Введение Актуальность проблемы. Природа глубинных процессов, определяющих эволюцию континентальной коры,

Введение
Введение
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 ai, 1993; Beaumont et ah, 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;
6
- 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 ороч 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.
8
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. Впервые проведен сравнительный анализ общих черт и особенностей докембрийских
внутрикратонных коллизионных структур Анабарского, Балтийского и Канадского щитов
на основе выполненного численного моделирования.
6. 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 коры и литосферной верхней
мантии и их контрасту, величине угла ограничивающего надвиг разлома, скорости эрозии
образовавшихся покровов и значениям тепловых параметров слоев.
3. 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).
4. 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.
5. 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 гори10
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),
XXIX 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, 97-05-65975,00-0564723,03-05-64451.
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 физикоматематическая 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
12
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.
14
Пршюэ/сеиие 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.
15
Глава 1. Особенности строения континентальной литосферы
Геофизические исследования играют все большую роль в выяснении фундаментальных
вопросов структурного развития континентальной коры и понимания природы
деформационных процессов. В данной главе рассматриваются геологические,
геофизические и геохимические данные о строении и эволюции древних докембрийских
провинций и областей континентальной коллизии. Особенности геофизических полей и
структуры литосферы в областях тектоно-термальной переработки дают основание
полагать, что процессы коллизии и горизонтального сокращения литосферы происходили
во многих областях земной коры по однотипному механизму в обстановке
тангенциального сжатия и привели в ходе последующей эрозии к обнажению на
поверхности пород вплоть до средней и нижней коры. Таким образом, глубоко
эродированные области древних щитов позволяют изучать породы, сформировавшиеся на
глубинах 20-40 км. Их многоэтапная тектоническая эволюция отражена в
метаморфических преобразованиях. Рассматриваются возможные модели формирования и
эволюции континентальных коллизионных структур в условиях реологически
расслоенной литосферы.
1.1. Древние щиты и коллизионные области докембрия
Архейские образования, т.е. породы с возрастом более 2.5 млрд. лет, обнажаются на
относительно небольших площадях на всех континентах (рис. 1.1). Архейские провинции
имеют площадь от 0.1 до 2.6 млн. км2, в большинстве случаев от 0.25 до 0.5 млн. км2, и
имеют возраст от 3.8 до 2.5 млрд. лет (Кояди, 1983). Гранит-зеленокаменная ассоциация
представлена супракрустальными толщами преимущественно основных вулканитов и
наиболее широко распространена в архейских провинциях Северной Америки, Южной
Африки и
180е
180е
Рис. 1.1. Главнейшие пояса тектоно-термальной переработки
1-4- возраст главной тектоно-термальной переработки: 1 - архейский, 2 раннепротерозойский, 3 - рифейский, 4 - вендско-кембрийский. Цифры на схеме - пояса: 1
- Черчилл, 2 - Гренвиллский, 3 - Свеконорвежский, 4 - Лапландский, 5 - Беломорский, 6 Шарыжалгайский, 7 - Становой, 8 - Северо-Китайский, 9 - Атлантический, 10 - ЛивийскоНигерийский, 11 - Мозамбикский, 12 -Лимпопо, 13-Намаква, 14 - Восточно-Готский, 15Олбэни Фрэзер, 16-Масгрейв, 17-Аранта, 18-Антарктический
О\
17
Австралии. Менее распространена ассоциация высокометаморфизованных пород,
представленная гранулитовыми комплексами Центральной и Северной Африки, северозапада Европы и России. Увеличение степени метаморфизма пород и тектонические
нарушения обычно наблюдаются в протерозойских мобильных поясах, которые
представляют собой зоны орогенеза и метаморфизма и окружают или рассекают
большинство архейских провинций (Конди, 1983; Божко, 1995; Fountain, Salisbury, 1981).
Выведенные на поверхность породы глубоких слоев вплоть до средней и нижней коры
дают важнейшую информацию как для изучения глубинного строения недр, так и для
геодинамического моделирования возможных процессов эволюции тектоносферы Земли.
Данные геолого-геохимического и геофизического изучения этих поясов предоставляют
материал, необходимый для построения их геодинамических моделей. Структуры с
наблюдаемыми на поверхности породами нижней и средней коры найдены практически
во всех частях мира: пояс Лимпопо в южной Африке, Мозамбикский фронт
Центральноафри-канской провинции, Лапландский Гранулитовый пояс Балтийского
щита, Бил-ляхская и Котуйканская коллизионные зоны Анабарского щита, пояс Пиквитоней Северной Манитобы, зона Ивреа в северной Италии, формация Касила на западе
Африки, массив Масгрейв в центральной Австралии, южная кромка кра-тона Дхарвар на
юге Индии, зона Капускейсинг провинции Сьюпериор Канадского щита и др. {Божко,
1995; Конди, 1983; Глебовицкий и др., 2001; Тейлор, Мак-Ленная, 1988).
Главными геотектоническими элементами континентальной коры в докембрии являлись
гранит-зеленокаменные и гранулитовые области и пояса тек-тоно-термальной
переработки. Сложная геологическая история докембрийских областей включает периоды
собственно их формирования, деформаций, метаморфизма и плутонизма (Розен, 1995;
Anhaeusser et al., 1969; Goodwin et al.9 1972). Некоторые особенности этой сложной
геологической истории являются общими для всех периодов и отражаются как в строении
гранитСписок литературы