Глубинная геодинамика внутриконтинентальных областей

Тычков, Сергей Анатольевич

Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему
Глубинная геодинамика внутриконтинентальных областей
ВАК РФ 04.00.04, Геотектоника

Автореферат диссертации по теме "Глубинная геодинамика внутриконтинентальных областей"

од

На правах рукописи

ТЫЧКОВ Сергей Анатольевич-

ГЛУБИННАЯ ГЕОДИНАМИКА ВНУТРИКОНТИНЕНТАЛЬНЫХ ОБЛАСТЕЙ (НА ПРИМЕРЕ ЦЕНТРАЛЬНОЙ АЗИИ)

04.00.04 - геотектоника, 04.00.22 - физика твердой Земли

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

НОВОСИБИРСК 1998 г.

Работа выполнена в Институте геологии Сибирского отделения Российской Академии наук в составе ОИГТМ СО РАН.

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук,

профессор Ю.А.Зории

доктор геолого-минералогических наук, ' ' член-корр. РАН М.И.Кузьмин

доктор геолого-минералогических наук, профессор Б.М.Чиков

Оппонирующая организация: Объединенный институт физики Земли

РАН им. О.Ю.Шмидга, (г.Москва)

Защита состоится « 1998 г. в часов

на заседании диссертационного совета Д 002.50.03 при Объединенном институте геологии, геофизики и минералогии СО РАН, в конференц-зале.

Адрес: 630090, Новосибирск 90, проспект Ак. Коптюга, 3. e-mail: tych@ujggm.nsc.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИГТМ СО РАН

Автореферат разослан «

Зам. председателя диссертационного совета д.г.-м.н., член-корр. РАН

Ч.Б.Борукаев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Настоящая работа посвящена интенсивно развиваемому в настоящее время направлению в науках о Земле - глубинной геодинамике, изучающей мантийные процессы формирования тектонических режимов и магматизма континентов и океанов, что составляет одну из ключевых проблем при создании теории происхождения и эволюции нашей планеты.

Объектом данного исследования являются мантийные процессы, принимающие непосредственное участие в тектонической эволюции внутриконтинентальных областей Центральной Азии.

Актуальность проблемы. Концепция тектоники литосферных плит, по мнению большинства геологов превратилась в настоящее время в теорию, с помощью которой удается объяснять главные особенности формирования и развития принципиальных структур литосферы планеты. Основные положения этой теории были сформулированы из наблюдений, полученных в океанических областях. Для этих областей сейчас созданы модели динамики мантии, удовлетворяющие наблюдаемым на поверхности геофизическим характеристикам. Принципиальными мантийными процессами в этих моделях, формирующими тектонический и магматический режимы океанических котловин, являются тепловая конвекция в мантии и плюмы - горячие изолированные струи, которые поднимаются из глубоких недр к подошве литосферы. Литосфера в данных областях интерпретируется как холодный и, поэтому, более прочный слой верхнего горизонтального конвективного потока, которая рождается в районах срединно-океанических хребтов и возвращается в мантию в глубоководных желобах. Остающиеся вопросы в моделях касаются вертикального масштаба конвекции, места формирования плюмов, существования локальной мелкомасштабной моды конвекции в верхней мантии и некоторые другие. Тем не менее, сейчас можно сказать, что в общих чертах мантийная динамика океанов понятна. Относительно континентальных областей ситуация сложнее.

возраст, на порядок превышающий возраст дна океанических котловин. Длительная история континентальных плит предполагает и более сложное строение их литосферы. Кроме того, необходимо подчеркнуть, что динамике мантии континентов уделялось много меньше внимания. Созданные ранее модели мантийной динамики континентальных областей, которые базировались на тех же принципах и реологии недр, что и для океанических областей (Fleitout, Yuen, 1984; Schmeling, Marquait, 1993), имели геофизические характеристики, не совпадающие с результатами наблюдений. Между тем, знание процессов в мантии, формирующих литосферу континентов и определяющих дальнейшее ее развитие, является весьма актуальной задачей, поскольку только в литосфере этих областей содержится информация о режиме недр и способах воздействия глубинных процессов на внешние оболочки Земли в течение всей тектонической истории нашей планеты. Кроме того, выполненные в последние годы исследования показали, что и сама литосфера континентов в существенной мере активно влияет на динамику мантии (Трубицын и др., 1985, 1993, 1995), тогда как в в океанах литосфере отводится пассивная роль. Особое место в тектонике континентов занимают области внутриконтинентальной активизации, классическим примером которой является Центральная Азия. Как представляется, одним из принципиальных вопросов здесь является выяснение роли и взаимоотношения глубинных мантийных процессов и внутриплигных сил при формировании тектонического режима области. Так например районы растяжения и утонения литосферы связываются здесь с вращением крупных литосферных блоков, что подтверждается инструментальными наблюдениями. Но, вместе с тем, далеко не везде при этом формируются по периферии блоков рифтовые зоны с интенсивным растяжением литосферы. По-видимому, для реализации возникших растягивающих усилий необходимы дополнительные условия - например понижение прочности литосферы из-за появления плюма под данным районом. С другой стороны, районы растяжения и базальтовый магматизм - обязательный атрибут плюма - в таких областях не всегда совпадают, что может говорить о сложной судьбе плюма у подошвы континентальной литосферы. Перечисленные выше аргументы позволяют сделать вывод, что изучение мантийной динамики внутриконтиненгальных областей

является актуальным вопросом глубинной геодинамики. Выяснение природы процессов, формирующих тектонические реяошы континентов, позволит дополнить глубинную геодинамику океанов и получить теорию для эволюции всей планеты.

Цель работы - определить условия формирования и эволюшш мантийных процессов, ответственных за тектонические режимы и магматизм внутриконтинентальных областей.

Задачи исследования. Поставленная в работе цель достигалась решением ряда задач:

- определение природы глубинных процессов, которые привели к активизации верхней мангии области современного горообразования Центрально-Азиатского складчатого пояса;

- выяснение характера взаимодействия тепловых конвективных течений и плюмов у подошвы л!ггосферы Центральной Азии;

- создание модели динамики верхней мантии платформенных областей Центральной Азии и сравнение геофизических характеристик модели с данными наблюдений;

Фактический материал, методы исследований. Фактические данные о структуре континентальной литосферы платформенных областей Северной Азии были взяты из обобщающих публикаций, содержащих информацию о структуре недр по комплексу геофизических методов (Крылов, Мандельбаум, Мишенькин и др., 1981; Егоркин, Зюганов, Чернышев, 1984; Зорин и др. 1990; Павленкова, 1997). Модель реологии континентальной литосферы и динамической мантии, развиваемая в настоящей работе, базировалась на существующих моделях формирования литосферы, теоретических и лабораторных данных изучения реологии вещества мантии, а также на данных наблюдений о послеледниковом поднятии Фенноскандии (Kirby, 1983; Pollack, 1986; Boyd, 1989; Ashwal, Burke, 1989; Bell, Rossman, 1992; Kirby, Kronenberg, 1987; Fjeldskaar, 1994; Karato, Wong, 1995). Исходные значения наблюдаемых на поверхности геофизических характеристик динамики недр исследуемого региона (тепловой поток, аномалии гравитационного поля, рельеф поверхности) (Дучков, Соколова, 1974; Зорин, Глевский, Голубев и др., 1977; Артемьев, Демьянов, Кабан, Кучериненко, 1993) при необходимости осреднялись по площади для получения характерных зависимостей данных вдоль

профиля, секущего структуры, поскольку математическая модель динамики недр строилась в двумерном варианте. Структура глубоких недр обсуждалась по данным современных локальных и глобальных моделей сейсмической томографии (Inoue, Fukao, Tanabe, Ogata, 1990; Кулаков, Тычков, Кесельман, 1994; Su, Woodward, Dziewonski, 1994; VanDecar, James, Assumpcao, 1995; Wolf, Bjarnason, VanDecar, Solomon, 1997). Исследование динамики недр в настоящей работе осуществлялось методом численного математического моделирования -основным инструментом изучения мантийных процессов в настоящее время. Достоинство этого метода определяется возможностью расчета наблюдаемых на поверхности геофизических характеристик, что дает возможность прямой верификации математических моделей. Результаты моделирования динамики недр Центральной Азии сравнивались с геодинамическими моделями современных структур, особенностями их тектонического развития и магматизма (Зоненшаин, Кузьмин, 1983; Berzin, Dobretsov, 1993; Диденко, Моссаковский, Печерский, Руженцев, Самыгин, Хераскова, 1994; Добрецов, Кирдяшкин, 1994; Зорин, Беличенко, Турутанов, Мордвинова, Кожевников, Хозбаяр, Томуртогоо, Арвисбаатар, Гао, Дэвис, 1994; Литвиновский, Занвилевич, Викхам, 1994; Ярмолюк, Коваленко, 1995).

Защищаемые положения.

1. Процесс современного горообразования во внутриконтинекгальном Центрально-Азиатском складчатом поясе осуществляется в режиме «горячего поля» мантии, характерной особенностью которого является спорадический подъем верхнемантийных плюмов к подошве литосферы. Такой режим обусловлен существованием головы нижнемангийного плюма у подошвы верхней мантии региона, что подтверждается данными сейсмотомографических моделей и результатами численного моделирования.

литосферы древних платформ в области более молодых складчатых поясов их окружающих. Эволюция плюмов в областях с аномально тонкой литосферой обусловлена их взаимодействием с потоками вещества в локальной тепловой конвективной ячейке, которая развивается в этих областях, когда они непосредственно примыкают к древней платформе: нисходящий поток локальной ячейки препятствует подъему плюма непосредственно вдоль борга платформы, поэтому плюм перемещается на 300-500 км по горизонтали в район ее восходящего потока. Распределение кайнозойского базальтового магматизма, а также данные сейсмической томографии верхней мантии Байкальской рифтовой зоны подтверждают предложенную модель взаимодействия плюма и конвекции под гетерогенной континентальной литосферой.

3. Неоднородности литосферы континентов в виде ее резких латеральных вариаций по толщине определяют динамику верхней мантии: они стабилизируют структуру верхнемантийной конвекции, восходящий поток которой существует под утолщенными участками древних докембрийских платформ, а рассеянные нисходящие потоки располагаются под относительно утоненной литосферой крупных осадочных бассейнов или складчатых поясов, окружающих платформы; концентрация нисходящих потоков в виде выраженных струйных течений происходит под аномально утоненной (до 50-80 км) континентальной литосферой из-за интенсивного кондуктнвного остывания мантии в этих областях. Подобная структура тепловой верхнемантийной конвекции под платформенными областями Северной Евразии имеет геофизические характеристики, совпадающие с данными наблюдений.

