Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Автоколебательный характер спрединга в океанических рифтовых зонах

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Автоколебательный характер спрединга в океанических рифтовых зонах"

РГ6 од

. о ч ! » г| 4про

\ и ыД,1 1и САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ.

На прапех рукописи УДК 550Л1«:551.311

НаМЧУйНИКОВ Евгений Глебович

АВТОКОЛЕБАТЕЛЬННЛ ХАРАКТЕР СПРЕДМГА В ОКЕАНИЧЕСКИХ РИФТОВНХ ЗОНАХ.

Специальность 0Ь.00.2?. - Геофиаи1"'.,

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной отепэни кандилатт геолого-минералогических наук

Санкт-Петербург

1993

Работа випо.-'изна л геофизическом отряде в/ч

Научный руководитель : доктор физико-математических наук

С.С.Иванов.

Официальное оппоненты :

доктор геолого-минералогических наук С.В.Аплонов, кандидат геолого-минералогических наук С.П.Нащенков.

Ведущая организация : Санкт-Петербургский Горный институт им. Г.В.Плеханова.

(9 -у

Защита состоится / 1993 г. в /3 часов на

заседании специализированного совета Д.063.57.18 по защите диссертации на соискание учёной степени доктора наук при Санкт-Петербургском государстгенном университете (199034,С-11етербург,Университетская наб.,7/9, каф.геофизики,ауд.347)

С диссертацией можно сзнакомитюя в библиотеке им. А.М.Горького, СПбГУ,Университетская наб.,7/9

Автореферат разослан ^¿/уч..^- Х./? 1993 г.

Учёный секретарь специализированного совета Д.063,57.18,д.ф.-м.н.

Т.Б.Яновская

ОБЩАЯ ХАРАлТЕР/;Л.1КА РАБОТЫ

Актуальность темы. Методы изучения океанического рифтогенеза, вглючапщяе.в частности,измерения физических полей,исследования с подводных аппаратов в рифтах,а такие моделирование процессов, гтро-асходяпих в них,представляют собой мощное орудие познания динамики рпфтогенных процессов,играюппх одну из ключевых ролек в современной геологической науке.-Отсюда следует необходимость пристального внимания к характеру спрединга,тенденциям его развитая,миграции егс осей,что имеет первостепенное значение для решения,например,палео-тектоничесглх задач.

Исследуя зависимость тектономагматической активности в рифте от времени,представляет несомненный интерес показать теоретически я подтвердить расчётам автоколебательный характер раздвикекия ла-тосферных плат. Это тек болей ?анно,ссля принять во внимание повсеместную распространённость в приводе разрывных автоколебательных систем на любых уровнях осганисатш! неорганического и орга.хческо-го мира (Чудршин,1985). швханизда^йботавдхе подобным образом, например,в зонах субдукции и в вулканических поясах уг.:е описана в литературе (^обковс1а1й,1552;СЕЯтловский,1гЬ5). Пульсирование спрединга, выявленное, в основном,натурными исследованиям!-:,отмечалось многими отечественными и зарубежными авторами. Теоретических ке интерпретаций подобного образа раздвикенля плит (..¡.обковскийД^аО) совершенно недостаточно для объяснения фактически наблюдаемой картины.

Тема,раскрытая в Дчссертгцлспао:: работе,лв^деюя вз па

.'¡роб;.е..:у пульсацпГ: с иес,:аддшо£..о~ хоч;и ------

з.-едог^а^е -"'..г. ..ет высокой гпбкеетьэ своего дальнейшего развития как е сторону обобщения,например,решения вопроса о выборе ведущего

.•.ххаклз'га сг.р^лга, :ал л z его со л.» догхгяозпл чготких геаллнг:лп-чаеллх ;-з;ле~ еллклчкегэ a;:?; pascua ллтозфьрнлх лллг. Доследное ссггслясг пс ново:.:;/ вег.-як;, гв на кег.агер-::. долге гные ?с::гснэс::гл-ч: егде- е5 2??нсздл е pairoвлх зонах.

Laaar -c:-:".ctl г.аботд является ллязлекле агтоколсбгсёль-

нсго хградгерь эзолзилл: reiroHocfspï: z огхенлч-здоь. олфтовс:; гоне с доллче огггннгя оленла тар: :о:.'.5хл ллче с : :ого зссгаянля порол а ргд-Дах одпогс сдр-длдга.

j»-c.= сабо;- гаклп^гсгоя - прсдлздс;;:енд:: с с^есгвоьааки г jos-îoaçspe z верхней üanuzz областей,рлг ллчаэлдхзя дсэфд-.л:л1-о:та:.~ ть:.'-лсргт^рслрогоднэстл ( Л ),лддейнсго т-аллсвог: рагллралия ( ot ),а гакне re::.".srpre£ л дачестго!.'. таллегеньрдгуюллх -оточнлдои. этого следует zùzzz о нералдзгкачкэстл телдов^х á~¿ордаллП,г,гдлчлт,о лгалгклх o:--.v^süzhx областей дзрол.лозндд.-'оленлд кглрягеддй,; агрлвзв с т.п. ..леются оонэгакля лолагатв,чгс дне ладрякс.ся, лоздд:: ле взледзтвдз неравномерного эле: •-.:-; тел ебьёдг ;.::.сзд.гдв яв..я-

згзя содснклас: дг.д в :™.c,s"iс<н»Чсзкдх, та к д в г.'.акоотедтзддчиегдх лроцеззах (Ов=тлоЕзкдГ:,]акЬ). палг.ш.'.р.г.,вслй в базальтовом подрозе uozscorbr I лредиэледлть едо&ш и додо^г.» р~.-ал^сввннл..д лс д--р-тддалд, га лл: нагрев; р-го кн одде гп^дус лалряг.енд- взь-

зтероднего szüszs пппдлкя 10 Ндгадкд-а-д^я г.е :&ла лрд г.ерл-

цлге пдзткс-зтд 1С° ïs/у?на I аСъёда в ¿кгеаддз!.

