The layered tectonics and mathematical modeling of geodynamic setting of the Fergana depression (Uzbekistan)

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Высокая концентрация плотностных неоднородностей и резкие изменения мощности земной коры указывают на то, что в этих местах происходили или происходят тектонические движения, сопровождаемые разрушением земной коры [30, 31]. Структуры, где происходят современные тектонические движения, плотностные неоднородности в земной коре, можно считать тектоническими структурами, а границы между ними являются переходными зонами, где различия физических свойств достигают максимальных значений. Действие силы тяжести в структурах скольжения типа глубинных разломов становятся важным фактором.

Однако очаги землетрясений земной коры Ферганской депрессии по сейсмологическим данным не всегда коррелируют с границами плотностных неоднородностей. Другая особенность Ферганской депрессии состоит в том, что, находясь в условиях близмеридианного сжатия, она имеет рифтовый характер, свойственный зонам растяжения.

Н.А. Яблонская [31], придерживаясь идеи Э. Аргана [3] о многоярусной тектонике, установила наличие нескольких горизонтальных уровней срыва на глубинах до 5 км. На основе распределения сейсмичности в вертикальном разрезе была рассмотрена автономность развития верхней части земной коры относительно ее более глубоких слоев.

Многоярусная тектоника допускает перемещение не только по астеносфере, но и по поверхности Мохо и границе Конрада. Для исследования нефтегазоносности Сурхандарьинской мегасинклинали Узбекистана мы ранее проводили численное моделирование процессов складкообразования на основе многоярусной тектоники плит [1]. Однако в регионе Сурхандарьинской мегасинклинали мы применяли напряжения сжатия для исследования взбросовых движений, считая кайнозойские, мезозойские и палеозойские слои зонально однородными, но отличающимися друг от друга физическими параметрами [1].

В развитие многоярусной тектоники было принято представление о влиянии упругопластического деформирования на более глубокие слои земной коры, при котором горизонтальная расслоенность литосферы увеличивается от древних платформ к молодым платформам и далее — к складчатым областям коры [18, 19, 32, 35, 36]. Аналогичный характер расслоенности свойственен вертикальной раздробленности литосферы.

В периоды изменения геодинамической обстановки горизонтальные движения часто сменяются вертикальными движениями, при которых происходит изостатическое выравнивание литосферы.

Однако Ферганская депрессия является рифтовой впадиной и здесь сбросовые движения наличествуют, поскольку по реологическим свойствам силикатов в разных Р‒Т условиях и из-за особенностей теплового потока одиночный рифт континентальной литосферы более пластичен.

Е.Е. Милановский с соавт. [21] полагают, что при региональном сжатии литосферы возможны как сбросовые, так и взбросовые движения.

Учитывая важность проблемы современной активной тектоники, мы решили построить математическую модель для одной из характерных профилей Ферганской депрессии для выяснения взаимоотношения глубинного строения бассейна на основе механики сплошных сред.

С этой целью мы провели анализ сейсмических данных, глубинного плотностного строения, современных тектонических движений, некоторых продольных и поперечных профилей территории. При проведении тектонического анализа был использован картографический метод, который позволяет соотносить разномасштабные карты, отражающие глубинное строение. Также был применен способ декомпозиции, позволяющий замену некоторых элементов использованных карт и схем на более современные.

ГЕОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СЛОЕВ ЗЕМНОЙ КОРЫ ФЕРГАНСКОЙ ВПАДИНЫ

Геодинамика Ферганской впадины, как и Западно-Тянь-Шаньской микроплиты, обусловлена коллизионными процессами в зоне взаимодействия Южного Тянь-Шаня и Памирской дуги. Одной из главных форм современной геодинамической активности является сейсмичность.

От 838 года н.э. и до наших дней в пределах Ферганской впадины и сопредельных территориях возникли более 90 землетрясений с магнитудой М ≥ 4.5 и из них:

• 13 землетрясений (М ≥ 6.0);
• 44 землетрясения (5.9 ≥ М ≥ 5.0);
• 33 землетрясения 4.9 ≥М ≥ 4.5.

Практически все землетрясения возникали в зонах динамического влияния активных разломов [3, 7‒10, 12, 13].

Ширина зоны влияния активных разломов варьирует в зависимости от ее длины.

Если разлом выражен в палеозойских породах, то учитываются следы воздействия разлома, симметрично по обе стороны разлома — по полосам интенсивного деформирования и дробления пород, повышенной трещиноватости и по другим параметрам.

