 |
Тектоническое общество России
|
|
О.П.
Полянский
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
А) Геометрия модели
Б) Реология
Рис.
1 Постановка задачи о сдвиговых деформациях литосферы с наличием
разломов.
Вертикальные компоненты напряжений подчиняются условию изостазии. Используется приближение Буссинеска о несжимаемости в уравнении сохранения массы:
В уравнении теплопроводности не учитываются нестационарные и конвективные члены и латеральный перенос тепла. Теплофизические свойства коры и литосферной мантии предполагаются различными. Температура находится из аналитического решения о распространении тепла в двуслойной литосфере:
где n={1,
2} соответствует коре и мантии, z - вертикальная координата
в слое, hn - толщина слоя, остальные значения параметров из
уравнений (1-9) приведены в таблице.
Реология. Применяемый подход допускает существование трех типов реологического поведения вещества. В верхней части корового и мантийного слоев хрупкая реология определяется законом трения Кулона-Мора:
Коэффициент трения f в уравнении (4) задается различным на поверхностях существующих разломов и в объёме cреды. Вязкая реология описывается температурно-контролируемой, нелинейной ползучестью:
где II - второй инвариант тензора скоростей деформаций. Идеальная установившаяся пластичность описывается условием Треска для максимального сдвигового напряжения:
Глубина перехода хрупких в вязко-пластические деформации зависит от локальной геотермы, скорости деформаций и вида напряженного состояния и определяется из условия равенства дифференциальных напряжений при хрупкой и вязко-пластичной реологии в коре и верхней мантии. Результирующим напряжением на данной глубине будет минимальное из возможных:
Параметры модели, их диапазоны изменения и размерные единицы приведены в таблице 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 пород (кварц - доминирующий минерал) и мантийных оливин-содержащих пород [10]. Экспериментально доказано, что нагретая нижняя часть мантии деформируется путем механизма ползучести. Эффективную вязкость нелинейной жидкости согласно (5) можно получить по аналогии с вязкостью Ньютоновой жидкости как
В качестве уравнения состояния использовалось стандартное выражение вида (9), замыкающее описание системы:
Изучение влияния эффективной вязкости на совместную деформацию коры и мантии проводилось в [9] путем перебора значений реологических констант А, n и энергии активации E/nR=B+Cz в степенном законе (5) и коэффициента трения f из уравнения (4) для разломов. Параметры коры и мантии выбирались среди имеющихся лабораторных данных и оценок из анализа некоторых геологических обстановок, таких как разлом Сан-Андреас [8] и аккреционные комплексы Азии [11]. Результаты моделирования. Модельная область охватывает зону действия сдвиговых деформаций. Размеры области составляют 600*600*200 км (по x, y, z координате). Неравномерная сетка конечных элементов состоит из треугольных элементов континуума и криволинейных элементов разломов. Сетка построена таким образом, чтобы ввести в рассмотрение два параллельных разлома, которые активизируются в фазу тектонической активности; их наклон задавался 25, 65 и 90° в разных вариантах модели. Поверхность границы Мохо в целях упрощения принималась плоской при толщине земной коры 30 км. Толщина литосферы составляла 200 км для областей платформ и 100 км под рифтовой зоной, либо была постоянной. Для учета температурной зависимости реологии предполагается доминирующим кондуктивный вертикальный перенос тепла. В качестве граничного условия применяется заданный поверхностный поток тепла (50 мВт/м2). Чтобы исследовать динамику топографии, вызванную вязкими течениями в подстилающей мантии, мы смоделировали тектонические обстановки горизонтального сдвига и совместного сжатия и сдвига. Было проведено большое количество тестов с разными граничными условиями и реологией. Здесь представлены те из них, которые наиболее адекватно объясняют развитие бассейнов типа пул-апарт. На рис. 2 показаны результаты расчетов модели развития бассейна между двумя параллельными не соединяющимися разломами (рис. 2 а, б, в) и около Z-образного разлома (рис. 2 г, д, е). В качестве граничных условий задавалась скорость сдвига 5 мм/год на северной и южной границах области. Две другие противоположные границы оставались свободными в направлении сдвига, либо в обоих направлениях. Результаты приведены в форме полей "мгновенных" скоростей на поверхности литосферы (а, г), распределения скорости утолщения/утонения литосферы (б, д) и полей горизонтальных сдвиговых напряжений, суммированных по толщине литосферы (в, е). Область развития бассейна соответствует зонам, где скорость утолщения литосферы отрицательна (погружение). Форма бассейна будет определяться несколькими факторами: расстоянием между разломами, их падением, реологическими константами коры и литосферной мантии. Из рис. 2, б и 2, д видно, что бассейн принимает форму параллелограмма с наклоном в сторону сдвига. Границы, где скорость утолщения литосферы меняет знак, являются зонами потенциальных разломов в форме сбросов. Кривые потенциальных разломов на картинах сдвиговых деформаций являются продолжениями существующих разломов (рис. 2 в, е) и трассируются зонами максимальных напряжений.