Новизна работы. Личный вклад. В результате проведенных

исследований получены следующие новые результаты:

1. Основываясь на комплексе геофизических данных о структуре литосферы Сибири (Егоркин, Зюганов, Чернышев, 1984; Zorin, Novoselova, Turutanov, Kozhevnikov, 1990; Соколова, Галушкин, Дучков, Смирнов, 1990; Павленкова, Солодилов, 1997) а также на современных представлениях об эволюции и формировании литосферы области тектонической активизации Центральной Азии

(Dewey, Burke, 1973; Molnar, Tapponier, 1978; Берзин, Колман, Добрецов и др., 1994; Хаин, Тычков, Владимиров, 1996), в работе создана модель структуры континентальной литосферы платформенных областей Центральной Азии, в которой мощность литосферы Западно-Сибирской плиты была принята равной 120 км, Сибирской платформы - 220 км, а также модель литосферы области современного горообразования Центральной Азии, отличающаяся резкими вариациями по мощности и представляющая собой ансамбль микроплит толщиной в 150-200 км, впаянных в деформированный субстрат океанической литосферы мощностью не более 50-100 км.

2. Используя модели формирования континентальной коры и литосферы, современные данные об особенностях ее физических, геохимических и изотопных характеристик (Richardson, Gurney, Erlank, Harris, 1984; Pollack, 1986; Boyd, 1989; Mareschal, Kellett, Kurtz et al., 1995; Reisberg, Lorand 1995; и др.), а также результаты теоретических и лабораторных исследований реологических свойств вещества мантии (Karato, Wu, 1993; Fjeldskaar, 1994), автором разработана модель литосферы континентов в виде жесткого кондуктивного тела переменной мощности.

3. Опираясь на известные модели динамики недр континентов и океанов (McKenzie, Roberts, Weiss, 1974; Christensen, 1984; Трубицын, Франков, 1985; Трубицын, Бобров, Кубышкин, 1993; Nakakuki, Yuen, Honda, 1997; и др.), сформулирована математическая задача для описания принципиальных динамических процессов в верхней мантии внутриконтинентальных областей - тепловой конвекции и плюмов под литосферной плитой переменной мощности, которая включала систему уравнений, описывающую движения мантийного вещества, граничные и начальные условия, реологические особенности динамической мантии. Численный алгоритм решения задачи протестирован по известным методикам (Moore, Weiss, 1973; Blankenbach, Busse, Christensen et al., 1989; Мошкин, Рычкова, Тычков, Черных, 1995).

4. Исходя из результатов моделирования тепловой конвекции под литосферной плитой переменной мощности, показано, что

структурные неоднородности литосферы стабилизируют структуру конвекции, формируя восходящие потоки конвекции под литосферой древних докембрийских платформ с мощностью более 200 км и нисходящие - под относительно утоненной до 120 км более молодой литосферой осадочных бассейнов или складчатых поясов, окружающих эти платформы, причем области с аномально утоненной до 50-80 км литосферой являются концентраторами наиболее интенсивных нисходящих потоков конвекции из-за интенсивного охлаждения здесь конвектирующего вещества мантии.

5. Выполненное в работе моделирование взаимодействия астеносферных потоков верхнемантийной тепловой конвекции и поднявшихся к подошве литосферы плюмов показало, что потоки конвекции в состоянии транспортировать вещество плюма вдоль подошвы литосферы континентов со скоростью до 7 см/год из-под литосферы платформ в области с тонкой литосферой, причем особый случай представляет ситуация, когда область с утоненной до 50-80 км литосферой непосредственно примыкает к древней платформе: в области формируется локальная конвективная ячейка, нисходящий поток которой препятствует подъему плюма непосредственно вдоль борга древней платформы, поэтому плю.м поднимается к подошве утоненной литосферы на расстоянии в 300500 км от шва, в районе восходящего потока локальной ячейки.

6. Используя известные подходы (Fleitout, Froidevaux, 1982; Parsons, Daly 1983; Fleitout, Moriceau, 1991), в работе построен и протестирован алгоритм для вычисления наблюдаемых на поверхности геофизических характеристик (теплового потока, аномалий гравитационного поля и рельефа поверхности) мантийных динамических процессов в условиях гетерогенной по мощности литосферы континентов.

7. Разработана математическая модель динамики верхней мантии платформенных областей Центральной ' Азии и модель взаимодействия конвективных потоков и плюма, достоверность которых определяется степенью соответствия рассчитанных и наблюдаемых современных геофизических данных по тепловому потоку, рельефу, аномалиям гравитационного поля,

сейсмотомографии и особенностях проявления кайнозойского базальтового магматизма (Зорин и др., 1977; Артемьев, Демьянов, Кабан, Кучериненко, 1993; Литвиновский, Занвилевич, Викхам, 1994; Дучков, Балобаев, Володько и др., 1994; Kovalenko, Yarmolyuk, Bogatikov, 1995; Kulakov, 1997).

Апробация работы. Подходы и результаты, полученные в работе, неоднократно докладывались автором на российских и зарубежных конференциях. Среди отечественных конференций можно выделить следующие, упорядоченные по времени: «Современная неотекгоника и динамика литосферы», (Таллин, 1982); «Комплексные исследования глубинного строения Западной Сибири», (Челябинск, 1986); «Физико-химические и геофизические проблемы эволюции Земли», (Москва, 1986); ряд совещаний по сейсмологи (Иркутск, 1989,1990; Ереван, 1989; Москва, 1988,1989); «Геодинамика юга Сибири» (Новосибирск, 1991); «L.P.Zonenshain memorial conf. Plate tectonics», (Moscow, 1993); «Численные методы механики вязкой жидкости», (Новосибирск, 1994); «АМСА-95», (Novosibirsk, 1995); «8th Inter. Conference on the Methods of Aerophysical Research», (Novosibirsk, 1996); ряд совещаний РФФИ (Иркутск, 1995; Новосибирск, 1996; Москва, 1997), совещания в рамках проекта IGCP №283 (Улан-Удэ,1990; Новосибирск, 1993). Результаты работы докладывались на международных конференциях за рубежом: «IGCP Project 283», (China, 1991); «6th Inter. Symp. Seismic reflection probing of the continents», (Hungary, 1994); «EGS XIX General Assambly», (France, 1994). По теме диссертационной работы опубликовано более 30 работ, из них две монографии: «Конвекция в мантии и динамика платформенных областей», (Новосибирск, «Наука», 1984) и «Основные черты структуры и динамики литосферы Сибири», (Новосибирск, «Наука», 1990, в соавторстве с Э.Э.Фотиади, Т.Л.Захаровой, Л.А.Шарловской и А.В.Ладыниным).

Структура и объем диссертации . Работа состоит из введения, трех разделов, заключения и списка литературы из 221 наименования. Полный объем диссергациц?й^страницы, включая £/ рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, определены цели работы, показана новизна результатов, а также перечислены положения диссертации, которые выносятся на защигу.

Первый раздел посвящен описанию структуры и реологии недр внуриконтинентальных областей Азии по комплексу геолого-геофизических данных. Платформенные области включают Сибирскую платформу и Западно-Сибирскую плиту, а область современного горообразования представлена в работе Алгае-Саянской складчатой областью и зоной Байкальского рифта Центрально-Азиатского складчатого пояса. (Рис.1).

Первая глава раздела содержит данные о современной структуре мантии, отражающей глубинные процессы, которые принимают непосредственное участие в формировании тектонического режима изучаемых областей. Структура мантии представлена в работе по данным глобальных и региональных современных моделей сейсмотомографии. Метод сейсмической томографии, зародившийся в нашей стране (Алексеев, Лаврентьев, Мухомедов, Романов, 1969; Бугаевский, Нерсесов, Рогожина, 1971; Крылов, Мишенькин, Петрик, Селезнев, 1971; Гобаренко, Яновская, 1983), получил в настоящее время широкое распространение во всем мире особенно в связи с появлением новых поколений вычислительных машин, портативных широкополосных сейсмографов и современных систем телекоммуникаций. Глобальные сейсмотомографические модели дают представление о пространственном распределении сейсмических неоднородностей во всей мантии Земли и привлекались в настоящей работе с целью выяснения причины возбужденного состояния верхней мантии активизированной области Центрально-Азиатского складчатого пояса. В работе выполнен критический анализ ряда современных глобальных моделей недр (Dziewonski, Hager, O'Connel, 1977; Dziewonski, 1984; Woodhouse, Dziewonski, 1984; Inoe, Fukao, Tanabe, Ogata, 1990; Zhang, Tanimoto, 1993), который показал, что наиболее качественно протестированной моделью сейсмических

Ркс. I. Основные тектонические зоны Центральной Азии по (Берзин, Колман. Добрецов и др., 1994) с незначительными изменениями. 1-кратоны; 2-6 - аккреционно-коллизионные системы с комплексами океанической коры островных дуг и микроконтинентов: 2 - Ргз-Ст, 3 -Ст-Б. 4 - О-Б, 5 - Ргэ, 6 - нерасчлененные Рг-Мг; 7-9 -микроконтиненты и докембрийские сиалические блоки: 7-лавразийской группы, 8-гондванской группы, 9-прочие; 10 - осадочный чехол Западно -Сибирской плиты.

неоднородностей мантии Земли на сегодняшний день является модель S12 (Su, Woodward, Dziewonski, 1994), позволяющая уверенно выделять неоднородности с горизонтальным размером в 1500 км и с вертикальным в первые сотни километров во всей мантии практически с одной и той же точностью. Для исследуемой области Центральной Азии структура недр представлена в данной модели сечениями по большому кругу. (Рис.2). На этих рисунках ясно видна область пониженных значений скоростей сейсмических волн в нижней мантии, ограниченная меридианами 70° и 100° с запада и востока, а по широте простирающаяся от Сибирской платформы на севере до СевероКитайской платформы и Тарима на юге. Аномалия имеет форму гриба, шляпка которого располагается у подошвы верхней мантии с центром на широте ~ 45° и долготе 90-95°. Таким образом, есть все основания говорить о существовании здесь нижнемантийного плюма или восходящего потока нижнемангийной тепловой конвекции. Следует отметить, что практически такую же форму аномалии получил для данного района Г.Н.Бугаевский еще в 1978 г. По своей структуре сейсмическая аномалия напоминает тепловую аномалию, полученную в математической модели слоистой тепловой конвекции в кольце с учетом фазового эндотермического перехода на глубине 670 км (Solheim, Peltier, 1993). Эта грибообразная аномалия с горизонтальным размером шляпки в 2000 км у границы фазового перехода и с температурой ~2400°С обеспечивает короткопериодную тепловую неустойчивость в вышележащей области верхней мантии, что приводит здесь к формированию изолированных восходящих потоков, которые можно интерпретировать как верхнемантийные плюмы.

