Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Гравитационно-механические модели континентальных горных поясов

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Гравитационно-механические модели континентальных горных поясов"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОРДЕНА ЛЕНИНА ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ЗЕМЛИ игл. О.Ю.ШМИДТА

На правах рукописи

Стаховская Ритта Юрьевна

УДК 550.312

ГРАВИТАЦИОННО-МЕХАНИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ КОНТИНЕНТАЛЬНЫХ ГОРНЫХ ПОЯСОВ

04.00.22 - геофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 199?.

Расюта выполнена в ордена Ленина Институте физики Земли им. О.Ю.Шмидта Академии Наук СССР

Научный руководитель: доктор физико-математических наук М.Г.Коган

•финальные оппоненты: доктор физико-математических наук Л.И.Лобковский

кандидат физико-математических наук К.И.Марченков

Ведущая организация: в/ч 21109

Защита диссертации состоится "Л- " ^¿¿¿^ 199,л<г. часов на заседании Специализированного Совета К 002.08.02 при Институте физики Земли им. О.Ю.Шмидта по адресу: 123810, Москва, Д-242, Б.Грузинская, 10.

С диссертацией можно - ознакомиться в библиотеке ИФЗ АН СССР.

Автореферат разослан " 1992 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета доктор физико-математических наук

В.А.Дубровский

/ :

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Комплекс гравитационных данных и комп-'•• - '-'-'"¡леке данных в рамках механических моделей отдельных регионов хссертдчий >3емли Допускает внутренне непротиворичивоэ объединение в рамках ——-----''геофизических моделей, использующих в качестве логических связей гипотезы тектоники плит: геометрию зон коллизии и упругое равновесие системы литосфера-астеносфера в зонах сочленения плит. Результаты моделирования являются важнейшим источником ■ информации о геометрии плотностных неоднородностей в континентальной литосфере.

В связи с неожиданно высокой магнитудой последних землетрясений в Армении и Грузии, нарушивших привычное представление о сейсмическом режиме региона, в настоящее время важным является исследование взаимодействия литосферных плит в районе Кавказа на основе гравитационных данных. Интерес также представляет анализ взаимодействия плит на асейсмичном Урале.

Целыо работы является построение гравитационно-механических моделей в рамках концепции изгиба литосферных плит для древнего асейсмичного горного пояса - Урала и для сейсмически активного, относительного молодого горного пояса - Кавказа на основе геофизических и геологических данных.

Научная новизна работы. Концепция упругого изгиба использовалась для анализа механизма орогенеза Уральского горного пояса и Кавказского региона. Построены гравитационно-механические модели зоны взаимодействия плит на Урале и Кавказе, определяющие адекватные наблюдаемому гравитационному полю распределения плотностных неоднородностей в литосфере. Произведены оценки механических параметров взаимодействующих плит.

Практическая ценность работы. Построенные в работе гравитационно-механические модели взаимодействия литосферных плит Уральского горного пояса и Кавказа позволяют интерпретировать гравитационное поле рассматриваемых регионов и вскрыть принципиальные особенности плотностных разрезов исследуемых регионов, а также геометрию границ областей земных недр, характеризующихся различными реологическими свойствами, в частности геометрию упругого (хрупкого) слоя литосферы; изучить механические и реологические свойства литосферы континентальных горных поясов как на асейсмичных границах между плитами, так и на сейсмически активных границах. Модель позволяет оценить плотность осадков,

_ о ~ i.

накопленных в предгорных котловинах. Полученные результаты также могут быть основой для дальнейшего анализа сейсмической ситуации регионов.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались на Всесоюзных конференциях молодых ученых "Актуальные проблемы геофизики" (Суздаль, 1986; Звенигород, 1988; Пере славль-За лес ский, 1990); на. 2-ом Всесоюзном совещании "Тектоника литосферных плит" (Звенигород, 1989); на конференции молодых ученых Института сейсмологии и ОМСЭ АН Киргизской ССР (Фрунзе, 1989); на семинарах отдела гравиметрии и геодезии ИФЗ АН СССР и сектора глобального гравитационного поля Земли (сектор 214) этого отдела.

По теме диссертации опубликовано 5 научных работ.

Общая структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем составляет 145 j страниц, включая 101 страницу машинописного текста и 46 рисунков. Список литературы насчитывает 144 наименования.

Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю доктору'физико-математических наук М.Г.Когану за содействие в работе. Автор благодарит кандидата физико-математических наук Е.Б.Бурова за техническое содействие при реализации программного обеспечения.

' СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы цели исследования, актуальность темы, научная новизна работы, а также ее практическая значимость и краткое содержание работы.

В первой главе рассматриваются современные представления о природе континентальных горных поясов. Приводятся сведения об истории зарождения идеи изостатической компенсации. Рассматриваются работы Дж. Пратта, Дк.Эри, У.Хейсканена, Дж.Хейфорда, У. Боуи, Г.Джеффриса, Ф.Вейнинг-Мейнеса, Р.Ганна, Е.В. Артюшкова, С.А.Ушакова, М.С. Красса, Д.Маккензи. Показано, что с появлением концепции тектоники плит, получило развитие представление о региональной компенсации литосферы, при которой необходимо учитывать упругие свойства литосферных плит.

