Введение к работе
Актуальность работы.
Одной из важнейших задач современной геодинамики является выяснение механизмов образования и эволюции осадочных бассейнов. Постоянное внимание многих ученых к этой проблеме обусловлено, помимо ее большой научной значимости, соображениями прикладного характера, так как с осадочными бассейнами связаны основные нефтегазовые запасы и другие ресурсы Земли. В течение последних двух десятилетий на западе ведутся интенсивные исследования осадочных бассейнов с помощью моделирования (напр., Haxby et al., 1976; McKenzie, 1978; Royden and Keen, 1980; Beaumont et al., 1982; Wernicke, 1985; Kusznir et al., 1987; Braun and Beaumont, 1989, 1995; Cloetingh and Kooi, 1992; Hamdani et al., 1994; van Wees and Cloetingh, 1994; Mitrovicaet al., 1996). Оно служит эффективным средством при изучении истории тектонического погружения и обеспечивает основу при интерпретации региональной геодинамики.
В 1978 г. Д. МакКензи предложил простую модель образования осадочных бассейнов, состоящую в растяжении литосферы и ее последующем охлаждении. В течение некоторого времени эта модель была парадигмой в исследовании бассейнов. Вместе с тем эта модель и ряд ее модификаций (напр., Royden and Keen, 1980; Wernicke, 1985; Kusznir et a/., 1987; Reston, 1990) не всегда объясняли значительные отклонения между предполагаемыми и наблюдаемыми растяжением, утонением и погружением земной кори, как, например, в случае с Североморским (Ziegler, 1990) или Днепровско-Донецким (Lobkovsky et al., 1996) бассейнами. Отсюда возникала необходимость появления альтернативной модели формирования и эволюции бассейнов, которая могла бы объяснить, с одной стороны, быстрые и значительные погружения бассейнов при малом (порой незначительном) растяжении литосферы и коры, и с другой стороны, современные геолого геофизические наблюдения.
Кроме того, большинство численных моделей эволюции бассейнов основаны главным образом на упругой реологии. Между тем, совершенно очевидно, что в тех интервалах времени, в которых происходит развитие бассейнов, литосфера
не ведет себя как упругая среда. Этот факт необходимо учитывать при моделировании нестационарных геодинамических процессов, в частности, при изучении эволюции бассейнов.
В России до последнего времени количественному моделированию бассейнов не уделялось особого внимания. Однако с начала 90-х годов положение дел изменилось, и начались интенсивные работы в этой области. Более того, изучение осадочных бассейнов и их компьютерное моделирование были включены в программу приоритетных направлений развития наук о Земле РАН. Моделирование бассейнов находит свое достойное место в рамках многих международных проектов, например, EUROPROBE и PERI-THESYS.
Цель работы.
Основной целью исследований было объяснение физических и геологических процессов, ведущих к формированию и эволюции осадочных бассеиыоз ыа основе новых подходов к проблемам региональной геодинамики и количественному моделированию. Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих принципиальных научных задач:
исследовать альтернативные механизмы эволюции осадочных бассейнов;
разработать новые методы вычислений верхнемантийных высоковязких течений с переменными и разрывными параметрами среды;
создать цифровой банк данных по бассейнам России и других стран, включающий данные по разведочным скважинам, сейсмостратиграфическим профилям, палеобатиметрии и гравитационному полю;
разработать количественные дву- и трехмерные модели формирования и эволюции депрессий на поверхности Земли;
провести анализ тектонического погружения осадочных бассейнов и построить сценарии их развития;
построить численные модели эволюции бассейнов Северо-Американской, Восточно-Сибирской и Русской платформ, а также Средиземноморья, адекватно отражающие их историю и современное развитие;
разработать модели эволюции соляных структур осадочных бассейнов;
- исследовать модели погружения древних плит в континентальных регионах
и их влияние на эволюцию осадочных бассейнов и сейсмичность.
Научная новизна
Предлагаемая к защите работа является первым междисциплинарным исследованием эволюции внутриконтинентальных осадочных бассейнов на основе имеющихся и новых геолого-геофизических данных и новых численных моделей и алгоритмов. Все приведенные в заключении результаты исследований являются оригинальными. На основе полученных результатов можно сформулировать основные защищаемые положения:
Предложена новая модель погружения земной коры и образования осадочных бассейнов в результате мантийных течений, наведенных эклогитизацией магматических неэффузивных пород в верхах мантии.