Структура верхней мантии активизированной области Центральной Азии изучалась в данной работе с помощью созданной в ОИГТМ СО РАН региональной сейсмотомографической модели, которая охватывала регионы Алтае-Саянской складчатой области, северной половины Монголии и Байкальского рифта (Кулаков, Тычков, Кесельман, 1994; Kulakov, Tychkov, Keselman,'1995). Недавно был получен ее второй, существенно улучшенный вариант (Kulakov, 1997), созданный по технологии инверсной телесейсмической схемы, в которой использовались высокоточные данные о 500 землетрясениях в пределах изучаемого района, зарегистрированных почти 1500

Рис.2. Разрезы по большому кругу через центр Земли в модели Я 12 (Би с1 а!.. 1992). (а)-сечсние по плоскости, которая составляет угол в 45° с полярной осью. (Ь)-полярное сечение вдоль меридиана 72°.

станциями мировой сети, что позволило почти в 6 раз увеличить количество лучей по сравнению с первой моделью. Сейсмическая структура верхней мантии второй модели (Рис.3) существенно отличается от полученной ранее (Рогожина, Кожевников 1979). Более высокая детальность нашей модели позволила выделить изолированные отрицательные аномалии под северо-западным бортом оз.Байкал, под оз.Хубсугул и плато Хангай, представляющие собой вытянутые по вертикали столбы, проходящие через всю верхнюю мантию, что позволяет интерпретировать их как сейсмический образ верхнемантийных плюмов. Наличие положительной аномалии под рифтовой зоной Байкала говорит о том, что в формировании этой структуры эндогенные факторы играли второстепенную роль. В верхней мантии Алтае-Саянской складчатой области обнаруженная периодичность аномалий в широтном направлении с амплитудой в 3% и шириной в 200 км может отражать структуру конвективных ячеек в асгеносферном слое.

Таким образом, основываясь на данных глобальных и региональных сейсмотомогрзфических моделей можно сказать, что недра области современного горообразования Центральной Азии находятся в возбужденном нижнемантийной тепловой аномалией режиме «горячего поля» мантии, который характеризуется наличием «роя» верхнемантийных плюмов и интенсивным конвективным перемешиванием верхнемангийного вещества в астеносферном слое.

Во второй главе обсуждаются структура континентальной литосферы исследуемой области, поскольку, как показано в (Трубицын, Фрадков 1985; Сигшв, 1988; Трубицын, Бобров, Кубышкин, 1993), утолщенная литосфера континентов влияет на характер мантийных течений. Структура литосферы изучается в настоящее время комплексом методов, среди которых главное место занимают сейсмические исследования, распространенными методами изучения являются также мапштотеллурическое зондирование, геотермическое моделирование и данные изучения включений' мантийных пород в кимберлитах. Перечисленные выше методы дают значение толщины литосферы древних платформ, к которым в рассматриваемом регионе относятся Сибирская, Тарим и Китайские платформы, в 200-250 км, в то время как для палеозойской Западно-Сибирской плиты оно не

Ч / Г Ч> I > 20С ЛОО 600 ВОО 10О0

Оер»Ь: 175 кт

Рис.3. Распределение вариаций скоростей продольных сейсмических волн в верхней мантии юга Сибири на глубинах 125 и 175 км. Светлые области отвечают повышенным значениям скоростей относительно референтной модели РЕМ, темные - пониженным значениям скоростей. Изолинии проведены через 1 % (Ки1ако\', 1997).

превосходит 120-130 км. Область современного горообразования характеризуется резкими латеральными вариациями толщины литосферы. Выполненные ранее работы в этом направлении показали, что главной особенностью рифтовой зоны является локальное утонение литосферы до 40 км в ее осевой части ( Крылов, Мандельбаум, Мишенышн и да., 1981). В ИЗК СО РАН было предпринято изучение структуры литосферы региона комплексом геофизических методов (Зорин, Новоселова, Турутанов, Кожевников, 1990). Область утоненной до 50 км литосферы оказалась здесь несколько шире, чем в предыдущей работе и в районе оз.Хубсугул резко поворачивала строго на юг, простираясь в этом направлении до 44° СШ. Толщина литосферы Монгольского Алтая составляла не более 75 км с утолщением до 100 км в меридиональной полосе к востоку от котловины Больших Озер. В Забайкалье, юго-восточнее рифтовой зоны, мощность литосферы в среднем составляла 120 км с резкими ундуляциями 75-150 км в районе хр. Хэнтэй-Даурский. Сопоставление полученной структуры литосферы с данными о тепловом потоке позволило авторам сделать вывод о резко нестационарном тепловом поле литосферы и активной динамике недр исследуемой территории. Следует отметить, что при создании данной карты использовались осредненные характеристики недр, поэтому ее следует рассматривать как карту, отражающую основные региональные тенденции вариаций толщины литосферы особенно в ее западной части. Как представляется, более детальную картину нсоднородностен литосферы дает упоминавшаяся выше сейсмотомографическая модель недр Алтае-Саянского региона. Здесь обнаружены существенные латеральные аномалии скоростей сейсмических волн в первых 200 км глубины, которые можно соотнести со структурными и вещественными неоднородностями данного слоя. При взгляде на схему распределения сейсмических скоростей в слое, можно видеть высокоскоростную зону в восточной части области, которая соответствует Алтае-Монгольскому микроконтиненту, описанному НАБерзиным и Н.Л.Добрецовым (Berzin, Dobretsov, 1993). Другая литосфсрная зона относительно повышенных сейсмических скоростей располагается к востоку от оз.Убсу-Нур и соответствует докембрийскому Тувино-Монгольскому или Цешрально-Монгольскому микроконтиненту с толстой холодной литосферой. Промежуток между стабильными блоками

микроконтинентов заполнен аккреционными зонами, включающими в себя фрагменты островодужных комплексов с осадками задуговых бассейнов (Berzin, Coleman, Dobretsov et al., 1994), Поэтому есть все основания полагать, что толщина литосферы этих практически океанических образований составляет не более 80-120 км. Эти зоны достаточно хорошо коррелируют с отрицательными аномалиями скоростей в «литосферном» слое томографической структуры в ранге глубин 100-200 км. Такая низкоскоростная зона совпадает с кембрийской аккреционной системой Озерной зоны, выполненной венд-раннепалеозойскими осадками океанических котловин, островных дуг и задуговых бассейнов. Другая область относительно пониженных лигосферных скоростей расположена к востоку от Центрально-Монгольского микроконгиненга и соответствует аккреционным системам на севере Джида, а на юге - Байян-Хонгор (Didenko, Mossakovskii, Pecherskii, et al., 1994). Литосфера этих областей вряд ли более 100 км толщины, это видно по тому, что на томографической схеме уровень в 125 км глубины показывает здесь отрицательные аномалии. Описанная выше сейсмическая модель литосферы Алтае-Саянской горной области не противоречит ранее полученным геофизическим результатам и подтверждает принципы и критерии выделения микроконтинентов и аккреционно-коллизионных систем, которые были использованы при создании геодинамической карты Палеоазиатского Океана (Берзин, Колман, Добрецов и др., 1994).

Представленные выше данные позволяют сделать вывод о том, что мощность континентальной литосферы древних (1,6-1,7 млрд. лет) платформ региона Центральной Азии оценивается величиной в 200-220 км, в то время как литосфера их окружающих более молодых складчатых поясов или палеозойских платформ - в 125-150 км. Литосфера областей современного горообразования региона весьма неоднородна по мощности. Она представляет собой ансамбль микроплит или микроконтинентов с относительно утолщенной литосферой до 200 км, которые окружают аккреционные комплексы с литосферой океанического типа не более 100 км толщины. Следует отметить, что структура литосферы континентов существенно отличается от таковой в океанах. Это обусловлено не только и не столько более длительной историей развития континентов, сколько

принципиальными различиями в природе литосферы этих областей, что влечет за собой принципиально иное распределение физических характеристик с глубиной, среди которых необходимо прежде всего выделить реологию литосферных плит.

Третья глава первого раздела посвящена реологии континентальных недр, которая является ключевым понятием при создании моделей процессов, определяющих динамику недр. Несмотря на то, что за последние 15 лет достигнуты значительные успехи в лабораторном и теоретическом изучении реологических свойств вещества мантии (Kirby, 1983; Kirby, Kronenberg, 1987; Karato, Wong, 1995), многие вопросы остаются дискуссионными. В частности, высказываются сомнения в обоснованности использования в численных моделях данных лабораторного изучения параметров крипа, поскольку скорость деформирования образцов в лаборатории на десять порядков превышает значения скоростей деформационных процессов в мантии. Поэтому в данной работе предпочтение отдается фактическим данным о вещественном составе литосферы и геолого-геофизической информации о состоянии недр континентов. Основываясь на данных такого сорта сейчас создан ряд моделей формирования литосферы континентов (Pollack, 1986; Boyd, 1989; Asliwal, Burke, 1989; Bell, Rossman, 1992). Один из выводов, к которому пришли авторы этих моделей состоит в том, что слой химически измененной континентальной литосферы при экстракции коры в силу своей прочности не принимает участия в конвективном перемешивании мантийного материала. В этом, на наш взгляд, состоит принципиальное различие литосферы континентов и океанов. Длительная прочность консолидированных блоков континентальной литосферы подгерждается в настоящее время комплексом данных.

1. Изучение Sr-Nd отношений в карбонатитах и соответствующих щелочных породах го мантии в провинции Сьюпериор в Канаде показали, что щелочные породы внедрялись в разное время с 2,7 млрд лет до 110 млн лет, предполагая тем самым формирование коры 2,5 млрд лет назад и существование изолированного резервуара в литосфере с этих пор (Bell, Blenkinsop, Cole, Menagli, 1982).

2. В меловых кимберлитах из Ю.Африки были обнаружены алмазные ксенокристы возраста 3,2-3,3 млрд лег, что говорит о глубинной

стабильности литосферы данного региона (Richardson, Gurney, Erlank, Harris, 1984). Этот вывод базируется на данных термобарометрии, указывающих на возможность образования алмазов на глубине 200 км только при стационарной геотерме щитов (Boyd, Gurney, Richardson, 1985).

3. Недавно была обнаружена сильная электрическая анизотропия в верхних 100 км мантии, обусловленная проводящими графитовыми пленками, ориентированными по трещинам или по граням зерен минералов. Это также может бьггь интерпретировано как изоляция от тектонической переработки Канадского щита начиная с позднего архея (Mareschal, Kellett, Kurtz et al., 1995).

4.J. Revenaugh & T. Jordan (1991) обнаружили резкий отражающий горизонт S-волн при их приходе от ядро-мантийной границы, находящийся на глубине 210-300 км под континентами. Эта граница (названная авторами «Ьеушап») соответствует переходу от анизотропной континентальной литосферы к изотропной астеносфере.

5. L. Reisberg & J.-P. Lorand (1995) исследовали мантийные образцы из протерозойских образований восточных Пиренеев. Используя изотопию системы Re-Os, они определили возраст образцов орогенных перидотитов, представляющих осколки пород верхней мантии и вынесенных на поверхность тектоническими событиями. Оказалось, что возраст образцов из массива Ронда составляет 1,3 млрд лет, а образцов из восточных Пиренеев - 2,3 млрд лет, причем эти данные соответствуют возрасту древнейших коровых пород из этих районов. Это означает, как считают авторы, механическое взаимоотношение формирования коры и процесса обеднения мантии при плавлении.

