два порядка выше, чем при кондуктивном механизме.
4. Прогрев литосферы при рифтогенезе и подъеме мантии благоприятствует транспорту магмы в разной форме: виде интрузий по трещинам в хрупкой части коры и в виде диапиров в глубинных областях коры. При всплывании частичного расплава в виде диапиров с вязкостью порядка 1019-1020 Па*с при температуре 650-800С, скорость подъема достигает 3-5 см/год. Путем решения «обратной» задачи теплопроводности методом перебора прямых задач определена природа и форма невскрытого эрозией теплового магматического источника, сформировавшего метаморфическую зональность.
Научная новизна. Личный вклад. В результате проведенных исследований получены следующие новые научные результаты.
С использованием одномерной модели МакКензи (1978), описывающей процесс растяжения литосферы и образования осадочного бассейна разработан алгоритм реконструкции осадконакопления с учетом тектонического погружения и нагрузки осадочных отложений. Модель растяжения и утонения двуслойной литосферы учитывает уплотнение осадков и температурную релаксацию литосферы. Метод впервые применен для изучения эволюции ряда осадочных бассейнов Сибирской платформы и ее обрамления и позволил классифицировать их как структуры прогибания вследствие растяжения земной коры и мантии с погружением осадков до глубины 10 км и более.
На основе совокупности данных палеореконструкций осадконакопления, геохронологических данных о возрасте магматизма, геофизических данных о глубинном строении сделан вывод о механизмах формирования Енисей-Хатангского и Кузнецкого бассейнов. В координатах «возраст осадков - глубина» форма эволюционных кривых погружения для этих бассейнов с большой долей вероятности соответствует рифтовому механизму формирования.
3. Применяя аналитические методы моделирования теплового режима
осадочных бассейнов с учетом неоднородных теплофизических свойств много
слойного чехла, установлено, что максимальные скачки температур связаны с
периодами быстрого растяжения коры и литосферной мантии. Для ряда бассейнов впервые получены оценки максимальных температур 300-400С при метаморфизме погружения осадков. По отражательной способности витринита в осадочных породах Енисей-Хатангского прогиба получены оценки палеотеплового потока в диапазоне 41-50 мВт/м .
4. Применена квазитрехмерная модель (Bird, 1989) для имитации механизмов формирования рифтов: «активного», когда вводится возмущение границы коры и мантии, и «пассивного», когда задаются скорости на внешних границах плит. Впервые введена в модель трехмерная структура литосферы и строение сети разломов, контролирующих внутренние деформации в Байкальской рифтовой зоне (БРЗ). Сделан вывод о преимущественно пассивном механизме формирования центральной части БРЗ и показано, что механизм совместного СВ-ЮЗ растяжения и ортогонального сжатия соответствует GPS-измерениям современных скоростей растяжения до 5 мм/год и вращению Монгольской и Амурской плит с угловой скоростью 0.23-0.34 10'6 7год.
5. В приближении тонкой пластины, трехмерная задача деформирования
термально-неоднородной литосферы переменной мощности с сетью нерегуляр
ных разломов сведена к квазитрехмерному моделированию. Разработана чис
ленная модель формирования сдвиговых осадочных бассейнов типа пул-апарт
(pull-apart), контролируемая геометрией разломов, величиной скорости сдвига и
реологией литосферы. Из сравнения модели с геологическими структурами сле
дует, что впадины типа пул-апарт являются специфическим видом осадочных
бассейнов, формирующихся в сдвиговой зоне под действием сверхлитостатиче-
ских напряжений порядка 25-100 МПа.
6. Адаптированы и модифицированы программы гидрогеологических
расчетов Hydrotherm и Basin для моделирования теплового режима земной коры
с формирующимся осадочным бассейном. Выполнены расчеты двухфазных те
чений водного порового флюида с учетом фазового перехода пар/жидкость. Сде
лан вывод о режимах газо-жидкостной конвекции в условиях вскипания и без
вскипания: в случае гомогенного флюида (без вскипания) формируются ре
гулярные конвективные ячейки, периодичные как в отношении скорости тече-
ний, так и по температуре; в случае вскипания вблизи поверхности вместо ячеистой структуры течений адвекция тепла происходит путем восходящих потоков газовой или газожидкостной смеси в виде «гриба» или «плюма».
7. На основе теории консолидации Терцаги, разработана полуэмпирическая модель уплотнения пористой среды. По результатам моделирования доказано, что увеличение теплоотдачи в краевых зонах Байкальского рифта происходит без участия мантийных источников тепла. Региональная циркуляция флюида в проницаемом осадочном чехле и по зонам трещиноватости фундамента может перераспределить тепло и создать локальные гидротермальные аномалии в бор-тах рифта с тегоюпотоком до 300-400 мВт/м , что наблюдается в действительности.
