Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Геотермическая модель земной коры Северного Тянь-Шаня

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Геотермическая модель земной коры Северного Тянь-Шаня"



АКАДЕМИЯ НАУК СССР

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ГЕОЛОГИИ, ГЕОФИЗИКИ И МИНЕРАЛОГИИ

На правах рукописи

Виляев Андреи Викторович

ГЕОТЕРМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЗЕМНОЙ КОРЫ СЕВЕРНОГО ТЯНЬ-ШАНЯ

04.00.22 — геофизика

Автореферат диссертации па соискание ученой степени кандидата геолого - минералогических наук

Новосибирск 1992

Работа выполнена в Институте сейсмологии АН КазССР

Научный руководитель:

член-корреспондент АН КазССР, доктор геолого-мине'ралогических наук А.К.Курскеев -

Оффициалъяые оппоненты:

доктор геолого-мивералогиче ских наук С.В.Лысак кандидат технических наук А.Д.Дучков

Оппонирующая организация: Институт сейсмологии АН КиргССР

Защита состоится " " 1992 г. в ^ час.

на заседании специализированного совета при Объединенном институте геологии, геофизики и минералогии СО АН СССР, в конференц-зале.

Адрес: 630090, Новосибирск-90, Университетский просп., 3.

С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке ОИГГиМ СО АН СССР.

Автореферат разослан

1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук

Ю.А.Дашевский

!

? ГЛ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

:£&-уальносгь. Температура в значительной степени определяет

1

физико-химическое состояние глубинного вещества и энергетические условия разтагеия геодинзмических и в т.ч. сейсмических процессов. Изучение теплового состояния земных недр особенно актуально для районоЕ, где происходят интенсивные тектонические движения, сопровождаемые сильными и катастрофическими землетрясениями. Именно к таким районам относится Северный Тянь-Шань. Об лтом свидетельствуют происшедшие здесь землетрясения: Барненское (1887 г.), т1иликс-кое (1889 г.), Кемпнское (I9II г.), Кемино-Чуйскоэ (193§), Жзлана шское (1978 г.), Бойсоруиское (1990 г.> и др.. В связи с этим пас-троение геотермической модели земной коры Северного Тянь-Шаня представляет не только научный ¡штерес, но и имеет важное практическое значение для оценки сейсмической опасности территории и сейс-мэтеского районирования.

Цель работи заключалась в изучении глубинных геотермических особенностей земной коры Северного Тянь-Шаня в связи оценкой сейсмической опасности территории по комплексу данных. Для ее достижения решены следующие взаимосвязаннее мекду собой задачи:

- разработаны эффективные алгоритмы и программные средства решения обратной задачи геотермии для сложно-построенных геологических сред,

- выполнено численное моделирование теплового и термонапря-генного состояния земной коры сейсмичных и асейсмичных зон Северного Тянь-Шаня,

- исследовано влияние геотермических особенностей земной коры на реологичесхсие и энергетические характеристики литосферы и выделены неоднородности среды, с которыми могут быть' связаны очаги землетрясений.

Методика исследований заключалась в поэтапном проведении научно-исследовательских работ. • ,

Первый этап включает изучение глубинного теплового потока Северного Тянь-Шаня и построение теплофизической модели, которая представляет собой пространственное распределение в земной коре источников тепла и коэффициента теплопроводности в зависимости от петрологического состава, температуры, давления, скорости распространения сейсмических еолн.

Второй этап содержат детальное рассмотрение .математической модоли, реализующей теллофизкческую модель к способ переноса тепла. Математической моделью предусматривается запись законов теплопередачи и термодеформаций в форм- уравнений математической фззк-ки, ьибор алгоритма решения, определенно начальных к граничных условий, численная и программная реализация уравнений, проведение шоговариантшх расчетов, оценка точности.

На третьем этапе исследований осуюзтвляэтся анализ рассчитанной гоотертесггой юдоли, вклшаюдий в себя: установлена достоверности числовых результатов Iх сспоставлэнае температурних к-э-однородностей с аномалиями геофизических полой. анализ полк тоше-ратур и поля тврмоупругкх деформаций, определение рзологкче-скях особенностей участков земной коры по их геотермической характеристике, изучение влияния теплового поля па энергетическое состояние и сейсмичность территории.

На основании кроведештх исследований сформулированы следующие научные положения и выводи:

Тепловое поле земной кору Северного Тянь-Шэня отличается увеличением глубинных. температур и геотермического градиента в направлена север-юг от асекомичкых районов к' сейсмически активным. Евдедяшая под горнами хребтаы* Заилпйского Ала-Тау Еасокотешера-' турная аномалия оказывает влияние на геофпзкчзские особенности строения региона 1! вносит существенный ьклзд в формирование очаговых зон землетрясений. Частичное пдавлегае в аномальной области приводит к возникновению термонапрякений, цревилавщих критическую прочность горных пород. Энергия возникающих тврмоупругих деформаций мокэт служить одним из основных энергетических источников сейсмических процессов.

