Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Методы математического моделирования в геологии и геофизике
1.1 Методологические принципы построения моделей геологических процессов 15
1.2 Геотектонические гипотезы и методы моделирования 23
Глава 2 Оценки энергии различных процессов и их роли в тектонических движениях земной коры и литосферы
2.1 Оценки энергии процессов 27
2.2 Механизмы преобразования энергии процессов в тектонические движения и напряжения 32
2.3 О взаимосвязи между тектоническими напряжениями и геологическими дислокациями 48
Глава 3 Тектонофизические модели области сочленения «континент- океан»
3.1 Особенности строения области сочленения по гравитационным, сейсмотографическим и геотермическим данным 56
3.2 Реологические модели коры и литосферы по результатам анализа гравитационного поля 73
3.3 Тектонофизические модели Тихоокеанского Пояса 80
Глава 4 Математические методы расчетов напряженно-деформированного состояниия земной коры и литосферы по геофизическим данным .
4.1 Напряженно-деформированное состояние среды при произвольном распределении ее плотности и вязкости 97
4.2 Напряжения в толстом слое (коре и литосфере) 104
4.3 Скорости современных движений земной поверхности по аномалиям гравитационного поля 115
Глава 5 Геодинамика литосферы тихоокеанского пояса
5.1 Напряженно-деформированное состояние литосферы по модельным представлениям о ее глубинном строении 129
5.2 Напряжения в литосфере на основе плотностных моделей, построенных в результате комплексного гравитационного моделирования 154
5.3 Изостазия и современные движения литосферы по данным о ее гравитационном поле 173
5.4 Тороидально-полоидальные деформации и кинематика литосферных плит 188
Глава 6 Закономерности структурной и динамической организации литосферы тихоокеанского пояса .
6.1 Черты порядка в строении планеты 197
6.2 Активные разломы 204
6.3 Особенности геодинамики литосферы 208
6.4 Движущие механизмы геодинамики Тихоокеанского Пояса...213
Глава 7 Расчеты напряженно-деформированного состояния отдельных структур земной коры в пределах тихоокеанского пояса .
7.1 Динамика пострифтогенного погружения платформенных осадочных бассейнов (на примере Анадырской впадины Берингова моря) 218
7.2 Напряженно-деформированное состояние земной коры Комсомольского рудного района 226
7.3 Поля напряжений в структурах осадочного чехла шельфа Сахалина с целью исследования перспектив их Нефтегазоносности 229
7.4 Геодинамика земной коры и верхней мантии Приамурья 236
7.5 Поле напряжений, вызванное плотностными неоднородностями земной коры в районе профиля «Облучье - мыс Датта». Связь с глубинным строением 242
Заключение 251
Литература 257
- Механизмы преобразования энергии процессов в тектонические движения и напряжения
- Реологические модели коры и литосферы по результатам анализа гравитационного поля
- Скорости современных движений земной поверхности по аномалиям гравитационного поля
- Напряжения в литосфере на основе плотностных моделей, построенных в результате комплексного гравитационного моделирования
Введение к работе
Актуальность темы исследования
Математическое моделирование геодинамических процессов в активных геологических структурах представляет собой актуальную и в то же время сложную и интересную задачу. Одной из таких структур является Тихоокеанский Активный Пояс (ТАП, или Тихоокеанский Пояс) Тихоокеанский Пояс - это относительно узкая протяженная область, & проходящая по границе сочленения Тихого океана и окружающих его континентов и опоясывающая земной шар в меридиональном направлении. Тихоокеанский Пояс характеризуется чрезвычайно высокой тектонической активностью: в пределах пояса сосредоточено более 2/3 всех действующих вулканов, здесь выделяется около 80% всей сейсмической энергии планеты. В то же время, Тихоокеанский Пояс - зона наиболее активной человеческой деятельности. Здесь находятся крупнейшие города Дальнего Востока
Российской Федерации, Китая, Японии и других стран Тихоокеанского бассейна. Здесь сконцентрированы важнейшие коммуникации, плотины, атомные электростанции, хранилища химических и радиоактивных веществ и другие объекты, аварии на которых могут привести к тяжелым бедствиям и составить серьезную угрозу выживанию человечества. В связи с этим особую актуальность приобретает разработка научных основ предсказания стихийных катастроф применительно к Тихоокеанскому Поясу. Одной из задач этой проблемы является математическое моделирование тектонических процессов с целью изучения напряжений и современных движений коры и литосферы. Изучение геодинамики Тихоокеанского Пояса имеет также фундаментальную значимость. Существующую геотектоническую парадигму - гипотезу тектоники плит - нельзя пока считать имеющей статус строгого научного знания. Поэтому математическое моделирование активных тектонических структур представляет собой ключ к понимаю тектонической жизни всей планеты и" является весьма актуальным.
Цели и задачи работы
1. Хорошо известно, что геологические явления представляют собою совокупность процессов, различающихся между собою как по пространственным и временным характеристикам, так и по своей природе и происхождению. Очевидно, что применение современных математических и вычислительных методов для моделирования таких геологических «коктейлей» представляется чрезвычайно трудным, если вообще выполнимым делом. К настоящему времени разработано большое количество моделей различных геологических процессов, но, как правило, их анализ и сравнение не представляется возможными из-за отсутствия соответствующего методологического базиса. Первой целью настоящей работы является разработка методических правил анализа и синтеза моделей, которые могли бы стать практическим базисом для упорядоченного моделирования геологических процессов.