Ряд авторов [Hanke, 197i; Hatte and Tal«ani, 1974, 1975; Cochran, 1979] использовал гравитационное поле для анализа поведения океанической литосферы под действием приложенной нагру-

- з -

зки. Модели, в которых для изучения механических, термических, свойств 'и реологии литосферы используются данные по гравитационному полю Земли, принято называть гравитационно-Механическими моделями. Были проведены исследования деформации морского дна под внутриплитовыми вулканами-, осадочными линзами, цепями подводных гор, отдельными подводными горами, океаническими островами, в районах континентальных окраин. В этих исследованиях были введены такие параметры литосферы, как те - упругая толщина и о - изгибная жесткость литосферы и даны оценки реологических свойств материала океанической литосферы при долговременных нагрузках. Показано разумное соответствие форм прогиба, гравитационных аномалий и топографической нагрузки при моделировании реальной литосферы тонкой упругой плитой, изгибающейся под поверхностной нагрузкой.

Исследования деформации литосферы в рамках упругого изгиба оказались достаточно успешными на океанах. В настоящее время существует большое количество работ, авторы которых предлагают подобные модели для континентальной литосферы; Моделирование поведения литосферы континентов под приложенными нагрузками сложнее построения подобных моделей для океанов. Отличительной чертой континентов от океанов является, наличие специфических горных областей. Различия в механических свойствах континентальной и океанической литосферы определяются их толщиной: толщина континентальной литосферы систематически больше океанической. Кроме того, при моделировании деформации континентальной литосферы необходимо учесть наличие плотностных неоднородностей в коре, осадочных линз. Существует также трудность в определении геометрии континентальной плиты.

В настоящее время считается общепринятым, что горные пояса образуются при столкновении континентов. Главной причиной горообразования принято считать столкновение двух континентов, происходящее при закрытии океанов (например, Урал, Аппалачи). Изучая геологию и геофизику современных и древних горных поясов можно продвинуться в понимании динамических процессов в мантии и термомеханического поведения литосферы.

Таким образом, гравитационно-механическое моделирование на континентах включает в себя поиск геологических доказательств зон конвергенции (андезиты, офиолиты), зон сутур, геофизические

свидетельства столкновения плит (коровая структура, сейсмичность, форма прогиба) и подбор механических характеристик изгибающейся плиты. Если полученная модель лишена внутренних противоречий, то гравитационные данные используются как конечный количественный ограничитель на модель (упругая толщина, плотно-стная структура, граничные условия в краевых задачах). Подобные модели использованы исследователями для анализа механизма орогенеза на континентах [Lyori-Caeri and Molriar, 1933, 1985; Shef-fels and McHutt, 1986; БурОВ И КоГЭН, 1990]. ВаЖНЫМ ВОПРОСОМ В подобных исследованиях является.выяснение роли изгиба в процессе орогенеза.

Дальнейшее развитие модели изгиба литосферы получили за счет усложнения реологии материала литосферы в работах К.Гетса и Б. Эванса аэтз), У. Чаппела и Д. Форсайта (1979), Дж. Макаду (19781, Л.И. Лобковского (1933, 1933).

Приведенный обзор отражает интенсивное развитие в настоящее время гравитационно-механического моделирования тектонических процессов. К несомненным успехам этих моделей следует отнести: I) Ескрытие принципиальных связей между гравитационным полем, топографической нагрузкой и кинематикой движения литосферных плит; 2) изучение связи межплитовых взаимодействий и орогенеза; 3) получение новой информации, о реологии литосферы. При попытках введения в модель неизменяемых инструментально параметров состояния геологической среды (распределения температур и реологических свойств в литосфере) практически не улучшается соответствие расчетных и экспериментальных данных в полях, где экспериментальные измерения возможны. Кроме того, упругие модели требуют наименьшего'числа допущений. Необходимо также отметить, что несущая способность плиты определяется ее упругой "сердце-вшой", в которой упругие напряжения не релаксируют в течение геологических масштабов времени. Можно сделать вывод, что модели упругого изгиба на сегодняшний день находятся в согласии с содержательностью современного экспериментального материала. Это особенно относится к регионам, для которых гравитационно-механические модели строятся впервые.

Учитывая вышесказанное, перед автором была поставлена задача построения гравитационно-механических моделей на основе концепции упругого изгиба как для древнего асейсмичного горного

пояса - Урала, так и для сейсмически активного, относительно молодого горного пояса - Кавказа.

Во второй главе описываются методы гравитационно-механического моделирования. В работе используются спектральный метод и метод прямого пространственного моделирования.