Теоретическое и практическое значение.
Научные разработки автора могут использоваться при решении многих геолого-геофизических задач: геодинамические и кинематические построения, проверка гипотез тектоники плит, изучение температурных условий в осадочных бассейнах, реконструкция их термальной истории и прогноз нефтегазоносности, интерпретация результатов наблюдений над современными региональными деформациями и тепловыми потоками.
Полученные результаты по термической истории осадочных бассейнов с наличием траппового магматизма могут применяться в связи с поисками новых, «нетрадиционных» геологических структур, содержащих месторождения углеводородов. Усовершенствованный метод палеореконструкции эволюции бассейнов может быть применен для оценки температур и давлений, соответствующим условиям «нефтяного окна», благоприятным созреванию углеводородов.
В представленной работе средствами математического моделирования доказано, что процессы конвективного тепломассопереноса в нефтегазоносных осадочных бассейнах с траппами играют важную роль в миграции и преобразовании состава углеводородного флюида. Исследования показали, что магматическое тепло является причиной фазовых переходов жидких углеводородов в газовую фазу в объемах пород, сопоставимых с телами магматических интрузий (силлов и даек), что может быть использовано при прогнозной оценке углеводо-
родного потенциала осадочных бассейнов с трапповым магматизмом. Для таких бассейнов важное прикладное значение имеют результаты моделирования фильтрации флюида для выявления детальных особенностей гидродинамического режима месторождений углеводородов. Используя разработанный аппарат, можно ответить на вопрос о сохранности углеводородов вблизи магматических тел: в открытой системе нефтяная залежь может быть разрушена, в гидравлически закрытой системе происходит сепарация, т.е. разделение легких и тяжелых фракций; нефтяная залежь при этом обогащается легкими углеводородами. Смоделированные механизмы доказывают возможность образования литологиче-ских ловушек углеводородов в соленосно-карбонатных толщах вследствие конвективного переноса и переотложения солей под воздействием тепла интрузий, что может применяться для построения моделей конкретных месторождений. Ряд разработок автора использовался в ходе совместных работ с Институтом геологии нефти и газа СО РАН.
Публикации и апробация работы.
Проведенные исследования вошли в состав приоритетного направления СО РАН №26 «Геодинамичекая и геохимическая эволюция литосферы и мантии Земли: тектоника, магматизм, флюидный режим и металлогения» по программе № 26.1 «Глубинная геодинамика на основе геолого-геофизических, петролого-геохимических данных и теплофизического моделирования» (акад. Добрецов Н.Л.). Работа проводилась согласно планам НИР Института минералогии и петрографии СО РАН в рамках научного проекта на 2004-2006 гг. № 26.1.6. «Фундаментальные физико-химические проблемы метаморфизма горных пород: экспериментальные и термодинамические исследования минеральных равновесий, кинетика реакций; моделирование метаморфизма как результата геодинамических событий в земной коре» (акад. Ревердатто В.В.). Исследования были поддержаны РФФИ: проекты № 96-05-66051, 99-05-64677, 00-05-65386, 01-05-65253 (руководитель), 02-05-64042, 02-05-65346, 03-05-64014, 04-05-64347 (руководитель), фондами Royal Society 1995-1997, INTAS №134 "Continental Rift Tectonics and Sedimentary Basins Evolution" (1996-1998), IGCP-420 "Continental growth in phanerozoic: evidence from central Asia", Международным научным фондом
RPUOOO, RPU300, Президентским фондом поддержки ведущих научных школ № НШ-225.2003.5, интеграционными проектами СО РАН № 30,106.
Подходы и результаты, полученные в работе, докладывались автором на 10 всесоюзных и российских и 9 международных конференциях. Среди конференций можно выделить следующие: «Физико-химические и геофизические проблемы образования и эволюции вещества верхней мантии Земли» (Звенигород, 1986); «Composition and processes of deep-seated zones of continental litho-sphere» (Novosibirsk, 1988); INTAS Workshop "Continental Rift Tectonics and Evolution of Sedimentary Basins", (Novosibirsk, 1996); EUG 9 (Strassbourg, 1997); EGS XXII General Assembly (Vienna, 1997); 8th Workshop of the ILP Task Force "Origin of sedimentary basins" (Palermo, 1997); 5th Int. Conf. "Computer Aided Design of Advanced Materials and Technologies" (Tomsk, 1997); Int. Conf. INTAS Project №134 "Active Tectonic Continental Basins" (Gent, 1998); «Физико-химические проблемы эндогенных геологических процессов» (Москва, 1999); Geofluids III (Barcelona, 2000); XIV Российское совещание по экспериментальной минералогии (Черноголовка, 2001); «Теория нафтидогенеза и органическая геохимия на рубеже веков» (Новосибирск, 2002); «Физика нефтяного пласта» (Новосибирск, 2002); «Геология, геохимия и геофизика на рубеже XX и XXI веков» (Иркутск, 2002); Geofluids IV (Utrecht, 2003); XXXVI Тектоническое совещание (Москва, 2003); «Напряженно-деформированное состояние и сейсмичность литосферы» (Иркутск, 2003); «Глубинные флюиды и геодинамика» (Москва, 2003); XXXVII Тектоническое совещание (Новосибирск, 2004); 32nd International Geological Congress (Florence, 2004).
