Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности строения континентальной литосферы 15
1.1. Древние щиты и коллизионные области докембрия 15
1.2. Общие черты и особенности геологического строения и геофизических полей коллизионных надвиговых структур 26
1.3. Реология литосферы и ее роль в процессах орогенного развития 46
1.4. Модели формирования и эволюции коллизионных зон в условиях реологически расслоенной литосферы 58
Глава 2. Постановка задачи формирования и эволюции коллизионных структур путем внутрикратонного надвига в двумерной области 64
2.1. Возможность осуществления крупных надвигов 64
2.2. Физико-математическая постановка задачи термомеханической эволюции литосферы в зоне надвига 68
2.3. Численная постановка задачи и алгоритм решения методом конечных элементов 72
2.4. Геометрия модели деформируемой области, преобразования элементов в процессе численного решения и аппроксимация граничных условий 88
Глава 3. Термомеханическая эволюция и формирование структур континентальной литосферы в зонах глубинных надвигов 95
3.1. Влияние скорости надвига и эрозии на формирование поднятия и изменение мощности коры в условиях горизонтального сокращения литосферы 96
3.2. Роль угла наклона ограничивающей разломной зоны 101
3.3. Оценка влияния вязкости нижней коры и литосферной верхней мантии на формирование и эволюцию корней нижней коры 108
3.4. Особенности теплового режима коллизионных надвиговых структур 112
3.5. Условия постколлизионного развития орогена — возможность сохранения структуры с утолщенной корой в течение длительного геологического времени и посторогенное растяжение 117
Глава 4. Сравнительное изучение внутрикратонных надвиговых структур Анабарского, Балтийского и Канадского щитов на основе численного моделирования 121
4.1. Термомеханическая модель формирования и эволюции струк-турной зоны Капускейсинг провинции Сьюпериор Канадского щита 123
4.2. Термомеханическая модель одной их стадий формирования континентальной коры в окрестности Кольской сверхглубокой скважины (структурная зона Северной Печенги Балтийского щита) 146
4.3. Моделирование стадии коллизии Маганского и Далдынского террейнов Анабарского щита (Котуйканской коллизионной зоны) 166
4.4. Особенности строения зон коллизии, связанные с различием основных геофизических параметров (по результатам числен ного моделирования коллизионных структур) 184
Заключение 187
Литература
- Общие черты и особенности геологического строения и геофизических полей коллизионных надвиговых структур
- Физико-математическая постановка задачи термомеханической эволюции литосферы в зоне надвига
- Роль угла наклона ограничивающей разломной зоны
- Термомеханическая модель одной их стадий формирования континентальной коры в окрестности Кольской сверхглубокой скважины (структурная зона Северной Печенги Балтийского щита)
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Природа глубинных процессов, определяющих эволюцию континентальной коры, представляет собой сложнейшую мультидисциплинарную проблему. Трудности продвижения в этой области связаны с косвенным (опосредованным) характером большей части геолого-геофизических данных, поскольку глубины средней и нижней коры недоступны для прямых исследований. В этом отношении глубоко эродированные области древних щитов (архейских и протерозойских), характеризующиеся выходами на поверхность вы-сокометаморфизованных пород с метками палеодавлений и палеотемператур нижней и средней коры (20-40 км), служат неоценимым источником информации. Выведенные на поверхность породы глубоких слоев, сформировавшиеся в процессе многоэтапной тектонической эволюции, включающей континентальную коллизию, создают основу для геодинамического моделирования возможных процессов эволюции тектоносферы Земли.
Структуры с наблюдаемыми на поверхности породами нижней и средней коры найдены практически во всех частях мира: пояс Лимпопо в южной Африке, Лапландский Гранулитовый пояс Балтийского щита, пояс Пиквито-ней Северной Манитобы, зона Ивреа в северной Италии, Билляхская и Котуй-канская коллизионные зоны Анабарского щита, формация Касила на западе Африки, массив Масгрейв в центральной Австралии, южная кромка кратона Дхарвар на юге Индии, зона Капускейсинг Канадского щита (Божко, 1995; Конди, 1983; Глебовицкий и др., 2001; Тейлор, Мак-Леннан, 1988).
Главным петролого-геохимическим маркером областей коллизии являются гранитоиды, появление которых возможно связано с процессами частичного плавления внутри утолщенной при коллизии коры (Розен, Федоровский, 2001; 2003). Изучение глубинной структуры коры основывается на концепции реологически расслоенной литосферы (Bird, 1989; Ranalli, Murphy, 1987; Willet
5 et al, 1993; Beaumont et al., 1994; Лобковский, 1988). Расслоение коры является
следствием изменения реологических свойств при изменении тектонических условий и температурного режима. Геофизическое понимание термина нижняя кора подразумевает современную картину физических полей, создаваемых глубинными породами, тогда как геохимическое понимание термина нижняя кора определяется составом пород и параметрами метаморфизма независимо от времени их формирования и поддается непосредственному изучению в глубоко эродированных складчатых областях, где эти породы обнажены на поверхности (Розен, 1995). Использование совокупности данных по коллизионным структурам древних щитов (гранулитовых поясов) с целью построения численных моделей их эволюции позволяет приблизиться к пониманию строения нижней коры, возможных путей ее формирования и последовательности тектонических событий, приводящих к современной картине физических полей, наблюдаемых в пределах указанных структур.
