Автор: Коптев Александр Игоревич
Название работы: Напряженное состояние литосферы Земли по результатам моделирования
|
Присвоенная ученая степень: кандидат геолого-минералогических наук
Специальность: 25.00.03 - Геотектоника и геодинамика
Классификационный индекс:
Ведущая организация: Институт Океанологии им.П.П.Ширшова РАН
Руководитель:
доктор геолого-минералогических наук Гончаров Михаил Адрианович ;
Оппонент:
доктор геолого-минералогических наук Костюченко Сергей Леонидович;
доктор физико-математических наук Родкин Михаил Владимирович ;
Место защиты: ауд. 415, геологический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова
Дата защиты: 2011-10-28 14:30
Издательство: Москва
Количество страниц: 181
Язык: русский
Содержание работы:
Общая характеристика работы.
Глава 1. Моделирование напряжений в литосфере Земли: Современное состояние проблемы .
Глава. 2. Методика расчета поля напряжений.
Глава 3. Свойства литосферы и движущие силы тектоники плит.
Глава 4. Результаты глобального моделирования.
Глава 5. Результаты регионального моделирования.
Заключение.
Список работ, опубликованных по теме диссертации.
|
Реферат:
Актуальность работы. В качестве главных источников современного поля напряжений в литосфере Земли обычно рассматривают три типа сил: силы разности гравитационного потенциала,
или обобщенные топографические силы (силы, вызванные рельефом и плотностными неоднородностями внутри литосферы), силы затягивания в зонах субдукции (силы, связанные с погружением
океанической литосферной плиты), силы мантийных течений (силы, вызванные воздействием на литосферу течений вещества под ее основанием вследствие конвекции в мантии). На современном
этапе исследований относительной роли этих сил в формировании напря-жений наметилось некоторое противоречие между результатами регио-нального и глобального моделирования.
Результаты региональных ра-бот в большинстве своем указывает на преобладающую роль сил разности гравитационного потенциала (Richardson, Reding, 1991; Coblentz, Sandiford,
1994; Sandiford et al., 1995; Coblentz et al., 1995, 1998; Coblentz, Richardson, 1996; Reynolds et al., 2002), а глобальных наоборот, на доминирование сил мантийных течений
(Bird, 1998; Lithgow-Bertelloni, Guynn, 2004). Для решения этого противоречия необходимо глобальное моделирование, в рамках которого с высокой степенью детальности и с учетом
большого количества исходной информации произведена оценка сил гравитационных неоднородностей, а также выполнен расчет поля напряжений, возникающих вследствие действия этих
сил. Помимо этого целесообразно провести и региональное моделирование, которое за счет своей большей детальности позволяет зафиксировать особенности моделируемых полей, не
заметные при более грубом разрешении. Производительная мощность современной вычислительной техники позволяет в разумные сроки произвести соответствующие расчеты, а опубликованные
данные получить необходимую для этих расчетов входную информацию. Сравнение результатов расчетов с фактическими данными становится все более эффективным способом оценки
качества моделей в связи с ростом количества замеров литосферных напряжений.
Моделирование напряженного состояния литосферы Земли является крайне важной задачей, позволяющей приблизится к правильному пониманию относительной роли движущих сил тектоники
плит.
Цель работы: оценка роли сил разности гравитационного потенциала в формировании современного распределения напряжений в литосфере Земли с помощью численного моделирования.
Степень соответствия полученного таким образом модельного поля напряжений данным "Мировой Карты Напряжений" (Heidbach et al., 2008) позволяет оценить величину вклада сил разности
гравитационного потенциала в существующее в литосфере распределение напряжений. Если уровень совпадения рассчитанных и наблюдаемых данных низкий, то роль обобщенных топографических
сил в образовании поля напряжений незначительная. Если же соответствие между модельным и фактическим распределениями удовлетворительное, то силы, вызванные плотностными неоднородностями
в литосфере, можно считать доминирующими с точки зрения формирования современного напряженного состояния.