В кайнозойских отложениях Ферганской впадины эти параметры дополняются результатами дешифрирования аэро- и космоснимков и топографических карт, анализом гидросети и геоморфологических элементов [11, 37].

Также использовались сейсмодислокации, выявленные по результатам макросейсмического изучения эпицентральных зон сильных землетрясений, и макросейсмические параметры, такие как [12–17, 33, 34]:

• пространственные размеры первой изосейсты;
• морфологические данные активных разломов с учетом глубины их проникновения;
• данные о сильных землетрясениях, являющиеся убедительными доказательствами связи землетрясений с активными разломами.

Для выявления тенденции современных движений имеются новейшие, молодые и современные движения и составленные карты современных вертикальных движений тектонических структур Средней Азии [33]. Карты дополнены нами сетью активных разломов [4]. Совместный анализ сейсмичности и неотектоники показал, что для горного обрамления Ферганской впадины характерны положительные скорости современных вертикальных движений (от +2 до +10 мм/год), а для самой Ферганской впадины — отрицательные скорости (от –2 до –10 мм/год).

Разломы, разделяющие впадину и ее горное обрамление, характеризуются напряженным состоянием и являются потенциально сейсмоопасными. Наличие напряжений растяжения подтверждают материалы по современному трещинообразованию [33].

В пределах Ферганской впадины участки трещинообразования располагаются в зоне динамического влияния Южно-Ферганской флексурно-разрывной зоны и повторяют ее простирание. Здесь выявлены сжимающиеся и растягивающиеся трещины. Особое значение представляют результаты геодезических измерений. Результаты нивелирования за период 1971‒1974 гг. по линии Ташкумыр–Андижан–Ош показали аномальные отрицательные значения скорости вертикальных движений (–4 6± 9 мм) на отрезке Андижан–Карасу [33].

Данные GPS мониторинга

Следующим важным элементом геодинамики являются материалы высокоточных измерений методами космической геодезии. Было отмечено, что перемещения к северу пунктов GPS, расположенных на Памире, в Северо-Западном Куньлуне и в Тариме, происходят с близкими скоростями 15‒20 мм/год [11, 22, 37]. Это свидетельствует о том, что в настоящее время Памир и Тибет совместно перемещаются в сторону Тянь-Шаня.

В пределах Западного Тянь-Шаня можно выделить несколько районов, отличающихся ориентацией скоростей перемещения. В пунктах наблюдений GPS, расположенных в северо-западной части Таласо‒Ферганского разлома в пределах Чаткало‒Кураминского блока, перемещения направлены на юг.

На юго-западной части Таласо‒Ферганского разлома, в пределах одноименного Таласо-Ферганского блока, перемещения ориентированы на северо-запад. Обе группы направлений подчеркивают современную геодинамическую обстановку в зоне Таласо‒Ферганского правостороннего сброса-сдвига.

Группа пунктов наблюдения GPS, расположенных в пределах Чаткало‒Кураминского регионе, ориентированы в южном направлении и подтверждают более раннее предположение о том, что к западу от Таласо‒Ферганского сдвига на фоне меридионального сжатия происходит выталкивание блоков к западу с левосторонним (против часовой стрелки) вращением блоков.

Скорости, возникающие в пределах южных частей Ферганской впадины и Алайской долины (Южно-Тянь-Шаньский блок), ориентированы субмеридионально. По количеству данных о величине перемещений пункты наблюдений GPS, расположенных в равнинных частях (Ферганская впадина), статистически уступают пунктам GPS, расположенным в горных областях. Таким образом, материалы космической геодезии подтверждают субмеридиональную ориентацию напряжений сжатия, действующих в пределах Западного Тянь-Шаня и связанных, вероятно, с давлением Памирского выступа на Тянь-Шань.

Современные движения микроплит Средней Азии

Земная кора Средней Азии многослойная и имеет в плане блоковое строение [9, 12, 20]. Более стройную форму эти представления получили при разработке геодинамической модели многоярусной тектоники плит [18, 19, 31, 34]. В основу этой модели заложено перемещение плит и блоков как в горизонтальном, так и вертикальном направлениях. Причиной движения микроплит служат, в основном, перемещения крупных плит (Индостанской, Аравийской и др.).

Ферганская впадина находится в зоне столкновении вышеупомянутых плит. Для изучения этих движений мы выбрали десять сейсмопрофилей Ферганской впадины (рис. 1, профили I‒I′ — X‒X′).

 

Рис. 1. Сейсмические профили I‒I′ — X‒X′ для построения плотностных моделей (по данным [23‒26]).

