GeotectonicsGeotectonicsГеотектоника0016-853X3034-4972The Russian Academy of Sciences66038710.31857/S0016853X24020029EBCWBYArticlesСтатьиResearch ArticleTheoretical and experimental modeling of geodynamiс processes in uplift slopesТеоретическое и экспериментальное моделирование геодинамических процессов в склонах поднятийKirdyashkinA. A.КирдяшкинА. А.
Russian Federation
aak@igm.nsc.ruV.S. Sobolev Institute of Geology and Mineralogy, Siberian Branch, Russian Academy of SciencesИнститут геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН150420242345322022025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/0016-853X/article/view/660387

The flow structure created in a viscous medium at a constant inclination angle of the free surface of the uplift slope is analyzed. The velocity field in a high-viscosity uplift slope is determined under conditions of a horizontal pressure gradient. This pressure gradient occurs when the slope height decreases with distance from the main ridge. With a constant dynamic viscosity of the uplift slope, the flow velocity in it decreases with distance from the axis of the main ridge. In this case, the uplift slope is in conditions of compressive stresses, the consequence of which are thrusts and compression folds. Tensile stresses in the uplift slope exist with an increase in the flow velocity in the layer with distance from the main ridge axis. The flow velocity increases with decreasing viscosity of the layer with distance from the main ridge. The viscosity distribution on the base of the uplift slope at a distance from the axis of the main ridge is determined using the tension condition in the uplift slope. Expressions are presented for the forces causing the formation of a disruption between the blocks of the uplift slope. The magnitudes of these forces are estimated. A relation representing the condition for the formation of a disruption between the blocks is obtained. The formation of disruptions is governed by the change in viscosity along the uplift slope and the change in the flow velocity in it. When the disruption between the uplift slope is formed, free vertical boundaries of the blocks appear. The motion of a highly viscous liquid during the formation of a free vertical boundary of the block has been studied experimentally when the liquid flows out from a rectangular vessel. The experiments have revealed two outflow regimes: (i) the regime of constant thickness of the liquid layer; (ii) the regime of decreasing layer thickness. On the basis of experimental modeling the time of the first period after the formation of the slope rupture and the formation of the free volume between the blocks is estimated. During this period the height of the layer (slope) is practically constant and the layer length increases. The process of filling the free volume between the blocks with a high-viscosity slope material is considered. As the modeling shows, the filling rate of the free volume between the diverging blocks of the uplift slope is much higher than the formation rate of the free volume between these blocks. The parameters of the uplift slope blocks are determined. Among these parameters are block viscosity, slope height, flow velocity and forces acting on the blocks. The time-varying structure of the surface of the uplift slope is presented. There is a qualitative correspondence between the modeling results and the profile of the uplift slope for the north-western Caucasus.

Проанализирована структура течения, создающегося в вязкой среде при постоянном угле наклона свободной поверхности склона поднятия. Определено поле скорости движения в высоковязком склоне поднятия в условиях горизонтального градиента давления, возникающего при уменьшении высоты склона по мере удаления от главного хребта. При постоянной динамической вязкости склона поднятия скорость течения в нем уменьшается с удалением от оси главного хребта. В этом случае склон поднятия находится в условиях сжимающих напряжений, следствием которых являются надвиги и складки сжатия. Растягивающие напряжения в склоне поднятия могут существовать при увеличении скорости движения в слое по мере удаления от оси главного хребта. Скорость течения может возрастать с уменьшением вязкости в слое по мере удаления от главного хребта. Распределение вязкости на подошве склона поднятия при удалении от оси главного хребта поднятия определено из условия существования растяжения в склоне поднятия. Представлены выражения и оценены величины сил, вызывающих образование разрыва между блоками склона поднятия. Получено соотношение, представляющее условие образования разрыва между блоками. Образование разрывов определяется изменением вязкости вдоль склона поднятия и изменением скорости течения в нем. При разрыве между блоками возникают свободные вертикальные границы блоков. Движение в высоковязкой среде при образовании свободной вертикальной границы блока исследовано экспериментально при истечении жидкости из прямоугольного сосуда. В экспериментах выявлено два режима истечения: (i) режим постоянной толщины слоя жидкости; (ii) режим уменьшающейся толщины слоя. На основе экспериментального моделирования оценено время первого периода после образования разрыва поднятия и свободного объема между блоками, когда высота слоя (склона) практически постоянная и возрастает горизонтальный размер слоя. Рассмотрен процесс заполнения свободного пространства между блоками высоковязким материалом склона. Как показывает моделирование, скорость заполнения свободного объема между расходящимися блоками склона поднятия много больше скорости образования свободного объема между ними. Определены параметры блоков склонов поднятия (вязкости блоков, высоты склона, скорости течения, силы, действующие на блоки). Представлено изменение структуры поверхности склона поднятия во времени. Наблюдается качественное соответствие результатов моделирования с профилем склона поднятия северо-западного Кавказа.