га дазгдндя.о^'здавддвалдего ^¿дл.до.: в телд; л:рсл ój^er ч.:а..е..но

Основные задачи,реиаедые в рдботе.адлзчад:: з себя :

I. .»ьадлг суйествунд.;:: дредз^ьденлй о . .екан..;. -..„г__ч=с,дого

рнггогенеза.

Построение термомеханпческой г.оделп тектонссферы в рнфтовой зоне на основании фактических петрофиздческдх данных. 5. Бызод теоретических зависпмостей.зыражаю^пх тепловат: эволюцию ('.одели и её напряжённо- состояние.

4. Расчёт энергетического баланса цикла спредднга д вычисление его периода, исследование зав;;онмостл величин периода и накопленной за цикл энергии от входных данных.

5. Сопоставление полученных результатов с соответствующей реальной геотектонической обстановкой.

Кроме тоге,сформулированы основные направления даль;-:ей_1:х работ, которые по объё:.:у д те.,;атпке уже выходят за рамки данного исследования.

Основные за^шаем^с полор.ения : I. Для тектоносферы в рифтовой зоне целесообразен выбор двухмерной модели двухслойного пакета с кёсткой спайной слоев и следующей эволюцией: раскол пакета с хрулклм разрушение;.: на острие тредина; мгновенный (относительно длительности всего цикла) конвективный телло-етвэг от бортов разлога; запайка трещин" п восстановление:.: механической прочности пакета; последующее накопление наполнений упругого растяжения и изгиба за счёт поступления .эндогенко'г; тепла.

Взаимные смещения слоев литосферы п астеносферы по их границе связаны со скачком на ней абсолютной объёмной деформации.что обусловлено, главны.'.; образом,наличие:.: сильное лапласова раетягения ллтосферной оболочки.

3. Наличие структур скучпваняя,скатил в никних толпах ос;в_х областей .ифтовых зон при одновременно;.: растякеник в верхних,есть

результат пейстппя виртуального тер:,:ичес;:ого изгиба пакета. 4. Блсгжьгр;гшне относительно осе слреди..га яолоок денваувоз теплового nor:;:;, черег океаническое дао свяьанв: с • срсрасяределенлем освсдасгс тепла грл са;рнве телтокэзеер:;. „ ;.:с;.:::-:та раскола ла::~та zo полкоЕ zizzuvz греши..:; большая часть тепла, o;zo;^:::.:oro раке-с,2 слонойну:: iasy п::;л:,::снд;»п::нвно через рпгтовой зоны.б^^ег от-ьоснься r::-:Bi;:T::b.4i.:: путё;.: в полость тое;;глкк. п. racci:c:.e-4ii:i тар: :с:::хал:.че силе пронес::. сп.-едсляс-~н.;ч::п:. ш;:.: облег; авг:.Ееле5аге:_:;сг:. а.ог та»«« - икь-лу соотногения ккцяоетей слоёв,состаБЛява;:х тектоносфзрнпй яалет, обуславливает тенденцию развития рифта. При положительной обратной связи имеет место прогрессивный или регоессиЕ:1Пй тентогенез.что зависит от ненпретноге соотношения толщин слоев, При отрицательной обратной ;ляз;: обеспечивается саморегуляция текгономаг.'.'.атичесноп активности,лоддерканпе нзазияоетоянной скорости слрсдннга.

На;:чн;я новизна работа заключается ь настроении разрывной автоколебательной косел:: текгопосферы в океанической рифтовой зон,. Прежде всего,она позволяет выделить два основных типа яоведе;еля плиты после раскол^ в зависимости ог характера разрушения среди на острие трепаны. Л именно: "мокрый" и "сухой" разрыв. L отличие от большинства других работ.здесь в равной мерс учитываются как, вертикальные,та;: и латеральные тел'овые дефоркацил слоёв,составлявших паке:,что приводит формированию собственных изгибных и лал-ласоннх нелрякений растяжения. Это даёт еозмокность,е принципе,от-пазаться :г л;;:влеч;н::я внеынпх по сгно_еыпю к ос-во::у налету растягиваю-;;;: усилий,лр;:всдя:_ы:х :: расколу плиты пс сел рифта. того,ясог;сенник :.:еха;:::г:.: ;,:сЕ5г проявляться на разных пространствен но-лре;.:е:-:.-.их уровнях - от двиг^ей силы слрсдннга пли лровоцирую^ег

разрыв фактора до второстепенного,сопутствующего. Также проанализированы основные видоизменения и переходы энергий пакета в течение цикла. Выведены теоретические зависимости,выражающие термоме-хшшческое состояние пакета. Созданы соответствующие, программ для практических вычислений. Определены этапы развития текгоносферы в райках одного цикла спрединга. Выдвинут ряд новых предположений, частично проверенных расчётами,объясняющих некоторые реальные гео-дпнамичееше обстановки в рифтовой зоне и тенденции их развития.

Практическая цоукчугь проделанной работы. Совместный анализ гравитационных,ипгштшх нолей и рельефа дна океанических рифтовых зон,проведённый в последнее время,позволил выделить тонкую темо-Ш1чсск.уУ) стру'ктуру дивергентных границ. Реальный процесс наращивания дна оказался куда более сложным,чем это представлялось ранее. Пер 'скогл мгновенных ос.й раскрития.пх наложение, а также миграция локальной нестабильности спрсдпьга вдоль оси рифта требуют создания эволюционной модели тектоносферы,способной объяснить причины .указанных процессов поп минимуме начальных допущений. Построенный в днсоерташюшюй работе автоголебагслышн механизм сгтредннга полезен гаг; при интерпретации дизъюнктивной тектоники рифтовых долин, таг: л при прогнозировании периодичности гидротермальной деятельности, приуроченной к. мгновенным осям раскрытия. Пульсирующий характер рифтинга позвопяет объяснить некоторое конкретные гоодипамичес-кпе обстановки, л пмишо: тектоническою расслоеплость коры вблизи хребта; палччпо деформации окатил у. нижних частях руцр^за при од-ашркиамем рлегяженля в верхних,- без щ-лвлеченля априорной пнфор-мацин и создания дополнительных (гипотетических) механизмов. кроме того,расадгапкая в работе чл.тгельпо ,\/ь шкяа спредпш'л а тенденция ьё «мпньмцег степень нсол. одолён юоты ретроспективного

существ,, пщпх структур оредпнпо-окегшичеекпх хребтов,

чго имеет большое значение для далеогектошческих реконструкций. Помимо собственно геологического значения этой работы,её практическое применение заключается в возможности прогноза землетрясеи с механизмом отрыва и сброса.

liс ггользоданпна г.атесиали. При написания диссертации хсаользо пани многочисленные работы отечественных и зарубежных исследоват лей,кадастры физических свойств горных пород и минералов,в том числе,при высоких температурах и давлениях.