 

Восемь профилей пересекают впадину в поперечном сечении и два профиля — в продольном сечении [22‒25]. Все поперечные профили практически повторяют друг друга. На всех профилях картируются три стратиграфических комплекса пород (сверху вниз) (рис. 2):

• мезо‒кайнозойский;
• палеозойский:
• допалеозойский.

 

Рис. 2. Глубинный разрез сейсмических профилей I‒I′, VII‒VII′, VIII‒VIII′ и X‒X′ (по данным [23‒26]).

Обозначено: гипоцентры землетрясений (кружочки); плотность блоков (арабские цифры).

Отложения: MZ — мезозойские, PZ –палеозойские; разломы: СФР — Северо –Ферганский, ЮФР –Южно-Ферганский, САОР — Сайрам-Андижан–Ошский разлом; флексурно-разрывные зоны: СФФРЗ — Северо-Ферганская, ЮФФРЗ — Южно-Ферганская.

 

Мезо‒кайнозойский и палеозойский комплексы стратифицированы.

В допалеозойском комплексе выделяются блоки, различающиеся плотностью пород. Кровельные части этих стратиграфических комплексов подобны.

На всех профилях I‒I′ — X‒X′ наблюдается обратная корреляция между рельефом поверхности Мохо и базальтами с вышележащими разделами земной коры (см. рис. 2).

Изменение морфологии вертикальных границ блоков с юго-востока на северо-запад представляет интерес для исследования.

На профиле I‒I′ в палеозойских отложениях и нижележащих блоках вертикальные границы соответствуют разломам взбросового типа, т.е. напряжения сжатия (см. рис. 2). На последующих профилях плоскости разломов постепенно приближаются субвертикальному положению.

На профиле VII‒VII′ они практически субвертикальны (см. рис. 2).

На профиле VIII‒VIII′ плоскости разломов центральной части впадины приобретают сбросовый характер (см. рис. 2).

На профилях IX–IX′ и X‒X′ анализ геологических разрезов показал, что характер морфологии разломов и вертикальных границ допалеозойских блоков свидетельствует о преобладании растягивающих напряжений в продольном сечении Ферганской впадины (см. рис. 2).

Тектоническая деформация мезозой‒кайнозойских отложений имеет прямую связь со складчатыми структурами палеозойского фундамента.

В работе [26] Ферганская впадина традиционно разделена на продольные северную, центральную и южную зоны складчатости.

Кумбель‒Кокандский разлом разделяет Ферганскую впадину на западную и восточную блоки. Сравнительный анализ складчатых зон в блоках показал, что для западного блока характерен конвергентный стиль, для восточного — моновергентный.

Конвергентность образовалась за счет встречного двустороннего надвигания Чаткало‒Кураминского и Южно-Тянь-Шаньского блоков. Моновергентность возникла за счет поддвига Южно-Тянь-Шаньского блока под Восточно-Ферганский блок.

MАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПОПЕРЕЧНОГО ПРОФИЛЯ ФЕРГАНСКОЙ ВПАДИНЫ

Для построения численной модели была выбрана тестовая схема, которая отражает характерные особенности продольных профилей (рис. 3).

 

Рис. 3. Расчетная область для построения математической модели неоднородной тяжелой полосы.

 

Схема ориентирована на северо-западное‒юго-восточное направление в длину на протяжении 122 км.

Выделены три стратиграфических комплекса отложений (сверху-вниз):

• мезозойский;
• кайнозойские (MZ, KZ);
• осадочные отложения.

Осадочные отложения наложены на осадочно-вулканогенно-метаморфические породы. Мощность мезозой‒кайнозойских отложений на самой прогнутой части впадины составлет более 10 км.

Для кайнозойской части разреза средняя плотность составляет 2.5 г/см³. Для нижней мезозойской части средняя плотность равна 2.57 г/см³.

Для большей части домезозойских осадочно-вулканогенно-метаморфических пород принята плотность в 2.67 г/см³. Приведенные значения плотностей рассчитаны по сейсмическим скоростям [25].

Ниже расположены допалеозойские блоки, различающиеся плотностью пород. Первый ряд блоков имеет различия плотности пород от 2.5 до 3.0 г/см³, характерных для интрузивных и эффузивных образований. Блоки также отличаются размерами и конфигурацией.

Второй ряд блоков имеет более упорядоченную форму. Плотность пород меняется закономерно в сторону увеличения. Только крайний, расположенный в северо-западной части профиля, блок отличается плотностью (2.9 г/см³) .