2. Одной из основных проблем геодинамики является проблема движущих сил. В качестве возможных рассматриваются силы, вызываемые конвекцией, отрицательной плавучестью погружающейся литосферы, рифтовые и другие. Как правило, перечисленные силы связывают с запасами тепловой энергии в недрах планеты. В то же время существуют другие источники энергии, способные влиять на ее тектоническую активность. Таковой является, например, солнечная радиация. За год Земля поглощает примерно 2.1 1031 эрг, что на три порядка больше энергии, выделяющейся за счет потока тепла через ее поверхность. Многие исследователи причину тектогенеза видят в ротационном режиме планеты - изменениях скорости вращения, движениях полюса и взаимодействии с Луной и Солнцем. Действительно, наблюдения показывают, что между вращением Земли, ее тектонической активностью и физическими полями существует тесная связь. Запас энергии осевого вращения планеты очень велик. Он составляет примерно 10 эрг. Однако, простые оценки (Ранкорн, 1975) показывают, что инерционные силы и силы Кориолиса малы по сравнению с вязкими. На этом основании вращение планеты как непосредственная причина крупномасштабных движений мантии и литосферы и других тектонических явлений исключается. Следовательно, если преобразование энергии вращения в тектонические напряжения и деформации имеет место (Бобряков, Ревуженко, Шемякин, 1983; Авсюк, 1996; Викулин, 2003), то оно должно осуществляться посредством каких-то особенных механизмов. В связи с этим была поставлена задача: выявить процессы, способные влиять на тектоническую активность Тихоокеанского пояса, а также рассмотреть механизмы преобразования энергии этих процессов в тектонические движения и другие структурообразующие явления. 3. На сегодня собрано чрезвычайно большое количество результатов геологических, геофизических и геохимических наблюдений. Однако эти сведения не представляют единой системы данных о Земле и не могут быть использованы для выработки такой системы. Дело в том, что они характеризуют, как правило, лишь отдельные участки планеты, полученные в различных условиях и различной аппаратурой, поэтому их интерпретация приведет к несопоставимым, а значит, в целом, неверным результатам. Кроме того, эти данные представлены в самой разнообразной форме - в виде карт, графиков, таблиц, что исключает их количественный анализ с помощью современных вычислительных средств. Получение информации, которая: а) характеризовала бы Землю в целом, как единую систему, б) была представлена в форме удобной для количественного анализа, началось совсем недавно, вместе с развитием методов исследования Земли из Космоса. Как пример такой информации можно привести модели коэффициентов разложения потенциалов гравитационного и магнитного полей по сферическим функциям. Наиболее важными для геодинамических исследований являются следующие данные: гравитационное поле, рельеф твердой Земли, сейсмоскоростные неоднородности, скорости горизонтальных и вертикальных смещений поверхности, вариации скорости вращения Земли, движения полюса и смещение оси вращения в пространстве. Перечисленные характеристики могут быть представлены одинаковым образом, а именно - наборами коэффициентов разложения по сферическим функциям, что позволяет эффективно использовать современные вычислительные средства для хранения, обработки и интерпретации исходной информации. Модели строения и динамики различных участков планеты, построенные на основе этих данных будут сопоставимы и их можно рассматривать как части единой системы. Особенно важным является применение глобальных данных для изучения таких структур как Тихоокеанский Активный Пояс. Именно поэтому третьей задачей настоящей работы является разработка модели глубинного строения Тихоокеанского Активного Пояса на основе комплекса глобальных геофизических данных.
4. Для того чтобы геодинамическое понятие могло эффективно работать, необходимо иметь процедуру его проверки и измерения. Это особенно важно для таких «неизмеряемых» величин как механические напряжения и деформации глубинных недр. Создание «проверяемых» тектонофизических моделей возможно, если при их разработке попытаться установить связи между основными механическими характеристиками модели и каким-либо измеряемым параметром. В этом смысле наибольший интерес представляет гравитационное поле, поскольку оно является непосредственным источником информации о распределении плотностных неоднородностей, способных создавать механические напряжения и движения вещества планеты. Необходимость создания «проверяемых» тектонофизических моделей и понятий обусловлена также тем, что приходится изучать и оценивать процессы, которые находятся вне рамок человеческого опыта, как по громадной длительности, так и по своей масштабности. В связи с этим была поставлена задача: обосновывать ряд тектонофизических моделей литосферы Тихоокеанского Пояса, которые позволили бы производить расчеты механического состояния на основе «измеряемых» геофизических данных, например, гравитационного поля.
