Теоретическое и экспериментальное моделирование геодинамических процессов в склонах поднятий

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

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.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. А. Кирдяшкин

Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: aak@igm.nsc.ru
Россия, 630090, Новосибирск, просп. Академика Коптюга, д. 3

Список литературы

  1. Белоусов В.В. Основы геотектоники. – М.: Недра, 1989. 382 с.
  2. 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.
  3. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г. Механика горных пород при разработке месторождений углеводородного сырья. ‒ М.: Недра-Бизнесцентр, 2007. 467 с.
  4. Кирдяшкин А.А., Добрецов Н.Л., Кирдяшкин А.Г. Термохимические плюмы // Геология и геофизика. 2004. Т. 45. № 9. С. 1057–1073.
  5. Кирдяшкин А.А., Кирдяшкин А.Г. Условия формирования поднятия плюмом, не вышедшим на поверхность // Геотектоника. 2022. № 6. С. 114–124.
  6. 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.
  7. Кирдяшкин А.Г., Кирдяшкин А.А. Мантийные термохимические плюмы и их влияние на формирование поднятий // Геотектоника. 2015. № 4. С. 86–96.
  8. Лукк А.А., Шевченко В.И. Сейсмичность, тектоника и GPS-геодинамика Кавказа // Физика Земли. 2019. № 4. С. 99–123.
  9. Маруашвили Л.И. Структура и рельеф Большого Кавказа // Природа. 1937. № 4. С. 34–44.
  10. Милановский Е.Е. Новейшая тектоника Кавказа. – М.: Недра, 1968. 483 с.
  11. 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.
  12. Несмеянов С.А. Инженерная геотектоника. – М.: Наука. 2004, 780 с.
  13. Несмеянов С.А. Неоструктурное районирование Северо-Западного Кавказа (Опережающие исследования для инженерных изысканий). – М.: Недра, 1992. 254 с.
  14. 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.
  15. 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.
  16. Николаев П.Н. Методика тектоно-динамического анализа. – Под ред. Н.И. Николаева – М.: Недра. 1992. 295 с.
  17. Ребецкий Ю.Л. Механизм генерации тектонических напряжений в областях больших вертикальных движений // Физическая мезомеханика. 2008. Т. 11. № 1. С. 66–73.
  18. Ребецкий Ю.Л. О механизмах генерации избыточного горизонтального сжатия в континентальной коре // Физика Земли. 2023. № 3. С. 63–77.
  19. 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-2020-11-1-0459
  20. Ребецкий 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.
  21. 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/10.31431/1816-5524-2022-4-56-41-58
  22. Рогожин 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.
  23. Сафронов И.Н. Геоморфология Северного Кавказа. – Ростов-на-Дону: РостовГУ, 1969. 218 с.
  24. 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.
  25. 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.
  26. Шевченко В.И., Лукк А.А., Гусева Т.В. Автономная и плейт-тектоническая геодинамики некоторых подвижных поясов и сооружений. – М.: ГЕОС, 2017. 612 с.
  27. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. – М.: Наука, 1974. 742 с.
  28. Шолпо В.Н., Рогожин Е.А., Гончаров М.А. Складчатость Большого Кавказа. – Под ред. Е.Е. Милановского ‒ М.: Наука, 1993. 192 с.
  29. 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.
  30. 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/10.1029/2003JB002838
  31. Choudhuri M., Nemčok M. Mantle plumes and their effects. ‒ (Springer, Cham, Switzerland. 2017), pp.137.
  32. Condie K.C. Mantle plumes and their record in Earth history. – (Cambridge Univ. Press, NY, USA. 2001), pp. 306.
  33. 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.
  34. 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.
  35. Ernst R.E. Large igneous provinces. – (Cambridge Univ. Press, Cambridge, UK. 2014), pp.653.
  36. Ernst R.E., Buchan K.L. Recognizing mantle plumes in the geological record // Ann. Rev. Earth Planet. Sci. 2003. Vol. 31. P. 469‒523.
  37. Goes S., Spakman W., Bijwaard H. A lower mantle source for Central European volcanism // Science. 1999. Vol. 286. No. 5446. P. 1928-1931.
  38. 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.
  39. 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.
  40. 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.
  41. Hill R.I. Starting plumes and continental break-up // Earth Planet. Sci. Lett. 1991. Vol. 104. P. 398–416.
  42. 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.
  43. Olson P., Nam I.S. Formation of seafloor swells by mantle plumes // J. Geophys. Res. 1986. Vol. 91. No B7. P. 7181–7191.
  44. Sengör A.M.C. Elevation as indicator of mantle-plume activity // GSA Spec. Pap. 2001. Vol. 352. P. 183–225.
  45. Yang T., Leng W. Dynamics of hidden hotspot tracks beneath the continental lithosphere // Earth Planet. Sci. Lett. 2014. Vol. 401. P. 294–300.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема склона поднятия. Обозначено: 1–10 – номера слоев, слагающих склон поднятия; I–IV – блоки склона поднятия

Скачать (174KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Схема течения в склоне поднятия и силы, действующие на блок склона поднятия в период образования разрыва между блоками. Обозначено: xб1 и xб2 – длина блоков; v1t и v2t – размеры свободного объема между блоками, образующегося за время t

Скачать (191KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Положение зон растяжения и сжатия в верхних горизонтах земной коры Западного Кавказа на позднеорогенной стадии (по данным [10], с изменениями). 1‒2 – зоны сжатия в позднеорогенной стадии: 1 ‒ первая фаза, 2 – вторая и третья фазы; 3‒5 – зоны растяжения в позднеорогенной стадии (показана ориентация осей растягивающих напряжений): 3 ‒ первая фаза, 4 – вторая и третья фазы; 5 – зоны особенно сильного растяжения во второй и третьей фазах; 6 – зоны отсутствия (или слабые проявления) растяжения и сжатия

Скачать (314KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Положение хребтов северо-западного склона поднятия Кавказа (по данным [9], с изменениями). Линия разреза по II‒II (с использованием данных [23]). Разрез по линии II‒II приведен на рис. 9. 1 – главнейшие хребты эпейрогенно-эрозионного происхождения, не находящиеся в правильной связи со складками; 2‒3 ‒ хребты: 2 – антиклинальные, 3 – моноклинальные; 4 – вулканические сооружения четвертичного возраста

Скачать (208KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость максимальной скорости течения для блоков I–IV от вязкости.

Скачать (89KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Истечение вязкой жидкости из прямоугольного сосуда. (a) – t = 26 c; (б) – t = 94 c; (в) – t = 111 c. Фотографии течения представлены для различных моментов времени t. В момент времени t = 0 свободная поверхность жидкости была приведена в вертикальное положение. Высота сосуда Hc = 70 мм, длина сосуда xc = 80 мм.

Скачать (306KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Зависимость относительной высоты положения свободной поверхности y/Hc от относительной горизонтальной координаты x/x0 при истечении жидкости из прямоугольного сосуда.

Скачать (78KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Структура склона поднятия, формирующаяся, начиная с момента возникновения движения, для различных моментов времени t. (а) – t = 1 млн лет; (б) – t = 3 млн лет; (в) – t = 7 млн лет. Обозначено: 1‒2 – профили скорости для границ блоков.

Скачать (166KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Структура склона поднятия Кавказа в его северо-западном крыле в разрезе по линии II–II (по [23], с изменениями). Линия разреза ‒ см. рис. 4.

Скачать (66KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024