Таким образом, модели эволюции континентальной литосферы и геолого-геофизические данные говорят о том, что наблюдается механическая связь между корой и тугоплавким остатком литосферной мантии. Это позволяет предположить, что архейская и протерозойская континентальная литосфера не участвует в конвективном перемешивании мантии. В численных моделях настоящей диссертационной работы невозможность вовлечения вещества литосферы континентов в конвективное мантийное перемешивание задается равенством нулю скоростей движения вещества в литосфере,

которая есть теперь жесткое тело переменной мощности с кондуктивным переносом тепла.

Реологический профиль конвектирующей подлитосферной мантии, используемый в данной работе, был взят из работы, посвященной моделированию потсгляциальных колебаний поверхности Фенноскандии (^е^кааг, 1994). Характеристики теоретической трехмерной модели сравнивались здесь с реальными данными по современной скорости подъема дневной поверхности и наклону береговой линии в зависимости от времени. Нсотектоническая компонента движения в данном тектонически стабильном районе предполагалась незначительной. Наилучшее совпадение рассчитанных и наблюдаемых характеристик было получено в модели №16.

Таким образом, реологический профиль недр, используемый в настоящей работе, состоит из жесткой недеформггруемой литосферы переменной мощности, которая подстилается конвектирующей верхней мантией с ньютоновской вязкостью 0,7х1022 П. Непосредственно под литосферой древних платформ располагается астеносфера мощностью в 75 км и вязкостью 1,45хЮ20 П. Под литосферой более молодых-платформ и складчатых поясов мощность астеносферы увеличена до 100 км.

Второй раздел работы состоит из трех глав, в которых описаны результаты математического моделирования верхнемантийных процессов.

Первая глава содержит описание методики расчетов структуры верхнемантийных течений, эволюции плюма у подошвы литосферы переменной мощности и геофизических характеристик мантийных процессов (теплового потока, рельефа и гравитационного поля). Уравнения, описывающие движение конвектирующей жидкости и перераспределения тепла в ней задавались известным образом в безразмерном виде:

(1)

ду/ дц/ и ~ — , v — —— (3)

â âx

где Т-темлература, v -кинематическая вязкость, Ra-число Рэлея, u,v-горизонгальная и вертикальная компоненты скорости движения, -

функция тока, Я = Лк/Аи -отношение коэффициентов теплопроводности коры и мантии, А-скорость генерации радиоактивного тепла. Обезразмеривание величин выполнялось стандартным образом, размерные величины обозначены штрихом:

M' = d{x, z), Г = dJ30T, Q0' = А' = AQ0 ¡d, v' = v0v,

(u,vj = (u,v)ajd, t' = td2laa, где d-вертикальный размер области, a0 = Л / p„ -коэффициент термодиффузии, Д, = -6Г jet -вертикальный градиент температуры. Значения параметров среды в модели:

а,„ =8-10~7w2/c, Ra = gpafîad*/(a0v0) = 8,82• 105, v0=10JIP-c, а = ЪЛ0'ЧГС,

g = 9,8т/с2,Âç= 2,31V/(mс}л.=41У/(т-° c\d = 547-103m,

Д, = 7-10-yC/m,Q'0 = 2S-10-3W/m\Lx = 6030 • I0V4 = 670- 103w, ¿,/¿,=9:1,

где -горизонтальный и вертикальный размеры области.

Граничные условия и геометрия расчетной области показаны на рис.4. Численная реализация уравнений выполнялась на равномерной сетке 202x66 и подробно описана в ряде статей (Мошкин, Рычкова, Тычков, Черных, 1995; Коробицына, Тычков, 1997; Рычкова, Тычков, 1997). Плюм при двумерном моделировании задавался таким образом, чтобы с одной стороны он не вносил возмущения в структуру конвекции, а с другой - обладал характерными для него особенностями: аномально высокой температурой головы плюма и стационарным местом его подъема к подошве литосферы. Подобным условиям удовлетворяет, на

°г -200-400-= -600-

1*20«

2160 км _1_

3660 км _:_

Т= 0, и = 0, 0=0

литосфсра

160-280 км

Конвектирующая мантия

и = 0, 1> = 0

Их 0 <>и п

Ли Ну

= 0, 1>=0

Рис. 4, Граничные условия и геометрия расчетной области

наш взгляд, аномалия температуры, расположенная непосредственно под литосферой и маркирующая место подъема плюма. Если моделировался плюм в виде изолированной горячей струи, то эта аномалия восстанавливалась при каждом шаге по времени, обеспечивая тем самым непрерывность подтока вещества плюма и стационарное положение струи.

Методика расчета наблюдаемых на поверхности геофизических характеристик, использованная в настоящей работе, была взята из известных работ (Parsons, Daly, 1983; Fleitout, Froidevaux, 1982; Fleitout, Yuen, 1984; Fleitout, Moriceau,1991). Аномалии гравитационного поля рассчитывались с помощью функции Грина, а динамический рельф поверхности от воздействия мантийных процессов находился из решения задачи деформирования упругой полосы внешней нагрузкой (рельефом и нормальными напряжениями от конвекции). Вариации толщины литосферы не учитывались, что является упрощением реальной ситуации, но поскольку характерная длина волны нагрузки существенно превышает амплитуду неоднородностей литосферы по мощности, данное упрощение оправдано. Проведенное тестирование алгоритма расчета и вычислительных программ показало совпадение характеристик с известными моделями (Parsons, Daly, 1983; Blankenbach, Busse, Christensen etal., 1989;).

Вторая глава посвящена изучению тепловой конвекции в верхней мантии под континентальной плитой. В работах по выявлению взаимоотношения верхнемантийной конвекции под континентами и океанами, инициатором которых был В.П.Трубицын (Трубицын, Фрадков, 1985; Трубицын, Белавина, Рыков, 1993; Trubitsyn, Rykov, 1995), математическим моделированием было показано, что под толстой кондуктивной литосферой континента постоянной мощности из-за теплоэкранирующего эффекта достаточно быстро формируется восходящий поток конвекции, а в океанических областях - нисходящий. Этот результат был подтвервден недавно на лабораторных моделях (Guillou, Jaupart, 1995). В диссертационной работе исследовались только внутриконтинентальные регионы, которые характеризуются, как показано во второй главе первого раздела, значительными вариациями толщины литосферы по латерали. Поэтому нами было проведено

систематическое изучение влияния таких вариаций на структуру и эволюцию верхнемантийной конвекции. Эффект аномально толстой литосферы кратона исследовался посредством постепенного увеличения его толщины от 120 до 280 км, занимающего по ширине примерно треть верхней границы в центре расчетной области. Рис.5. Расчеты показали, что только при перепаде мощности не менее чем Ah = 50 км между кратоном и окружающей его литосферой с толщиной в 120 км, под ним формируется устойчивый восходящий горячий поток тепловой конвекции. При толщине кратона в 190 км из-за горизонтального градиента температуры у его краев развивается локальная конвективная ячейка шириной в 300-500 км с нисходящим потоком вдоль борта кратона. Рис.б. Как показали расчеты, ячейка представляет собой замкнутый резервуар, вещество которого практически не смешивается с остальным объемом верхней мантии в течение первых млрд лет. Другой особенностью структуры литосферы континентов являются области аномально тонкой литосферы с толщиной в 50-80 км, образование которых, как показано в работе, может бьггь связано с эволюцией литосферы при коллизии континентов, а также при воздействии на континентальную литосферу флюидов погружающейся в мантию океанической литосферы в активных окраинах. Если область аномально тонкой литосферы (ловушка) находится непосредственно у борта кратона, то в ней на дальнем от толстой литосферы участке формируется устойчивый нисходящий поток верхнемантийной конвекции. В самой ловушке, в интервале глубин от подошвы литосферы до 350 км существуют две локальные ячейки с нисходящими потоками по ее периферии и одним восходящим, несколько смещенным вправо относительно центра ловушки. Рис.7. Если ловушка находится вдали от кратона, то локальных ячеек в ней не образуется и ее сущестование обнаруживается лишь в местном поднятии геотерм. Наибольших значений континентальная литосфера достигает в районе древних архейских ядер, где по геофизическим данным ее мощность доходит до 300-350 км. В работе такое ядро было помещено в центральной части кратона, утолщенного до 200 км. В начальный момент под ядром существовал нисходящий поток конвекции, который достаточно быстро диссипировал и на его месте сформировался восходящий, который оставался здесь в течение последующих 2-х млрд

ДЬ 6(1 км, l-'llXMMa

Л h 70 км. t 4000 Mi

Л Ii - КО км. t-4000 Мл

Л h = 120 км. t-<KK)0 Mil

! _VX> 2000 2500 30 OO 350O 4000

5500 6000 KM

Л h=160 KM, t=4000 Ma

......i i. I I I

0"C 75CPC 1200-C 1300"C И00»С 1500°C 160O°C

Pnc.5. Распределении температуры иод лтосфсрпои плитой переменной мощности. Л li=60, 70, 80, 100. 120 и 160 км.

огшлл:

ГС 1ЯГС И8ГС 1ЙГС

Рисб. Распределение температуры и структура конвективного течения пол лигосферной плитой переменной мощности. 11=120 км для 1=4000 Ма. Полотна литосферы обозначена пунктирной линией. Верхний рисунок мредстамяет собой увеличенный фрагмент нижнего, отмеченным прямоугольником.

Рис. 7. Распределение температуры и структура устойчивого конвсктивиоготечеиия под литосферой переменной мощности с участком аномально тонкой (11=60 км) литосферы протяженностью 510 км у правог о борта кратона.

лет. Главный вывод из проведенных исследований состоит в том, что структура литосферы определяет динамику верхней мантии внутриконтиненталъных областей. Литосфера кратонов с мощностью более 170 км стабилизирует структуру тепловой конвекции, которая остается неизменной, как показали расчеты, в течение млрд лет. Области с аномально тонкой литосферой оказывают существенное влияние на динамику мантии лишь в том случае, когда они непосредственно примыкают к древним платформам. При этом из-за интенсивного кондукгивного остывания, образуется нисходящий поток верхнемантийной конвекции у одного из краев ловушки.