5. Знание деформаций земной коры и литосферы и действующих в этих структурах напряжений необходимо для понимания причин и следствий тектонических явлений самого различного уровня - от локального до глобального, к которому принадлежит Тихоокеанский Активный Пояс. В настоящее время разработаны методы расчета для некоторых тектонофизических моделей, в том числе: для слоя с переменной, слабо меняющейся мощностью (Артюшков, 1979; Бацанин, 1984; Tresl, 1988) Постановка и решение задач о распространении напряжений в упругом гравитирующем шаре были даны А.Лявом (Love, 1927) и Л.С. Лейбензоном (1951). Ряд аналогичных задач был рассмотрен Г. Джеффрисом (1960), В.Н. Жарковым (1983), а также коллективом авторов (Жарков, Паньков, Калачников, Оснач, 1969). В рамки настоящего исследования входит не только дальнейшее развитие упомянутых подходов, но и разработка методов расчета тектонических напряжений и движений на основе проверяемых тектонофизических моделей, использующих в качестве исходных данных такие измеряемые геофизические характеристики как гравитационное поле.
6. Внимательное изучение поверхности Земли открывает ряд удивительных закономерностей в ее строении. Это, например, антиподальность распределения территорий и акваторий (Каттерфельд, 1962). Специальные исследования показывают, что симметрия в распределении форм рельефа может быть более сложной (Шолпо, 1986). Г.Ф. Уфимцев (1988, 1991) отмечает, что структура глобального рельефа Земли характеризуется высокой степенью порядка, хорошо описываемого с помощью законов симметрии. Два симметричных плана в строении лика Земли отмечает Г.Н. Каттерфельд (1962): по отношению к плоскости экватора и по отношению к плоскости меридиана 105-75°. Отметим также равномерное, примерно через 90°, распределение срединноокеанических хребтов, островных дуг и других крупных форм рельефа субмеридионального простирания (Шолпо, 1986; Pan, 1985, Hugher, 1973; Милановский, Никишин, 1988). Как частный случай этой закономерности можно рассматривать подобие контуров Срединно-Атлантического хребта и Западно-Тихоокеанской активной зоны, совпадающих при повороте на 180° (Ильичев, Шевалдин, 1986). Обращает на себя внимание характерное S образное очертание субмеридиональных форм рельефа, причем концы S приходятся на полюса, а его средняя часть проходит примерно по Тетису, «который всегда был ослабленной зоной земной коры» (Фурмарье, 1971, с.86). Об S-образном изгибе берегов Атлантического и Тихого океанов писали Г. Хавеман (Haveman, 1926) и Б.Л. Личков (1931), связывая с ним относительный левый сдвиг северного и южного полушарий. Относительный сдвиг полушарий вдоль субэкваториальной зоны разломов, еще раньше отмечал А. Гохштеттер (Hochstetter, 1886). Закономерности современного распределения крупных форм рельефа, видимо, не случайны. И.И. Берсенев (1964) приводит данные, согласно которым размещение континентов относительно оси вращения было иным в конце Протерозоя, но также отражало вполне определенный порядок. Е. Канасевич с соавторами (Kanasewich, Havskov, Evans, 1978) показали высокую степень пространственной организации лика планеты для всего Фанерозоя.
Черты пространственной и временной организации присущи многим элементам и процессам планетарной системы. Несомненно, такими чертами обладает и Тихоокеанский Пояс. Поэтому шестой задачей настоящего исследования было поставлено: выявление закономерностей структурной и динамической организации литосферы Тихоокеанского Активного Пояса.
Научная новизна.
1. Разработана система методических правил анализа и синтеза моделей, которую можно использовать для упорядоченного математического моделирования сложных геологических процессов.
2. В рамках модели сыпучей среды показана реальность и эффективность механизма, осуществляющего непосредственное преобразование энергии вращения планеты в большие тектонические перемещения поверхностного слоя планеты.
3. Впервые дано описание Тихоокеанского Пояса геофизическими полями с позиций равномерно пригодного представления данных и представленных коэффициентами сферических гармоник.
4. Сформулирован и обоснован ряд тектонофизических моделей литосферы Тихоокеанского Пояса. На основе этих моделей получены соотношения, связывающие характеристики механического состояния слоя и гравитационного поле, создаваемое его неоднородностями. Проведены исследования изостазии.
5. Разработана методика и комплекс программ для расчета напряженно деформированного состояния тектоносферы Пояса с учетом ее реального плотностного строения. Сделаны расчеты вдоль геотраверсов, пересекающих Пояс. Показано, что существуют характерные особенности динамики исследуемой области, которые определяются его собственным глубинным строением.
4f 6. По коэффициентам тороидальной и полоидальной частей модели
абсолютного движения плит сделаны расчеты скоростей деформаций литосферных плит. Показано, что максимальные деформации сдвига концентрируются вдоль основных тектонических поясов: Тихоокеанского (правые) и Альпийско-Гималайского (левые).
7. Построена обобщенная модель глубинного строения и динамики Пояса, характеризующая его как естественную границу между двумя планетарными сегментами - Тихоокеанским и Африканским. Выявлены закономерности в структурной организации Пояса и его активности. Практическая значимость работы Полученные в диссертации результаты имеют большое теоретическое и прикладное значение, так как открывают новый класс геодинамических процессов в Тихоокеанском Активном Поясе, связанных со структурной организацией планеты в целом. Знание геодинамики Тихоокеанского Пояса как уникальной планетарной структуры может быть использовано для изучения его А металлогении, поисков нефти и газа, долгосрочного прогноза сейсмичности и предсказания землетрясений.