дпробаидя работы. Оснозные результаты диссертационной работа докладывались нн 131 международном совешшшл по тектонике шшг в Звенигороде в 1:291 г.,на / межведомственной конференции по новейшим достижениям в морской геологии в Санкт-Петербурге в UJ3 г., на совместном заседании кафедр геофизиш и физигл Ьемли Оанкт-Ш'тсрбургского университета в IajJ г.

Публикации. По теме диссертации опубликованы две работы,одна сдана в печать.

Структура д объём работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Она содержит 106 сграшц машинописного текста, 1 таблицы, 3S рисунков, 4 приложения и список литераторы из 61 наименования.

Лпгор выражает глубокую признательность доктору физико-математ ческих наук С.С.Иванову .доктору геолого-мпнералогических наук Р. И Демепицкои,доктору гсологи-гинералошческнх наук J.Миронову за научное руководство работой и иомои.ьна различных этапах её провод ния• i\!'T(in признателен И.а.«аябиш.» я Б....0:с,иь за содействие щ<и проведении расчётов на ЭШ. лвтор выражает благодарность доктор^

физико-математических паук Н.а.Троян,доктору технических наук Ю.И.г^лряидоиу.докгооу г*»очп''о-ьашя!)ило1-лчсаах наук Л.В.ъешсву,

доктору гсолого-ы'-тирпапогнчпских пи:/к и.¿.«шюнову, доктору геолого-и^нсиплш'пчрц'Шх пцук 10._.11огреопцко|.у .доктору геолохю-шнерадогпчсс-шх паук Э.У.Литвинову,кандидату физико-математических наук li.ii.0p-лону,капп,л.чпгу геолого-мп,.еоалоп;чес;лх наук М.Ь.Некрасову за полез-1шо совеги при обсуждении работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена актуальность темы исследования,сформулированы цель и задачи работы,её научная новизна и практическая ценность.

В главе I с позиций различных геодинамических гипотез рассматриваются ранее описанные термомеханические Явления в рифто-вых долинах срединно-океанических хребтов. По ходу изложения иысказывается краткое мнение автора об описываемых процессах. Их анализ в рамках каждой гипотезы строится по единому плану. Даётся оценка поди термических напряжений в толщах горных пород.

Основные геодинзиические гипотезы,рассматриваемые в работе, суть: активная мантийная конвекция; мантийный диапириэи и плимы; гравитационная тектоника; изменение объёма Земли ("статический" дрейф); телескопированиий риутогенсз.а также их различные сочетания. Каждый механизм анализируется по последовательности физических процессов в ри^товой зоне,создаваемой ими термомеханичес-ко»1 обстановке и по уормируегюму геоморфологическому облику.

В ранках активной мантианой конвекции предпочтение отдаётся пульсирующему спредингу. Соответствующие выводы были сделаны на основании анализа рельефа срединных хребтов, регрессии и трансгрессии океана,чередования в разрезе океанической коры вулканип них отло*.спин,рисунка магнитного поля (Ковалёв, 198:3;Колнсников, 1983;Святловекин, 1982;Грохольский,Шеменда, 1938). Подобный характер раьдни,кения объясняется,например,пульсацией скорости течения астеносК'рного вещества на фоне постоянной скорости мантийного потока,т.е.проявленной теплового гидродинамического взрыве в осте но слое (Лобковский, 193г;Еацаннн,Л обковскии, 1980). Единоп же мнении о причинах пульсаций и их механизме пока нет. С точки зрения мантийного диапиризма прерывистость спрединга обусло

лена периодичностью подъёма диапира.его активизацией (Мирлин, 1985). Отметим,что к этому же процессу,по сути,свёлся к 1980-м годам механизм базирикации кори Белоус она В.В. С позиций "статического" дрейфа (Летавни, 1981) ритм активизации осевых зон хребтов совпадает с ритмом изменения объёма Земли. И,наконец, гипотеза телескопированного ри£тогенеза (Святловский,1985) связывает периоды проявления тектономагматической активности рифто-вих зон с пос.ледовательностью обрушении участков коры (от периферии океана к оси хребта) в полости истощающихся магматических очггов.

Ввяду' крайней скудности фактических данных о величине напряжении в океанических рифтах и в связи с очень большой дисперсией теплового потока в них,заключения о термомеханическои обстановке нг> дивергентных границах чрезвычайно противоречивы. Большинство исследователей считают осевую область хребта зоной глобального растяжения со сдвиговой составляющем в окрестностях транс^ормних разломов. Значительная дифференциация теплового потока объясняется сильной раздробленностью коры и гидротермальной формой выноса тепла СКпркпнскип, 1967; РазьегЫ Р, 1933; Святловский, 1°Н5;Ле Читок К., 197 7), а такки прсрнвистостьо распространения .•.шмлтнческих камер но оои долины п различием стадии я их раз-пития (Лрискии, С9ПЗ; Пиланопский, Г.\'Ч; 5етрег<? Р никото-

рых работах приоритет отдаётся явно сдвиговым деформациям,как по портикали (ироль, 7),так и по оси хребта (Николаев,19»0). Соответственно, с позиций принятой теп или иным автором картины напряжённого состояния тсктонос;ери ип оси и склонах хребта,объясняется и геоморфологическая обстановка.