Фактический материал и основные выводы диссертации изложены в 60 публикациях в отечественных и зарубежных периодических изданиях, а также в отчетах по проектам РФФИ и интеграционных проектов СО РАН.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 404 наименований. Полный объем диссертации - 320 страниц, 85 рисунков, 16 таблиц.
Благодарности. Автор глубоко признателен своему учителю и наставнику академику В.В. Ревердатто, который научил творческому подходу к исследо-
ванию, пониманию физических явлений. Автор выражает благодарность академику Соболеву Н.В. создавшему благоприятные условия для творческой работы в Институте минералогии и петрографии ОШ'1'М СО РАН, а также заведующему лабораторией метаморфизма и метасоматоза д.г.-м.н. Шведенкову Г.Ю.
Автор также глубоко признателен за полезные обсуждения результатов в ходе работы и конструктивную критику академикам Добрецову Н.Л. и Гольдину СВ., чл.-корр. Артюшкову Е.В., Берниковскому В.А., Склярову Е.В., д.г.-м.н. Лиханову И.И., Кирдяшкину А.Г., Владимирову А.Г., Суворову В.Д., Дучкову А.Д., Шарапову В.Н., Чикову Б.М., Голубеву В.А., Новикову И.С, Ан Ину, П. Берду, Дж. Поорту, К. Битцеру, к.г.-м.н. Соболеву СВ., Хлестову В.В., Бульбаку Т.А., д.ф.-м.н. Макарову П.В., к.ф.-м.н. Стефанову Ю.П., Перепечко Ю.В., Свердловой В.Г., и многим другим коллегам по работе.
Управляющие уравнения и ограничения
Главные допущения модели состоят в следующем. Ввиду наличия нерегулярной сети разломов, криволинейных границ плит и сложной глубинной структуры коры и мантии, задача является существенно 3-мерной. Другой особенностью модели является то, что рассматриваются стационарные деформации, которые предполагаются постоянными в период тектонической активности. Другими словами, из рассмотрения опускаются кратковременные упругие движени-ия и вся неупругая деформация предполагается непрерывной. Рассматривается задача в приближении плоского напряженного состояния двух тонких пластин (кора/мантия), способных деформироваться совместно в зависимости от реологических параметров коры и верхне-мантийной литосферы.
Реология контролирует деформацию литосферы в ответ на внешние силы и играет значительную роль в морфологии рифтов, сейсмичности и распределении разломов в рифтовых зонах. В настоящее время знание реологии литосферы основано на результатах лабораторных экспериментов по механическим свойствам горных пород. Континентальная литосфера обычно представляется как стратифицированная структура с хрупким поверхностным слоем коры (преимущественно гранитного состава) и в верхней мантии (перидототового состава) и вязким - в нижней коре и нижней части литосферной мантии.
Глубина перехода хрупких в вязко-пластические деформации зависит от локальной геотермы, скорости деформаций и вида напряженного состояния (Avouac and Burov, 1997) и определяется из условия равенства дифференциальных напряжений при хрупко-пластичной и вязкой реологии в коре и верхней мантии. Результирующим напряжением на данной глубине будет минимальное из возможных: О" =inf( 7,,CrJ (1.7)
В обозначениях основных реологических параметров геологическую среду, рассматриваемую в модели, можно представить как параллельное соединение вязкого и фрикциошю-пластичного элементов (рис. 1.1)
Параметры модели, их диапазоны изменения и размерные единицы приведены в табл. 1.2 для коры и мантии. Предполагается, что коровый слой описывается свойствами сухого гранита, а литосферная мантия характеризуется свойствами дунита. Существует спектр экспериментальных оценок реологических параметров для коровых, с кварцем как доминирующим минералом, и мантийных оливин-содержащих пород (Strehlau and Meissner, 1987; Post, 1977). Общепринятым мнением является то, что горячая верхняя часть мантии деформируется путем механизма дислокационной ползучести (Karato and Wu, 1993), для которого показатель п и энергия активации E/nR=B+Cz в степенном законе (1.6) варьируют в диапазоне п=3-3.6 и Е=450±60 kJ/mol в ряде экспериментальных работ по деформациям оливинсодержащих пород (McDonnell, 1997).