Предложенные методы расчетов используются для изучения полей напряжений рудных районов (Комсомольский рудный район), динамики пострифтогенного погружения осадочных бассейнов, полей напряжений и движений земной коры юга Дальнего востока, а также при поисках нефти и газа (шельф Сахалина и Камчатки).
Апробация работы
Научные результаты, составляющие содержание настоящей работы были доложены на 28-й, 29-й и 30-й Сессиях Международного Геологического Конгресса (Вашингтон, 1989; Киото, 1992; Пекин, 1996); 20-й и 23-й ф Ассамблеях Международного Союза по Геофизике и Геодезии (Вена, 1991;
Саппоро, 2003); Ежегодной конференции Международной Ассоциации Математической Геологии (Портсмут, 2003); Международном симпозиуме «Новые концепции в глобальной тектонике» (Цукуба, 1998; Ла-Ханта, США, 2002); Семинарах факультета наук о Земле и Космосе Университета науки и технологии Китая, г. Хефей (1990,1993, 1996), КНР;
Второй международной Орловской конференции (Полтава, 1986); Шестом Всесоюзном съезде механиков (Ташкент, 1986); Семинаре «Вопросы Щ геологической интерпретации гравитационных и магнитных аномалий» (Москва, 1988); Втором Всесоюзном совещании «Тектоника литосферных плит» (Звенигород, 1989); Первой Всесоюзной конференции «Строение и геодинамика земной коры и верхней мантии» (Москва, 1990); Всероссийском совещании «Напряженное состояние литосферы, ее деформация и сейсмичность» (Иркутск, 2003); Международном симпозиуме «Закономерности строения и эволюции геосфер» (Хабаровск, 1992, 1994, 1996, 1998, 2000, 2003); ™ Семинарах отдела Морской геологии Тихоокеанского Океанологического института ДВО РАН, г. Владивосток; Коллоквиумах Вычислительного Центра ДВО РАН, г. Хабаровск., других институтов РАН.
Публикации результатов работы и личный вклад автора
По теме диссертации опубликовано в центральных изданиях и за рубежом более 77 научных работ, в том числе четыре монографии. Из них 24 написано автором лично, а остальные в соавторстве с другими исследователями. В совместных работах автору принадлежат основные идеи, составившие основу диссертации. Автор непосредственно участвовал в постановке исследований полученных результатов. Диссертация суммирует результаты, полученные автором в ходе многолетних исследований, проводившихся в рамках плановых тем Вычислительного Центра ДВО РАН.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из Введения, семи глав и Заключения общими объемом 281 машинописных страниц, содержит 76 рисунков и список литературы из 345 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность за обсуждение различных аспектов работы, ценные советы, замечания и сотрудничество Н.П. Романовскому, Р.Ф. Черкасову, Р.Г. Кулиничу. Автор считает своим приятным долгом поблагодарить коллег по работе в Вычислительном Центре, Институте Тектоники и Геофизики и других институтах ДВО РАН СИ. Смагина, В.Г. Быкова, О.С. Комову, В.Е. Кузнецова. Автор признателен за помощь при оформлении работы Л.А. Сергеевой, М.В. Скорик, Г.З. Гильмановой, Е.А. Попковой.
Защищаемые положения
Основные положения диссертационной работы можно сформулировать следующим образом.
1. Разработана система методических принципов математического моделирования сложных геологических процессов.
2. В рамках модели сыпучей среды обсуждается реальность и эффективность механизма, осуществляющего непосредственное преобразование приливных деформаций твердой Земли в большие тектонические смещения литосферы.
3. Сформулирована концепция «проверяемых» геотектонических моделей и разработаны методики расчета тектонических напряжений и движений на основе этих моделей.
4. Создан комплекс программ, пригодных для расчета напряжений в структурах различного ранга - от отдельных рудных районов и нефтегазовых месторождений до крупных боков земной коры и региональных профилей. Создан комплекс программ, предназначенных для расчета скоростей смещений и деформаций по сферическим коэффициентам моделей абсолютных движений плит.
5. Области предельного состояния среды соответствуют участкам максимальных градиентов мощности и плотности слоя и максимальных градиентов аномалий гравитационного поля. В силу этого многие особенности строения и активности литосферы Пояса определяются и поддерживаются его собственными плотностными неоднородностями и для их объяснения не требуется привлечения каких-либо внешних воздействий.
6. Проведено комплексное исследование и показано, что Тихоокеанский Пояс представляет собой естественную границу между Тихоокеанским и Африканским планетарным сегментами, активность которой поддерживается концентрацией напряжений, вызванной неоднородным глубинным строением Пояса, а также относительными смещениями этих сегментов, что позволяет рассматривать Тихоокеанский Активный Пояс как «незаживающий шов» на поверхности планеты.
7. Выявлен ряд процессов, которые активно участвуют в тектонической жизни Пояса и которые необходимо учитывать при математическом моделировании его геодинамики.
Механизмы преобразования энергии процессов в тектонические движения и напряжения
Применяемый при моделировании геологических процессов математический аппарат тесно связан с взятой за основу той или иной геотектонической гипотезой. Как известно, гипотеза плитовой тектоники стимулировала широкое применение аппарата континуальной механики сплошных сред и уравнений математической физики.
