Напряженное состояние литосферы Земли по результатам моделирования

Общая характеристика работы.

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 1300^oС 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.