Цель работы заключается в исследовании эволюции теплового режима и механических деформаций, происходящих в реологически расслоенной континентальной литосфере в условиях коллизии и формирования глубоко эродированных надвиговых структур докембрия.
Данная проблема охватывает довольно широкий круг задач, которые последовательно решались в процессе исследования:
анализ геолого-геофизических и геохимических данных по архейским и протерозойским коллизионным структурам и обоснование роли тектоно-термальной активизации как одного из определяющих механизмов в формировании и эволюции континентальной коры и литосферы гранулитовых комплексов;
физико-математическая постановка задачи термомеханической эволюции реологически расслоенной литосферы, формирующейся путем внутрикра-тонного надвига;
численная постановка задачи и алгоритм решения методом конечных элементов;
аппроксимация граничных условий с учетом особенностей распределения нагрузки над зоной надвига и деформации элементов и границ моделируемой области в процессе численного решения;
построение численных моделей различных коллизионных орогенов и определение допустимых диапазонов значений определяющих физических параметров;
изучение влияния скорости и продолжительности надвига и скорости эрозии на формирование поднятия, его топографию и увеличение мощности коры под поднятием в условиях горизонтального сокращения литосферы;
оценка роли угла наклона ограничивающей разломной зоны в формировании структуры с углубленной границей нижней коры;
изучение влияния вязкости вещества нижней коры и литосферной верхней мантии на формирование и эволюцию корней нижней коры;
оценка условий постколлизионного развития орогена в связи с возможностью либо сохранения структуры с утолщенной корой в течение длительного геологического времени, либо посторогенного растяжения;
построение термомеханической модели формирования и эволюции структурной надвиговой зоны Капускейсинг провинции Сьюпериор Канадского щита;
сравнительный анализ общих черт и особенностей внутрикратонных коллизионных структур Анабарского, Балтийского и Канадского щитов на основе численного моделирования.
Методика исследования и личный вклад автора. Основные результаты, полученные в работе, базируются на анализе численных двумерных моделей, описывающих тепловую и механическую эволюцию коллизионных орач генов. Методом конечных элементов решалась полная система уравнений сохранения момента, массы и энергии. На основе опубликованных в книге
7 {Reddy, 1984) алгоритмов автором разработаны программы расчетов полей
температур, скоростей и напряжений в деформируемой среде с учетом неоднородного распределения основных физических параметров среды, внутренних источников тепла и меняющихся во времени граничных условий. Выбор метода конечных элементов обусловлен особенностями задачи и обоснован в данном исследовании. При написании программ были использованы основные структурные элементы программы FEM2D {Reddy, 1984). Автором разработан квазистационарный подход к решению задачи (система уравнений неразрыв-ности и сохранения момента), выполнена численная реализация граничных условий смешанного типа на границах произвольной формы, написаны подпрограммы, реализующие изменение во времени дополнительной нагрузки над зоной надвига и ее перераспределение в процессе эрозии поднятых покровов и переотложения эродированного материала в виде осадков. Программа расчетов эволюции теплового поля написана для реально деформированной сетки (в процессе решения динамической задачи формируются массивы данных, которые используются как входные данные в тепловой задаче) с учетом внутренних распределенных источников тепла, изменения тепловых параметров модели по слоям и движения слоя верхней коры в процессе надвига. Постановка задачи, выбор объектов исследования, численное моделирование выполнены автором. Интерпретация результатов по структурной зоне Капускейсинг Канадского щита выполнена совместно с Ж.-К. Марешалем (Университет Квебек, Монреаль, Канада).
Научная новизна полученных автором результатов определяется следующими положениями.
1. Построена новая двумерная комплексная модель тепловой и механической эволюции зон континентальной коллизии, которая осуществляется в виде надвига вдоль разлома в верхней коре и компенсируется вязкими течениями в реологически расслоенной литосфере.
Предложен и реализован численно на основе метода конечных элементов новый подход к расчету полей температур, скоростей и напряжений с учетом внутренних распределенных источников тепла и реальных деформаций границ континентальной коры.
На основе разработанных численных моделей проведен комплексный анализ влияния факторов, определяющих формирование коллизионной структуры с поднятием рельефа и углублением корней коры в результате горизонтального сжатия и дополнительной нагрузки над областью надвига: скорости и продолжительности горизонтального сокращения коры (надвига), значений вязкости нижней коры и литосферной верхней мантии и их контраста, величины угла ограничивающего разлома и скорости эрозии образовавшихся покровов.
Впервые приведены оценки возможности сохранения существующих неустойчивых структур с корнями нижней коры на постколлизионной стадии в течение 1-2 млрд. лет и показана их зависимость от основных параметров задачи.
Впервые проведен сравнительный анализ общих черт и особенностей докембрийских внутрикратонных коллизионных структур Анабарского, Балтийского и Канадского щитов на основе выполненного численного моделирования.
Впервые на основе результатов численного моделирования показана зависимость P-T-t условий и, соответственно, режима метаморфизма от положения глубинных пород относительно плоскости надвига.