На^гчиая новизна выполненной работа состоит в следующем:

- Разработаны алгоритмы, программные средства и технология шотбригсссксго моделирования, поззоляюдие выделять температурные неоднородности и оценивать терюнэпряженное состояние реальных геологических сред.

- Составлена твплофизическая модель земной коры Северного Тянь-Шаня, описывающая распределяю радиогенных источников тепла в разрезе к коэффициента теплопроводности пород с учетом термодинамических условий их залегания. Составлена схемы плотности поверхностного и радиогенного тепловых потоков с использованием ноеых

данных, полученных автором.

- Впервые для изучаемой территории составлена подробная -геотермическая модель земной коры и верхней мантки. Показано, что особенности геофизических полей связаны с глубинными температурными неоднородностями среда.

- Рассчитана модель термонапряженного состояния и составлена реологическая модель литосферы Северного Тянь-Шаня, на основе которых определены сейсмотектонические особенности строения территории и дана энергетическая оценка физических процессов, происходящих в связи с геотермическим расслоением земной коры.

Степень обоснованности основных положений диссертации определяется использованием и обобщением большого количества фактического материала, применением современных методов исследований, сравнением расчетных'параметров с экспериментальными данными (результаты глубинного бурения, гео?-«ркометры, тепловые модели различных но оейсмогеологичэской обстановке регионов, аномалии проводимости и др.). Совокугоюсть указанных методов обеспечила высокую достоверность и непротиворечивость основных выводов.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- Составленные температурные, термонапряженше и реологические модели земной коры позволили установить основные особенности теплового поля, определяющие физико-химическое состояние глубинного вещества и различную сейсмичность областей Северного Тянь-Шаня, что дает дополнительную информацию для'изучения глубинных неодно-родностей и динамических параметров среда сейсмоактивных и асейс-мячных зон и может использоваться при сейсмическом районировании территории.

- Созданные програмнке средства и технология геотермического моделирования обеспечивают повышенную точность и информативность прогнозирования глубинных геотермических параметров и с привлечением необходимой геолого-гефизичвекой информации могут бжъ приложены к изучению глубинного строения земной коры других, близких по тектоническому строению и геологическим особенностям районам Средней Азии.

- Результаты диссертации использованы при составлении компле- • ксной модели сейсмичных и асейсмичных областей Юго-Восточного Казахстана .

Личный вклад автора. Основные результаты диссертационной ра-

Соты получена автором. наполнена часть определений теплового потока, разработана методика построения геотермических моделей для сложно построенных геологических сред на основе численных методов, выполнен вось объем работ по математической постановке задач, разработке алгоритмов, созданию и отладке программных средств, проведены расчеты глубинных температур, термонапрякений, реологических и энергетических характеристик, а также обработка, анализ и интерпретация материалов.

Апробация работа. Работа является составной частью плановых научных исследований Института сейсмологии АН Каз.ССР, проводимых в рамках теш ГКНТ 01.02.Н. "Построить типовые модели строения среды и составить атлас геолого-геофизических моделей земной коры и верхней мантии асейсг.шчшх и сейсмоактивных районов, а также очагошх зон сильных землетрясений СССР", раздал "Комплексные геолого-геофизические модели сейсмичных и асейсмичных сред и очаговых зон сильных землетрясений". Номер гос. регистрации 0187.0048087.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на V Всесоюзной конференции молодых ученых "Актуальные проблемы геофизики" (Пврэслазль-Зэлесский, 1990 ), Межреспубликанской конференияи молодых научных сотрудников АН Кирг.ССР (Фрунзе,

1990), ежегодной научной конференции молодых ученых и научных семинарах ¡Института сайсыологии АН КазССР, Всесоюзной школе-семинаре "Проблемы прогноза землетрясений" (Петропавловск-Камчатский,

1991), Всесоюзном совещании "Геотермия сейсмичных и асейсмичных зон" (Бшикок, 1991).

Публикации. По материалам диссертации опублжовано 7 научных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключешя и приложения. Объем работы: 119 страниц основного текста, 53 рисунков, 5 таблиц, список литературы содержит 134 наименования, приложение содержи каталог пунктов 'определения теплового потока.

Автор благодарит научного руководителя чл.корр. АН КазССР А.К.Курскеева за помощь и внимание при выполнении данной работы. АЕТор также признателен к.г.-м.н. • Н.Г.Бреусову и В.И.Самойловой за ценные консультации и помовд. в обработке и оформлении, материалов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность теш, сформулированы цели и задачи исследования, дана краткая характеристика методики геотермического моделирования и приведены основные результаты диссертации.

Глава I. В перЕом разделе главы на основе анализа ранее опубликованных материалов дается краткая характеристика структурно-тектонического строения и геофизических полей Северного Тянь-Шаня.