Ввиду относительного постоянства оценок показателя степени п и энергии активации Е и с целью уменьшения числа экспериментов, эти величины остаются постоянными в большинстве вариантов модели.
Рассматривалась задача релаксации литосферы при начальном возмущении плотностной границы кора-мантия в виде положительного по форме выступа в рельефе Мохо. Такая неустойчивая структура затем стремиться вернуться в равновесное положение, при этом возникают вертикальные и горизонтальные движения. Их скорости показаны в таблице 1.3 в столбцах Vz (м/млн л) и Vy (м/сек), соответственно. Было протестировано более 50 вариантов модели с разными реологическими и теплофизическими параметрами. Некоторые расчеты сведены в табл. 1.3, чтобы продемонстрировать значения вариаций тех или иных параметров. В простейшем случае вязкость постоянна: при п = 1 она не зависит от скорости деформаций (ньютоновская жидкость), при Е = 0 - от температуры. Сначала рассматривались модели с постоянной вязкостью, независимой от глубины и температуры (модели tp32, 33, 50). Было найдено, что если эффективная вязкость литосферы л=(3-30) 10 Па сек, то скорость погружения коры в области мантийного выступа составляет порядка 30-500 м/млн лет, что перекрывает диапазон оценок для осадочных бассейнов, полученными по данным об эволюции погружения. Модель с постоянной вязкостью дает грубую оценку, и используется при выборе модели с переменной реологией. Чтобы сократить число тестов для определения реологических свойств литосферы, варьировались ко (\-п) эффициенты А, п, Е закона вязкости TJ = А \еи\ " ехр\ при прочих посто янных параметрах (плотностях коры и мантии и теплофизических параметрах). Во второй группе моделей (tp45p49) менялся предэкспоненциальный множи тель А, зависящий от типа пород или, например, от флюидонасыщенности, и энергия активации Е, отвечающая за температурный эффект. Были рассмотрены разные реологические модели литосферы: показатель степени п менялся от 1 до 3 (влияние неньютоновской реологии), с наличием и без хрупкого слоя (f= 0 0.85). Вариации этих параметров не выходят за пределы диапазона эксперимен тальных оценок, полученных в работах (Post 1977; Kirby, 1983; Carter, Tsenn, 1987; Strehlau and Meissner, 1987; Karato and Wu, 1997; Kirby, Kronenberg, 1987; Mai and Kohlstedt, 2000). По степени увеличения зависимости решения от пара метров в законе вязкости выстраивается последовательность: А — п —» E/nR. Простой перебор параметров дает ограничения на реологические параметры литосферы: в моделях tp32, tp49 скорости погружения явно превышают наблюдаемые значения с учетом длительности процессов формирования бассейнов. Ряд моделей предсказывают скорости одного порядка (tp45p48) и не могут служить оценочными. Поэтому интересно исследовать параметр, который существенно влияет на решение и может быть оценен независимым методом. В третьей группе экспериментов задавались разные температурные условия путем вариации значения теплового потока на поверхности литосферы, определяющего форму геотермы. Разное термическое состояние влияет на распределение вязкости с глубиной, от чего, в свою очередь, зависит скорость деформации. Измене-ние теплового потока от 20 до 45 мВт/м дает увеличение скорости деформации в двадцать раз, от 40 до 45 — в пять раз в соответствии с экспоненциальной зависимостью вязкости от обратной температуры (табл. 1.3). На рис. 1.1 приведены рассчитанные кривые вязкости для моделей tp53 и tp54. Из рисунка следует, что максимальное значение вязкости в коре/мантии достигается в области перехода хрупкой/вязкой реологии и составляет (0.9-3) 1022 и (1.2-10) 1021 Па сек, соответственно.
Геологические оценки скорости погружения 86-290 м/млн лет соответст-вуют тепловому потоку в пределах 40-45 мВт/м . Такие оценки теплопотоков совпадают (см. главу 2) с палео-теплопотоком 42-50 мВт/м2 в Енисей-Хатангском осадочном бассейне, полученным по методу измерения отражательной способности витринита в захороненных органических отложениях (Полянский и др., 2000).