Защищаемые научные положения.
1. Разработанная модель конвергенции двух относительно легких континентальных плит, одна из которых надвигается на другую, формируя корни на уровне нижней коры, которые компенсируются вязкими деформациями в области нижней коры и верхней мантии, представляет приемлемый механизм, объясняющий возникновение областей с утолщенной корой и выведенными на
9 поверхность в результате надвига и эрозии породами средней и частично нижней коры.
2. Определяющая роль в реализации коллизии по механизму надвига
принадлежит основным параметрам тепловой и механической задач: скорости
горизонтального сокращения коры (надвига), значениям вязкости нижней ко
ры и литосферной верхней мантии и их контрасту, величине угла ограничи
вающего надвиг разлома, скорости эрозии образовавшихся покровов и значе
ниям тепловых параметров слоев.
В рамках полученных оценок диапазона параметров модели возможно формирование структур с наблюдаемым современным строением, прогрессивно возрастающим уровнем метаморфизма на поверхности вдоль разлома и особенностями геофизических полей (гравитационного, магнитного, теплового).
На основе предположения о реологической расслоенности литосферы предложена модель, описывающая динамику мощности коры в зонах континентальной коллизии и образование орогенов; из результатов моделирования следует, что вязкие течения играют определяющую роль в передаче движущих сил на значительные расстояния.
На примере структурной зоны Капускейсинг провинции Сьюпериор Канадского щита показано, что существует достаточно узкий диапазон температур, совместимых с относительно низкой вязкостью нижней коры, допускающей формирование структуры с корнями, и относительно высокой вязкостью верхней мантии, позволяющей их сохранить.
Научное и практическое значение
Рассмотренная модель континентальной коллизии позволила с единых позиций подойти к изучению как общих закономерностей, так и региональных особенностей эволюции докембрийской континентальной литосферы. Результаты работы могут быть использованы для вычисления полей скоростей, вязких напряжений и распределения температуры в областях, испытавших гори-
10 зонтальное сжатие в различные геологические эпохи, в том числе и более молодых. Анализ результатов численного моделирования по разработанным алгоритмам позволит понять дальнейшую эволюцию коллизионных орогенов, в частности, возможность сохранения корней коры или посторогенного растяжения.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работ по теме диссертации докладывались автором на региональной конференции "Геотермия и ее применение в региональных и поисково-разведочных исследованиях" (Свердловск, 1989), на Ш рабочем Совещании по проекту LITHOPROBE (Торонто, Канада, 1991), на Международном совещании "Новые достижения в области геотермических исследований в скважинах" (Клейн-Корис, Германия, 1993), XXI Генеральной Ассамблее IUGG (Болдер, Колорадо, США, 1995), XXI - XXVII Генеральных Ассамблеях EGS (Гаага, Нидерланды, 1996, 1999; Вена, Австрия, 1997; Ницца, Франция, 1998, 2000, 2001, 2002), Международных конференциях "Тепловое поле Земли и методы его изучения" (Москва, 1997, 1998, 2000, 2002), Международных совещаниях "Heat flow and the structure of the lithosphere" (Трест, Чешская Республика, 1996; Костелец, Чешская Республика, 2001), Международной конференции "Протерозойская эволюция Северной Атлантики" (Лабрадор, Канада, 1996), ХХЖ Генеральной Ассамблее IASPEI (Салоники, Греция, 1997), Международном совещании "Геотермика на рубеже столетий" (Эвора, Португалия, 2000), VII чтениях Заварицкого "Постколлизионная эволюция подвижных поясов" (Екатеринбург, 2001), секции "Тепловое поле Земли и методы его изучения" VI Международной конференции "Новые идеи в науках о Земле" (Москва, 2003), Объединенной Ассамблее EGS-AGU-EUG (Ницца, Франция, 2003), на международной конференции "Structures in the continental crust and geothermal resources" (Сиена, Италия, 2003).
Работа по теме диссертации поддержана грантами РФФИ 96-05-65561, 97-05-65975,00-05-64723,03-05-64451.
11 Основные результаты работы изложены в двух научных отчетах, по теме
диссертации опубликовано 40 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения; содержит 245 страниц текста, включая 66 рисунков, 4 таблицы. Список использованной литературы содержит 280 наименований.
Работа построена следующим образом.
Первая глава носит постановочный характер. В этой главе приводится анализ комплексных геологических, геохимических и геофизических данных о строении коллизионных областей докембрия, рассматриваются как их общие характерные черты, так и особенности современного строения, полученные на основе данных по гравитационным, магнитным, тепловым полям и сейсмических исследований. Рассмотрена концепция реологической расслоенности литосферы применительно к ее роли в процессе формирования надвиговых структур, обосновано использование приближения ньютоновской реологии в постановке данной задачи. Проанализированы различные модели коллизионных структур и изложена история вопроса.