В настоящее время моделирование геодинамических процессов заключается в основном в решении задач тепловой конвекции. Как правило, рассматривается конвекция в двухмерной прямоугольной области для нелинейно вязкой среды. Характерным примером такого подхода является работа М. Хьюстона и Ж. Де-Бремекера (Houston, Bremaecker, 1975).
Более широкий круг моделей тепловой конвекции в мантии и ядре Земли в сферической постановке и с учетом электромагнитных взаимодействий рассмотрен в работе (Булгаков, Соловьев, 2001).
Другой важной вехой в математическом моделировании геодинамических процессов можно назвать применение методов асимптотического анализа довольно сложной системы уравнений гидродинамической эволюции Земли, (Фадеев, Мясников, 1980). Анализ препарированных таким образом уравнений позволил дать объяснение некоторым интересным фактам в геологической истории Земли, однако не смог дать ответ на главный вопрос в науках о Земле: какие процессы определяют эволюцию Земли, ее тектоническую активность и происхождение структур.
С развитием космических и компьютерных технологий большие успехи достигнуты в области сбора и обработки данных, которые наиболее полно характеризует глубинное строение Земли, ее поверхность и геофизические поля, обеспечены метрологически и представлены в форме удобной для количественного анализа. Как пример такой информации можно привести модели коэффициентов разложения потенциалов гравитационного и магнитного полей по сферическим функциям, данные глобальной сейсмической томографии, современных движений плит, глобального (вместе с тем очень детального) рельефа поверхности твердой Земли, и другие. Именно такие системы данных могут стать со временем основой для математического моделирования геодинамических процессов. Уже сейчас эти данные начинают применяться для исследования реальной Земли на основе реальных данных. В работе (Fu, Huang, 1983) рассмотрена задача о моделировании мантийной конвекции с учетом таких граничных данных как кинематика литосферных плит и внешнее гравитационное поле Земли. Вероятно, с накоплением реальных данных и развитием вычислительной техники, моделирование планетарных процессов станет более успешным.
С развитием технических средств наблюдения Земли появились новые данные, которые ставят под сомнение положения действующей сегодня геотектонической концепции - тектоники плит — одним из которых является субдукция. Стало очевидным, что одними только эндогенными тектоническими механизмами (гипотеза тепловой машины) невозможно объяснить все многообразие планетарных процессов, в частности их удивительную периодичность. Ю.Н. Авсюк (Авсюк, 1996) предложил рассматривать динамику системы «Земля (с массивным ядром) - Луна» с учетом движения Земли вокруг центра масс Земля-Луна, который называют барицентром. Полученные результаты позволили объяснить периодичности не только внешних, климатических процессов, но и внутренних, эндогенных. В связи с этим особое значение приобретает проблема разработки и внедрение в практику геодинамических исследований моделей сложных сред. (Садовский и др., 1987, Ревуженко, 2003). Именно на этом пути ожидается значительный прогресс при объяснении многих планетарных процессов, начиная от землетрясений и кончая дрейфом литосферных плит. Для этого требуется развитие соответствующего математического аппарата и вычислительных средств.
Инерционные силы, связанные с вращением Земли, введены в рассмотрение А.В. Викулиным для объяснения закономерностей сейсмического процесса (Викулин, 2003). В данном случае математический аппарат, применяющийся для описания процесса, представляет собой нелинейные дифференциальные уравнения в частных производных.
Однако, далеко не всегда удается построить систему уравнений, моделирующих геологический процесс и тем более решить ее. Вместо этого представляется разумным установление обоснованных ограничений на параметры геодинамических процессов, рассматриваемых при конструировании геодинамических моделей. Одной из тектонических гипотез является гипотеза расширяющейся Земли. Согласно этой гипотезе, увеличение радиуса является одной из наиболее важных причин для многих, если не для всех, тектонических процессов Земли. Для многих исследователей изменение радиуса Земли в течение ее геологической истории это некоторый произвольный параметр, который каждый выбирает таким, какой требуется ему для обоснования своих взглядов. В работе (Maslov, 2003) построена модель, с помощью которой показано, что при соблюдении основных законов сохранения и при значениях ускорения силы тяжести и длительности суток, установленных комплексом методов на поздний Докембрий, увеличение радиуса Земли не может превышать 25%.
Предложенный в первом параграфе метод анализа и синтеза геологических моделей основывается на разложении моделируемого процесса на ряд элементарных с последующим синтезом, начиная от простейшей рабочей модели до исходного процесса. Он позволяет последовательно строить модели от простейших до наиболее сложных. При этом едва ли не определяющим моментом моделирования является правильный выбор основных процессов, должных лечь в основу базовых моделей. Такой выбор зависит от полноты и правильности понимания моделируемого явления. Именно поэтому одной из целей работы является выявление процессов, определяющих геодинамику Тихоокеанского пояса и ее закономерности.
Второй параграф освещает кратко многообразие математических методов и физических процессов, применяемых при геодинамическом моделировании. Необычайно широкий диапазон процессов различной физической природы, учитываемых при моделировании, говорит о том, что не существует пока еще четкой научной концепции роли этих процессов в геодинамической активности планеты.