uplift slopehighly viscous liquidhorizontal pressure gradientflow velocityfree slope surfacegravitational forceblock structureridgeсклон поднятиявысоковязкая жидкостьгоризонтальный градиент давленияскорость течениясвободная поверхность склонагравитационная силаблоковая структурахребетМинистерство науки и высшего образования Российской ФедерацииMinistry of Science and Higher Education of the Russian Federation122041400057-2Белоусов В.В. Основы геотектоники. – М.: Недра, 1989. 382 с.Гурбанов А.Г., Богатиков О.А., Докучаев А.Я., Газеев В.М., Лексин А.Б., Ляшенко О.В. Транскавказское направление вулканизма: причина, следствия и эпитермальная минерализация // Вестн. Владикавказ. НЦ. 2007. Т. 7. № 3. C. 25–44.Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г. Механика горных пород при разработке месторождений углеводородного сырья. ‒ М.: Недра-Бизнесцентр, 2007. 467 с.Кирдяшкин А.А., Добрецов Н.Л., Кирдяшкин А.Г. Термохимические плюмы // Геология и геофизика. 2004. Т. 45. № 9. С. 1057–1073.Кирдяшкин А.А., Кирдяшкин А.Г. Условия формирования поднятия плюмом, не вышедшим на поверхность // Геотектоника. 2022. № 6. С. 114–124.Кирдяшкин А.А., Кирдяшкин А.Г., Дистанов В.Э., Гладков И.Н. Геодинамические режимы мантийных термохимических плюмов // Геология и геофизика. 2016. Т. 57. № 6. С. 1092–1105.Кирдяшкин А.Г., Кирдяшкин А.А. Мантийные термохимические плюмы и их влияние на формирование поднятий // Геотектоника. 2015. № 4. С. 86–96.Лукк А.А., Шевченко В.И. Сейсмичность, тектоника и GPS-геодинамика Кавказа // Физика Земли. 2019. № 4. С. 99–123.Маруашвили Л.И. Структура и рельеф Большого Кавказа // Природа. 1937. № 4. С. 34–44.Милановский Е.Е. Новейшая тектоника Кавказа. – М.: Недра, 1968. 483 с.Милюков В.К., Миронов А.П., Овсюченко А.Н., Рогожин Е.А., Горбатиков А.В., Дробышев В.Н., Хубаев Х.М., Николаев А.В. Скорости современных горизонтальных движений в центральном секторе Большого Кавказа (по данным GPS-наблюдений) и их связь с тектоникой и глубинным строением земной коры // ДАН. 2018. Т. 481. № 3. С. 291–295.Несмеянов С.А. Инженерная геотектоника. – М.: Наука. 2004, 780 с.Несмеянов С.А. Неоструктурное районирование Северо-Западного Кавказа (Опережающие исследования для инженерных изысканий). – М.: Недра, 1992. 254 с.Несмеянов С.А., Воейкова О.А., Комаревская М.Н. Неоструктурное районирование Российской части Центрального сегмента мегасвода Большого Кавказа (опережающие исследования для инженерных изысканий) // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2023. № 1. С. 3–20.Несмеянов С.А., Никитин М.Ю., Воейкова О.А., Комаревская М.Н. Неоструктурное районирование Российской части Казбекского сегмента мегасвода Большого Кавказа // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2023. № 3. С. 5–14.Николаев П.Н. Методика тектоно-динамического анализа. – Под ред. Н.И. Николаева – М.: Недра. 1992. 295 с.Ребецкий Ю.Л. Механизм генерации тектонических напряжений в областях больших вертикальных движений // Физическая мезомеханика. 2008. Т. 11. № 1. С. 66–73.Ребецкий Ю.Л. О механизмах генерации избыточного горизонтального сжатия в континентальной коре // Физика Земли. 2023. № 3. С. 63–77.Ребецкий Ю.Л. Современное напряженное состояние коры Кавказа по данным объединенного каталога механизмов очагов землетрясений // Геодинамика и тектонофизика. 2020. Т. 11. № 1. С. 17–29. https:/doi.org/10.5800/GT-2020-11-1-0459Ребецкий Ю.Л., Сим Л.А., Козырев А.А. О возможном механизме генерации избыточного горизонтального сжатия рудных узлов Кольского полуострова (Хибины, Ловозеро, Ковдор) // Геология рудн. месторождений. 2017. Т 59. № 4. C. 263–280.Ребецкий Ю.Л., Стефанов Ю.П. О механизме взаимодействия сильных землетрясений и вулканизма в зонах субдукции // Вестн. КРАУНЦ. Науки о Земле. 2022. № 4 (56). С. 41–58. https:/doi.org/10.31431/1816-5524-2022-4-56-41-58Рогожин Е.А., Горбатиков А.В., Степанова М.