Из моделей следует, что глубина перехода от хрупкого к вязкому реологическому поведению для коры/мантии варьирует между 10-20 км для коры и 55-80 км для мантии вне рифта, значительно поднимаясь в осевой части рифта до 2-5 км в коре. Практически полное исчезновение хрупкого слоя в модели согласуется с данными о распределении гипоцентров землетрясений на глубине 10-20 км (Радзиминович и др., 2003; Mayer et al., 1997); глубине формирования магматических камер или частично расплавленных областей в осевых зонах спрединга (Шарапов и др., 2000).
Реконструкция погружения путем процедуры декомпакции осадков и литостатической разгрузки
В настоящем разделе приводится описание метода математического анализа структуры осадочного заполнения бассейна на основе литологических и стратиграфических данных.
Реальная (реконструированная) мощность осадочного бассейна рассчитывается следующим образом. Рассматривается одномерный (по глубине) процесс осадконакопления, приводящий к образованию толщи с некоторым числом слоев, для которых задаются теплофизические характеристики литологических типов пород: плотность твердой фазы, теплопроводность, коэффициент уплотнения и начальная пористость на поверхности .
Метод решения заключается в последовательной реконструкции палео-температуры и палеоглубины погружения многослойной толщи осадков с переменным числом слоев с известными теплофизическими характеристиками пористой породы. Алгоритм расчета состоит в следующем. Начиная с момента времени, когда развитие бассейна считается завершенным, производится последовательная, с обратным временем, реконструкция глубины погружения каждого осадочного слоя. Вес осадочной колонки постепенно уменьшается, каждый слой, начиная с самого молодого, «выводится» на поверхность (метод backstripping, Steckler, Watts, 1978).
Уравнение (2) решается численно относительно z2, используя метод Ньютона. Такая процедура (backstripping) последовательно применяется для каждого слоя, начиная с верхнего и до основания стратиграфической колонки. Количество временных шагов соответствует числу выделенных слоев в стратиграфической последовательности.
Для вычисления эффекта нагрузки осадков предполагается локальное изостатическое равновесие, т.е. вес колонки, состоящей из воды, осадков, коры и мантии одинаков на произвольной глубине компенсации (принцип локальной изостазии Эйри). Кроме, того, в процессе осадконакопления и рифтогенеза, длящегося десятки млн лет, возможны эвстатические вариации уровня моря Si и глубины моря Wj над бассейном. Эти факторы учитываются для нахождения реальной мощности бассейна на каждом временном интервале. Чтобы определить вклад в погружение из-за нагрузки осадков, применяется прием «замены» толщи осадков толщей воды той же мощности.
Механизм однородного растяжения Д. Макензи (McKenzie, 1978) описывает однородное утонение внутри блока материала с коэффициентом ft определяемом отношением начальной и конечной мощностей (0 1 для утонения растяжения). Этоа модель предполагает, что литосфера подверженная растяжению, деформируется как сплошная среда без разломов и разрыва. Другое полезное качество этой модели заключается в возможности простого аналитического описания термальной релаксации после растяжения. Если исходный градиент температуры в литосфере был dT/dz, мгновенное утонение приведет к увеличению величины градиента до pdT/dz. После рифтообразования с течением времени за счет кондуктивного охлаждения температурный градиент уменьшается до своего начального значения.
Важной модификацией является механизм неоднородного растяжения, который описывает утонение двуслойной литосферы на разную величину: в р раз для верхнего и 8 раз для нижнего слоя (рис. 2.7,6). Он описывает утонение выше и ниже внутри-литосферной границы, обычно являющейся границей Мохо (Sclater et al., 1980) и рассматривает кору и мантию как механически отдельные слои. Главным моментом является способность коры и мантии деформироваться независимо. Однако экспериментальные данные о реологии нижней коры и верхней мантии говорят о возможности проскальзывания на границе кора — мантия, а значит даже в 1-мерной модели необходимо рассмотреть двуслойную литосферу. Прямые наблюдения и эксперименты по реологии нижней коры (Николаевский, 1979, Kirby and Kronenberg, 1987) показывают, что такое разделение возможно в тектонически-активных областях.
Имеется несколько методов определения коэффициента растяжения коры и литосферы. Для сравнительно молодых мезозойских бассейнов типа Североморских, применим простой метод оценки изменения толщины коры и мощности бассейна поперек впадины при известной современной глубине осадочного бассейна в предположении изостатического равновесия. Второй метод - оценка величины растяжения из относительных горизонтальных перемещений по сме-стителям сбросов, формирующих борта рифта (Артюшков, 1993). И, наконец, (5 может оцениваться путем подбора теоретической кривой погружения, которая бы наилучшим образом удовлетворяла наблюдаемым литолого-стратиграфическим данным с учетом уплотнения осадочных пород и термальной релаксации литосферы (Фридингер и др., 1991).