В геологическом отношении регион входит в альпийский неотектонический пояс (Курскеев А.К.-, Ткмуш A.B., 1987). Он включает вытянутые в широтном направлении горные хребты Кунгей и Ззилийский Ала-Тау на юге, Млийскую мезкгорную впадину и плато Карой в центральной части, Южно-Прибзлхзшсвда и Саркандскую шадины на севере. С востока район ограничен г рогами горных хребтов Дкунгарского Ала-Тау, с запада - восточным скончанием Чу-Илийских гор.

В сейсмическом отношении территория относится к наиболее активной среднеазиатской части сейсмического пояса СССР (Ержанов Ж.С., Курскеев А.К., 1982). Эпицентры землетрясений в основном тяготеют к хребтам Зэядийскому, Кунгейскому к Джутггарскому Аля-Тау. Основная часть глпоцектров расположена на глубинах до 30 км. Нижняя часть коры практически не содержит очагов землетрясений.

Анализируя особенности геофизических полей, отмечается характерное увеличение магнитного поля над синклинальными структурам! и уменьшение его интенсивности в антиклиналях, четкая ориентировка осей магнитных аномалий параллельно основному направлению структур и уменьшение регионального поля в направлении север-юг (Акишев Т.A., IS38).

В гравитационном поле указывается на его понижение с севера на юг в сторону, обширной гравитационной депрессии, приуроченной к высокогорным районам Тянь-Шаня. Уровень региональной отрицательной гравитационной аномалии в центральной части Северо-Тянь-Шаньского блока составляет несколько десятков миллигал.

Многосложность геоэлектрической модели выражается чередованием хорошо и слабо проводящих субгоризонтальных слоев. Проводящие зоны со значениями сопротивления от 4 до 30 Ом-м приурочены к подошвам гранитного и базальтового слоев (Каримов K.M., Коломацкий В.Г., 1985).

Особенностью скоростной модели земной коры является существование волноводов на глубинах 10-15 км и 42-47 юл (Шацилов В.И., 1990). В южной части исследуемой площади мощность нижнего волновода повышена до 6-10 км, при продвижении-на север она уменьшается. Инверсия скорости в волноводе составляет 0.1-0.2 км/с.

Второй раздел главы посвящен анализу обширного фактического материала по тепловому штоку (ТП) Северного Тянь-Шаня. При изучении ТП использованы материалы исследователей - Аршэвской H.H., Бондаренко Н.М., Гордиенко В.В., Данилкина Б.Н., Жеваго B.C., Зуева Ю.Н., Калашникова В.А., Кан М.С., Курскеева А.К., Любимовой Е.А., Моисеенко У.Д., Смирнова Я.Б., Хуторского Ы.Д., Шварцмана Ю.Г. и др. Всего в пределах изучаемой территории проанализировано 249 определений теплового потока, из нет 44 измерено впервые. Каталог пунктов ТП приведен в приложении.

Подчеркивается, что информация о тепловом потоке распределена но территории неравномерно. Горние рг£оны Северного Тянь-Шаня и пустынные области Южного Прибалхашья изучены слабо. Средняя плотность составляет I пункт на 18 км2 при среднеквадратической погрешности определения ТП - ±6 мВг/м2. Автором составлена схема теплового штока в масштабе 1:2000000 при сечении основных изолиний 20 мВт/м2, на которой выделены области с различным геотермическим режимом : - высокогорные районы, платформенная часть и современные мекгорные впадины.

Высокогорные районы Северного Тянь-Шаня и Дкунгарского Алатау характеризуются геотермическими градиентами от 21 до 26 °С/км при максимальном значении 33 °С/км (хр. Кунгей Ала-Toy) и повышенным уровнем теплового потока от 54 до 266 мВт/м2 при среднем .значении 63 мВт/м2.

Плотность ТП в межгорных впадинах меняется от 31 до 119 мВт/м2 при среднем значении 54 мВт/м2. Геотермические градиенты здесь колеблются от 20 до'Зб °С/км, причем наблюдается увеличение градаэнта температур от прибортовых частей к центру впадин.

Платформенная часть территории (Балхашская и Саркандская впадины) отличается низкими показателями геотермического градиента -от 10 до 30 °С/км при среднем значении 15 °с/км. Тепловой поток здесь в основном не превыиеет 40 мВт/м2.

Высокими значениями ТП характеризуются сейсмически активные разломы. Так, тепловой поток в районе Алма-Атинского разлома имеет 6

повышенное значение 141 мБт/м2, Заилийского - 117-266 мВт/м2, Ал-тнн-Эмельского - 91-130 мВт/м2, Джалаир-Найманского - 150 мВт/м2.

Анализ теплового штока завершается разложением наблюдаемой величина на радиогенную и мантийную составляющие. Горшке районы Северного Тянь-Шзня имеют более высокие значения радиогенного ТП (45-55 мВт/м2) по сравнению с асейсмичной зоной Южно-Прибалхашской впадины (35-40 мВг/м2). В переходной зове от платформенных к горным районам наблюдается минимум коровой составляющей - 30-35 мВт/м2. Это связано с уменьшением мощности верхней части гранитного слоя, содержащей основную долю радиоактивных изотопов. Вклад радиогенной составляющей в суммарный ТП достигает 70% в горных сооружениях и до SO% в платформенных районах.