Реологические модели коры и литосферы по результатам анализа гравитационного поля
В настоящем параграфе кратко рассмотрены известные представления о тектонических (механизмах) напряжениях и вызываемых ими геологических дислокациях. Наиболее полно эта проблема рассмотрена в фундаментальном труде (Ramsey, 1987). Отметим сразу, что причинно - следственной связи между напряжениями и дислокациями не являются простыми. Наиболее правильный способ их понимания - это математическое и физическое моделирование отдельных геодинамических ситуаций (Косыгин, Маслов, 1989). Будем рассматривать некоторый выделенный объем планетарной среды на который действует заданные пограничные и объемные силы, вызывающие определенные дислокации. В природе наблюдается и описаны самые разнообразные формы хрупких (дизъюнктивных) и нехрупких (пликативных) дислокаций и их сочетаний. Наиболее эффективным в моделировании тектонических дислокаций явилось представление о реологически расслоенной среде, т.е. составленной из слоев различной вязкости, упругости, плотности и мощности. При этом важно учесть, что среда является весомой, т.е. действует сила тяжести, направленная перпендикулярно поверхностям наслоения. В условиях физического моделирования это требует применения специальных аппаратов - центрифуг. Рассматривая различные варианты силового воздействия на реологически слоистую структуру, можно воспроизвести практически все наблюдаемые в природе формы пликативных дислокаций. Действительно: 1. Задаваясь вертикальным воздействием штампа на основании слоя можно описать формирование складок платформенного типа, связанных с движением блоков фундамента, например, флексурных, надразломных складок, вызванных знакопеременными движениями блоков и других. 2. Если слои обладают латеральными плотностными неоднородностями неравномерными мощностями, то в них возникают градиенты давления, дополнительного к гидростатическому, приводящие горизонтальному перетеканию наименее вязкого вещества и скольжению слоев относительно друг друга. С помощью задач такого вида моделируется складчатость нагнетания. Складчатость нагнетания можно моделировать и в условиях первой задачи, для случая одного лишь аномального давления без инверсии плотностей контактирующих слоев. 3. При инверсии плотности реологически расслоенная модель позволяет рассматривать возникновение диапиров, соляных и гранитных куполов и соответствующие им складчатости. В зависимости от соотношений плотности и вязкости контактирующих слоев могут возникать различные типы складчатости, связанные с той или иной формой потери устойчивости (центрального и краевого типов). Изучение такой модели (теоретическое или экспериментальное) позволяет также определить пространственную периодичность складчатости и диапиризма, наблюдающуюся, в частности, в распределении соляных куполов. 4. Заданием горизонтально направленных сил (объемных и пограничных), приложенной к слоистой толще, можно моделировать образование различных форм складок общего смятия. 5. Изменение плотности и, следовательно, объема какого - либо слоя может приводить к образованию складок разбухания и уплотнения. 6. Заданием относительного смещения слоев можно моделировать различные типы складчатости волочения. Всевозможные сочетания перечисленных частных тектонических ситуаций могут дать описание практически любой пликативной дислокации (на макроуровне). Применение к полученным пликативным «решениям» принципов механики разрушения дает возможность описать формы соответствующих дизъюнктивных дислокаций. Кроме того, приложение принципов механики разрушения к геомеханике позволяет учесть взаимодействие дизъюнктивных дислокаций и закономерности их размещения в пространстве. Так, в окрестности вершин трещин возникают области концентрации напряжений и деформаций, которые имеют форму близкую к круговой. При возрастании длины трещины, области концентрации напряжений смещаются вместе с ее вершиной, увеличиваясь при этом в диаметре. Образования и развитие трещины может обусловить возникновение, перемещение и морфологическое преобразование неупругих деформаций в его вершинах. Под действием силы тяжести происходит обрушение материала по ослабленным зонам и образование грабенов, слагающих концентрические комплексы. На рис. 2.3 показано положение новейших концентрических комплексов в краевых частях впадины оз. Байкал. Вокруг северо-восточной и юго-западной оконечностей впадины фиксируются выраженные в рельефе цепочки сменяющих друг друга концентрических образований радиусом от 25 до 100 км. В центральной части озера выделяются еще две концентрические системы. Они тяготеют к окончаниям трех котловин протяженностью 200-275 км каждая, из которых слагается впадина. Четкая выраженность в рельефе, геометрически правильная структура этих образований позволяет связать их с развитием Байкальского грабена в соответствии с предложенным выше механизмом (Косыгин, Маслов, 1981). С использованием принципов механики разрушения можно установить также плотность распределения трещин в пространстве. В частности, на плоскости оптимальной фигурой является шестиугольник, а расстояние между его параллельными сторонами равно АЕу-сг2ж. Здесь Е - модуль упругости, у - плотность энергии разрушения, о -напряжение, при котором происходит разрушение. Отсюда следует, что плотность распределения дизъюнктивных дислокаций пропорционально квадрату действующих напряжений и обратно пропорциональна упругости среды и плотности поверхностной энергии.