13 глаае И подчёркивается необходимость учёта типа разрушения текг.чкюгери л рп^тэпсй : оне,п 'скольку от него будет зависеть

иуть дальнейшей эволюции осевого пакета тектоносферы. Мысль о том что термомеханические напряжения играют важную роль в тектонических процесса/ далеко но нива, ¿й высказывал еще в ЮОбг. Рид Т.Н. и в настоящее время ей также придаётся большое значение (Свят-ливский,1930;Чобаиепки,1985). Упомянутые напряжения принимается

в диссертационной работе главным чактором,влияющим на раскол тек*

тоносферного пакета. При этом принципиальное значение имеет выбор типа разрушения плиты. Основное внимание уделяется хрупкому разриву по вертикальном трещине или узкий трещиноватой зоне. В случае вязкого разрушения или наличия в толще пакета промежуточной магматической каперы дальнейшее распространенно трещины вглуб! TOKTOHOcJiüpu будет блокировано линзой элективно жидкого вещества (расплава). Б итоге пакет не раскалывается на всю свою мощность,а имеет место послеразрывное сокращение крыльев лишь тех слоев,которые залегают выше магматической камеры. Это определяет совершенно иной механизм раздвижения. В диссертации ему дана лишь качественная и грубая количественная оценки. Так,если данный механизм принять основным при раздшгаении плит,то полускорость спре-динга для Средшшо-Атлантического хребта на 37° с.ш. составит около '¿.Ч см/год.

В главе III определяется объект исследования,его основные Физические и геометрические параметра,выбирается система отсчёта. Тип разрушения тектоносферного пакета принимается хрупким. Для дальнейшей количественной оценки процессов в риутовои зоне строится термомеханическая модель. Ссновные черты ее эволюции таковы: мгновенный теплоитвод от бортии трецшш при расколе с последующим медленным нагревом; лапласово растяжение верхнего слоя, т.е. лптосуери и виртуальны.; изгиб пакета при нагревании. Поэтапно описывается цикл спредкнга. Приводится качественный вид эпюр

нормальных напряжений. Излагается возможные пути их количественной оценки. В заключение даётся блок-схема разрывной автоколебательной системы и направления двикеиия основных энергонотоков.

3 качестве объекта исследования принимается расположенная перпендикулярно оси р!1[та двухмерная область тектонистеры в форме прямоугольного параллелепипеда (тектоносрерннй пакет) единичной протяжённости по оси долины (ось У). Эта область состоит из двух слоев: Литосферы и астеносферы. Система координат -

декартовая,прямоугольная,левая.с началом координат на оси спре-дипга.па Гранине раздела слоев. Ссь Z направлена вертикально вниз. Но оси У принимается неизменность всех свойств и параметров пакета. 'За начало отсчёта времени берётся момент разрыва литосферы.

Основные физические параметры включает в себя упругие характеристики: модули L'iirn слоев,пределы прочности и тепчовые: коэффициенты температуропроводности и линейного теплового расширения лптисрери и астенис^еон. Лктослоп характеризуется большей жёсткость»,т.е. ьл > Ьа и большей тепловой "инертностью",т.е. малыми температуропроводностью и расширяемостью. Напряжённое состояние модели описывается лишь нормальными напряжениями,поскольку чистые изгибы,воздействующие на тело пикета не создаыт в выбранной системе киипдпипт пепте) ышх иапгчпепг.П.

Оволг-щич тектинос-.еры п рп;товой зоне вклечает в себя Harpen и расширение плиты как по вертикали,так и по латерали с по-елодунцим vor.piiDOH пакета. После,-мее вызовет декомпрессию вещества слоив, их частичное расплавление и иитенеивный конвективный теп-лоотлод пр'лткзьл.илш водами,что приведёт к быстрому охлащешш полости треп.ппы и её запайке. Таким образин, пакет восстановит слои мехтшчсскуг' еплоапооть и Четкость и вновь начнёт нагре-U'1 тьем TiMi.ir.Ki, пиету пг>чц:;м из шта-иаа™их геос i^ep, напил илая тер-

ноу пру г не напряжения. В последующих главах работы проанализировано взаимоотношение пакета с нижележащими толщами и с областями, граничащими но Флангам. При этом,напряжения заклинивания модели при её латеральном расширении оказывайте» существенно меньше разрывных усилии. Основные напряжения,действующие в теле пакета перед разрывом,включают в себя: нормальные изгибные,обусловленные виртуальным изгибом; изгибные термические,возникающие при нагреве двухслойного пакета (бруса); напряжения сжатия в астенослое, появляющиеся по причине её вертикального расширения в стеснённых условиях; лапласово напряжение растяжения,действующее в литосрер-ной оболочке при распираний её снизу более интенсивно расширяющейся астопосгерои. Лито- и гидростатические напряжения,т.с. ¡¡ьи всестороннего септик,а также эг£ект заклинивания между флангами в данном глине не рассматриваются. Приложены методы расчёта эпюр перечисленных напряжений,реализуемые в последующих главах. Проанализировано изменение картины напряжённого состоянии тектоно-с;ери сразу после разрыва, лани вилы эпюр напряжений в сокращающихся после раскола крыльях плит, -тот вопрос ограничивается в работе лишь рассмотрением возможных приёмов количественной оценки послорэзрышшх напряжении.

ПредчоЕ-ешиш механизм эволюции тектонос^еры нейтргишп по отношению к тому пли иному спсобу поступления энергии в рщ'товун зону,а пегому он монет действовать,накладываясь на любой другой механизм раадви^ения плит, определяя его дискретный ритм. Процессы, протскамция 1 объёме пакета в течение цикла спрединга,являются .¡¡актичс.л'п:! проявчениоч работы рпзршшои автоколебательной системы,состоя':1,он из: источника ,л:ергпи,т. о. тепла, поступающего из недр ое).1,чи;колебательной систег (тектонос^ерного пакета) ;

-

регулирующего устройства,т.e. способности литосферы к разрыву; обратной слизи (мгновенного теплоотвода и убыли расплава из астеносферы).