Мантийный тепловой поток возрастает до 20-30 мВт/м2 в горных, районах Северного Тянь-Шаня и уменьиается в асейсмнчных платформенных областях до 10 мВт/м2. Значение ТП из мантии в районе оз. Иссык-Куль достигает 40 мВт/м2. Разделение мантийной составляющей на глубинную и аномальную, обусловленную источниками тепла не радиогенной природа, не представляется достоверно возможным.

Основные положения твплофизической модели земной коры, которая представляет собой модельное распределение тегоюгенерации и коэффициента теплопроводности горных пород, изложены в последующих разделах главы.

При построении модели теплогенерации (ТГ) горных пород Северного Тянь-Шаня учитывались результаты лабораторных определений концентраций радиоактивных элементов различных областей Тянь-Шаня и Памира (Аршавская U.M., 1983; Смыслов A.A., Моисэенко У.Д., 1979; Шварцман Ю.Г., 1986) и использовалась экпоненциальная корреляционная зависимость между тегоюгенврацией и скоростью упругих волн.

Наибольшая концентрация радиоактивных элементов наблюдается в верхней части гранитного слоя на глубинах от 5 км до 15 км. Тепло-генерация этого слоя составляет от 1.0 до 2.0 мкВт/м3. С глубиной тепловыделение уменьшается неравномерно. Нижняя часть гранитного слоя в Северо-Тянь-Шаньском блоке и Алма-Атинской впадине, характеризуется интенсивностью тепловыделения 0.6- I.I мкВт/м3, в Балхашском блоке - 0.5-1.0 икВт/м3. Осадочный слой, мощностью.до 5 км,' имеет ТГ от 0.2 мкВт/м3 до 1.0 мкВт/м3. Теплогенерация базальтового слоя, равная примерно 0.5 мкВт/м3, в различных геоблоках одина-

кова. Порода верхней мантии имеют интенсивность ТГ менее 0.1 мкБт/м3.

Значения коэффициента теплопроводности на образцах, отобранных из керна глубоких скважин и обнажений горных хребтов Северного Тянь - Шаня, изучались Аршавской Н.И., Калашниковым Ю.А., Шварцманом Ю.Г. и др. Для построения модели распределения теплопроводности использовалась оценка параметра по скорости распространения продольных волн с учетом термобарической зависимости и результатов определений на образцах.

Величина теплопроводности пород осадочного слоя в естественном залегании изменяется от 1.75 до 2.2 Вт/м^К. В гранитно- гнейсовом слое е верхней его части преобладают значения от 2.25 Бт/м-К до 3.0 Вт/м-К, теплопроводность нижней части повышается до 2.753.4 Вт/м-К. С глубиной в условиях значительного нарастания температур теплопроводность пород базальтового слоя изменяется от 2.2 Вт/м'К до 2.6 Вг/м-К, уменьшаясь в зонах частичного плавления до 1.8 Вт/м.К.

Приведенные в глаге данные иллюстрируются схемой структурно-тектонического строения территории, схемами теплового потока и его составляющих, а также разрезам:! земной коры по трем профилям ГСЗ с расчетным распределением теплогенерации и коэффициента теплопроводности горных пород до глубин 60 км.

Глава 2. В главе осуществляется математическая постановка задачи теплодареноса и термоупругости в неоднородной среде, приводятся алгоритмы численной реализации методов решения, описывается комплекс программ и дается оценка точности геотермических моделей.

Модель среды аппроксимировалась как совокупность элементарных параллелепипедов, длинная ось которых вытянута в субширотном направлении вдоль основных геологических и сейсмотектонических структур региона. Любой из выделяемых элементарных параллелёпипэдов обладает соответствующим: ему физическими характеристиками : плотностью, скоростью сейсмических волн, теплопроводностью, теплогене-рацией, коэффициентом термического расширения, модулем упругости и др.

Принятый в модели стационарный кондуктивный перенос . тепла в двумерной постановке задачи записывается в виде:

+ ) 4 А(х,2) =0 (I),

где \ - теплопроводность горних пород в точке с координатами (x,z), Т - температура, А - генерация '^пла в объеме.

Переход от математической модели (Т) тс численному алгоритму осуществлен методом сеток. В области изменения переменных введена дискретная прямоугольная сотка - совокупность узловых точек, аппроксимирующих модельное распределение теплофизических параметров. Уравнение теплоп&реноса (I) заменено разностными уравнениями, связывающими значения температуры в узлах сетки. Система разностных уравнений реализована по схеме переменных направлений итерационным методом Якоби (Самарский A.A., 1989). Размерность сетки составляла 60*40 узлов, иаг сетки по вертикали равен I юл, по горизонтали -10 км.