Ниже на глубинах 21‒25 км выделяется третий ряд блоков с плотностью 2.9‒3.0 г/см³.

Ранее нами были получены средние горизонтальные напряжения земной коры Ферганской впадины, в том числе, на южной и на северной части границ [4, 5]. Мы используем эти данные в качестве граничных условий на южном и северном краях математической модели рассматриваемого профиля. Для этого рассмотрим задачу упругого деформирования составляющей по глубине узкой призматической полосы, в предположении плоского обобщенного напряженного состояния земной коры Ферганской депресии.

Математическое моделирование обобщенного напряженного состояния земной коры Ферганской депрессии

Постановка задачи деформирования упругой тяжелой полосы. В декартовой системе координат ось x₁, помещенную на дневную поверхность Земли, направим вдоль длинного ребра полосы, при этом ось x₂ направим вертикально вниз. Напряженное состояние упругой тяжелой полосы описывается уравнением Ламе относительно вектора перемещений:

$\Delta \overline{U}+\frac{1}{(1-2\nu )}graddiv\overline{U}=\overline{F}$ (1)

где $\overline{U}$ ‒ двумерный вектор с компонентами перемещений (u₁, u₂), $∆$ — двумерный оператор Лапласа, $\nu$ — коэффициент Пуассона, F(0, ρgh/G), ρ — плотность, g — ускорение свободного падения, h — глубина рассматриваемого профиля, G — модуль сдвига.

Плотность, модуль сдвига, коэффициент Пуассона для указанных блоков выбирается из таблицы, приведенной на рис. 4, которая была построена для литосферы Средней Азии [1, 7, 10, 13, 28].

 

Рис. 4. Физические параметры литосферы Центральной Азии (по данным [1]).

1 — модуль сдвига (арабские цифры) в масштабе 10^–11 Па/коэффициент Пуассона; 2 — палеозойский комплекс с границей кристаллического фундамента; 3 — граница Конрада; 4 — поверхность Мохо

 

Перемещения масштабируются относительно h = 1000 м, плотности блоков относительно $\rho$ = 2.5 г/см³ и напряжения относительно давления $p=\rho gL$, при $\rho$ = 2.5 г/см³, L = 25 км. Соотношение между компонентами перемещений, тензоры деформации ${\epsilon }_{ij}$ и напряжений ${\sigma }_{ij}$ имеют обычно принятый вид в теории упругости:

${\epsilon }_{ij}=\frac{1}{2}\left(\frac{\partial u_i}{\partial x_j}+\frac{\partial u_j}{\partial x_i}\right)$; (2)

${\sigma }_{ij}=\lambda \theta {\delta }_{ij}+2G{\epsilon }_{ij}$, (3)

где $\lambda$ — постоянная Ламе, которая выражается через G и $\nu$ по формуле:

$\lambda =\frac{2G\nu }{(1-2\nu )}$ (4)

Деформация и перемещение тяжелой полосы при моделировании двустороннего сжатия. Исследуем деформацию и перемещение упругой тяжелой полосы при горизонтальном сжатии с двух сторон (см. рис. 5). Рассматриваемый профиль разделен на 15 однородных зон.

 

Рис. 5. Схема образования рифтовой долины Ферганского нефтегазоносного бассейна (по данным [18, 31, 35]).

Отложения: PZ — палеозойские; P₃‒N — олигоцен‒неогеновые; J‒K — юрско‒меловые.

1 — палеогеновый нефтегазоносный комплекс; 2 — поверхность складчатого фундамента; 3‒4 — нарушения: 3 — разрывные, 4 — олигоцен‒четвертичные.

 

Граничные условия задавались следующим образом:

• на верхней части прямоугольника, соответсвующей поверхности Земли, отсутствуют напряжения;
• на боковых границах горизонтальные перемещения, убывающие по глубине; нижняя граница допускает скольжение без трения.

Уравнение (1) решалось методом граничных интегральных уравнений, который описан подробно в [6].

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Исследователями был проведен сравнительный анализ данных по нефтегазоносности Ферганской депрессии с позиции многоярусной тектоники, который дал возможность четко описать геодинамический тип нефтегазоносного бассейна и уточнить его глубинную структуру [2, 18, 31, 35].

Проведение численных расчетов для подкрепления многоярусной тектоники очень важно для понимания геодинамики Ферганской впадины. В частности, необходимо согласовать сочетание взбросов (сжатие) и сбросов (растяжение) в центральной части депрессии. Картина расслоенной деформации, в отличие от обычного прогибания, имеет сложный вид (рис. 5).