Ю., Овсюченко А.Н., Андреева Н.В., Харазова Ю.В. Структура и современная геодинамика мегантиклинория Большого Кавказа в свете новых данных о глубинном строении // Геотектоника. 2015. № 2. С. 36–49.Сафронов И.Н. Геоморфология Северного Кавказа. – Ростов-на-Дону: РостовГУ, 1969. 218 с.Шевченко В.И., Гусева Т.В., Лукк А.А., Мишин А.В., Прилепин М.Т., Рейлинджер Р.Э., Хамбургер М.У., Шемпелев А.Г., Юнга С.Л. Современная геодинамика Кавказа (по результатам GPS измерений и сейсмическим данным) // Физика Земли. 1999. № 9. С. 3–18.Шевченко В.И., Гусева Т.В., Лукк А.А., Прилепин М.Т., Стеблов Г.М., Милюков В.К., Миронов А.П., Кусраев А.Г., Дробышев В.Н., Хубаев Х.М. Неплейттектоническая GPS-геодинамика Большого Кавказа. ‒ В сб.: Тектоника, геодинамика и рудогенез складчатых поясов и платформ. ‒ Мат-лы XLVIII Тектонического совещания. Т. 2. ‒ Под ред. К.Е. Дегтярева ‒ М.: ГЕОС, 2016. С. 295–299.Шевченко В.И., Лукк А.А., Гусева Т.В. Автономная и плейт-тектоническая геодинамики некоторых подвижных поясов и сооружений. – М.: ГЕОС, 2017. 612 с.Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. – М.: Наука, 1974. 742 с.Шолпо В.Н., Рогожин Е.А., Гончаров М.А. Складчатость Большого Кавказа. – Под ред. Е.Е. Милановского ‒ М.: Наука, 1993. 192 с.Burov E., Guillou-Frottier L. The plume head–continental lithosphere interaction using a tectonically realistic formulation for the lithosphere // Geophys. J. Int. 2005. Vol. 161. P. 469–490.Camp V.E., Ross M.E. Mantle dynamics and genesis of mafic magmatism in the intermontane Pacific Northwest // J. Geophys. Res. 2004. Vol. 109. Art. B08204. https://doi.org/10.1029/2003JB002838Choudhuri M., Nemčok M. Mantle plumes and their effects. ‒ (Springer, Cham, Switzerland. 2017), pp.137.Condie K.C. Mantle plumes and their record in Earth history. – (Cambridge Univ. Press, NY, USA. 2001), pp. 306.D’Acremont E., Leroy S., Burov E.B. Numerical modeling of a mantle plume: the plume head-lithosphere interaction in the formation of an oceanic large igneous province // Earth Planet. Sci. Lett. 2003. Vol. 206. P. 379–396.Dobretsov N.L., Kirdyashkin A.A., Kirdyashkin A.G., Vernikovsky V.A., Gladkov I.N. Modelling of thermochemical plumes and implications for the origin of the Siberian traps // Lithos. 2008. Vol. 100. P. 66–92.Ernst R.E. Large igneous provinces. – (Cambridge Univ. Press, Cambridge, UK. 2014), pp.653.Ernst R.E., Buchan K.L. Recognizing mantle plumes in the geological record // Ann. Rev. Earth Planet. Sci. 2003. Vol. 31. P. 469‒523.Goes S., Spakman W., Bijwaard H. A lower mantle source for Central European volcanism // Science. 1999. Vol. 286. No. 5446. P. 1928-1931.Griffiths R.W., Campbell I.H. Interaction of mantle plume heads with the Earth’s surface and onset of small-scale convection // J. Geophys. Res. 1991. Vol. 96. No. B11. P. 18295‒18310.Griffiths R.W., Gurnis M., Eitelberg G. Holographic measurements of surface topography in laboratory models of mantle hotspots // Geophys. J. 1989. Vol. 96. P. 477–495.Guillou-Frottier L., Burov E., Nehlig P., Wyns R. Deciphering plume–lithosphere interactions beneath Europe from topographic signatures // Global Planet. Change. 2007. Vol. 58. P. 119–140.Hill R.I. Starting plumes and continental break-up // Earth Planet. Sci. Lett. 1991. Vol. 104. P. 398–416.Manea V.C., Manea M., Leeman W.P., Schutt D.L. The influence of plume roof-lithosphere interaction on magmatism associated with the Yellowstone hotspot track // J. Volcanol. Geotherm. Res. 2009. Vol. 188. P. 68–85.Olson P., Nam I.S. Formation of seafloor swells by mantle plumes // J. Geophys. Res. 1986. Vol. 91. No B7. P. 7181–7191.Sengör A.M.C. Elevation as indicator of mantle-plume activity // GSA Spec. Pap. 2001. Vol. 352. P. 183–225.Yang T., Leng W. Dynamics of hidden hotspot tracks beneath the continental lithosphere // Earth Planet. Sci. Lett. 2014. Vol. 401. P. 294–300.