Для ускорения сходимости (Г) в исходной области до первой итерации вводилось начальное распределение температуры, вычислен-' нов по формуле для горизонтально-слоистых областей в предположении кондуктпвного теплопэреноса и наличия только радиоактивных источников тепла (Pollack H.N., ТЭ-:;5):

п-1

Т = iL п п-1 я

-•{«VJWjQ-IV^r Ht-i>

£=0

•<Wi>

(2),

где п, п-1, I, 1-1 - индексы слоев, Т - температура, X - коэффициент теплопроводности, Н - глубина, А - теплогенерация горних пород, 0 - измеренный тепловой поток.

В качестве граничного условия теплообмена на поверхности задавался измаранный тепловой поток и среднегодовая температура земной поверхности на глубина 1м (Ю°С) по метеоданным. Боковые граничные условия состояли в равенство нулю теплового потока через стороны модели. Условия сопряжения на границе контакта двух твердых тел с различны?,'ш т'еплофизичесниш параметрами (граничные условия. четвертого рода) задавались как функции пространственных координат. На нижней границе моделируемой области в узлах' численной сетки реализовывалась мантийная составляющая теплового потока, вычисленная как разность наблюденного и расчетного ТП.

Постановка термоупругой задачи выполнена в рамках линейной теории упругости (Безухов Н.И., 1974) и предусматривает следующее

: - деформации и перемещения точек тела считаются непрерывными функциями координат; - начальные напряжения в телэ полагаются равными нулю (гипотеза о естественном ненапряженном состоянии тела) ; - перемещения точек тэла малы по сравнению с линейными размерами тела; - вещество обладает свойствами идеально упругого тела; -принята линейная зависимость между деформациями и напряжениями; -стационарность задачи (время релаксации термонапряжений бесконечно); - перемещения всех точек могут происходить в двух направлениях (плоская деформация); - напряжения на дневной поверхности равны нулю, - изотермический тип деформаций.

Процесс дефоретгрования твердых тол при наличии температурных полей подчиняется обобщенному закону термоупругого равновесия, который формулируется следующим образом (Партон В.З., 1981):

Ц'Ди + + ц)-5?а(1 <11У и

а. {к + £ Ю-егай Т = 0 (3), 3

где ц, X - коэффициенты упругости Ламе, и - Еектор смещения точки тела при термоупругом деформировании, Т - приращение температуры, а - линейный коэффициент термического расширения тела, Л - дифференциальный оператор Лапласа.

Для двухмерного случая уравнение (3) может быть записано в дифференциальной форме (в декартовых координатах) :

<92и

в2\]

йх

<?2и

£>ХС

<з2и

_г

а,2

+ (X + р)

агЦ

+ (К + ц)[-

аг и

дхдг

2 аТ

= а- (X. + -ц)- '

3 ?Х

(4),

2 <>Т = а- (Я + -ц)-

3 ог

где. и ,11 - составляющие Еектора перемещений по координатным осям.

Коэффициенты Ламэ (Лиц), характеризующие упругие свойства среда, определены динамическим методом по значениям скоростей продольных и поперечных волн (Дортман Н.Б., 1976):

р. = о- (Уз)2 \

о.((УР)2- ~(Ув)г)

(5),

где Ур.Уз Ю .

продольная и поперечная скорости упругих волн,

о -

2

плотность горных пород.

Гармодеформяцш л термонзпряженкя определены по проекция»« смешения рассматриваемой точки на координатные оси из соотношений Коши и закона Дюгамеля-Нвймана (Новацкий В., 1975):

э]}

Ех =

=

Эх

аи

¿и

у* хг

ах

(6),

<?1Т

= 2 ц Е^ + Н - о Т

Сг = + Я.-8 - а-Т

ххг = 2 6 = + Е„

(7),

где и - составляющие вектора перемещений по осям х.г, - компоненты вектора деформаций, а„,о_,т„„ - компоненты вектора напряжений,Л,ц - постоянные Ламе, Т - аномальная температура, а - коэффициент термического расширения горных пород.

На границах моделируемой области компоненты вектора смещений равны смэщениям прилегащих внутренних точек.

Задача решено в перемещениях, с последующим нахождением деформаций и напряжений с применением конечно-разностной аппроксимации на двухмерной прямоугольной сетке. Решение реализовано итерационным методом по схеме расщепления. Переход от итерации п к п+1 выполнялся с помощью двух шагов. На первом шаге вычислялась горизонтальная компонента и^, на втором - вертикальная компонента иг.

Количественная оценка вклада термоупругих напряжений в энергетический баланс сейсмотектонических процессов оценивалась через расчет потенциальной энергии деформаций, которая в последующем при удалении температурных неоднородностей долхнэ расходоваться .на восстановление первоначальной недеформированной формы (Безухов Н.И., 1974):

2 2 12 V? = С • (Е + В + -7 +

* т »т ~

1 - 2|Л

2

■Еср >

(8),

где Б = Х - (1-2Я)/2и - модуль сдвига, ЕПГ1 = £ + Е - средняя де-

Ьр . л 2

формация, остальные обозначения те же, что и в формулах (6,7).