Предложены новые методы вычислений медленных течений в мантии с переменными и разрывными физическими параметрами среды. Разработаны алгоритмы расчетов таких течений для одно- и многопроцессорных вычислительных комплексов.
С помощью разработанной методики вычислений построены новые численные модели формирования и эволюции нескольких внутриконтинентальных осадочных бассейнов мира.
Поставленные задачи, развитая теория и методология междисциплинарного исследования являются по существу новым научным направлением: численное моделирование геодинамических процессов образования и эволюции осадочных бассейнов.
Теоретическая и практическая значимость.
Хотя работа носит теоретический характер, се результаты имеют как теоретическую, так и практическую значимость. Одним из важных результатов проведенной работы является разработка теории и методики междисциплинарного исследования эволюции осадочных бассейнов: от геолого-геофизических наблюдений к созданию цифровых баз данных, затем, анализ тектонического по-
гружения и построение качественных геодинамических схем развития региона, далее, разработка численных алгоритмов расчета и количественное моделирование эволюции бассейнов, и, наконец, совместная интерпретация результатов численных расчетов и наблюдений. Бесспорным перспективным направлением является применение этой методики при изучении осадочных бассейнов мира. Данная методика может войти в учебные курсы по моделированию геодинамических процессов.
Разработанные в рамках данной работы методы вычислений вязких течений среды с переменными и разрывными значениями физических параметров могут применяться во многих задачах геофизической и геологической гидродинамики.
Ряд результатов работы, связанных с численным моделированием тектонического погружения бассейнов, значимы в области нефтяной геологии, так как восстанавливают положение фундамента и мощность осадочного чехла в последовательные моменты времени. Зная тепловую историю региона, можно на основе полученных результатов о погружении давать прогноз на нефтегазоносность региона.
Одним из результатов работы, имеющим практическое значение, является создание цифрового банка данных по нескольким бассейнам России и Италии.
Методика исследования.
Для достижения цели работы в диссертации применяются как математические (метод Галеркина, метод Рунге-Кутта, аппроксимация кубическими сплайнами), так и геологические методы (метод палеореконструкции фундамента бассейна). Основной метод исследования задач, рассмотренных в диссертации, - численный. Это обусловлено тем, что не существуют (во всяком случае, автору не известны) точные аналитические решения двумерных (трехмерных) задач о медленных движениях вязкой несжимаемой жидкости с переменными плотностью и вязкостью, моделирующих поведение верхней мантии.
В процессе работы использовались алгоритмы расчета и программы, построенные Б.М. Наймарком, которые были усовершенствованы автором диссертации и приспособлены для решения поставленных задач. Пакет программ был подго-
товлен для расчетов на одно- и многопроцессорных вычислительных комплексах. Для проведения анализа тектонического погружения был разработан численный алгоритм и подготовлен пакет программ, позволяющий вводить, редактировать и хранить данные по осадочным бассейнам и осуществлять численный анализ погружения.
Апробация работы.
Основные положения и отдельные разделы работы неоднократно обсуждались на семинарах Международного Института Теории Прогноза Землетрясений и Математической Геофизики РАН, а также на Общемосковском семинаре по теоретической физике (под руководством акад. В.Л. Гинзбурга), семинарах Института наук о Земле Уппсальского Университета (Швеция), Центра параллельных компьютеров Королевского института технологий г. Стокгольма (Швеция), департамента геоэкологии Триестского Университета (Италия), Института наук о Земле Университета г. Майнца (Германия).
Результаты, изложенные в диссертации, докладывались на рабочих совещаниях по внутриплитовой тектонике и динамике бассейнов (Амстердам, 1992; Лидс, 1995); на международных симпозиумах: XXVII Генеральной Ассамблеи Международной Ассоциации по сейсмологии и физике недр Земли (Веллингтон, 1994), XXI Генеральной Ассамблеи Международного Союза Геодезии и Геофизики (Боулдер, 1995), XIX, XXI и XXII Генеральных Ассамблей Европейского Геофизического Сообщества (Гренобль, 1994; Гаага, 1996; Вена, 1997), Американского Геофизического Союза (Балтимор, 1994; Сан Франциско, 1996), 5-ой Международной конференции по тектонике плит (Москва, 1995), XXX Международного Геологического конгресса (Пекин, 1996).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 25 печатных работ, в том числе 10 статей в ведущих российских и зарубежных журналах, 4 препринта и 11 тезисов докладов. Список работ представлен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, разбитых на секции, и заключения. Секции, в свою очередь, разбиты