Для решения задач геодинамики зон растяжения была модифицирована ID-модель растяжения двухслойной литосферы, являющейся развитием однослойной модели "мгновенного" растяжения коры Д. Маккензи (McKenzie, 1978). Для оценки параметров рифтогенеза использовалась модель неоднородного по глубине растяжения двухслойной литосферы, состоящей из коры и литосферной мантии. Предполагается, что в процессе осадконакопления литосфера уравновешена согласно изостазии Эйри (Zorin et al., 1990). Метод основан на принципе изостатического равновесия при растяжении и утонении литосферы и модифицирован с учетом уплотнения осадков и температурного последействия при риф-тогенезе. Преимуществом этой модели является простота описания температурных и тектонических эффектов при растяжении литосферы с помощью простых аналитических формул.
Рассматривается неоднородное по глубине растяжение двухслойной литосферы, состоящей из коры толщиной h и плотностью рс и литосферной мантии толщиной Я и плотностью рт , залегающей на астеносфере плотностью ра. Рис. 2.7,6 показывает модель неоднородного растяжения для блока первоначальной мощности коры h и мантийной литосферы мощностью Я.
Конвекция флюида в коллекторах осадочного бассейна при тепловом воздействии даек и силлов
Влияние базальтовых (трапповых) интрузий на конвективное течение и фазовое состояние водного и углеводородного флюида во вмещающих породах изучено недостаточно. Магматические интрузии в осадочные породы, содержащие органическое вещество, участвуют в процессе вызревания углеводородов в тех областях, где погружения осадочного бассейна оказывается недостаточно для достижения термической зрелости органического материала (120-160 С). Влияние базальтовых (трапповых) интрузий на конвективное течение и фазовое состояние водно-солевого и углеводородного (УВ) флюида во вмещающих породах было изучено в ряде работ с точки зрения нафтидогенеза, было изучено в ряде работ с точки зрения нафтидогенеза, геохимических преобразований нефти, структурно-геологических соотношений, тектоники и т.д. (Не-пско-Ботуобинская антеклиза..., 1986; Старосельцев, 1989; Филиппов, 1993). Однако, исследований флюидо-динамических процессов и количественных оценок до сих пор оказывается недостаточным для практических рекомендаций и предсказаний поведения УВ флюида. Между тем, решение этой проблемы имеет значительный производственный интерес, особенно в отношении осадочных бассейнов, в которых интрузии магмы происходили в толщи с накопленными углеводородами. Примерами природных объектов можно назвать осадочные бассейны юга Сибирской платформы, во время и после формирования которых, на границе триаса и перми произошли многочисленные излияния и внедрения в осадочный чехол базальтовой магмы. По всей вероятности, интрузии осуществлялись в неглубинных условиях (на глубине верхних 4-5 км), в проницаемые осадочные породы с коллекторскими свойствами (Kontorovich et al., 1997). Магматические интрузии нарушают геотемпературное и гидростатическое равновесное состояние и приводят к возникновению свободно-конвективных течений. Геологическая ситуация допускает, что в переносе тепла и вещества процессы конвективных течений флюида могли играть важную роль.
Математическая модель, постановка задачи, свойства пористой среды. В отличие от задач, касающихся проблем собственно магматизма, нами исследовались процессы, происходящие в основном вне интрузивных тел, которые рассматриваются здесь как тепловой источник. Постановка задачи фильтрации и конвекции флюида в пористой среде осадочного бассейна имеет ряд особенностей: 1) приповерхностные условия определяют гидростатическое начальное распределение порового давления, 2) неоднородно-слоистое строение области представляет собой чередующиеся пласты флюидоупоров и коллекторов, 3) повышенные величины пористости и проницаемости по сравнению с более глубинной геологической обстановкой.
Задача моделирования конвективных течений водного флюида решается в двумерной постановке на основе нестационарных уравнений неизотермической гидродинамики. Главные допущения состоят в том, что (1) для двухфазного потока выполняется соотношение Дарси; (2) эффекты капиллярного давления не учитываются; (3) все фазы (матрица - твердый каркас породы, жидкость, газ) рассматриваются находящимися в состоянии локального термического равновесия; (4) реакция твердого остова породы на движение флюида пренебрежимо мала.
Система уравнений следующая. Используется форма уравнения сохранения энергии в виде (Слеттери, 1978): p -=div(Km(T)VT) + , (3.12) где Н - энтальпия, Т - температура, Р - давление, D /Dt=d /dt+u V- оператор материальной производной, р - плотность, Кт(Г) - теплопроводность среды. Если скорость движения жидкости мала по сравнению со скоростью звука, то возникающие в результате движения изменения давления настолько малы, что ими можно пренебречь и исключить последнее слагаемое в правой части (3.12) (Ландау, Лифшиц, 1986). В отличие от общеупотребительных Р-Т, переменные Р-Н однозначно определяют термодинамическое состояние системы как в однофазном, так и в двухфазном состоянии.