+

В главе отдельно рассмотрены вопросы определения погрешности геотермических моделей. В этой связи точность математических расчетов итерационным методом оценивалась вычислением средноквадрати-ческой ошибки температур для утроенного числа итераций и составила ± 5°С. В качестве критерия оценю! температур и -теплофизических свойств использовались тепловые модели строения земной коры для различных регионов, имеющих сходные геологические или сейсмические условия, а также данные прямого определения температур яри бурении сверхглубоких скваюш.

" Сравнение теплофизических параметров показало, что значение теплопроводности горных пород в модели определены в среднем с точностью ±11%, а теплогенерации - ±38й. Средаеквадрагическая ошибка определения температур за счет приближенного определения теплогенерации составила ±18 °С, а за счет изменения теплопроводности -±57 °С. С учетом суммарной погрешности определения теплового потока, теплопроводности и теплогенерации горных пород точность температурных моделей оценена в ±70 °С.

Глава завершается рассмотрением аспектов программной реализации алгоритмов теплопереноса и термоупругости.

В основу создания пакета программ геотермического моделирования был положен модульный принцип. Каждый базовый модуль является конкретной реализацией алгоритма вычислений или функций дополнительной обработки. Програлмы объединены общим форматом обрабатываемых данных, но могут использоваться и автономно. При составлении учтены различные метода оптимизации, ускоряющие обработку и повышающие точность вычислений. Тексты основных исходных модулей для IBM PS/АГ и" ЕС ЭВМ переданы в Институт сейсмологии АН КазССР.

Глава 3. В заключительной главе изложены основные результаты и вывода диссертации по исследованию геотермического резсима земных недр Северного Тянь-Шаня.

В первом разделе рассматривается геотермическая модель земной коры, представленная в виде схем распределения температур на различных глубинах и в. виде температурных разрезов по профилям ГСЗ. Подчеркивается, что тепловое поле имеет дифференцированный характер. Наблюдается температурное расслоение литосферы по вертикали и латерали. Температура в основании разрезов изменяется от 850-900 °С на юге до 600-650 °С на севере профилей ГСЗ. Поверхности Мою под Южно- Прибвлхашской'впадиной соответствует изотерма 550 °С, в 12

Илийской переходной зоне - 700 °С, под горными хребтами Северного Тянь-Шанл - 850 °С. Мощность земной коры в указанных структурах составляет соответственно : 42 км, 49 год и 57 тал. Мекду мощностью земной коры и температурой слагающих ее блоков отмечается положительная корреляция.

На схемах глубинных температур отмечается линейное повышение поля с севера на юг. Горизонтальные градиенты в указанном направлении возрастают от 0.5 °С/км для Южно-Прибалхашской впадины до 1.5 °С/км длп горных хребтов Джунгарии. На глубине ЬО юл наблюдается вытянутая в широтном направлении зона высоких горизонтальных градиентов (до 8.0 °С/км), расположенная в основании Илийской епэ-дкнн. Зона высоких градиентов оконтуривзет по северной границе высокотемпературную аномалию на профилях Каскеленский и Иссыкский.

Температура гранитного слоя в аномальной области составляет 450-600° С (глубина 30 км), базальтового слоя - более (200° С (глубина 55 ¡ал). Таким образом, тегаюратура пород, находящихся в аномальной зоне, превииает величину их солидуса на 50-150 °С, а степень частичного плавления вещества в таких условиях достигает 3-5%. Морфология температурной аномалии указывает на глубинный источник разогрева земных недр. В рамках расчетной модели, ограниченной глубиной 60 км, выявляется лишь его верхняя часть.

Возможны два основных механизма расплавления земной коры под горными сооружениями Тянь-Шаня. Первый - поступление под литосферу базальтовых расплаиов из аномальной мантии и их кристаллизация в нижней части корн (мэгматогенный). Второй - развитие фазовых превращений пород эхлогкт-гранулитоЕой стадии метаморфизма в базальт в условиях нривноса тепла глубинными газово-зядкнми флюидами (фильтрационный) .

Особое внимание в разделе уделяется сравнительному анализу геотермических и геолого-геофизических данных.

При относительном увеличении температур на 15-2055 в Северо-Тянь-Шаньском блоке в зоне аномального разогрева электросопротивление горных пород составляет менее 25 ом>м (Каримов К.М 1985), при кажущемся сопротивлении вмещающих, относительно холодных пород равном * 150-200 ОМ'М.

В гравитационном поле над зоной развития температурной анома-

■ лии в Северо- Тянь-Шаньском блоке расположен минимум силы тяжести,

■ который может быть Еызван частичным плавлением пород в низах коры .

и верхней мантии. Расчеты показывают, что при плавлении около мантийного вещества возможно уменьшение плотности пород от 0.03 г/см3 до 0.08 г/см3.