Рис. 2 Модельная форма бассейнов достаточно хорошо совпадают с ромбовидными геологическими структурами и различается по глубинному строению для разных моделей. По результатам моделирования различаются бассейны с двумя раздельными впадинами (рис. 2 б) или единой областью погружения (2 д). В последнем варианте полученную структуру можно трактовать как "грабен в грабене" внутри сдвигового бассейна. Глубина сдвиговых бассейнов оказывается непостоянной: максимальное погружение моделируется в зонах окончания или изгиба разломов. В этих зонах скорость погружения достигает 180-330 м/млн. лет, в то время как в среднем для бассейна она составляет 30-50 м/млн. лет. Так, погружение, связанное со сдвиговыми деформациями в бассейне Мертвого моря составляет не более 66 м/млн. лет в течении неоген-четвертичного периода [2]. Для Тункинского сдвигового рифта скорости погружения составляют по стратиграфическим данным 70-90 м/млн. лет начиная с олигоцена, что также хорошо согласуется с модельными оценками. Тункинский бассейн состоит из двух депрессий (западной и восточной), заполненных кайнозойскими отложениями мощностью 2200 м в западной области и 2800 м - в восточной, разделенных поднятием фундамента [7]. Такая структура пул-апарта, состоящего из двух отдельных впадин, моделируется в варианте нашей модели с двумя смещенными разломами (рис. 2 б). В альтернативном варианте модели с Z-образным разломом имеется два узких, вытянутых вдоль разломов "хребтов", ограничивающих бассейн, известных как "плечи" рифта. В отношении сдвигового бассейна Селтон в Калифорнии модельные оценки средней скорости погружения 100 м/млн.лет на порядок меньше реально наблюдаемых в этой структуре. Максимальные скорости осадконакопления в долине Империал, входящей в структуру трога Селтон, достигают 5500 м / 5 млн. лет = 1100 м/млн. лет [3]. Следует отметить, что горизонтальная скорость сдвига Тихоокеанской плиты относительно Североамериканской по разлому Сан-Андреас составляет 22 мм/год [12], что также на порядок выше, чем фиксируемые скорости по данным GPS в районе Тункинской впадины [13]. Чтобы смоделировать развитие бассейна с быстрым погружением, была проведены расчеты со скоростями сдвига 5 см/год (Рис. 3 А, Б). В этом случае бассейн (показан белым) представляет единую область погружения со скоростью 5-10 мм/год, что на порядок выше, чем в предыдущих моделях. При этом преобладающим характером смещения поверхности является погружение с наличием четырех "куполов" симметрично расположенных поднятий (рис. 3 Б). В этом варианте модели, как и в той, что представлена на рис. 2, отрицательные формы рельефа занимают преобладающую часть области (около 75 %).
Рис. 3 Для того, чтобы изучить инверсию бассейна от погружения к воздыманию мы применили комбинированные граничные условия сжатия-сдвига. На северной и южной границе в этих моделях задавалась скорость сжатия от 0.5 до 5 см/год в разных вариантах модели, а на восточной и западной границах скорость сдвига линейно менялась от -5 до +5 см/год. На рис. 3 В, Г показаны результаты расчетов, когда скорость сжатия (0.5 см/год) на порядок меньше скорости сдвига (5 см/год). Преобладает сдвиг в картине горизонтальных скоростей (рис. 3, В), и утолщение литосферы (показано черным) - в отношении вертикальных скоростей деформации (рис. 3, Г). В центре области образуется бассейн в виде ромба. При увеличении скорости сжатия погружение прекращается, таким образом, инверсия формы рельефа от отрицательной к положительной происходит, кода скорость сжатия больше 0.1 скорости сдвига. При равных значениях этих скоростей воздымание происходит на всей площади поверхности литосферы. В следующем варианте модели сжатие вновь было исключено (северная и южная границы - свободные), и сдвиг задавался на восточной и западной границах в виде ступенчатой (а не линейной как ранее) функции с переменой направления движения плит на границе разломов (рис. 3 Д, Е). Ввиду криволинейной границы двух плит в середине модели осуществляются условия растяжения в направлении восток-запад. В картине поля поверхностных скоростей наблюдается линзовидная структура, с характерной формой "пул-апарт" (рис. 3 Д). Однако, в распределении вертикальных скоростей наблюдается бассейн (показан светлым) в форме рифта, ширина которого контролируется величиной смещения между разломами. Результат этой модели показывает, что для развития сдвиговых бассейнов направление движения плит на их границе, по-видимому, должно меняться непрерывным образом, а не скачкообразно. Из сравнения модели с геологическими данными можно заключить, что впадины типа пул-апарт являются специфическим видом осадочных бассейнов, формирующихся в определенных геодинамических обстановках. Они развиваются в сдвиговой зоне, представляющей трансформную границу двух плит (например, Сибирской - Монгольской, Африканской - Аравийской, Тихоокеанской - Североамериканской). Структура бассейнов определяется геометрией разломов, величиной сдвиговых и сжимающих скоростей и реологией литосферы.
1.
Добрецов Н.Л., Берзин Н.А., Буслов М.М., Ермиков В.Д. // Геология
и геофизика. 1995. Т. 36. ? 10. C. 5-19. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
[Главная]
[О проекте] [Участники]
[Конференции] [Журналы]
[Публикации] [Лекции]
[Курсы] [Атлас]
[Словарь]
[Ссылки] [Soft] [Экспедиции] [Пейзажи] [Связь] |
|
Секретарь проекта В.Г.Владимиров sgt@uiggm.nsc.ru Web-дизайн
Е.А.Бердникова
zheka@petrol.uiggm.nsc.ru |
|
| © RSG SG&T_ 2000 |
|