Третья глава раздела содержит результаты изучения эволюции плюмов под континентальной литосферой и эффекта их взаимодействия с подлитосферными конвективными потоками мантийного вещества. Мантийные шпомы как изолированные горячие струи или капли, поднимающиеся из недр к подошве литосферы привлекаются обычно для объяснения вуканизма «горячих точек», излияний платобазальтов, континентального рифтогенеза, формирования региональных бассейнов осадконакопления и других особенностей тектонической эволюции планеты. По современным представлениям, в исследуемой области Центральной Азии шпомы играют важную роль в тектоно-магматической активизации региона, на их существование указывают данные современных сейсмотомографических моделей. В настоящей работе впервые на количественном уровне изучалась эволюция шпома, поднявшегося к подошве литосферы переменной мощности в условиях конвективного перемешивания мантии. Изучение начиналось с модели простого гравитационного растекания изолированной горячей капли с начальным размером 400x100 км вдоль подошвы литосферы постоянной мощности в отсутствие конвекции с температурой на 300° С выше, чем в окружающей мантии. Под действием плавучести, горячее вещество плюма растекалось со средней скоростью Зсм/год вдоль подошвы литосферы и из-за остывания плюм диссипировал через 15 млн лет. Рис.8. Часто предполагается, что поднявшаяся голова плюма связана с питающей зоной, по которой в голову поступает горячее вещество. При моделировании такого стационарного плюма в работе поступление вещества имитировалось восстановлением начальной тепловой аномалии при каждом шаге по времени. По сравнению с

о -200 -400 -600

■

1-0 Ма

• ... ' ' •■■■ > V. •........... .

1000

2000

3000

4000

5000 6000 км

1=4 Ма

' V. У- г ■¿■У-;

1000

3000 4000 5000 6000 км

Г8Ма

-200

-400

-600 км

1000

2000

3000

4000

5000 6000 км

1=10 Ма

1000

2000

3000

4000

5000

6000 км

Рис.8. Эволюция формы головы плюма при гравитационном растекании вдоль подошвы литосферы постоянной мощности в отсутствие конвекции. Пшом показан областью белого цвета.

первой моделью, скорость растекания в 3 см/год оставалась практически постоянной в течение 20 млн лет. Существование такого плюма обусловлено продолжительностью поступления вещества, однако при t> 60 млн лет процесс определяется температурной зависимостью вязкости вещества плюма, поэтому здесь данная модель «не работает». В условиях гетерогенной литосферы континентов плюм получает возможность движения вверх при достижении им области с утоненной литосферой. Этот эффект изучался в работе с помощью модели, в которой .стационарный плюм располагался у края кратона. Рис.9. Левый край плюма растекался вдоль утолщенного участка литосферы, а правый в силу своей плавучести устремлялся вверх, однако на глубине в 150 км начинал двигаться по горизонтали из-за развития локальной конвективной неустойчивости в ловушке.

Эволюция плюма под континентами имеет принципиальные особенности по сравнению с океаническими областями, где толщина литосферы не превосходит 100 км. Поэтому поднявшееся к ее подошве вещество плюма сразу попадает в режим декомпрессионного плавления. На континентах плюм, поднявшийся в область докембрийской платформы с литосферной мощностью в 200 км вызовет лишь формирование сводового поднятия, как это сейчас имеет место, вероятно, на севере Сибирской платформы (плато Путорана). Поэтому дальнейшая эволюция плюма будет определяться его взаимодействием с астеносферными потоками мантийной конвекции. В работе взаимодействие плюма и конвекции изучалось на нескольких моделях, но наиболее интересной представляется ситуация, когда стационарный плюм располагался у края кратона. Рис.10. Левый край плюма из-за «лобового» воздействия на него конвективного потока не имел теперь возможности для растекания, но правый, двигался со скоростью ~7см/год по конвективному потоку и через первые млн лет достиг противоположного края ловушки. Структура течения здесь характеризуется нисходящим потоком, поэтому горизонтальное движение плюма замедлилось и началось формирование его новой головы по мере поступления горячего вещества по субгоризонтальному каналу из места подъема плюма. Рост новой головы плюма обеспечил подъем его вещества с температурой 1400° С на глубину менее 100 км в

1000 2000 3000 4000 5000 6000 км

10 Ма

-300

-500 км

-1оо|-------'

...........................

1000 2000 3000 4000 5000 6000 км

20 Ма

1000 2000 3000 4000 5000 6000 км

35 Ма

1000 2000 3000 4000 5000 6000 км

Рис.9 . Эволюция головы плюма в режиме постоянного поступления горячего вещества плюма в его голову (стационарный шпом) у края утолщенной литос4>еры.

Рис. 10. Эволюция плюма в режиме лостояшюго поступления горячего вещества плюма в его голову (стационарный ллюм) у края утолщешюй литосферы в условиях конвектирующей верхней мантии. Плюм показан областью белого цвета.

ловушке, что является достаточным условием для начала декомпрессиониого плавления и формирования магматического очага.

Таким образом, проведенное моделирование показало, что астеносферные потоки конвекции перемещают вещество головы плюма вдоль подошвы литосферы со скоростью до 7 см/год. Эволюция плюма определяется здесь структурой тепловой верхнемантийной конвекции н структурой континентальной литосферы. При своем движении вдоль подошвы литосферы, плюм может остановиться, достигнув места нисходящего потока конвекции или получит возможность подняться вверх, если окажется в районе восходящего потока локальной конвективной ячейки под утоненной литосферой. Результаты моделирования показали, что эволюция плюма под континентами принципиально отличается от таковой в океанах.

Третий раздел работы состоит из двух глав, в которых представлены особенности динамики верхней мантии конкретных регионов Центральной Азии.

В первой главе раздела обсуждается модель верхнемангийной конвекции для тектонически стабильной области Западной Сибири и Сибирской платформы. Технология построения модели состояла в следующем. Варьируя значения теплового потока в верхнюю мантию через ее нижнюю границу в пределах допустимых значений в 20-30 мВт/м2, при заданных структуре литосферы, распределении р/а источников в коре и реологическом профиле конвектирующей верхней мантии, требовалось получить структуру верхнемантийного течения при которой значения теплового потока на поверхности соответствовали бы наблюдениям. Затем, исходя из полученной структуры течения и распределения температуры в расчетной области, вычислялись другие геофизические характеристики: рельеф поверхности и гравитационные аномалии. Уровень соответствия этих характеристик наблюдениям определял степень адекватности модели реальным процессам в недрах. Геометрия литосферы, реология мантии и другие характеристики модели были описаны в первой главе второго раздела, сравнение с наблюдениями проводилось только для левой половины расчетной области, которая моделировала ЗападноСибирскую плиту и Сибирскую платформу.

Полученное значение теплового потока в модели для Западной Сибири составляло 53 мВт/м2, а для Сибирской платформы - 40 мВт/м2, что совпадает со средними наблюдаемыми значениями (Дучков, Балобаев, Володько и др., 1994). Тепловой поток через нижнюю границу верхней мантии, обеспечивающий подобное совпадение, оказался равным 28 мВт/м2, что в рамках допустимых значений. Амплитуда рельефа Западно-Сибирской плиты составляет в среднем 75 м с увеличением до 250 м при подходе к Сибирской платформе, средний рельеф которой не превосходит 500 м, хотя для ее северной половины это значение возрастает в два раза. Таким образом, перепад высот рельефа Западной Сибири и Сибирской платформы составляет от 400 до 1000 м. В модели предполагалось, что этот перепад обусловлен в основном динамическими процессами в мантии, поскольку наблюдаемые на платформах вариации толщины коры в первые километры (Сурков, Гришин, Лотышев, Смирнов, 1998), не обеспечивают «чисто» изостатической природы рельефа. Рельеф, полученный в модели имеет перепад до 1000 м, причем Западной Сибири соответствует погружение, а Сибирской платформе -воздымание. Сравнение с осредненным рельефом в полосе 60°-64° СШ показывает, что теоретический рельеф по амплитуде вдвое превышает наблюдаемый. Это можно отнести за счет упрощения модели, в которой не учитывались вариации физических параметров, таких как коэффициентов теплопроводности и теплового расширения от температуры и давления. Методика расчета гравитационных аномалий описана в первой главе второго раздела работы. Наблюдаемые значения поля взяты из схемы гравитационного влияния неизвестных аномальных масс, полученных путем исключения из аномалий Буге притяжения масс осадочного чехла и масс, обусловленных ундуляциями раздела Мохо (Артемьев, Демьянов, Кабан, Кучериненко, 1993). Аномалии были осреднены в полосе 60°-70° СШ. Сопоставление наблюдаемой и теоретической мантийной компоненты поля показало, что поле от модели в целом повторяет наблюдаемую зависимость с повышенными значениями поля Западной Сибири, интенсивность которого уменьшается по мере приближения к Сибирской платформе, где гравитационное поле характеризуется минимальными значениями на профиле. Теоретическая амплитуда оказалась несколько выше

наблюдений, что можно отнести, как упоминалось выше, к упрощению модели. Тем не менее, полученное совпадение характеристик говорит в пользу представленной модели недр и оправдывает подход к моделированию динамики континентальной мантии, развиваемый в данной работе. Это утверждение основывается на сопоставлении существующих моделей динамики мантии континентов и представленной в работе. Рис.11. Сравнивались модели Ь.ИейоШ, В.Уиеп, (1984) и Н.БсЬтеИ^, аМащиаП, (1993), в которых предполагалось, что литосфера континентов имеет «чисто» тепловую природу как в океанах, а также наша модель. Модели для краткости обозначим М1, М2 и МЗ. Обращает на себя внимание явное несоответствие между результатами счета и наблюдениями в моделях М1 и М2. В этих моделях утолщенной до 200 км литосфере отвечает погружение поверхности более чем на 1 км, хотя известно, что депрессии или осадочные бассейны характеризуются наоборот относительно утоненной литосферой. Нет соответствия с наблюдениями в данных моделях и по тепловому потоку: расчетный поток тепла в депрессиях получился ниже, чем на относительно приподнятых платформах, тогда как из наблюдений следует, что тепловой поток из недр осадочных бассейнов, в среднем, в 1,5 раза выше, чем на платформах. В моделях М1 и М2 не представлена мантийная составляющая гравитационного поля, поэтому сопоставление с наблюдениями не проводилось. В нашей модели МЗ относительно утоненная литосфера характеризуется погружением поверхности до 500 м, повышенным до 53 мВт/м2 значением теплового потока и положительными значениями мантийной составляющей гравитационного поля, а утолщенная до 200 км литосфера древних платформ отличается подъемом дневной поверхности на 500 м, низкими значениями теплового потока, не превышающими q = 30 мВт/м2 и отрицательными аномалиями мантийной составляющей поля тяжести. Таким образом сопоставление моделей показало, что только при условии представления литосферы жестким высоковязким слоем переменной мощности, чем отличается наша модель от предложенных ранее, возможно получить соответствие между теоретическими и наблюдаемыми характеристиками. Это означает, что литосфера

Рис. 11. Сравнение рассчитанных и наблюдаемых характеристик для трех моделей.

континентов принципиально отличается от океанической литосферы по способу своего образования и вещественному составу.