Во второй главе содержится постановка задачи формирования и эволюции континентальных коллизионных структур, образованых в процессе надвига. В начале главы проанализирован комплекс данных и оценок, позволяющих сделать вывод о возможности осуществления крупных надвигов. Затем приводится физико-математическая постановка задачи тепловой и динамической эволюции глубинных надвиговых зон. Численная постановка включает дискретизацию области на конечные элементы с учетом особенностей строения области и граничных условий, меняющихся во времени. Проведена процедура выбора оптимального способа перехода к безразмерным параметрам ввиду очень широкого разброса их возможных значений. Приведены вариационные формулировки исходных уравнений, алгоритм метода конечных элементов для
рассматриваемой задачи и особенности перестроения сетки в области надвига и в ее окрестности.
Основное содержание третей главы составляет исследование влияния различных параметров задачи и исходных данных на процесс формирования, эволюции и постколлизионного развития надвиговых зон. Рассмотрено влияние скорости надвига и эрозии на формирование и топографию поверхности поднятия, а также на возможность образования структуры с корнями нижней коры. Обоснована определяющая роль денудации в процессе появления на поверхности глубинных пород, поднятых в результате надвига. Определена роль угла заглубления ограничивающего разлома, по которому осуществляется надвиг, в формировании топографии коровых границ, приведена оценка влияния вязкости нижней коры и литосферной верхней мантии на формирование и дальнейшее развитие корней нижней коры. Приведены результаты расчетов Р-T-t путей в зависимости от основных параметров задачи и определены их особенности при различном положении глубинных пород относительно плоскости разлома и поднадвиговой поверхности.
Показана определяющая роль комплекса всех перечисленных параметров в реализации коллизии по механизму надвига и даны оценки возможного диапазона параметров модели, которые могли бы привести к формированию структур с наблюдаемым современным строением и особенностями геофизических полей. Приводятся некоторые оценки возможных дальнейших путей эволюции коллизионных орогенов, в частности, обоснован диапазон значений температур и совместимых с ними значений вязкости нижней коры и литосферной верхней мантии, при которых возможно сохранение структуры с утолщенной корой в ходе последующей вязкой релаксации.
Четвертая глава посвящена сравнительному анализу формирования и эволюции структур, испытавших горизонтальное сжатие и надвиг, на основе рассмотренных в первой главе общих черт и особенностей геологического строения и различных полей коллизионных структур. Для протерозойских
13 структур коллизионного типа характерны значительные неоднородности в
распределении скоростей сейсмических волн, явно выраженная расслоенность с аномально высокой плотностью и углублением фундамента структуры под зоной надвига, которая проявляется положительной гравитационной аномалией, наблюдаемой вдоль этих зон. Кроме того, эти области имеют характерную метаморфическую зональность с прогрессивно возрастающим уровнем палео-давлений и палеотемператур по направлению к ограничивающему разлому зоны надвига. Однотипные аномалии наблюдаемых геофизических полей в зонах коллизии позволяют прийти к выводу, что эти области могут быть принципиально описаны одним процессом и представлены качественно одной эволюционной моделью. Особенности их формирования и современного строения могут быть объяснены различием в некоторых параметрах или исходных данных процесса надвига.
В первом параграфе данной главы детально описана термомеханическая модель формирования и эволюции зоны Капускейсинг провинции Сьюпериор Канадского щита как наиболее комплексно изученной надвиговой структуры докембрия. Далее, во втором и третьем параграфах главы сравниваются модели и сценарии, разработанные для других геологических объектов - зоны надвига вдоль Лучломпольского разлома Северной Печенги в окрестности Кольской сверхглубокой скважины, а также Котуйканской коллизионной зоны сочленения Маганского и Далдынского террейнов Анабарского щита. Показано, с какими особенностями в строении этих областей могут быть связаны основные параметры модельных расчетов и приведен сравнительный анализ результатов моделирования.
В четвертом параграфе рассматриваются особенности строения зон коллизии, связанные с различием основных геофизических параметров, и возможность их объяснения на основе вариации параметров проведенного численного моделирования.
В Заключении формулируются основные результаты работы и выводы.
Пршюоїсение содержит программную реализацию расчетов полей скоростей и напряжений (динамической модели) на языке FORTRAN. Приведенный текст программы является иллюстрацией одной из основных составляющих частей решения задачи. Он содержит подпрограммы, реализующие автоматическое построение сетки по заданным начальным условиям, учет внутренних распределенных источников тепла, процедуру расчетов дополнительной нагрузки на верхней поверхности в результате выведения пород вдоль надвига и ее перераспределение из-за денудации, а также часть графических подпрограмм, выполненных с использованием пакета PLOT88.
Работа выполнена в лаборатории теоретической геофизики Института физики Земли им О.Ю. Шмидта РАН. Автор считает своим приятным долгом выразить особую благодарность научному консультанту работы, чл.-корр. РАН, профессору А.О. Глико за постоянное внимание и поддержку, консультации и советы, которые помогли в работе над рукописью.
Автор выражает искреннюю благодарность Ж.-К. Марешалю, профессору Университета Квебек, Канада, соавтору первых работ по теме диссертации, по приглашению которого автор работала в Канаде в 1989, 1991 и 1993 гг. по проекту Lithoprobe. Свою признательность автор хотел бы выразить своему университетскому учителю в области численных методов академику РАН А. А. Самарскому. Автор считает своим долгом вспомнить с глубокой благодарностью профессора Е.А. Любимову, под руководством которой автор начинала свою работу в области геофизических исследований.