3 главе U обосновывается корректность выбора двухслойного "биметаллического" бруса в качестве модели тектоносферы в рифто-вой зоне. На'- у ров ¡te формульных зависимостей рассматривается процесс нагрева и накопления упругих деформаций пакета после запайки осевой трещины рифта.

При расчёте напряжённого состояния пакета чрезвычайно важное значение приобретает реология вещества тектоносферы и характер взаимоотношения объекта исследования с ¿ланговыми областями и с нижележащими слоями. В связи с этим приведена оценка степени "жёсткости" спая и зависимости от предполагаемой длительности цикла и примени релаксации касательных напряжений на поверхности контакта слоён. Взаимоотношение пакета с подстилающими слоями определяете:! на уровне предположения о том, что последние ввиду пониженной вязкости не препятствуют латеральному расширению мидели. Кроме того,наличие в субстрате дивергентных конвективных потоков фактически обеспечивает подвижность торцевых плоскостей бруса, т.е. отсутствие жёстких заделок по лоте рал и, а, значит и горизонтального заклинивании. Более того, показано,что если даже полностью исключит!, растягивающее действие восходящих потоков,то и тогда напряжения сжатия при теплов( м расширении пакета ^>3кл будут стремиться к пулю при увеличении размера бруса (пакета) но оси X, что соответствует приближение расчётной схемы к рзплыши обстановке .

¡loi; било указано нише, в кпч-jciae нуля на осп в ре (они принимается понепт раскола лптос;ерч. Вшпу того,что совокупная длительность ра з р: 1 л о об рп з овл нин и запайки трещин много меньше длитель-

- Г'| -

мости накопления напряжении,что в дальнейшем подтверждено расчетами, момопт раскола практически совпадает с моментом восстановления сплошности и Жёсткости тсктоиос^ири. Подобное соотношение дчительностен цикла спрединга и восстановления сплошности лито-сгорм отмочено и в работах Лобковского .1!. П., посвященных клавишной модели спрединга (Лобковскии, 1990).Таким образом,под начальным состоянием пакета понимается его "холодное",ненапряжённое состояние. Очевидно,что полный прирост температуры при дальнейшем нагрено будит равен по величине падении температуры при мпю-еенноп теплоотводе в начале цикла,т.е. & = @ ^о^С^х) (1),гдо

- отподпмаи удельная теплота; С - удельная теплоёмкость; _Р - пцотность; х - абсцисса вертикального сечения пакета плоскостью,ппчаллельнои осп ри^та; 0 - пара митр температуры. Стие-тим.чт!1 А~Г(р будет записеть от примени и координаты х,причём не од ннаково дл)1 слоён литосферы и астеносферы. Поэтому далее в главе опиешт.тен ириёмм, позволяющие заменить А~Ц> [актическии

а1:п1|,,п'!!£;нтнии,независящий от конкретного слоя,т.с. от 2 чт'1 позволяет использовтть модель мгновенного стока тепла по плоскости. Тукни образом (х^)- Также рассматривается

способ право (емня к единому для всего тела пакета Д~Г,неза-

висящему от х: лТ=лГ(±). По при конкретных вычислениях величина

&Т п дальнейшем мо используется,гшид.у её принципиальной непригодности при расчёте наприте пня .необходимого для определения лапласова растяжения литосферы.

Аля получения картины напряжённого состояния тектоносФери перед разрнпрм, пакет разбивается вертшеалышми плоскостями, нормальными к осп X на элементарные "биметаллические" пластинки протяжённость» с/л ,о пределах которых можно считать л независящим от х. Для подобных пластинок пойме ними выражении для нахож-

_ ¿¡j _

дения разяости кривизн поверхности спая до и после нагрева на ЛТ^ и положения нейтральной линии сечения. Из них выводятся формулы для нормальных напряжении виртуального изгиба в слоях. Аалас приводятся выражения термических изгибных напряжений в литосфере и астеносфере. Для получения лппласова напряжения растяжения лито-сферной оболочки по формуле для окружного напряжения кругового ци-линдра:^^^-^.^.//^,напряжение вертикального сжатия в астепо-слое вычисляется при условии фиксации по^поверхности спая

пакета. Здесь - радиус кривизны поверхности спая; Д, - мощность л ит ос {¡еры. Реально же при нагреве тектоносферы граница раздела слоев будет смещаться вверх,уменьшая, тем самым величину (¿,z , поэтому и дальнейшем в вычислительных программах vm определения (¿>z вводится поправочный коэффициент-множитель &лип : 0<&Mir<L t. Результирующее нормальное горизонтальное напряжение является суммой напряжении изгиба (виртуального и термического),а также лап-ласотза растяжения.

В главе У цикл спрединга рассматривается с энергетическом точки зрения. Прежде всего,вводятся обозначения энергий,поглощающихся или вы щлявщдася при тех или иных физических процессах,составляющих цикл спредпнга. Перечислены их основные вип.ы: энергия, затрачиваемая на разрыв плиты; кинетическая энергия послеразрыв-пого сокращения ¡лаптоп (сейсмическая); потенциальная энергия ны-теенэнного вверх расплава; теплота плаоления вещестоа в полости тре-'.ины; тепли, ннносипое конвекцией вод, растворол ( Qp~)\ тепло, привносимое в ри.товуп зон\- подтоком пстеносферного вещества к ,,Цц ( V tch.iO, 'Н'деляющоеся при еорпентмниоаипи -иптиерчеппего росплпва; теплит? куистпллкзт-.ки расплава; полнил тепловой пот окне ре з дно ротовой долины за в реки образования трещин а их залечивании ((уд): дач л н о р г и rjb е и с I.:!! ч е с к о 1 i волны, дпеенпирововшая в ripe-

делах пакета; полная, пидводимая из нижележащих геосфер,тепловая энергии ( Q ); энергия,кондуктивно отводимая в спикоипув фазу цикла через дно в гидросферу «?*<?). Составляется система .уравнении, выражающая баланс энергий за один цикл спрединга. Накопленная энер-Г1Ы (<?0) запасается в виде упругой (потенциальной) энергии,связанном с виртуальными и реачьными деформациями и тепловой,обусловленной нагревом пакета.