Во второй главе раздела представлена модель современной динамики верхней мантии Байкальского рифта. Наряду с предложенными моделями активного и пассивного рифтинга (Sengor, Burke, 1978), в формировании структуры существенную роль могут играть мантийные флюиды, катализирующие фазовые переходы в коре (Artushkov, Letnikov, Ruzhich, 1990) и контролирующие реологические свойства литосферной мантии. При пассивном рифтогенезе, они могут быть «спусковым крючком» для реализации тектонических напряжений в литосфере области, обусловленных вращением плит или процессами на активных границах. Подобная ситуация вполне приемлема для Байкала, поскольку рифтогенез здесь не сопровождался, как в других рифтах, массовым излиянием базальтов, являющихся индикатором аномального разогрева недр на лигосферном уровне глубин. Поэтому в понижении прочности литосферы, необходимого для реализации тектонического растяжения, флюиды могли играть здесь определяющую роль. Способ транспортировки флюидов из недр является предметом оживленной дискуссии, однако можно предположить, что их появление связано с подъемом шпомов к подошве литосферы, а максимальный эффект флюидов на реологию литосферы можно ожидать в шовных, проницаемых зонах континентов. Формирование Байкальского рифта является только одним из эпизодов текгоно-магматической активности Южной Сибири в мезо-кайнозое. По крайней мере несколько эпох теплового возбуждения недр приводили здесь к рифтишу (140-120 млн лет; 30-0 млн лет) и к магматизму (230-160 млн лет; 140-120 млн лет; 30-0 млн лет) (Kovalenko, Yarmolyuk, Bogatikov, 1995). С периодическим прогревом литосферы Забайкалья связано, вероятно, и формирование крупнейшего Ангаро-Витимского батолита (Литвиновский, Занвилевич, Викхам, 1994). Одной из возможных причин столь длительной активности региона вдали от плитных границ может быть его гетерогенная утоненная литосфера, формирующая конвергентную структуру течения верхнемангийной конвекции на астеносферных глубинах. Как было показано в третьей главе второго раздела работы, подобная структура течения эффективно выносит плюмы, поднявшиеся к подошве древних

платформ, в области складчатых поясов их окружающих. В данной работе представлена модель выноса плюма из-под края Сибирской платформы, который мог быть причиной формирования рифта Байкала.

Структура литосферы в модели была взята по схеме Ю.А.Зорина с коллегами (1990) и соответствует положению профиля, простирающегося от Верхне-Ленского поднятия в направлении базальтового плато Витим. Рис.12. Предположим, что 30-35 млн лет назад под литосферой южного борта платформы появился верхнемантийный плюм. Взаимодействие плюма с астеносферными потоками верхнемантийной конвекции показано на рис.13. На начальном этапе вещество плюма со скоростью 7 см/год было доставлено конвективным потоком на «астеносферной» глубине к правому краю участка с утоненной литосферой (ловушки) за первые млн лет. Локальная конвективная ячейка в ловушке не допускала подъема вещества плюма вдоль борта кратона, т.е. непосредственно под ось Байкальского рифта. С течением времени под ловушкой происходило накапливание вещества плюма и через 20-25 млн лет это вещество поднялось к подошве утоненной литосферы. Заметим, что подъем происходил на расстоянии в 200 км от края древней платформы.

Одним из главных индикаторов появления плюма у литосферы является базальтовый магматизм. Подъем вещества плюма на глубину менее чем 100 км с температурой Т>1400° С является достаточным условием для декомпрессионного плавления и формирования здесь мантийного очага базальтового магматизма (McKenzie, 1984). В представленной модели, этим условиям отвечает ситуация при t=20-35 млн лет (или 0-15 млн лет назад), когда вещество плюма, пройдя более 200 км по горизонтали получило, наконец, возможность подняться на «критическую» глубину и сформировать магматический очаг базальтов Витима. Этот результат говорит о принципиально иной эволюции поднявшегося плюма под континентом по сравнению с ситуацией в океанах, где излияния базальтов практически всегда совпадают с местом подъема плюма. Базальтовый магматизм в Центральной Азии, как и в Европе (Menzies, Bodinier, 1993) также тяготеет к областям с тонкой (<100 км) литосферой. Однако, как показало моделирование, гопомы на континентах, прежде чем сформировать очаги магматизма,

Рис.12. Географическое положение профиля, вдоль которого выполнено численное моделирование. 1-Сибирский кратон, 2-микроконтиненты лавразийской группы, 3-кайнозойские базальты Забайкалья, 4-гранигы.

Рис. 13. Эволюция плюма в режиме постоянного исступления горячего вещества плюма в его голову (стационарный шиом). Ширина ловушки (участка утоненной литосферы ) составляет 300 км. Подъем вещестпа плюма на "декомпрессионную глубину происходит при 1=30 Ма после появления плюма у подошвы литосферы и на расстоянии 200-250 км от края кратона.

могут быть перенесены астеносферными потоками конвекции вдоль подошвы литосферы на сотни километров.

Сопоставление температурного поля мантии в модели с данными о современной структуре недр, полученной сейсмотомографическими исследованиями, является важным независимым критерием проверки адекватности модели реальной обстановке в недрах. Из Рис.13, где показано распределение температуры в ловушке, следует, что температурное поле здесь в интервале глубин 80-220 км состоит из относительно холодной аномалии в 1200° С в левой части поля и относительно горячей аномалии в 1400° С в его правой части. Обычно отношение dVt,/dT, используемое для оценки температуры Т по скорости продольных сейсмических волн Vp в данной точке области принимается равным -0,0005 км/сК (e.g. Dufly, Anderson, 1989). В таком случае увеличение температуры на 160°С дает понижение скорости на один процент. Однако при температуре вещества мантии всего на 100-200 °С ниже температуры солидуса (именно такую сшуацию мы имеем в ловушке) это отношение возрастает до величины -0,002 км/сК из-за субсолидусного механизма размягчения пород на сейсмических частотах (Sato, Sacks, Murase, 1989). Поэтому температурное различие в 200 °С, которое присутствует на астеносферных глубинах в ловушке, дает ~5% наблюдаемые вариации по скорости сейсмических волн. Томографическая модель Байкальской зоны, обсуждавшаяся выше, показывает зону относительно высоких скоростей непосредственно под Байкалом в левой части ловушки и зону повышенных значений скорости в ее правой части, что соответствует тепловому полю. Таким образом, можно сказать, что данная томографическая модель отражает структуру локальной конвективной ячейки в интервале глубин 80-250 км под участком утоненной литосферы северной половины Байкальской рифтовой зоны в районе В илимского базальтового плато. Совпадение структуры аномалий сейсмических скоростей и структуры конвективного течения численной модели особенно четко выражено на глубинах менее 250 км. С другой стороны, горизонтальный канал горячего вещества, питающего очаг магматизма плато Витим, в томографической модели обнаруживается на глубине 300 км и только в виде небольшого залива отрицательной аномалии, который

протягивается к оз.Байкал. Подобное различие в выраженности мантийных тепловых аномалий и течений в сейсмотомографической модели обусловлено тем, что горизонталный поток горячего вещества, соединяющий голову плюма и очаги магматизма, находится уже не в режиме субсолидусных температур, что ведет к незначительном)' понижению скоростей сейсмических волн и более слабому проявлению данной аномалии в поле сейсмических скоростей.

Таким образом, результаты моделирования структуры течения верхней мантии в активных областях показали, что эволюция динамики недр определяется здесь сложным взаимодействием конвективных течений, неоднородностей континентальной литосферы по толщине и поднимающихся изолированных капель или струй горячего мантийного вещества - плюмов. Причем ситуация здесь принципиально отличается от той, которая существует в океанах, где место подъема плюма из недр соответствует проявлению базальтового магматизма на поверхности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основной вывод данной работы состоит в том, что во внугриконтинентальных областях гетерогенная по мощности литосфера формирует и стабилизирует структуру верхнемантийной тепловой конвекции - главного динамического процесса в недрах, что, в свою очередь, предопределяет эволюцию плюмов, концентрируя их в областях складчатых поясов, окружающих древние платфомы.

В работе впервые для области Центральной Азии выполнен совместный анализ глобальных и региональных сейсмотомографических данных, что позволило путем увязки данных создать непротиворечивую модель структуры недр, которая объясняет режим динамики верхней мантии активизированной области.

Получены новые принципиальные результаты в моделировании мантийных процессов. Предпринятые ранее попытки механически перенести в континентальные области технологии моделирования мантийной динамики океанических недр привели к тому, что построенные модели (Fleitout, Yuen, 1984; Schmeling, Marquart, 1991, 1993) не удовлетворяли данным наблюдений. Анализ этих моделей показал, что принципиальным моментом здесь является

природа литосферы. В настоящей работе доказано, что континентальная литосфера радикально отличается от океанической по способу своего образования и вещественному составу. Поэтому литосфера здесь была представлена жестким слоем, вещество которого не принимает участия в конвективном перемешивании. В последнее время появились работы (Nakakuki, Yuen, Honda, 1997; Doin, Fleitout, Christensen, 1997; Lenardic, 1997) где вязкость литосферы на порядки отличается от вязкости конвектирующей мантии, что близко к подходу, развиваемому в настоящей работе. Однако в этих работах мощность литосферы предполагалась постоянной по латерали и, кроме того, в них не вычислялись геофизические характеристики моделей, что затрудняло их верификацию. Выполненный в работе анализ данных по структуре литосферы континентов показал, что ей присущи долгоживухцие резкие латеральные вариации по мощности, превышающие 100 км. Полученные в работе модели позволили сделать вывод о том, что жесткая, гетерогенная по мощности литосфера континентов формирует и стабилизирует структуру верхнемангийной тепловой конвекции -главного механизма мантийной динамики. Только при таком подходе удается построить модели динамики недр, геофизические характеристики которых удовлетворяют данным наблюдений.

В работе представлен механизм унаследованности развития структур внутриконтинентальных складчатых поясов. Он определяется процессом взаимодействия плюмов и астеносферных потоков тепловой конвекции под гетерогенной континентальной литосферой. Показано, что эволюция плюмов под континентами принципиально отличается от таковой в океанах, где излияния базальтов практически всегда совпадают с местом подъема шпома. На континентах же плюмы, прежде чем сформировать очаги магматизма, могут быть перенесены астеносферными течениями конвекции вдоль подошвы литосферы на сотни километров. Причем потоки верхнемангийной конвекции выносят плюмы из-под древних платформ в складчатые пояса, их обрамляющие, что и обеспечивает периодически повторяющуюся тектоно-магматическую активизацию этих поясов. Характерным примером подобной мантийной динамики является эволюция недр Южной Сибири в мезо-кайнозое.