Общие черты и особенности геологического строения и геофизических полей коллизионных надвиговых структур
Коллизионные зоны являются ярко выраженными структурными элементами, так как аномалии геофизических полей прослеживаются по протяженности на несколько сотен километров при ширине в десятки километров ("Грану-литовые...", 1991; Розен, 1995). Гранулиты архейских и протерозойских поясов проявляются как аномальный объект во всех наблюдаемых геофизических полях. И связано это с тем, что формирование и эволюция земной коры различных геологических провинций в окрестности главного разлома, по которому происходит надвиг и поднятие верхнего слоя, принципиально могут быть описаны одним процессом и представлены качественно одной картиной. На примере слегка измененной схемы из работы (Fountain, Salisbury, 1981) можно показать один из возможных механизмов континентальной коллизии (рис. 1.5). В ходе неизбежной коллизии двух континентов, приближающихся друг к другу (рис. 1.5а), пассивная окраина частично погружается, а верхняя кора активной окраины надвигается вверх; последующие поднятие и эрозия приведут к обнажению на поверхности в области А (рис. 1.56) пород нижней коры с указанным стрелкой возрастанием степени метаморфизма в направлении разлома вдоль поверхности надвинутого блока.
Породы таких комплексов характеризуются повышенными значениями плотности. Например, лапландские гранулиты имеют плотность 2.76-2.84 г/см3 при плотности обрамляющих их гранитогнейсов 2.62-2.72 г/см3, что находит отражение в гравитационном поле в виде положительного максимума над гранулитами ("Гранулитовые ...", 1991; Elo et al., 1989). Для Анабарского щита гравитационные максимумы связаны с Далдынским (Уоранским) блоком с повышенной плотностью до 2.89 г/см3 и верхнеанабарской серией с плотностью 2.8 г/см3. Переход от амфиболитовой к гранулитовой фации в струк турной зоне Капускейсинг Канадского щита приводит к увеличению плотности от 2.7 до 2.82 г/см (Percival, 1986) и появлению ярко выраженной положительной гравитационной аномалии до 60 мГал (Percival, West, 1994). Возможно, возрастание плотности связано также с быстрым уплотнением пород основного состава в нижней коре при инфильтрации из астеносферы малого объема водосодержащего флюида, приводящего одновременно к резкому понижению прочности литосферы (эффект Ребиндера), что облегчает процесс сжатия литосферы и приводит к значительным деформациям (Артюшков, 2001; Аг tyushkov et al, 2000).
Поднятие вдоль зоны надвига пород более плотной нижней коры и погружение менее плотного материала верхней коры под действием дополнительной нагрузки порождает характерные гравитационные аномалии, наблюдаемые вдоль этих зон и отражающие углубляющийся фундамент структуры. На рис. 1.6 приведены аномалии гравитационного поля для 5 протерозойских коллизионных зон, представленных на рис. 1.4, сравнительный анализ которых проведен в статье {Fountain, Salisbury, 1981). При этом первая кривая (а) показывает вариант расчета гравитационного поля для расслоенной структуры с плотностями 2.7, 3.0 и 3.2 г/см3 пород верхней и нижней коры и мантии соответственно. Сигмовидная аномалия Буге имеет ярко выраженный максимум, смещенный примерно на 20 км от разлома. Такая характерная картина является результатом наложения обширной отрицательной аномалии, сформированной корнями с низкой плотностью, и меньшей по протяженности положительной аномалии, вызванной присутствием более плотных пород нижней коры под поверхностью. Точное очертание аномалии Буге, очевидно, будет зависеть от контрастов плотности, мощностей слоев и угла наклона ограничивающего разлома. Некоторые отклонения от теоретической кривой будут присутствовать в случае, если конкретные области на различных континентах будут иметь различное распределение плотности с глубиной.
Основной отличительной чертой структур, сформированных в коллизионных зонах по механизму надвига, является характерная метаморфическая зональность. В качестве основных фаций метаморфизма, определяемых Р-Т условиями, в исследованиях архейских поясов обычно принимают следующие 4 (Глебовицкий, 1973; Конди, 1983; "Природа ...", 1967; "Фации ...", 1974).
Физико-математическая постановка задачи термомеханической эволюции литосферы в зоне надвига
На рис. 2.1 показана геометрия двумерной модели литосферы, используемой для постановки задачи и численного решения. Вязкие течения в нижней коре и литосферной верхней мантии (эта область обозначена сплошными линиями) компенсируют горизонтальное сокращение, дополнительную нагрузку и эрозию в области надвига (верхняя кора отмечена штриховыми линиями).