Численная реализация системы уравнений (3.12-3.20) осуществлялась на основе конечно-разностного подхода, разработанного в (Faust, Mercer, 1979)). Вычислительный алгоритм строится на основе неявной конечно-разностной схемы с итерациями по методу Ньютона-Рафсона (Hayba, Ingebritsen, 1997). Для решения линеаризованного матричного уравнения используется алгоритм последовательной верхней релаксации, встроенный в итерационную процедуру Ньютона-Рафсона (Faust, Mercer, 1979). Блок программы, касающийся вычислений термодинамических и транспортных свойств флюида, состоит из обращений на каждом временном шаге к массиву данных, заранее вычисленных и хранящихся в памяти для диапазона температур флюида от 0 до 1200 С и давлений от 1 до 10 кбар. Уравнение состояния (3.20) определяет содержит ли заданная точка пространства сжатую жидкость (Sw =1), смесь пара и воды (0 Sw 1) или перегретый пар (Sw = 0). Выше критической точки различия в свойствах между жидкостью и паром исчезают и поэтому величина водо- и паронасыщенности становится неопределенной. Для вычислительных целей, свойства в надкритической области рассматриваются такими, как если бы система содержала две фазы с идентичными свойствами, и насыщение постепенно понижалось от Sw = 1 (жидкость), на кривой испарения, до Sw = 0 (пар), на кривой конденсации, радиально вокруг критической точки. Когда либо пар, либо жидкость отсутствует, насыщение SW(S) отсутствующей фазы = 0, а присутствующей = 1. При этом предполагается, что относительная проницаемость кт(!) отсутствующей фазы = 0, а присутствующей = 1. Таким образом, уравнения (3.12-3.20) сводятся к соответствующим выражениям либо для области перенасыщенной жидкости, либо для области перегретого пара, либо для двухфазной области.
Геодинамические модели гравитационно-неустойчивых систем
Следуя классическим работам (Taylor, 1950; Chandrasekhar, 1961), ряд авторов исследовали задачу гравитационной неустойчивости в рамках геологических приложений. Конвективный механизм описывает геологические явления различного уровня, поэтому все ранее разработанные в литературе модели можно разделить по масштабу изучаемых процессов. Во-первых, это модели конвекции, охватывающей всю мантию или ее часть. Линейный размер области для осуществления таких процессов составляет порядка тысячи-нескольких тысяч км. Исследования в рамках таких моделей касаются глобальных процессов конвекции в земле на начальных этапах ее эволюции (Мясников, Новиков, Сазонов, 1986), динамики литосферы и верхней мантии в зонах субдукции и под середин-но-океаническими хребтами (Трубицын, Фрадков, 1986). Другой вопрос, решаемый в работах первого направления, состоит в том, при каких условиях конвекция в мантии будет однослойной, охватывающей верхнюю и нижнюю мантию, и при каких распадается на две ячейки, циркулирующие независимо (Cserepes, Rabinowicz, Rosemberg-Borot, 1988). Во вторую группу могут быть включены модели, касающиеся среднемасштабных (порядка нескольких сотен км) явлений, например, перенос вещества и тепла в пределах литосферы или в астеносфере. Среди механизмов переноса наибольший интерес представляют взаимодействия между мало-масштабными мантийными диапирами и подошвой континента (Van Thienen, 2003; Weinberg, Podladchikov, 1994), подъем астеносферного диа-пира, предшествующего образованию континентального рифта (Неймарк, Ма-левский, 1986; Малевский, 1986). Третья группа моделей включает в себя локальные явления, происходящие в земной коре. Их характерный размер составляет десятки километров. Сюда относится формирование соляных, гипсовых куполов среди осадочных пород (Белоусов, 1985), гранито-гнейсовых куполовидных поднятий в метаморфических и магматических комплексах (Шолпо, 1975; Гончаров, 1988), подъем гранулитовых комплексов сквозь холодные и плотные породы зеленокаменных поясов (Gerya et al., 2000а,б), диапиризм магмы (Marsh, 1982). Процессы, описываемые моделями третьей группы, проявляются в виде геологических тел, обнаженных на земной поверхности. Их изучение дает возможность описать динамику гравитационно-неустойчивых систем на количественной основе.