Наблюдается так»,а уменьшение интенсивности регионального магнитного поля ЛТ с севера на юг в среднем на 200 нТл. Явление мокот быть связано с сокращением мощности магнитозктивного слоя по изотерма 500 °С.

Кроме того, сейсмические волноводы в низах земной коры расположена в области локально увеличенных температур, а инверсия скорости в волноводах.(0.1-0.2 км/с) может быть также объяснэна термическим разуплотнением коры.

Таблица I. Сопоставление тепловой модели и данных петрологических термометров (по Гордиенко В.В.,1990)

-1-;-1-

глубина петрологический термометр расчетная температура (°С)

км платформа активная кара Еалхаиский Северо-Тянь-

joqj (0cj блок Шаньский блок

-,-:-1-1-1-

30 480 600 - 720 400 - 450 600 - 750

40 750 - 850 500 - 5.50 750 - 850

50 600 ■ 900 - ПСЮ 550 - 600. 900 - 1300

60 1000 - 1100 600 - 650 ЭТО - 1050

Приведенные данные свидетельствуют о высокой достоверности полученных результатов.

Во втором разделе главы исследуется термонапряженная модель земной коры Северного Тянь-Шаня, построенная в виде рарезов горизонтальной, вертикальной и касательной компонент тензора напряжений. Из анализа следует, что наличие неравномерного распределения температур и неоднородность физико-механических свойств горных пород вызывает появление тврмоупругих напряжений, абсолютные значения которых в аномальных температурных зонах достигают: для горизонтальной компоненты - растягивающие 3-9 кбар, сжимающие «3 кбар ; для. вертикальной компоненты - 3-5 кбар и «I кбар соответственно, что составляет от 20% до 40% 6т общего литостатического давления горных пород. Верхнемантийные порода находятся в условиях и'

сжатия, что отвечает резкому увеличению скорости сейсмических волн на границе Мохо.

Особенностью Сэреро-Тянь-Иэньскогс блока является прг.слекиЕа-емоя тенденция вертжалького распределения растягивающих температурных нагрузок в интервале глубин 20-60 км. С глубиной иктенсив-нссть главных компонент термонапряжений возрастает от I до 3-5 кбэр. Кроме того, на глубинах от 40 до 55 км выделены области интенсивности термонапряженкй достигакчцих 1.0-1.8 кбар, что соизмеримо или превыпает критическую прочность горных пород. Существование указанной структуры полч должно приводить к повышенной проницаемости среда и увеличению мощности потоков мантийных флюидов в верхние горизонты коры.

В тротьем разделе анализируется рассчитаная (по Нзркову В.Н.,1383) 'реологическая модель литосферы Северного Тянь-Шаня. Указывается, что ближе к поверхности эффективная вязкость литосферы превыпает Ю35 пуаз. В интервале глубин 10-30 юл вязкость изменяется в пределах Ю2б-1035 пуаз. В Северо-Тянь-Шаньстгом блоке наблюдается термическое утонение литосферы. Значения эффективной вязкости в области частичного плавления пород уменьшаются до Ю2О-1023 пуаз, а мощгость литосферы сокращается до 30 км. В то время как к северу в платформенных районах Балхашского блока значения вязкости составляют 1024-10гб пуаз, а мощность литосферы -более 60 км.

Сопоставляя реологические и сейсмические особенности строения территории, отмечается что, наружный слой литосферы при воздействии различных нагрузок ведет себя как упруго-хрупкая жесткая пластина. Большинство гипоцентроз землетрясений расположено, как правило, на верхнем контакте высокотемпературной области в зоне максимальных градиентов тзшератур, а мощность сейсмоактивного слоя ко превышает 30 км. Глубина расположения гипоцентров и общий ход ее изменения оказывается весьма близким для изолинии вязкости Ю23 пуаз. Следовательно, термическое уменьшение толдины литосферы приводит к активизации сейсмических процессов.

Глава завершается оценкой потенциальной энергии, накапливаемой различными блоками земной коры при термоупругих деформациях. Повышенные значения соответствуют блокам земной коры с более активным сейсмическим рэжимом. Энергоемкость сейсмически активного Северо- Тянь-Шаньского блока на два порядка превышает дотенциаль-

ную энергию асейсмичного Балхашского блока. Наибольший запас термоупругой энергии накапливается в низах земной коры на гратце ■ с мантией. Повышенной потенциальной энергией до Ю13 да отмечается область развития частичного плавления.кород.

В этой связи, учитывая, что при землетрясениях переходят в сейсмическую энергию первые проценты полной энергия деформаций (Касахара К., 1985), в сейсмогенном слое Северного Тянь-Шзня возможно проявление сейсмических событий энергетического класса 1718, обусловленных только-температурной анизатропией. Таким образом, изменение температуры в пространстве земных недр может быть энергетическим источником сейсмической активности.