Для моделирования вязких течений на глубинах нижней коры и литосферной верхней мантии методом конечных элементов уравнения движения и неразрывности для двухслойной несжимаемой вязкой жидкости решались в приближении ньютоновской реологии: ju,V2u-WP -/ /g = 0 Vu = 0. С ;
Здесь Р - давление, и - вектор скорости, р — плотность, [л — эффективная кинематическая вязкость, g - ускорение силы тяжести. Индексы z = 1,2 соответствуют веществу нижней коры и литосферной верхней мантии. Расчеты поля температур выполнялись для всей области, включая верхнюю кору некоторой заданной мощности (і = 3 на рис. 2.1), на подвижной сетке, которая деформировалась в ходе надвига, дополнительной нагрузки, эрозии и вязких течений. Основное внимание уделялось изучению влияния величины вязкости, продолжительности и скорости сокращения и эрозии, которые могли привести к значительным горизонтальным неоднородностям мощности коры и поверхностного рельефа.
В данной модели деформации жесткой верхней коры рассматриваются лишь в общем виде: надвиг, дополнительная нагрузка и ее перераспределение (эрозия и осадконакопление) не включаются непосредственно в механические расчеты, а используются в качестве граничных условий для вязких течений. Горизонтальное сокращение моделируется движущейся левой вертикальной границей и условием прилипания слева от разлома, где верхняя и нижняя кора движутся с одинаковой скоростью (движение без проскальзывания) u = (w0,0).
Таким образом, горизонтальная скорость движения верхней границы равна скорости движения верхней коры слева от разлома и равна нулю справа от разлома. Нормальная составляющая силы, действующей на верхнюю границу рассматриваемой области, имеет неравномерное распределение из-за латеральных вариаций в распределении массы материала верхней коры в результате надвига и эрозии. В правой части модели, включающей область надвига, эффект нагрузки учтен в граничном условии, когда нормальное напряжение равно литостатиче-скому давлению, создаваемому весом вышележащих пород.
На правой границе использовались два типа граничных условий - либо жестко фиксированная граница (u = (0,0)), либо открытая для течения вещества в направлении нормали к границе, т.е. вертикальная составляющая скорости v = О при заданной нормальной компоненте напряжений, равной литостатическому давлению на данной глубине. Нилсняя граница литосферы может отклоняться как из-за влияния горизонтального сокращения коры, так и в результате воздействия дополнительной нагрузки в предположении, что подстилающая астеносфера является существенно менее вязкой, чем литосфера. Поэтому на нижней границе литосферы предполагается выполненным условие литостатического равновесия (т.е. нормальное напряжение полагается постоянным и равным литостатическому давлению на данной глубине в отсутствие дополнительной нагрузки). Тангенциальное напряжение равно нулю, т.е. выполнено условие горизонтального проскальзывания.
Следовательно, граничные условия, определяемые этими допущениями, можно суммировать следующим образом. На левой границе задана скорость горизонтального сокращения и = (г/о,0). На верхней границе, слева от разлома, задана та же скорость и = (г/о,0). На верхней границе, справа от разлома, горизонтальное смещение отсутствует, вертикальное смещение определяется нормальным напряжением, т.е. u = 0, ол-Р\{х), где а - тензор напряжений, п - единичный вектор, задающий нормальное направление границы, Pi - литостатическое давление, создаваемое весом пород верхней коры, включая дополнительную нагрузку.
На правой границе задано либо условие жестко фиксированной границы u = (0,0), либо условие границы, свободной в направлении нормали v = 0, ст = Рг(у)г где Рг - литостатическое давление. На нижней границе определены обе компоненты напряжения on = Ръ =const, crt = 0, (2.5) где t - единичный вектор, задающий касательное направление на нижней границе, Рз - литостатическое давление на данной глубине в отсутствие нагрузки.
Тепловые расчеты были выполнены для всей области, включая верхнюю кору с зоной надвига. Уравнение сохранения энергии для случая обобщенных лагранжевых координат (сетка привязана к движущейся материальной точке) формулируется как уравнение теплопроводности без инерционного члена, который содержится в полной производной по времени: сіРі -=ЛУТ+Ні, (2.6) а где с - удельная теплоемкость, Л — коэффициент теплопроводности, Н — скорость генерации тепла. Индексы соответствуют слоям с различными тепловыми свойствами: / = 1 - нижней коре, / = 2 - верхней мантии, / = 3 - верхней коре. Предполагается, что начальное состояние коры и литосферы определяется как состояние теплового равновесия при постоянных температуре поверхности Т = 0 С и температуре в основании литосферы Т = 1200 С. Вертикальные границы теплоизолированы (тепловой поток равен нулю). На границах слоев с различными теплофизическими свойствами выполнено условие непрерывности температуры. В качестве значений генерации тепла выбраны средние величины для пород, характерные для архейских режимов соответствующих областей. Значения соответствующих параметров и величин, входящих в уравнения (2.4)-(2.6), будут приведены в следующих главах для конкретных изучаемых структур.
Роль угла наклона ограничивающей разломной зоны
Одной из основных задач построения численных эволюционных моделей надвиговых зон является определение допустимого диапазона параметров, определяющих деформацию области под действием одновременно горизон 102 тальных сжимающих напряжений и перераспределения нагрузки на верхней границе из-за надвига и эрозии. В современной структуре областей, испытавших сжатие, по данным сейсмических исследований, сохраняются корни коры глубиной от нескольких километров до 10-15 км как, например, в структурной зоне Капускейсинг (см. рис. 1.156, 4.3а). Данные МОВ в южной части поднятия Капускейсинг выявили сложную зону полого падающих отражающих поверхностей и слоев с высокой скоростью - до 6.6 - 6.8 км/с.