Скорости современных движений земной поверхности по аномалиям гравитационного поля
Из того, что само напряженное состояние оказывается фактором, определяющим вязкость, следует, что тепловые и механические эффекты необходимо рассматривать совместно. Исследования показали, что возникающий за счет трения разогрев масс может привести к резкому снижению вязкости. Эффект диссипативного разогрева учитывался Г.Шубертом и др. (Schubert, Froidevaux, Yuen, 1976) при построении связанной тепловой и механической модели океанской литосферы и астеносферы. Изучались как ньютонова, так и неньютонова реология. Авторами построено распределение температуры, скорости и вязкости в зависимости от глубины для теплофизических параметров, свойственных оливину. Показано, что существует поверхностный слой, вязкость которого больше 1027 пуаз, горизонтальные скорости в котором практически не изменяются с глубиной. Такой слой по отношению к горизонтальным движениям можно рассматривать как единое целое. Его средняя мощность составляет примерно 100 150 км. Далее вязкость начинает резко убывать до величин 1019-1020пуаз. На глубинах 250-300 км вязкость снова возрастает. Таким образом, существует промежуточный слой с пониженной вязкостью, который не в состоянии передавать горизонтальные движения от поверхности к глубинам и наоборот, т.е. является слабым. В термомеханической модели древних континентальных областей (Froidevaux, Schubert, 1975), в отличие от океанской, учитывалась генерация тепла за счет радиоактивного распада в коре и верхней мантии. На дневной поверхности были заданы горизонтальная скорость, температура и тепловой поток. На глубине считался заданным тепловой поток. Решение соответствующей системы уравнений позволило построить модель распределения температуры, вязкости и скорости в зависимости от глубины. Здесь, так же, как и для океанской модели, четко выделяются поверхностный слой с вязкостью до 1030 пуаз и однородным распределением скоростей до глубины 200-300 км и нижележащий слой, в котором вязкость резко падает до 1022 пуаз и ниже. Такое соотношение вязкостей характерно для свинца и глицерина. Скорость здесь также падает от значения, заданного на границе, до нуля, т.е. этот слой является своего рода механическим экраном по отношению к горизонтальным движениям. Сравнение океанской и континентальной моделей дано в работе К.Фруадево и др. (Froidevaux, Schubert, Yuen, 1977), рис.3.11. Здесь проанализировано влияние всех параметров моделей на распределение термомеханических величин. Показано, что присутствие вблизи поверхности Земли слоя с пониженной вязкостью - механической астеносферы - является фундаментальной характеристикой глубинного строения планеты, обусловленной конкурирующим влиянием давления и температуры на вязкость. Сравнение моделей показывает также, что в обоих случаях распределение вязкости близко к слоистой. Океанские геотермы выше континентальных. Вследствие этого мощность слоя повышенной вязкости (литосферы) под континентами оказывается больше, чем под океанами. Мощность слоя пониженной вязкости (астеносферы) под океанами больше, чем мощность такого слоя под континентами. Минимальное значение вязкости континентальной астеносферы, по крайней мере, на порядок больше такового для океанской астеносферы. Соотношение (3.12), использовавшееся при расчетах вязкости, не содержит временного и пространственного масштабов. В реальных геологических условиях деформация протекает в течение многих миллионов лет с очень медленными скоростями, которые пока не удается моделировать в лабораторных условиях. В ходе эволюции могут смениться условия нагружения и термодинамическое состояние среды. Вследствие этого могут смениться и механизмы деформаций. Кроме того, соотношение (3.2) не учитывает упругой реакции среды. Отсюда следует, что реологические модели, описывающее поведение геоструктур, должны содержать масштабные константы - временные и пространственные. Простейшей среди таких является вязкоупругая модель Максвелла. Известно (Безухов, 1968), что эта модель позволяет описывать как деформации, вызванные быстро меняющимися нагрузками (упругая реакция), так и деформации, вызванные нагрузками, действующими в течение длительных геологических периодов времени (вязкая реакция). Границей, определяющей возможность перехода от одного описания к другому, является максвеллово время Тм, которое находят отношением коэффициента вязкости идеально вязкой модели к модулю сдвига упругой среды: Тм=/г/С При характерном времени действия нагрузки t «Тм среду можно рассматривать как упругую, а при t»TM - как вязкую. Если заданы коэффициент вязкости и время релаксации, то среду можно рассматривать как вязкую, но способную проявить упругую реакцию при временах г Г от начала воздействия нагрузок. Значения упругих констант (модуль упругости Е, модуль сдвига G, коэффициент Пуассона v) определяются из лабораторных, сейсмических и сейсмологических исследований (Буллен, 1978). Модель Максвелла позволяет перейти от сред с непрерывным распределением вязкости (Vetter, Meissner, 1977; Schubert, Froidevaux, Yuen, 1976; Froidevaux, Schubert, 1975) к представлениям о литосфере и астеносфере как слоях с некоторой эффективной упругостью, вязкостью и, в результате, к конструированию относительно простых реологических моделей, которые для определенных геологических условий будут достаточно верно отражать ход геодинамических процессов. При построении таких моделей можно знать только оценки коэффициента вязкости, модуля сдвига и длительности воздействия нагрузок. Приведем наиболее важные в практическом приложении.