Несомненно, изучение мантийных механизмов, формирующих тектонический и магматический режимы внутриконтинентальных областей, следует продолжать комплексом современных методов в нескольких направлениях. Во-первых, необходимо дальнейшее развитие метода сейсмической томографии недр с учетом специфики задач для континентальных областей. Первостепенной задачей здесь, как представляется, является изучение современной структуры верхней мантии «немых» в сейсмологическом смысле регионов древних платформ, где отсутствуют эпицентры землетрясений и/или сеть сейсмостанций. Эту задачу можно решить, развивая сейсмотомографгао на ББ, РР и других типах волн. Во-вторых, в части математического моделирования мантийных процессов, необходим переход на трехмерные модели. Как показали работы в этом направлении, только при объемном моделировании возможно создание адекватных моделей недр активизированных областей, поскольку для них характерно резкое изменение параметров по латерали в широтном и меридиональном направлениях, что делает применение двумерных моделей весьма затруднительным. Наконец, в-третьих, изучение глубинной геодинамики невозможно без точных и подробных геодинамических карт исследуемых территорий, первый вариант которых для Центрально-Азиатского складчатого комплекса был получен в рамках проекта ЮСР № 283 ( Берзин, Колман, Добрецов и др., 1994). Эти карты, кроме их детализации, необходимо должны бьггь дополнены трансектами, дающими информацию о структуре коры и литосферы в целом (Зорин, Беличенко, Турутанов и др., 1994), а также кондиционными картами аномалий гравитационного и магнитного поля, распределения значений теплового потока и других геолого-геофизических характеристик.

При всей актуальности перечисленных выше задач, дальнейшее развитие и получение принципиальных результатов континентальной глубинной геодинамики будет идти, на наш взгляд, в основном посредством реализации междисциплинарных

интеграционных научных проектов, объединяющих исследовательские группы геологов, геохимиков, геофизиков и математиков вычислителей.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Тычков С.А. К вопросу' о тепловой конвекции в верхней мантии// Геология и геофизика.- 1981,-№3,- С. 127-132.

2. Тычков С.А. Конвективные потоки в верхней мантии и их проявление в тектонике платформенных областей // Методика и результаты комплексных геофизических исследований в Сибири.-Новосибирск: ИГиГ СО РАН СССР, 1981,- С. 311-325.

3. Тычков С. А. Конвекция под быстродвижущсйся плитой и ее проявление в тектонике платформ // Геология и геофизика.- 1982.- №3.-С. 104-121.

4. Тычков С.А., Ладынин A.B., О воздействии верхнемантийной конвекции на структуру и динамику континентальной литосферы// Геофизические методы в региональной геологии.-Новосибирск: Наука. Сиб.отд-ние, 1982,- С. 49-63.

5. Тычков С.А., Конвекция в мантии и динамика платформенных областей.- Новосибирск: Наука, 1984,- 96 с.

6. Тычков С.А., О термической природе внутрикорового волновода // Геология и геофизика.- 1986,- №2,- С. 106-110.

7. Тычков С.А., Влияние кондуктивного слоя на структуру конвекции в мантии// Геология и геофизика.- 1986,- №8.- С. 67-76.

8. Тычков С.А. Разломы в реологически расслоенной литосфере// Геология и геофизика.- 1987.- №2.- С. 62-69.

9. Тычков С.А., Кучай В.К., О механизме формирования молодых платформ ( на примере ЗСП)// Внутриплигные явления в земной коре/Под. ред.В.Е.Хаина.-Москва, 1988. С. 211-226.

10.Tychkov S.A., Driving mechanism of the lithospheric plates// IGCP Project #283 : Geodynamic evolution of the Paleoasian ocean: Report No. 1. -Novosibirsk, 1990, P. 151.

П.Фотиади Э.Э., Захарова Т.Л., Ладынин A.B., Тычков С.А., Шарловская Л.А., Основные черты структуры и динамики литосферы Сибири.- Новосибирск: Наука, 1990. -116 с.

12.Тычков С.А., Захарова Т.Л., Шарловская Л.А., Механизм погружения мезо-кайнозойекого осадочного бассейна Западной Сибири//Геология и геофизика.- 1991.-№7,- С. 8-17.

13. Tychkov S.A., Kulakov I.Yu., Chervov V.V., Mantle structure and dynamics in the Baikal and surround areas// IGCP Project #283: Geodynamic evolution of the Paleoasian ocean: Report No.2. - Beijing, 1991, P.67.

14.Keselman S.I., Kotliar P.E., Kuchai O.A., Tychkov S.A., Serebriakova I.I., Deformations of the nearsurface part of the Earth's crust by seismologic and geodetic data obtained on Baikal geodynamic poligons// Tectonophysics.- 1992.-v.202,- P. 251-256.

15. Tychkov S.A., Chervov V.V., Thinning of the lithospherc by upper mantle convection// L.P.Zonenshain memorial conference on plate tectonics: Abstr. - Moscow, 1993, P. 149.

16. Tychkov S.A., Zakharova T.L., Manifestation of the induccd slab mantle flow in surface movements and its role in collisional processes// L.P.Zonenshain memorial conference on plate tectonics: Abstr. - Moscow.

1993, P. 149.

17.Тычков C.A., Захарова Т.Л., Кулаков И.Ю., Динамика мантии зоны субдукции (на примере Критской дуги)// Геология и геофизика,- 1993,- №8,- С.3-12.

18. Tychkov S.A., Zakharova T.L., Mantle mechanism of the intracontinental subduction zone (NW Tibet)// IGCP Project #283: Geodynamic evolution of the Paleoasian ocean: Report No.4. - Novosibirsk.

1994, P.239-241.

19. Kulakov I.Yu., Tychkov S.A., Keselman S.I., Three-dimensional structure of lateral heterogeneities in P-velocities in the upper mantle of the southern margin of Siberian plate// Seismic reflection probing of the continents and their margins: Abstr. - Budapest, 1994, P.75.

20. Kulakov I.Yu., Tychkov S.A., Keselman S.I., Three-dimensional structure of lateral heterogeneities in P-velocities in the upper mantle of the southern margin of Siberia and its preliminary gcodynamical interpretation// EGS XIX General Assambly: Abstr. - Grenoble, 1994, P.c75.

21. Кулаков И.Ю., Тычков С.А., Кесельман С.И., Трехмерная структура верхней мантии южного горного обрамления Сибирской

платформы по данным телесейсмической томографии// Геология и геофизика,- 1994,- №5,- С. 31-48.

22. Kulakov I.Yu., Tychkov S.A., Keselraan S.I., 3-D structure of latéral heterogeneities in P velocities in the upper mantle of the southern margin of Siberia and its preliminary geodynamic interprétation// Tectonophysics. -1995.-v.241,-P. 235-257.

23. Мошкин H.П., Рычкова E.B., Тычков С.A., Черных Г.Г., Тестирование некоторых численных моделей конвективных течений в задачах геодинамики// Вычислительные технологии,- 1995,- т.4.- №13,-С, 224-231.

24.Коробицына Ж.Л., Тычков С.А., Численное моделирование взаимодействия тепловых конвективных течений в мантии и литосферы континентов// Вычислительные технологии,- 1995,- т.4.-№13,- С. 254267.

25.Хаин В.Е., Тычков С,А., Владимиров А.Г., Коллизионный орогенез: модель отрыва субдуцированной пластины океанской литосферы при континентальной коллизии// Геология и геофизика. -1996,- №1,-С. 5-16.

26.Тычков С.А., Рычкова Е.В., Континентальная геодинамика: роль литосферы в эволюции мантийных течений// Геодинамика и эволюция Земли : Тез.докл. конф. РФФИ. - Новосибирск, 1996, С.40-43.

27. Тычков С.А., Владимиров А.Г., Плюмовая тектоника континентов в фанерозое: альтернатива тектоники литосферных плит или синтез?// Тез.докл.конф. РФФИ,- Москва, 1997, С. 182.

28. Тычков С.А., Владимиров А.Г., Модель отрыва субдуцированной океанической литосферы в зоне Индо-Евразийской коллизии// Доклады академии наук,- 1997,- т.354,- №2,- С. 238-241.

29. Коробицына Ж.Л., Тычков С.А., Численное моделирование процессов тепло- и массопереноса с учетом фазового перехода в геодинамике// Журнал вычислительной математики и математической физики,- 1997,- т.37,- №6,- С. 733-741.

30. Тычков С.А., Рычкова С.А., Василевский А.Н., Взаимодействие плюма и тепловой конвекции в верхней мантии под континентом// Геология и геофизика.- 1998,- №4.- С. 413-425.

Текст научной работыДиссертация по геологии, доктора геолого-минералогических наук, Тычков, Сергей Анатольевич, Новосибирск

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ГЕОЛОГИИ

На правах рукописи

ТЫЧКОВ Сергей Анатольевич

ГЛУБИННАЯ ГЕОДИНАМИКА ВНУТРИКОНТИНЕНТАЛЬНЫХ ОБЛАСТЕЙ (НА ПРИМЕРЕ ЦЕНТРАЛЬНОЙ АЗИИ)

04.00.04- геотектоника, 04.00.22. - физика твердой Земли

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора геол ого-минерал огических надМ

V Гу с>>

\\ .. 'У , -

чй г

ду

НОВОСИБИРСК 1998 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение............................................................................................. 4

Раздел I. Структура, особенности состава и реология

верхней мантии континентальных областей.................. 18

Глава 1. Глобальные и локальные модели структуры

мантии Земли по данным сейемотомографии................... 18

Глава 2. Структура континентальной литосферы по

комплексу геолого-геофизических данных........................ 63

Глава 3. Реология недр континентов................................................. 82

Раздел II. Динамика верхней мантии континентов...................... 99

Глава 1. Методика расчетов и исходные понятия в

исследованиях динамики верхней мантии континентов.................... 99

Глава 2. Тепловая конвекция в верхней мантии

внутриконтинентальных областей..................................... 130

Глава 3. Плюмы и специфика их взаимодействия с подлитосферными конвективными

потоками мантийного вещества........................................ 161

Раздел III. Особенности динамики верхней мантии

регионов Центральной Азии....................................... 202

Глава 1. Динамика верхней мантии

Западно-Сибирской плиты и Сибирской платформы...... 219

Глава 2. Динамика верхней мантии

Байкальской рифтовой зоны............................................. 235

Заключение...................................................................................... 252

Литература....................................................................................... 256

ВВЕДЕНИЕ

конвективного потока, которая рождается в районах срединно-океанических хребтов и возвращается в мантию в глубоководных желобах. Остающиеся вопросы в моделях касаются вертикального масштаба конвекции, места формирования плюмов, существования локальной мелкомасштабной моды конвекции в верхней мантии и некоторые другие. Тем не менее, сейчас можно сказать, что в общих чертах мантийная динамика океанов понятна. Относительно континентальных областей ситуация сложнее.