На рис. 3.4 показаны сейсмический и сейсмогеологический разрезы участка сверхглубокого бурения СГ-3. Важной особенностью скоростной характеристики пород печенгскои серии является инверсия скорости, отмечаемая на глубине 4.7 км, в области перехода к лучломпольской свите, в породах которой скорости продольных волн понижаются до значений 5.6 км/с ("Сейсмогеоло-гическая ...", 1997). Столь низкие значения скоростей (вышележащие породы имеют Vp = 7.0 км/с) объясняются залеганием в зоне Лучломпольского разлома осадочных пород, что является еще одним свидетельством в пользу надвиговой природы образования Печенгскои структуры.
Данные сейсмических и сейсмогеологических разрезов по надвиговым структурам приводят к выводу о существовании высокоскоростной аномалии, углубляющейся с некоторым углом под поверхность до глубин 12 - 20 км. Эта зона интерпретируется как поверхность раздела, вдоль которого в результате тектонического надвига в позднем архее или в раннем протерозое произошло поднятие путем надвига слоя пород примерно такой же мощности. Углы падения ограничивающих надвиг разломов лежат в диапазоне 15 - 40. Для зоны Капускейсинг этот угол определяется величиной 15±2, для Печенгскои структуры он составляет примерно 30, для Анабарского щита по данным существующих сейсмических профилей его можно определить как 30 - 35.
На качественном уровне влияние этого параметра до некоторой степени очевидно. Более крутой угол падения при прочих равных условиях приведет к формированию поднятия на поверхности и углубления коровых границ с более высокой амплитудой при меньшей протяженности. Кроме того, для выведения на поверхность фрагмента коры определенной мощности в условиях более крутого угла падения потребуется меньшее горизонтальное сокращение коры. Условия формирования поднятия подробно рассмотрены в разделе 2.4 - при выходе на поверхность фрагмента коры мощностью h он занимает поверхность h -ctg а.
Рассмотрим два варианта надвига с углами заглубления ограничивающего разлома а = 15 и 30. На рис. 3.5 показаны деформация сетки расчетной области и топография поверхностного рельефа и коровых границ. Из рисунков следует явное различие результатов процесса надвига в условиях отличающихся углов. Рис. 3.5а демонстрирует изменения строения области в момент осуществления половины сокращения коры, рис. 3.56 - в момент завершения надвига (величина угла показана над каждым рисунком).
Для более детального сравнения результатов рассмотрим поведение границ в ходе надвига. На рис. 3.6 показано изменение положения основных границ и поверхностей в результате надвигов вдоль разломов с углами падения а = 15 и 30 (сплошная и штриховая линии соответственно). Моменты времени соответствуют приведенным на рис. 3.5. Высота поднятия поверхности в момент завершения надвига в случае а = 30 почти вдвое превышает высоту рельефа для а = 15 и имеет вид горного сооружения. Таким образом, величина утла падения разлома, вдоль которого происходит надвиг при коллизии континентальной коры, играет определяющую роль в формировании топографии коровых границ и рельефа поверхности. Кроме того, этот параметр влияет на распределение дополнительной нагрузки из-за надвига. Его значение изменяется в процессе надвига, но в постколлизионную стадию топография границ
Рассмотрение условий реологической расслоенности литосферы (раздел 1.3) приводит к выводу о том, что в условиях температур и давлений, характерных для нижней коры и верхней мантии, породы могут деформироваться вязким образом в масштабе времени порядка 1 млн. лет. При этом нижняя кора является слабым слоем, ограниченным сверху переходом от хрупкого поведения к пластичному и снизу - изменением состава на границе Мохо (Brace, Kohlstedt, 1980; Carter, Tsenn, 1987).
Результаты относительно недавних реологических исследований образцов нижней коры (один из них - из архейской области Пиквитоней провинции Сьюпериор, второй - непосредственно из зоны Капускейсинг) подтверждают выводы о том, что граница Мохо является в определенном смысле и реологической границей и что нижняя кора является реологически более слабым слоем, чем литосферная мантия. Максимальные условия метаморфизма для этих образцов (Р-Т -условия) оцениваются величинами 640 МПа, 630 - 750С и 600 - 800 МПа, 800 - 1000С соответственно (Wilks, Carter, 1990). Для гранулитов области Пиквитоней (провинция Сьюпериор) Вилке и Картер (1990) оценили значения физических параметров, определяющих ползучесть s = Acr"Qxp{-H/RT} (3.1) следующими величинами: п = 4.2, A = 1.4-104 МПа с"1, Н =445 кДж-моль"1. Аналогичные значения получены для образцов пород гранулитового состава из структурной зоны Капускейсинг. Изучение ползучести дунита, который может иметь реологию, аналогичную реологии литосферной мантии, позволило Посту (Post, 1977) определить следующие значения параметров в соотношении (3.1): п = 3.0, А = 4.3 -102 MnaV, Я = 527 кДж.моль"1.