3 А К I ЮЛ Е Н И Е

Предложенные, геотермические модели являются первой попыткой детального исследования структуры теплового поля и термонапряженного состояния земной корн сейсмоактивных и прилегающих к ним асе-йсмичных районов Юго-Восточного Казахстана. Основные результаты исследований и методические выводы сводятся к следующему:

1. Построена схема теплового потока Северного Тянь-Шаня масштаба 1:2000000. Полученные результаты значительно увеличивают геотермическую изученность территории и позволяют выделить характерные особенности теплового толя. Максимальные значения теплового штока соответствуют сейсмически активным областям и зонам глубинных разломов, минимальные - платформенным областям.

2. На основе разработанных моделей теплогенерацш земной коры построена схема плотности короЕого теплового потока. Вклад радиогенной компоненты в общий тепловой поток достигает от 60 до 90%. В разрезе земной коры свыше 50% корового теплового потока обусловлено выделением радиогенного тепла на глубинах от 5 до 20 км. Составлена модель глубинного распределения теплопроводности земной коры с учетом расчетных температур и литостатического давления.

3. Построена объемная тепловая модель земной коры Северного Тянь-Шаня. Установлено, что полз глубинных температур дифференцировано по латерали и вертикали. Областям развития горных сооружений отвечает более высокая температура горных пород и градиент ее изменения. Отмечается-увеличение глубинных температур от платфор-

16

кенных областей к активизированным районам. Выделена высокотемпературная аномалия под горными хребтами Зашшйского и Кунгей АлаТау.

4. Разработана модель термонапряженного состояния земной коры, на основе которой изучена структура поля термоупругих деформаций Северного Тянь-Шаня. Установлено, что неоднородности температурного поля приводят к возникновслгню термснапряхкннй достигающих от 20 до 40& от общего литостатического давления горных пород. Выделены области земной коры, з которых порода находятся в условиях температурных нагрузок превышающих их критическую прочность, что приводит к аномальному изменению физико-механических свойств среды ж повышенной сейсмичности.

5. Составлена модель эффективной вязкости земной коры, по которой установлены области перехода от хрупкого характера разрушения геологической среды к ее пластическому течению, что определяет тип сейсмического поведения различных геоблоков. Указываотся па тершческое утонение литосферы под горними сооружениями Кунгей и Заилийского Ала-Тау.

6. Исследован вклад температурных напряжений в энерготику сейсмически процессов на основе числекшх моделей потенциальной энергии термоупругих деформаций.

7. Разработает алгоритмы, программные средства и технология компьютерного прогнозирования глубинных геотермических параметров для сложно-построенных геологических сред. Опробование программ и методики моделирования на конкретных площадях позволило решить поставленные задачи на высоком уровне информативности и достоверности.

Автор сознает, что интерпретация наблюденного теплового потока - неоднозначная задача и не одна из вычислительных моделей не в состоянии окончательно решить широкий спектр геологических задач, свойственных изучению глубншого строения. Вместе с тем, дополнительные геотермические исследования, проведенные в 1937-1990 гг., с привлечением обширного комплекса новейших геолого-геофизических экспериментальных данных, а также.высокий уровень интерпретации с использованием компьютерных технологий позволили значительно сократить неоднозначность и построить максимально информативную геотермическую модель земной коры Северного Тянь-Шаня.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Температурное миделириванке гидротермальных систем магма-тогенных месторождений. / Сейсмологические условия возникновения-землетрясений. - Алма-Ата: Ин-т сейсмологии АН Каз.ССР, 1987. Деп. в ВИНИТИ ü 7095-BS7. - С. 213-220. (совместно с Лютым А.Г.)

2. Количественное моделирование динамики остывания интрузивных тел. / Геология и полезные ископаемые Юшого Казахстана. Алма-Ата: Наука, 1987. Вып. 8. - С. III-I20. {совместно с Лютым А.Г.)

3. Методика построения геотермической модели земной коры сейсмически активных районов / Геолого-геофизические исследования в сейсмоактивном поясе Казахстана. - Алма-Ата: Ин-т сейсмологии .АН Каз.ССР, 1990. Деп. в ВИНИТИ » 2972-B9I. - С. 145-158.

4. Алгоритмы обработки -наблюдений геотермичэской станции ГЕТАС. / Геолого-геофизические исследования в сейсмоактивном поясе ■Казахстана. - Алма-Ата: Ин-т сейсмологии АН Каз.ССР, 1990. Деп. в ВИНИТИ JS 2972-B9I. - С. 159-163.

5. Геотермическая модель строения земной коры по Каскеленско-му профилю ГСЗ. / Актуальные вопросы геофизики. М: ИФЗ АН СССР, 1990. Вып. 5. - С. 47-55.

6. Некоторые результаты изучения вариаций геотермического поля. / Материалы Всесоюзной конференции молодых ученых. (1-5 'октября 1990 г.) - Фрунзе: Илим, 1990. С. 12-13,

7. Глубинные температуры и сейсмичность земной коры по Каске-ленскому профилю ГСЗ. / Материалы Всесоюзной конференции молодых ученых. (1-5 октября 1990 г.) - £рунзе: Илим, 1990. С. 11-12.