Напряжения в литосфере на основе плотностных моделей, построенных в результате комплексного гравитационного моделирования
Максимальные напряжения, полученные для модели с постоянной вязкостью, едва достигают указанных значений Ах. В модели с вязкостью литосферы 1026Па-с напряжения оказываются слишком большими и поэтому средой выдерживаться не могут. Отсюда получается, что предпочтение следует отдать моделям с промежуточными значениями вязкости океанской литосферы 1021 Па c /i0 1026na с. Производилось сопоставление рассчитанных главных напряжений с механизмами очагов землетрясений в сейсмофокальной области. Как следует из рис. 5.4а,б в верхней части разреза, до 100 км, выделяются область растяжения (континентальный блок) и область сжатия (океанический блок). Такое же распределение напряжений наблюдается при решении механизмов очагов землетрясений в Курило-Камчатской сейсмофокальной зоне. Л.М.Балакина (1981) в результате исследования механизмов очагов Курило-Камчатской сейсмофокальной зоны отмечает, что наблюдается "отчетливо выраженное преобладание согласованно и единообразно ориентированных крутых и субвертикальных разрывов". Аналогичное наблюдение было сделано Б.Айзексом и П.Молнаром (Isacks, Molnar, 1971). Следует отметить, что перечисленные закономерности распределения напряжений в районе сейсмофокальной зоны получены в результате решения математической задачи о движениях среды с переменной вязкостью и плотностью. Никакие посторонние силы или причины, способные вызвать напряжения и движения среды, не использовались. Этот результат говорит о том, что некоторые особенности тектонических процессов, протекающих в активных окраинах, могут быть объяснены с позиций строения самой исследуемой области. Анализ главных напряжений для области с открытой правой границей, моделирующей взаимодействие выделенного объема с окружающей средой, показал, рис.5.4в, что в этом случае распределение напряжений заметно отличается от такового в моделях с замкнутыми границами, где главную роль играют только силы плавучести. А именно: резко (на порядок и два) возросли амплитуды напряжений: изменились ориентации главных осей напряжений и их группирование в наклонном крыле океанской литосферы. В то же время, в собственно океаническом слое литосферы, распределение напряжений для рассмотренных вариантов граничных условий (4.4) и (4.5) остается примерно одинаковым. Для области контакта континентальной и океанской плит характерно наличие "надвиговых" напряжений. Если учесть, что, на основании теории Навье-Кулона, угол падения составляет 25 , то, как следует из рис.5.4в, здесь должны иметь место субгоризонтальные надвиги. Возможно, этот механизм может быть привлечен для объяснения образования аккреционных призм. Далее в сторону океана ориентация главных осей напряжений наиболее благоприятна для образования более крутых, взбросовых дислокаций. Полученные результаты, рис.5.4а,б,в, показывают, что в океанской плите напряжения группируются в отдельные области, каждая из которых характеризуется одинаковым направлением главных осей. Переход от одной области к другой сопровождается уменьшением амплитуд напряжений, в результате чего возникают так называемые "сейсмические окна", которые хорошо видны на разрезах Курило-Камчатской сейсмофокальной зоны (Тараканов, Ким Чун Ун, Сухомлинова, 1977), рис.5.5. Для того чтобы избежать влияния искусственно созданных границ, была рассмотрена задача о полубесконечной области, содержащей локализованные плотностные неоднородности. Вязкость среды считалась постоянной. Это ограничение, как следует из полученных результатов, является серьезным, но не критическим. Зато оно позволяет воспользоваться аналитическими решениями (гл.4, п.1). Применение аналитических решений для изучения механического состояния тектоносферы Тихоокеанского Пояса позволяет изучить разрезы с произвольным распределением плотности в среде. С помощью аналитических решений было рассмотрено механическое состояние модели стыка "океанского" и "континентального" блоков, рис.3.14. На рис.5.6а приводятся результаты, относящиеся к рассматриваемой модели. Здесь видно, что возникает циркуляционное движение вещества от "океана" к
"континенту". Максимальные значения скорости для вязкости 1022 Па-с порядка 1 см/год. Полученные значения мгновенных скоростей, около 1 см/год, позволяют оценить время жизни неоднородностей в несколько миллионов лет. В то же время Тихоокеанский активный пояс как область стыка "континентальной" и "океанической" областей имеет сложную и длительную геологическую историю. Настоящее противоречие, возможно, связано с тем, что при расчетах была взята довольно низкая вязкость блоков, равная 1022Па-с, в то время как, согласно термомеханическому моделированию, (гл.З), вязкость должна быть здесь больше 1024 Па-с. Увеличение вязкости всего на два порядка дает характерное время жизни неоднородностей, равное нескольким сотням миллионов лет. Область стыка блоков характеризуется повышенными значениями касательных деформаций, рис.5.6а. В континентальном блоке наблюдается горизонтальное растяжение, рис.5.66. Это напоминает состояние растяжения литосферы Тихоокеанской окраины Азии, что говорит о возможном механизме образования окраинных морей Тихоокеанского Пояса. Из условия несжимаемости следует, что єх=-є2, т.е. областям горизонтального растяжения (сжатия) отвечают области вертикального сжатия (растяжения). Сопоставление этой картины с результатами, полученными численным методом, рис.5.4а,б,в, указывает на их фундаментальный характер, на то, что подобно распределение напряжений присуще всей области Тихоокеанского Пояса.