Термомеханическая модель одной их стадий формирования континентальной коры в окрестности Кольской сверхглубокой скважины (структурная зона Северной Печенги Балтийского щита)
Балтийский (Фенноскандинавский) щит - один из наиболее древних элементов земной коры, сохраняющий строение в течение по меньшей мере последних полутора миллиардов лет. Лапландско-Печенгский район (север Балтийского щита) является частью наиболее древней Кольско-Лапландско-Карельской провинции. В структурно-тектоническом отношении он представляет собой северную часть Лапландско-Кольско-Беломорского коллизиона, или Кольско-Карельского орогена (рис. 1.11, 4.11) и содержит фрагменты практически всех крупных структур Кольской субпровинции - Мурманского, Кольского, Инарского и Беломорского терреинов, гранулитового Лапландского и раннепротерозойского Печенга-Варзугского поясов. Этот регион в силу своей консервативности стал объектом всестороннего международного изучения физических параметров кристаллического комплекса земной коры, истории формирования и глубинного строения древней континентальной земной коры. В пределах северо-запада Кольского полуострова и смежных территорий Норвегии и Финляндии представлен широкий набор раннедокембрийских комплексов, которые сформировались в интервале 2.9-1.7 млрд. лет, испытали неоднократное воздействие магматических и метаморфических процессов и превратились в уникальную систему тектонических структур (Gorbatschev, Bogdanova, 1993; "Сейсмогеологическая ..." 1997; "Кольская ..." 1984,1998).
Северная и северо-восточная части Балтийского щита (Карельско-Кольско-Лапландская провинция) представляют не только чисто научный интерес. Эта область является одной из богатейших металлогенических провинций Европы и мира: архейские месторождения железистых кварцитов, протерозойские основные-ультраосновные и щелочные ультраосновные массивы с месторождениями никеля, меди, железа, тантала, ниобия и флогопита, урановые, свинцово-цинковые и золоторудное рудопроявления, а также девонские месторождения апатита и редких металлов (рис. 1.11). Печенгский рудный район, где сосредоточены крупные месторождения сульфидных медно-никелевых руд, стал еще более уникальным регионом для научных исследований в связи с проходкой Кольской сверхглубокой скважины. Комплексное геолого-геофизическое изучение кернового материала, околоскважинного пространства, самой Печенгской структуры, а также эктраполяция по площади уникальных данных бурения СГ-3 с помощью детальных сейсмических исследований позволили разработать глубинную сейсмогеологическую модель литосферы северной части Балтийского щита ("Строение литосферы Балтийского щита", 1993; "Сейсмогеологическая модель литосферы Северной Европы: Ла-пландско-Печенгский район", 1997; "Кольская сверхглубокая", 1998). Комплексный подход позволил выявить новые детали глубинного строения земной коры Печенгского региона, уточнить ее вещественный состав, структуру и скоростной разрез, увязать наблюдаемые геофизические поля с особенностями вещественного состава глубоких слоев коры, вскрытых в разрезе скважины СГ-3.
За 70-летний период исследований Лапландско-Печенгского региона интерпретация геолого-геофизических данных и реконструкция геотектонического и геодинамического режимов формирования коры претерпели серьезные изменения вместе с появлением новых геофизических данных, а также в связи со сменой геологических концепций.
В монографии "Кольская сверхглубокая" (1984) B.C. Ланевым и М.С. Русановым развивается идея о Печенгской структуре как грабен-синклинали, господствовавшая с 60-х годов. Согласно этим представлениям, Северная Печенга характеризуется прежде всего сравнительно пологим центроклинальным падением горизонтов в южном направлении (рис. 4.12,а). Основываясь преимущественно на геохимических особенностях вулканогенных оснований, вскрытых Кольской скважиной, А.А. Кременецкий и Л.Н. Овчинников (1986) нашли дополнительные обоснования рифтогенной природы Печенгско-Варзугского пояса, предложенной в работе Е.Е. Милановского (1976). Наличие внутренней складчатости Печенгской и Имандра-Варзугской зон объяснялось сменой режима растяжения режимом сжатия.
В 1978 г. на основе изучения южного крыла Печенги И.А. Резанов и др. пришли к выводу о перевернутом залегании тех же пород, что и в северном крыле. По их мнению, Печенгская структура представляет собой асимметричный синклинорий в зоне карельской складчатости. Ядро синклинали погружено на 25 км, а ее южное крыло запрокинуто и надвинуто на северное крыло (рис. 4.126).
В последние два десятилетия для геодинамической реконструкции северной части Балтийского щита стали широко применяться модели, основанные на концепции тектоники литосферных плит. Две из них рассматривают одновременно формирование Печенгско-Варзугского и Лапландского гранулитово-го поясов. В модели (Barbey et al., 1984) вслед за образованием рифта (2.4-2.0 млрд. лет) наступает стадия субдукции Карельской плиты под Кольскую с образованием Инари-Кольского кратона на рубеже 2.0 млрд. лет. Этот этап завершается коллизией (1.9 млрд. лет) Кольского и Карельского блоков, в процессе которой происходит образование Лапландских гранулитов. Формирование Печенгской структуры происходило, по мнению авторов, по механизму континентального рифта, значительно деформированного затем в обстановке сжатия в период 1.9-2.0 млрд. лет.