Успехи в создании моделей океанической мантийной динамики обусловлены, отчасти, более простым строением литосферы океанов по сравнению с континентальными областями, имеющими в среднем возраст, на порядок превышающий возраст дна океанических котловин. Длительная история континентальных плит предполагает и более сложное строение их литосферы. Кроме того, необходимо подчеркнуть, что динамике мантии континентов уделялось много меньше внимания. Созданные ранее модели мантийной динамики континентальных областей, которые базировались на тех же принципах и реологии недр, что и для океанических областей (Fleitout, Yuen, 1984; Schmeling, Marquait, 1993), имели геофизические характеристики, не совпадающие с результатами наблюдений. Между тем, знание процессов в мантии, формирующих литосферу континентов и определяющих дальнейшее ее развитие является весьма актуальной задачей, поскольку только в литосфере этих областей содержится информация о режиме недр и способах воздействия на внешние оболочки Земли в течение всей тектонической истории нашей планеты. Кроме того, выполненные в

последние годы исследования показали, что и сама литосфера континентов в существенной мере влияет на динамику мантии (Трубицын и др. , 1985, 1993, 1995) в противоположность ситуации в океанах, где литосфере отводится пассивная роль. Особое место в тектонике континентов занимают области внутриконтинентальной активизации, классическим примером которой является Центральная Азия. Как представляется, одним из принципиальных вопросов здесь является выяснение роли и взаимоотношения глубинных мантийных процессов и внутриплитных сил при формировании тектонического режима области. Так например районы растяжения и утонения литосферы связываются здесь с вращением крупных литосферных блоков, что подтверждается инструментальными наблюдениями. Но, вместе с тем, далеко не везде при этом формируются по периферии блоков рифтовые зоны с интенсивным растяжением литосферы. По-видимому для реализации возникших растягивающих усилий необходимы дополнительные условия - например понижение прочности литосферы из-за появления штюма под данным районом. С другой стороны, районы растяжения и базальтовый магматизм - обязательный атрибут штюма - в таких областях не всегда совпадают, что может говорить о сложной судьбе плюма у подошвы континентальной литосферы. Перечисленные выше аргументы позволяют сделать вывод, что изучение мантийной динамики внутриконтинентальных областей является актуальным вопросом глубинной геодинамики. Выяснение природы процессов, формирующих тектонические режимы континентов,

позволит дополнить глубинную геодинамику океанов и получить теорию для эволюции всей планеты.

Цель работы - определить условия формирования и эволюции мантийных процессов, ответственных за тектонические режимы и магматизм внутриконтинентальных областей.

Задачи исследования. Поставленная в работе цель достигалась решением ряда задач:

- определение природы глубинных процессов, которые привели к активизации верхней мантии области современного горообразования Центрально-Азиатского складчатого пояса;

- выяснение характера взаимодействия тепловых конвективных течений и плюмов у подошвы литосферы Центральной Азии;

наблюдений о послеледниковом поднятии Фенноскандии (Kirby, 1983; Pollack, 1986; Boyd, 1989; Ashwal, Burke, 1989; Bell, Rossman, 1992; Kirby, Kronenberg, 1987; Fjeldskaar, 1994; Karato, Wong, 1995). Исходные значения наблюдаемых на поверхности геофизических характеристик динамики недр исследуемого региона (тепловой поток, аномалии гравитационного поля, рельеф поверхности) (Дучков, Соколова, 1974; Зорин, Глевский, Голубев и др., 1977; Артемьев, Демьянов, Кабан, Кучериненко, 1993) при необходимости осреднялись по площади для получения характерных зависимостей данных вдоль профиля, секущего структуры, поскольку математическая модель динамики недр строилась в двумерном варианте. Структура глубоких недр обсуждалась по данным современных локальных и глобальных моделей сейсмической томографии (Inoue, Fukao, Tanabe, Ogata, 1990; Кулаков, Тычков, Кесельман, 1994; Su, Woodward, Dziewonski, 1994; VanDecar, James, Assumpcao, 1995; Wolf, Bjarnason, VanDecar, Solomon, 1997). Исследование динамики недр в настоящей работе осуществлялось методом численного математического моделирования - основным инструментом изучения мантийных процессов в настоящее время. Достоинство этого метода определяется возможностью расчета наблюдаемых на поверхности геофизических характеристик, что дает возможность прямой верификации математических моделей. Результаты моделирования динамики недр Центральной Азии сравнивались с геодинамическими моделями современных структур, особенностями их тектонического развития и магматизма (Зоненшаин, Кузьмин, 1983; Berzin, Dobretsov, 1993; Диденко, Моссаковский, Печерский, Руженцев,

Самыгян, Хераскова, 1994; Добрецов, Кирдяшкин, 1994; Зорин, Беличенко, Турутанов, Мордвинова, Кожевников, Хозбаяр, Томуртогоо, Арвисбаатар, Гао, Дэвис, 1994; Литвиновский, Занвилевич, Викхам, 1994; Ярмолюк, Коваленко, 1995).

Защищаемые положения.

1. Процесс современного горообразования во внутриконтинентальном Центрально-Азиатском складчатом поясе осуществляется в режиме «горячего поля» мантии, характерной особенностью которого является спорадический подъем верхнемантийных плюмов к подошве литосферы. Такой режим обусловлен существованием головы нижнемантийного плюма у подошвы верхней мантии региона, что подтверждается данными сейсмотомографических моделей и результатами численного моделирования.

2. Характерной особенностью динамики недр областей современного горообразования Центральной Азии является взаимодействие тепловой конвекции в верхней мантии с плюмами у подошвы литосферы: астеносферные потоки конвекции в состоянии перемещать вещество плюмов со скоростью до 7 см/год из-под литосферы древних платформ в области более молодых складчатых поясов их окружающих. Эволюция плюмов в областях с аномально тонкой литосферой обусловлена их взаимодействием с потоками вещества в локальной тепловой конвективной ячейке, которая развивается в этих областях, когда они непосредственно примыкают к древней платформе: нисходящий поток локальной ячейки препятствует подъему плюма непосредственно вдоль борта платформы, поэтому плюм

перемещается на 300-500 км по горизонтали в район ее восходящего потока. Распределение кайнозойского базальтового магматизма, а также данные сейсмической томографии верхней мантии Байкальской рифтовой зоны подтверждают предложенную модель взаимодействия плюма и конвекции под гетерогенной континентальной литосферой. 3. Неоднородности литосферы континентов в виде ее резких латеральных вариаций по толщине определяют динамику верхней мантии: они стабилизируют структуру верхнемантийной конвекции, восходящий поток которой существует под утолщенными участками древних докембрийских платформ, а рассеянные нисходящие потоки располагаются под относительно утоненной литосферой крупных осадочных бассейнов или складчатых поясов, окружающих платформы; концентрация нисходящих потоков в виде выраженных струйных течений происходит под аномально утоненной (до 50-80 км) континентальной литосферой из-за интенсивного кондуктивного остывания мантии в этих областях. Подобная структура тепловой верхнемантийной конвекции под платформенными областями Северной Евразии имеет геофизические характеристики, совпадающие с данными наблюдений.

Новизна работы. Личный вклад. В результате проведенных исследований получены следующие новые результаты: 1. Основываясь на комплексе геофизических данных о структуре литосферы Сибири (Егоркин, Зюганов, Чернышев, 1984; Zorin, Novoselova, Turutanov, Kozhevnikov, 1990; Соколова, Галушкин, Дучков, Смирнов, 1990; Павленкова, Солодилов, 1997) а также на

современных представлениях об эволюции и формировании литосферы области тектонической активизации Центральной Азии (Dewey, Burke, 1973; Molnar, Tapponier, 1978; Берзин, Колман, Добрецов и др., 1994; Хаин, Тычков, Владимиров, 1996), в работе создана модель структуры континентальной литосферы платформенных областей Центральной Азии, в которой мощность литосферы Западно-Сибирской плиты была принята равной 120 км, Сибирской платформы - 220 км, а также модель литосферы области современного горообразования Центральной Азии, отличающаяся резкими вариациями по мощности и представляющая собой ансамбль микроплит толщиной в 150-200 км, впаянных в деформированный субстрат океанической литосферы мощностью не более 50-100 км.

3. Опираясь на известные модели динамики недр континентов и океанов (McKenzie, Roberts, Weiss, 1974; Christensen, 1984; Трубицын, Фрадков, 1985; Трубицын, Бобров, Кубышкин, 1993; Nakakuki, Yuen, Honda, 1997; и др.) сформулирована математическая задача для описания

принципиальных динамических процессов в верхней мантии внутриконтинентальных областей - тепловой конвекции и плюмов под литосферной плитой переменной мощности, которая включала систему уравнений, описывающую движения мантийного вещества, граничные и начальные условия, реологические особенности динамической мантии, численный алгоритм решения которой протестирован по известным методикам (Moore, Weiss, 1973; Blankenbach, Busse, Christensen et al., 1989; Мошкин, Рычкова, Тычков, Черных, 1995).

4. Исходя из результатов моделирования тепловой конвекции под литосферной плитой переменной мощности, показано, что структурные неоднородности литосферы стабилизируют структуру конвекции, формируя восходящие потоки конвекции под литосферой древних докембрийских платформ с мощностью более 200 км и нисходящие - под относительно утоненной до 120 км более молодой литосферой осадочных бассейнов или складчатых поясов, окружающих эти платформы, причем области с аномально утоненной до 50-80 км литосферой являются концентраторами наиболее интенсивных нисходящих потоков конвекции из-за интенсивного охлаждения здесь конвектирующего вещества мантии.

платформ в области с тонкой литосферой, причем особый случай представляет ситуация, когда область с утоненной до 50-80 км литосферой непосредственно примыкает к древней платформе: в области формируется локальная конвективная ячейка, нисходящий поток которой препятствует подъему плюма непосредственно вдоль борта древней платформы, поэтому плюм поднимается к подошве утоненной литосферы на расстоянии в 300-500 км от шва, в районе восходящего потока локальной ячейки.

6. Используя известные подходы (Fleitout Froidevaux, 1982; Parsons, Daly 1983; Fleitout, Monceau, 1991), в работе построен и протестирован алгоритм для вычисления наблюдаемых на поверхности геофизических характеристик (теплового потока, аномалий гравитационного поля и рельефа поверхности) мантийных динамических процессов в условиях гетерогенной по мощности литосферы континентов.

7. Разработаны математические модели динамики мантии платформенных областей и областей современного горообразования Центральной Азии, достоверность которых определяется степенью соответствия рассчитанных и наблюдаемых современных геофизических данных по тепловому потоку, рельефу, аномалиям гравитационного поля, сейсмотомографии и особенностях проявления кайнозойского базальтового магматизма (Зорин и др., 1977; Артемьев, Демьянов, Кабан, Кучериненко, 1993; Литвиновский, Занвилевич, Викхам, 1994; Дучков, Балобаев, Володько и др., 1994; Kovalenko, Yarmolyuk, Bogatikov, 1995; Kulakov, 1997).

Информация о работе

Тычков, Сергей Анатольевич
доктора геолого-минералогических наук
Новосибирск, 1998
ВАК 04.00.04

Диссертация

Глубинная геодинамика внутриконтинентальных областей - тема диссертации по геологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы

Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему Глубинная геодинамика внутриконтинентальных областей ВАК РФ 04.00.04, Геотектоника

Автореферат диссертации по теме "Глубинная геодинамика внутриконтинентальных областей"

Текст научной работыДиссертация по геологии, доктора геолого-минералогических наук, Тычков, Сергей Анатольевич, Новосибирск

Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему
Глубинная геодинамика внутриконтинентальных областей
ВАК РФ 04.00.04, Геотектоника