К;и; наказал тшчиз наращения (1),длн дальнеишего вычисления периода спрединга необходимо оценить величину отводимом удельной теплоты (f.ç, ,что,п свои очередь,требует ввести понятие длительности теплоотвола и определить ее. Ведь согласно модели мгновенного теплоотиода,зависимость = (-¿) имеет вид дельта-функции,что приемлемо и рамках всего цикла спрединга,но уже некорректно при рассмотрении процессов трещинообразования. Для нахождения ~t0 проанализировано распространение волны охлаждения от осевой плоскости но осям - х. кроме того,на основании фактических данных измерения тенлоиото1:а через дно ни двину то предположение о характере тепловы-ноеа в верхней части зоны в момент разрыва и в спокойную фазу цикла. В результате получены зависимости ~ta и от , от геометрических параметров термоактивноп области долины и отводимых удельных мощностей. Далее,з формульном, виде представляются все напряае-l'.in, мрпиктме в мидели. Спи вкличаит в себя ранее упомянутые,а таким; л л г о- и гидростатические. Картина полем напряжении и температур рассматривается н(Ш дпух состояниях пакета: начальном,т.е. сразу после пап-'ч;кп треиппи и конечном - перед самим разрывом в конце цикла. Oi-rn-uTCTiieHif.) выводятся выратенпя для начальных и конечных унр;,п« и тенлоанх энергий, накопленных в тектонэсфорз,откуда следует зав пони есть осредэточенгоп в пакете полном анергии 0)о от

параметров системы,периода спредпнга и величины 0в . Значение последней находится путём расчёта литослоя в осевой вертикальной плоскости на разрушение. В качестве его критерия принимается равенство эквивалентного напряжения (по теории Мора) пределу прочности вещества литосЬерн на разрыв.

Приводится краткое описание алгоритмов и соответствующих им программ. Программа РЛОЕ*1 включает в себя некоторые общие вычислении а также подпрограмму QUEM для расчёта величины накопленной энергии и периода спрединга. Нормальные напряжения, де1 ствующие в теле пакета,принимается главными. Накапливаемая энергия складывается из упругой,тепловой, потенчиальнои теплового расширения. Подпрограмма QUPRO служит для опре '¡оленин величины энергии Qg исходи из критерия разрыва литосферы. лепствие базовой версии программы P£0f4 вкличпет а себя: впот трищ.ати четырех характеристик-системы и вспопогательнун параметров; выполнение общих для всех подпрограмм расчет..в; вычисление поQUPRO величины Q& ; ввод её о QUtN \\ определение Q0 ntac. • основные результаты,выводимые на печать есть: энергии Q0 и Qg '; продолжительность конвективного теп-лоотво/.э в полости трещшш t0 ; полное колебание температуры в осе-шн; сечении пз.;ета; величина пап рвения заклинивания; начальные н конечные значения упругих и тепловых энергии в обоих слоях пакет; т;,г,ич11Н'| пи|чь>cripet.mirn. кроме этого, иозможпа распечатка любого нро,10,;;.утичниго результата, что'использовалось при отладке программы, написанной на языке ЙШ'ЛЛЧ 11 реализованной на ЭШ-! СМ-3;-Ч; - 14 ¿О в t'O I'D-J; R№0$ . Спаченмл всех вводимых параметров брались в системе СП,за иекпчепиек г ре •etiiiun характеристик цикла , «ырржаемнх в сутках и го-.ах.

По сути, каждая из нивиднчых на печать величин,есть пункция тридцати четырёх введенных характеристик,ка-:-дая из которых известна с

_ I Г, -

тип или ШШЙ степень!) точности,либо задаётся произвольно оператором "UM ппн выборе параметров интегрирования (суммирования). В pari отч щю.-мщ niuuip. ипна оаписимость шести величин: Qß , Q0 , ¿>JKA , lo »'¿/i.e. . д V от следующих характеристик: о(л , dA , аА, йл , £ £а< < Яр > ^лап1 Ал. Ьц, представляющих собой коэфрицисч тм линейного теплового расширения,температуропроводности,модули Lara литосферы и астеносферы соответственно; пределы прочности литосфере на снятие и растяжение; напряжение растяжения конвективного потока; коэффициент "ослабления" лапласова растяжения; mobihouti литосферы,астеносферы и слоя воды в рисовой зоне. Выбор именно этих характеристик обусловлен стремлением отразить влияние на результат расчётов наиболее характерных свойств модели пакета и его эволюции. Параметр» интегрирования (суммирования) - пределы,шаги и т.д. выбраны путём оптимизации соотношения точности получаемых результатов и затрат машинного времени.

Вкратце,основные итоги анализа состоят в следующем: I. Разрыв пакета становится невозможен (величина Q& .определяющая эквивалентное напряженней^ .должна стать больше величины накопленном з^' цикл энергии Qa ,что невозможно) при:

а) о(А<оСл ,

б) йл>а^ ,

в) Ein < 1.2'Ю11 И/ и'", от о объясняется, видимо, образованием слабого н нфяжоння перт1Ы""ль!1ого сжатия л астепоолое (¿>z и,следовательно, незначительного лапласова растяжения литосферы,

г) Пр > 2.0-Ю7 Н/м2,

д) малом (менее ~'3.(П05 ИДО напрякенин ,

е) доже ни значительном "ослаблении" лапласова растяжения, т. е. при

ь;) мощной лптосрере ( А/»> 55ü0tO,

;0 :)|1тппе.л|.мо*1 глухими океана л ри^тпиой зоне (Дм > '»СОГм), - в

этом случае,вероятно,большое гидростатическое давление столба води увеличивает напряжение всестороннего сжатия в теле пакета,уменьшая тем самым .