Исходя из сказанного выше, достижение поставленной цели предпо-лагает решение следующих основных задач:
1. Разработка алгоритма для расчета распределения напряжений (трехмерного, двумерного на плоскости и двумерного на сферической поверхности) и его реализация в действующем
программном коде;
2. Построение трехмерной модели распределения температур и плотностей в литосфере Земли с использованием имеющихся данных по топографии, структуре земной коры, возрасте океанического
дна, гравитационным аномалиям, температуре на поверхности Земли;
3. Количественная оценка сил разности гравитационного потенциала (обобщенных топографических сил) на базе рассчитанной температурно-плотностной модели литосферы;
4. Расчет модельных полей напряжений в литосфере Земли при различных граничных условиях и параметрах среды и сопоставление полученных распределений с фактическими данными
по напряженному состоянию в литосфере Земли (или с результатами визуальной и/или статистической обработки этих данных);
5. Расчет региональных моделей распределений напряжений и порожденных этими напряжениями литосферных складок упругого изгиба.
Фактический материал. В качестве исходных в настоящей работе были использованы следующие имеющиеся в свободном доступе данные:
1. цифровая модель рельефа ETOPO5 (National Geophysical Data Center, 1988);
2. структурно-вещественный состав земной коры по данным гло-бальной модели CRUST 2.0 (Bassin et al., 2000; Mooney et al., 1998) и модели для Европейского региона EuCRUST-07
(Tesauro et al., 2008);
3. гравитационные аномалии (гравитационная модель EGM96 (Le-moine et al., 1998));
4. возраст океанического дна (Muller et al., 1997);
5. распределение среднегодовых температур на поверхности Земли (Leemans et al., 1991; Lieth et al., 1972);
6. положение и геотектонический тип границ литосферных плит (Bird, 2003);
7. современное напряженное состояние литосферы по данным меж-дународного исследовательского проекта "Мировая Карта Напряже-ний" (World Stress Map, WSM) (Zoback et al., 1989;
Zoback, Zoback, 1989; Zoback, Zoback, 1991; Zoback, 1992; Heidbach et al., 2004; Heidbach et al., 2007; Heidbach et al., 2008).
Научная новизна работы:
1. Для расчетов глобальных и региональных полей напряжений предложен оригинальный алгоритм количественной оценки распределения напряжений в трехмерном и двумерном (на плоскости
и на сфере) пространстве, который основан на методе конечных объемов с использованием явной консервативной численной схемы в Лагранжевых координатах;
2. При расчетах распределения температур в литосфере Земли была введена изостатическая поправка, позволяющая снизить степень влияния на итоговый результат таких факторов как
нестационарность теплового режима, неточность знаний о величине поверхностного теплового потока, коэффициента теплопроводности и параметров, определяющих теплогенерацию пород;
3. На основании рассчитанного распределения температур получена глобальная модель термальной мощности литосферы Земли (разница между абсолютной отметкой изотермы 1300oС и
дневной поверхностью);
4. Рассчитана глобальная модель распределения напряжений, возникающих в результате действия обобщенных топографических сил, вычисленных с использованием широкого спектра входных
данных;
5. На примере глобальной модели показана существенная роль сил разности гравитационного потенциала в формировании современного поля напряжений;
6. Показана реальность модели упругого изгиба литосферы, возникающего вследствие действия тектонических напряжений, для объяснения быстрого плиоцен-четвертичного погружения
Восточно-Черноморской и Южно-Каспийской впадин.
Практическое значение работы:
1. Предложенная методология и технология моделирования полей напряжений может быть использована для изучения катастрофических событий, непосредственно связанных с напряженно-деформированным
состоянием литосферы, с учетом дополнительной информации о входных параметрах расчетов для конкретных сейсмоопасных территорий;
2. Данные глобального и регионального моделирования поля напряжений могут быть использованы в качестве граничных условий при построении более детальных трехмерных моделей
околоскважинного пространства, разрабатываемых месторождений углеводородов, горных выработок (карьеров, шахт) и пр.;
3. Разработанные алгоритмы и методики представляют собой полезный вычислительный инструмент для построения моделей напряженного состояния.
ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1. Разработан и реализован в программном коде "Earth Stresses" оригинальный алгоритм расчета поля напряжений, основанный на методе конечных объемов с использованием явной
консервативной численной схемы в Лагранжевых координатах, в трехмерном и двумерном (на плоскости и на сфере) пространстве;
2. Предложена методика и выполнен расчет термальной мощности литосферы Земли, в которой нашли свое отражение все главные тектонические структуры земной коры и литосферы;
3. Поле напряжений, рассчитанное как результат действия сил разности гравитационного потенциала, в главных своих особенностях соответствует современному напряженному состоянию
литосферы Земли;
4. Быстрое плиоцен-четвертичное погружение Восточно-Черноморского и Южно-Каспийского бассейна может быть объяснено в рамках модели упругого изгиба литосферы, возникающего
в результате воздействия тектонических напряжений.
Публикации и апробация работы. Основные положения и разделы диссертации опубликованы в 18 работах, в том числе в 3 статьях в реферируемых журналах. Результаты исследований
докладывались на конференциях и совещаниях различного уровня: XLIII Международном Тектоническом совещании "Тектоника и геодинамика складчатых поясов и платформ фанерозоя"
(Москва, 2010); международной конференции, посвященной памяти В.Е. Хаина "Современное состояние наук о Земле" (Москва, 2011); Международной конференции студентов, аспирантов
и молодых ученых "Ломоносов" (Москва, 2009; Москва, 2010; Москва, 2011); российской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной "Году Планеты Земля" "Планета
Земля: актуальные вопросы геологии глазами молодых ученых" (Москва, 2009); международной конференции, посвященной "Мировой Карте Напряжений" (Потсдам, Германия, 2008); Генеральной
Ассамблее Европейского Союза Наук о Земле (Вена, Австрия, 2010); Ежегодной европейской конференции Американской Ассоциации Нефтяных Геологов (Киев, 2010).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. Она имеет объем 181 страницу, включая 115 иллюстраций и 1 таблицу. Список использованной
литературы включает 161 название.
Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность доценту кафедры региональной геологии и истории Земли геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, кандидату геол.-мин.
наук Андрею Викторовичу Ершову за постоянные консультации и помощь на всех этапах выполнения данной работы; доценту кафедры динамической геологии геологического факультета
МГУ им. М.В. Ломоносова, кандидату физ.-мат. наук Владимиру Сергеевичу Захарову за продуктивное сотрудничество при написании работы; главному научному сотруднику ИФЗ им. О.Ю.
Шмидта РАН, доктору физ.-мат. наук Шамилю Ахмедовичу Мухамедиеву за плодотворные дискуссии и замечания, высказанные при рецензировании статьи по теме работы; доценту кафедры
региональной геологии и истории Земли геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, кандидату геол.-мин. наук Максиму Валерьевичу Коротаеву за внимание и поддержку.
Также хочется поблагодарить заведующего кафедрой динамической геологии, профессора, доктора геол.-мин. наук Николая Владимировича Короновского и заведующего кафедрой региональной
геологии и истории Земли, профессора, доктора геол.-мин. наук Анатолия Михайловича Никишина за постоянное благожелательное внимание к работе.
Выражаю признательность моему научному руководителю, заведующему лабораторией тектонофизики и геотектоники им. В.В. Белоусова кафедры динамической геологии, доктору геол.-мин.
наук Михаилу Адриановичу Гончарову за всестороннюю поддержку при подготовке работы.
Особая благодарность моему первому наставнику Всеволоду Николаевичу Вадковскому, открывшему мне дорогу в мир науки.
В заключение хочу выразить благодарность всем сотрудникам кафедры динамической геологии и кафедры региональной геологии и истории Земли геологического факультета МГУ, которые
всегда очень доброжелательно относились ко мне и моим исследованиям.