Предлагаемая численная модель деформации границ раздела неоднородностей разработана нами с помощью математического моделирования напряженного состояния одного из продольных профилей, сжатого с боковых сторон (см. рис. 2). Верификация модели проведена на численном решении задачи о перемещений от собственного веса тестовой задачи для однородной полосы, закрепленной по боковым сторонам (рис. 6).

 

Рис. 6. Поле перемещений тяжелой однородной полосы, сжатой по боковым границам.

 

Небольшие искажения направления векторов вызваны особенностью метода граничных интегральных уравнений при численной реализации уравнения (1), эти искажения устраняются применением более высокой аппроксимации искомых данных. Представлены изолинии перемещений при боковом сжатии тяжелой полосы, состоящей из 15-ти зонально однородных областей (рис. 7).

 

Рис. 7. Изолинии перемещений зонально неоднородной тяжелой полосы.

 

На основе результатов численного решения тестовой задачи рассмотрим особенности напряженного состояния и деформации реальных профилей.

В соответствии с критерием фон Мизиса материал разрушается, когда энергия деформации на единицу объема деформируемого тела достигает значения энергии деформации на единицу объема за пределами упругости материала. Эта теория применима к пластическим средам и лучше всего работает для материалов, подвергающихся сдвигу. Во многих упругих средах максимальные касательные напряжения τ_max представляют большой интерес для исследования.

При достижении предела прочности по касательному напряжению возможны разрушения, следствием которых являются землетрясения. Изолинии τ_max, полученные в наших расчетах, представлены на рис. 8. Картина изолинии показывает, что в большей части они оконтуривают границы плотностных неоднородностей и близлежащих им частей.

 

Рис. 8. Изолинии максимальных касательных напряжений неоднородной тяжелой полосы.

 

Показано перемещение границ раздела плотностей, заключенных в зонах IV‒V, V‒VI и VI‒VII, (см. рис. 6, рис. 9).

 

Рис. 9. Перемещения в крупном плане границ контакта зон IV‒V, V‒VI и VI‒VII тестовой задачи о боковом сжатии зонально неоднородной тяжелой полосы.

Обозначено: плотности в г/см³ (арабские цифры); границы контакта (линии) — до деформации (штриховые), после деформации (сплошные).

 

Как следует из представленной картины, при принятых условиях первоначально вертикальные границы областей IV‒V, V‒VI и VI‒VII наклоняются приблизительно так, как в гипотетической многоярусной схеме (см. рис. 5). Одновременно получено, что очаги землетрясения находятся в непосредственной близости плотностных неоднородностей.

ВЫВОДЫ

1. Проведенное математическое моделирование позволило выявить геодинамические особенности Ферганской депрессии, которая находится в близмеридиональном сжатии и при этом имеет земную кору, характерную для рифта, которому свойственно растяжение.
2. Предварительно проведен анализ плотностных характеристик глубинных слоев и современных движений региона.
3. Численные результаты решения математической модели показали, что под действием горизонтальных тектонических напряжений вполне возможны сбросовые движения, предполагаемые многоярусной тектоникой. При этом решающую роль играет наличие зонально неоднородных плотностей земной коры.

Показано, что значения максимальных касательных напряжений находятся вблизи границ плотностных неоднородностей, что не совпадает с ранее определенными гипоцентрами землетрясений.

Благодарности. Авторы искренне признательны анонимным рецензентам за ценные советы и замечания и редактору М.Н. Шуплецовой (Геологический институт РАН, г. Москва, Россия) за тщательное редактирование.

Финансирование. Работа выполнена в рамках бюджетного финансирования фундаментальных и прикладных исследований АН РУз.

Конфликт интересов. Авторы заявляют, что не имеют конфликта интересов.

About the authors

I. U. Atabekov

Mavlyanov Institute of Seismology, Academy of Sciences of Republic of Uzbekistan

Author for correspondence.
Email: atabekovi@mail.ru
Uzbekistan, bld. 3, str. Zulfiyakhanum, 100028 Tashkent

Yu. M. Sadykov

Mavlyanov Institute of Seismology, Academy of Sciences of Republic of Uzbekistan

Email: atabekovi@mail.ru
Uzbekistan, bld. 3, str. Zulfiyakhanum, 100028 Tashkent

J. K. Mamarakhimov

Mavlyanov Institute of Seismology, Academy of Sciences of Republic of Uzbekistan

Email: atabekovi@mail.ru
Uzbekistan, bld. 3, str. Zulfiyakhanum, 100028 Tashkent

References

Supplementary files