Заметим,что анализировались лишь частные зависимости,т.е. единовременно изменялась тслько одна из характеристик. Поэтому в вышеперечисленных случаях разрыв не исключён при совместном изменении нескольких исходных рараметров.

2. Из термомеханических свойств пакета практически не влияют на упомянутые шесгь величин коэффициенты о<л и ¿fy при их изменении в разумном диапазоне. Рост о^ в пределах (0.2. - 1.0)'Ю-5 град-1 влечёт увеличение ¿u.c. с ¿ООО до 17500 лет; изменение Од в пределах (0.8 -

- I. ?)' м^/с приводит к падению tn,с. с 6000 до WO лет. Рост Ел в диапазоне (0.9 - 3. 2)' Ю^Н/к'" вызывает уменьшение in.с. с 6Ü00 >'.и 'Т/00 лет, а увеличение En : (1.2 - 2.0)" Ю^ H/mw изменяет in.c, о '43ГО до 7IUÜ лет.

3. Особенно сильное влияние па inx. ,естественно,оказывают прочностные характеристики jinTocjepu и раздвигагидая сила конвективного потока. Т,-и;,уменьшение предела прочности с 2.0' ю'' до 1.2" 10° Ч/м/ сникает накопленную знерпш Q0 и Ю раз и увеличивает tn.c. с ''1000 до 13600 лет. Это, на первый взгляд, противоречие объясняется уменьшением температурного скачка Л Ц> в осевом сечении пакета в 11 раз. II, поскольку,скорость накопления тепловой энергии,в целом, пропорциональна температурному напору,то в случае малой разрывной прочности литослоя,даже меньшая величина Q0 будет накапливаться доль'ие. Опрединг становится медленным,вялим. В случае же увеличения Пн С 3.0' 10^ до 101 И/./ 4>0 возрастает примерно в ЮО раз,а

пиз.иет в 3 раза, отепда - закоиомераин рост tn.c. с '''ООО лет до 3.0 млн.лет. Последняя цифра,естественно, чисто формальная и отвечает лишь параметрам построенной модели,не учитывая других ¿изичес-

ких реалии,связанных со столь большим периодом времени.

Возрастание мощностей слоёв приводит к слабому росту <Р0,причё1 А Ц> практически не зависит от ЬА .поэтому при Лл : 3000 - 7000 м, период спрединга лежит в пределах 4800 - 5500 лет. Рост же лТ<р примерно в 3 раза при увеличении /м с 20Ш до 4000 м вызывает сокращение ¿«.с. с 18300 до 5300 лет.

Диапазоны изменения прочих величин из шести вышеперечисленных в зависимости от вариации параметров в разумных рамках,еледующие: I. Напряжение заклинивания (¿^кл меняется от 0.03 до 1.50 Н/мс пр1 прлуширине риртовой зоны ( I. ),равной Ю км,что не более 0.15'Ю~г

ил

от Пр . -'то подтверждает правильность выбора типа взаимодействия пакета с областями тектоносферы,прилегающими с флангов.

длительность теплоотвода £„ составляет 0.1 - 0.0 суток,что менее О.О'Ю-'® % от миннмального ~Ьп.с. • Таким образом,модель "мгновенного" (в рамках периода спретпнга) теплоотвода вполне правомочна.

3. л 1<р в осевом сечении пакета достаточно мало (около 0.01 - О.ОС но и такой,казалось бы, незначительный нагрев в течение цикла способен сформировать эквивалентное напряжение, разрушающее литослон.

Более углублённые исследования при одновременном изменении нескольких параметров и уменьшение иага всех дискретных операций, заменяющих интегрирование,выявят,возможно,и иные стороны эволюции пакета в зависимости от исходных данных.

В начале главы У1 предлагаются пути определения различных видов энергий,перечисленных в главе У,а также средней за период ско рости спреднпга. Так, например,для оценки энергий Оц и находится соотношение объёмов относительного сжатия{в нижней части пакета и ра ели реп ил ч его верхних слоях. Ото осуществляется путём теоретического анализа изменения относительных объёмных деформации по осп 2 11 произвольном вертикальном сечении в пределах па, послойного интегрирования находятся абсолют-

ные объёмные деформации раздельно для литос)еры и астеносферы к концу цикла спредиьта. Очезиднз ,что после разрыва тектонос*еры накопившиеся напряжения будут исчезать, реализуясь в абсолютных деформациях. Они и определят объём вытесняемого расплава, садава-ясь его плотность;: я теплоёмкость!, а также колебанием температуры в осевой плоскости,зыенивается величина . Энергия Оа вычисляется из условия равенства количества вещества,вытесненного вверх из астензслоя ;; поступившего в него из-за пределов пакета. Расчёт производится по прггсз:.::-:е фиОВ!. И,наконец,иг системы у равнений, вы ража спей энергетический баланс получается значение энергии сейсмической волны,дпсоппирзвавпеп в теле пакета. Кроме определения величин энергий,праграммо.. О ООН / зрелускотрена возможность сыенкп средне.. С1 орссти раздвижения плит,как частного от деления абсолютной лкнеинои пе-ор.мацик по оси X верхней части литосферы на период спрздннга.

Е заключение ганкой главы излагается основные направления дальне/шяс работ,предста-дягцих интерес с точки зрэ:г.:я некзтгрьас конкретных геологических сбстановок.

Так,заслуживает более детального исследования вопрос о повелении тектоное^ернэг: :акета по:: вязком типе разрушения по осевой плоскости или при наличии з сводовой части хребта по: межуточной кагнатическо;. каперы, г.рог.е того, учёт влияния на тер/.оупругуп деформаций пакета колебания температуры в нижележадих тслыах,безусловно, приблизит репаепув задачу к реально.I обстановке, „алее. дель кгновзнногс теплоствода ("холеднегз удары") ст бертоз тьецк-ны позволяет взглянуть на поплину появления бпеп.'.петрпчкых относительно ос;: хребта полос лини :у:-::в теплопотзнз с необычно., точки зрения. Так,можно принять,чт: по раскол? удельна,. тепловая нссть,конду:;тпвно ствзз'.н.ая :т пна долин::, постоянна ь: зре .зни.