|
Библиография:
Статьи в периодических изданиях (перечень ВАК) 1. Коптев А.И., Ершов А.В. Роль гравитационного потенциала литосферы в формировании глобального поля напряжений. // Физика Земли. 2010. 12. с. 66-81. 2. Коптев А.И., Ершов А.В. Термальная мощность литосферы: численная модель. // Вестник Московского Университета. Сер.4. Геология. 2011. 5. с. 62-79. 3. Коптев А.И., Ершов А.В. Численное моделирование термального состояния литосферы, распределения внутриплитных напряжений и литосферных складок в Черноморско-Кавказско-Каспийском регионе. // Бюллетень МОИП. Отд. геологии. 2011. т.86. вып.5. с. 3-11. Тезисы докладов и материалы конференций 4. Коптев А.И. Компьютерная модель напряженного состояния в литосфере Земли. // Материалы XLIII Тектонического совещания Тектоника и геодинамика складчатых поясов и платформ фанерозоя". Москва, МГУ, 2-5 февраля 2010 г., т.1, 356-359 с. 5. Коптев А.И. Математическое моделирование напряженного состояния в литосфере Земли. // Материалы российской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной Году Планеты Земля" "Планета Земля: актуальные вопросы геологии глазами молодых ученых". Москва, МГУ, 6-7 апреля 2009 г., т.1, 47-52 с. 6. Коптев А.И. Математическое моделирование поля напряжений в Индо-Австралийской плите. // Материалы XXI молодежной научной конференции, посвященной памяти члена-корреспондента АН СССР К.О. Кратца. Санкт-Петербург, 18-25 октября 2010 г., т.1, 12-15 с. 7. Коптев А.И. Моделирование напряжений и деформаций в литосфере Земли. // Материалы докладов XVI Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов", Секция "Геология". Москва, МГУ, 15-16 апреля 2009 г. 8. Коптев А.И. Численное моделирование литосферных напряжений и складок в Индийском океане. // Материалы Международного молодежного научного форума "Ломоносов-2010", Секция "Геология". Москва, МГУ, 12-15 апреля 2010 г. 9. Коптев А.И. Численное моделирование распределения напряжений в Европе. // Материалы Международного молодежного научного форума "Ломоносов-2011", Секция "Геология". Москва, МГУ, 11-15 апреля 2011 г. 10. Коптев А.И., Ершов А.В. Количественная модель термальной мощности литосферы Земли. // Тезисы международной конференции, посвященной памяти В.Е. Хаина "Современное состояние наук о Земле". Москва, МГУ, 1-4 февраля 2011 г. 11. Коптев А.И., Ершов А.В. Моделирование поля напряжений и литосферных складок в Черноморско-Кавказско-Каспийском регионе. // Тезисы международной конференции, посвященной памяти В.Е. Хаина "Современное состояние наук о Земле". Москва, МГУ, 1-4 февраля 2011 г. 12. Коптев А.И., Ершов А.В. Структура литосферы и распределение напряжений в Европейском регионе. // Тезисы международной конференции, посвященной памяти В.Е. Хаина "Современное состояние наук о Земле". Москва, МГУ, 1-4 февраля 2011 г. 13. Ershov A., Koptev A. Origination of lithosphere folds as a result of stress field reorganization. // 3rd World Stress Map Conference. Potsdam, 15-17 October 2008, P. 64. 14. Ershov A., Brunet M.-F., Koptev A., Nikishin A. Meso-Cenozoic tectonic history and modelling of the Eastern Black Sea - Western Caucasus and Forecaucasus region. // AAPG European Region Annual Conference. Kiev, Ukraine, 17-19 October 2010. 15. Koptev A. Global model of stress field in the Earths lithosphere based on numerical solution of the forces balance equation. // 1st students international geological conference. Krakow, Poland, 16-19 April 2010, P. 25. 16. Koptev A., Ershov A. Modelling of global lithospheric stress field on the spherical Earth. // 3rd World Stress Map Conference. Potsdam, 15-17 October 2008, P. 77. 17. Koptev A., Ershov A. Modelling of the stress field and buckling in the Black Sea-Caucasus-Caspian region. // AAPG European Region Annual Conference. Kiev, Ukraine, 17-19 October 2010. 18. Koptev A., Ershov A., Levchenko O. Numerical modeling of lithospheric stress field and buckling in the Indian ocean. // EGU General Assembly 2010. Vienna, Austria, 02-07 May 2010, Vol.12, EGU2010-14199, 2010.
|
|