Среди описанных групп моделей рассматриваются те, которые относятся к процессам адвекции1, охватывающей локальные участки земной коры с инверсионным распределением плотности по вертикали. В этой главе показывается, что для метаморфических процессов, совместных с деформациями длительностью порядка миллионов лет, вещество можно в первом приближении рассмат-- ривать как ньютоновскую жидкость. Безразмерный критерий, определяющий баланс сил инерции и сил трения, число Рейнольдса (см. ниже) Re = VL/v очень мало, поэтому течения считаются ламинарными и достаточно медленными.
Чтобы оценить вязкость, свойственную породе в субликвидусном состоянии, собраны экспериментальные данные по влиянию температуры, давления, содержанию летучих компонентов и структуре расплава (доля твердой фазы) (Персиков, 1984; Huppert, Sparks, 1988; Spera, Yuen, Kirschvink, 1982). Экспериментальные данные свидетельствуют, что в диапазоне температур 600-800 С кислые породы вблизи солидуса имеют вязкость в интервале 1014 - 1016 Па сек.
Физическое моделирование с помощью центрифуги (Рамберг, 1976, 1985) доказывает реальность диапирового механизма внедрения гранитоидных тел. В результате экспериментов Рамберга была разработана концепция о диапировом внедрении гранитоидных тел. Рамберг провел две серии экспериментов. В первой серии применялись материалы, аналогичные всплывающей и опускающейся породе, с отношением вязкостей порядка 10 . В этих условиях получались структуры с куполом в центре и синклинальным кольцеобразным прогибом по периферии (аналог конкордатных интрузий). Во второй серии отношение вяз 1 Адвекция - синоним термина «конвекция» с отличием от тепловой конвекции в том, что многократной циркуляции вещества не происходит, и процесс заканчивается при восстановлении устойчиво-стратифицированного распределения плотности костей достигало 10 10. При этих условиях наблюдалась картина внедрения легкого вещества по узким неправильным каналам (аналог несогласных интрузий типа даек и силлов). Опыты Рамберга на аналоговых моделях, показывают, что все известные силикатные расплавы оказываются слишком жидкими, чтобы могли образоваться куполообразные тела. Из экспериментов следует, что диапи-ровые структуры могут формироваться в весьма твердой среде без сколько-нибудь заметной роли жидкой фазы.
По экспериментальным данным (Murrell, Chahravarty, 1973) о зависимости эффективной вязкости гранитоидных расплавов от температуры, интервалу па-леотемператур 800-600 С, полученному по минеральным геотермометрам, соответствуют значения вязкости 10,4-1016 пуаз. Эти оценки использовались при расчётах.
Изотермический режим течения. При некотором малом возмущении границы раздела относительно плоской поверхности система выходит из состояния неустойчивого равновесия, легкий материал всплывает, тяжелый - опускается вниз. Равновесие достигается, когда слои поменяются местами. В условиях литосферы (в отличие от мантии) этого, как правило, не достигается ввиду остывания поднимающегося астеносферного вещества и увеличения его вязкости. Как показано в (Van Thienen, 2003), мантийный плюм останавливается на определенном уровне литосферы (80-100 км), где прочность последней не дает диапиру подниматься дальше. Ввиду математических трудностей и из геологических соображений будет рассматриваться начальный этап процесса всплывания при условии, что диапир не отрывается от питающего слоя и деформация границы раздела сред (Z(x,t) на рис. 4.3) невелика. Как видно из уравнений, процесс контролируется тремя безразмерными параметрами: критерием Рейнольдса Re, отношением вязкостей рУц2 отношением плотностей pi/p2. Тестирование модели показало, что в силу малости числа Рейнольдса (порядка 10"19) первый критерий практически не влияет на решение, поэтому его можно не рассматривать. Исследовались влияние параметров отношения плотностей (менялось от 1/3 до 2.75/2.9), а также формы начального возмущения границы сред. Форма задавалась в виде синусоиды с нормированной длиной волны возмущения УЪ\ = 1, 2, 4, где hi мощность верхнего слоя. Расчеты показывают, что с увеличением разности плотностей сред, скорости всплывания и погружения растут. Экспоненциальный характер зависимости скорости роста возмущения от времени согласуется с предсказаниями линейной теории (рис.4.4).
Была определена длина волны, при которой возмущение росло с максимальной скоростью. На рис. 4.5 показана структура течений и граница раздела слоев в момент времени 110 тыс. лет для вязкости сред 1016 пуаз и линейном размере 10 км; длина волны максимально развивающейся неустойчивости равна X /hi = 4. Это означает, что в достаточно протяженном слое пониженной плотности будут развиваться периодические системы поднятий и прогибов кровли этого слоя. Возникновение максимумов и минимумов следует ожидать на расстоянии равном четырем мощностям разуплотненного слоя.
Похожие диссертации на Континентальный рифтогенез и метаморфическая зональность как следствие термических процессов в литосфере