Но при трещикообразованик возникает интенсивный сток тепла в полость трещины, санетим.что подвод тепла к подошве тектонос^еры остаётся постоянный,поскольку он определяется глубинными процессами,явно не зависящими от аоверхкссткнх явлений,- актов разрыва. Кроме того,охлаждение пакета на оси практически не скажется на тепловом режиме удаленной периферии зоны. Отссда следует однозначный вывод об уменьшении теплопотока через дко в окрестностях центральной области в компенсацию его роста на осн. А спорадичность актов раскола в скежнкх пс оси У пакетах создает впечатление непрерывности полос минимумов теплопотока. За мет им, что при определённом соотношения параметров систем:,раскол пакета на всю его

ч

мощность будет невозможен. Сброс энергии осуществится локальными разрывами в толще тектонос^еры. Это позволит установить корреляционную зависимость кзкьу накопленной упругой энергией и магниту-даии землетрясений отрыва на соответствующих горизонтах. Не исключено,что совокупность отдельных расколов на различных глубинах к в смежных по оси 7 сегментах,находит своё отражение в специфике сейсмичности ри^товых долин,носящей роистый характер без чётко выраженного главного толчка.

При исследовании любой природном автоколебательной системы представляет несомненный интерес установить зависимость частоты колебании от времени. В назем случае это означает выявление тенденции развития океанических рифтов. В случае принятия предложенного механизма в качестве ведущего при раздвиженки плит,в зависимости от исходного соотношения мощностей лито- и астенослоёв будет изменяться соотношение объёмов бок растяжения и сжатия,а,следовательно, толщины слоев от цикла к циклу. Это повлечёт за собой изменение картины напряжённого состояния и зеличины периода спрз-динга. Исследование этого вопроса позволит сгубить о развитии спре-

дндга ьо Bpei'icHii,t.r, у скорвндг..зйгухаши: или саыорргулягдд его SKorccfz. Если одисддяЕй :.:iX2:-u:s:.: явдяегся вторссседгкны:.: дрд пагд^днснлд лдлг.го заодапд: ссогдслехдл r.:o2soofeli с..оёв oiyo-лсьят Ы!сэксчас?с1пую соггавдяшта ?г;;токз:.:гг:-Ег;:~ес::ой. а::— с;:фгэво1: зснк.

гддгч,д: ргчдглед.тлх sc ззе^енли. '®0с0брнзле досгсзгдлоГ. э-здюпд-

ч:;:а г ней cr.:.:ci:. базовых зьачен~ях неходких дгднюс э:з_-

ца"=;:г„:£ ьаиьяя^с ^ ^,гдредеяекой только еоЗств^Ьпакд ieo:.:;-улоуг^д'л дгас-якслпягл ладега, сосггвгяр-т от pasouBaoE дзечдеегд ддтосдся Пр . образе:.:, .-.я долг епи-кр.го уоп^я ппи расколе

ссггёгся взеге IC;г^.:.чго з.'ог сез\'лзге-т ^е ьходдт в йпотл.ьоп^згие с iicLocrraL.^: ге^ткньксчрзта^ ;.:ехдь..с.»£.:д (кокгекЦиД.

седлд и г,л.),?,к. nn^SbbicC вё^Алг jo.u "здухргдкгге яг.:=н-л игл расколе й.и+ г. * ран сл ох г;: эв: дх сг ое^ : о— ~«т ^суцясгзлягьсл :с:.: ч::сле ;; "впедкд:.::;" едда.'л;. Пздчер

нёг.,ч?с раскол :: транспортхровку длдг следует чётко рдглдчагь по :-.о:.:.--=;:оу с::.*,.~х ьисдвгзаддх. В геологической ддтерагуре разсываа-сде д двд^удде едды практически ою";дсотгляются. »¿з оого.что едла ь.~:::ого гре:хя асгснос-.оя л.лха от о;;: од: ;а,логлчеепд

не э.'г. де.--д= „ у&.£«загь их дрд ддокрехле:.:

:с;-:ё..;.д1: ь работе еодхсд .. „дсс^охредд::

_ 2-V _

кизмов,нугда!:днхся,б сбою очередь,в более глобальных (и гипотетических) объяснениях. Эгапк цикла сяредллга,описанные в главе III, естественны по своей физической сути. Нос троенная модель имеет постоянный во зремена входной сигнал ^ ; накопитель - тектоносфер-ный пакет; ¡лапан - конечный предел разрывной прочяостл лдтослоя

|7р ; обратную сеязь - убыль расплава из ндених горизонтов л тепловое снатде при охланденпи,являясь,таким образом,классической разрывной автоколебательной системой. Кроме того,ввиду нейтральности по отноденив к способу поступления энергии в рифтовую зону,построенная модель кокеа занижать дюбой организационный уровень б сроком спектре дизъюнктивной тектоники на конструктивных границах. От ведущего или провоцирующего до второстепенного,сопровождающего.

Дальнейший объективный анализ полевых материалов,а такне физическое и математическое моделирование,безусловно,конкретизируют рамки действия предложенного механизма.

Основные положения ддсоертаидл опубликованы в следующих работах :

1. Автоколебательный характер слрединга в океанических рифтах. - В кн.: Концептуальные основы геологии.// Записки С-Пегербургского Горного института им.Г.З.Плеханова,

т.134,с.153-155.

2. Проблемы моделирования эволюции тектоносферы в океанической рпфтэвой зоне, - Тезисы докладов У межведомственной конференции по новейдл:.: достижениям в морской геологии. ВНИЛ "Океангеология",С-Яэтербург, IS53,с.¿1-22.

МГПП "КУРС".Зак.267у-93.Тир Л00. Бесплатно.