Упругий прогиб литосферной плиты оценивается с помощью известного из теории упругости уравнения прогиба двумерной тонкой пластины на упругом основании:

d^ Г n, i£¿H!Xll d Г» / > rtMí у. ) 1 ч / ,

_I Dix)-5— _ |t(x) - + ip(x)gwíx) =

^ 2 L dx . L dx J

dx dx

= P(x) (2.1). где d(x) - изгибная жесткость, t<x) - горизонтальная сила, действующая на нейтральной поверхности плиты (их) мало влияет на вертикальные отклонения плиты, поэтому считем tfx) = 0), rix) - распределенная вертикальная нагрузка, вычисляемая по формуле: ргх) = нгх) - gwcxip , где рт - плотность мантийных пород, А р = Рга<х) - Pbfx>; Pb(x) - плотность пород на поверхности Земли; g = э.з м/секг.

Спектральный метод. Достоинством спектрального метода является возможность анализа и сопоставления реологических свойств различных участков литосферы без априорных гипотез, недостатком - ограничение возможного класса геометрии моделей. Спектральный метод включает в себя вычисление гравитационного адмиттанса и оценку когерентности гравитационной аномалии топографии.

Предполагая, что гравитационное поле от распределения погребенных масс, компенсирующих топографию, линейно связано с топографией, МОЖНО записать интеграл свертки [Dormán and Lewis, 1972], в котором изостатическая функция Грина ч -это гравитационная аномалия от компенсации точечной нагрузки, п - аддитивный шум:

àg(г ) = jq( |?0-?| )hfr)ds + n = gUi + r, , (2.2)

s

где r0 и r - радиус-векторы на стандартной эквипотенциальной поверхности (уровень моря).

Применив преобразование Фурье к формуле (2.2), получаем: Bf к ) = Qf к ) Hit) + Nik) (2.3), где к = I к I = 2тг/ X; в, II и н обозначают двумерное преобразование Фурье от, соответственно, гравитационной аномалии Буге, шума и топографии. Гравитационный эффект от деформированных плотностных границ в литосфере вычисляется методом Паркера.

- fi -

Соотношение (2.3) можно интепретировать как гравитационную аномалию, вызванную компенсацией синусоидальной топографии. Частотная характеристика с носит название "гравитационный ад-миттанс".

Для упругой литосферы с жесткостью d, нагруженной сверху топографией с нлстностьк р.и имеющей плотностной контраст Лр на границе Мохо на глубине т.. теоретический адмиттянс имг-ет вид:

«|(К» = -гчср -3 fcxK -кТ^Ь 5 , где Е Г ivDfc'1/AC-.j, , Ар_p. - Р . о - плотность мантийных пород. .•; гравитационнал пос-г-'зшчл. ? - ускорение силы тяжести. Значение ипгибной »»гткосто определяется еле душим образом: d - е-т; :mi-!,; i.I ■;■>, гл- т.- упругая толщина литосферы, е = ?. • io1'"'н'м? - модуль Гига, v г = - кояЩщиент Пуассона вещества дшолкфи.

В изложенной интерпретации принлти, чт«> лмт-.са^и -•••гг.оня чально однородна по горизонтали, а затем д^.рй'.ри/тч прило женной сверху нагрузкой. Если нагрузка щды ыг.%"; и плитч или у ее подошвы, то тогда гравитационный гдонг, гл.? к- • :ли чается от случая нагрузки сверху:

0(h) = -сир G «хг(-ЬТ . •< l+Dk/p >, ГД0 Т - U.MHa Л" 7:х-'-.

О El v 11

Многие тектонические процессы - терпп^ки" 'гив ! ~у тосфзрв и астеносфере, метаморфизм, вулканически- игл:.- :ч*. г ризонтэльные подвижки ь коре - нарушают плотность коры Viiiim*. и проявляются как глубинние нагрузки. Эти ядонпл >••• •?:.«.•« для континентов. Поэтому для континентов интерпр-тацин .-ксп'-рк ментального здаиттанеа с точки зрения нагрузки «<епху ¡к ье -гз правильна. Разброс экспериментального с в континонт-даных районах определяется наличием двух одновременно a*flc?B.v?.flS!X М'\хч!ш-змов изостаэии: нагрузки сверху и нагрузки на г*:уСтг. Г: глу».-»? комбинированной нагрузки теоретический эдииттонс вычисли-то» следующим образом:

Q(k> = стер,- с-кт : • 6 Hi + к™ -гя: - и'; • ,

Р. ti j п- |

где p : 1 -1 r>h4 ' P •

Оптимальная оценка эксперимента.-;-! ного дашт-й:"; ; ,• ::. методу наименьших квадратов - &то отношение кро -тт- -тр-, г г.-: -Еитационкой аномалии и топографии к автосгжтру топ--: р?:!и:

;,■'}- ■ - С. k. 'Н к . I!' к > -Hi >

Здесь звездочка обозначает комплексное сопряжение, а угловые

скобки --усреднение по всем парам волновых чисел к и к .

Рассматривая кумулятивную невязку между экспериментальными

и теоретическими функциями q. можно оценить следующие параметры

модели: d или, что эквивалентно, т , аттакже т . Нормированная

невязка вычисляется по формуле: 2 ' = S (| Q(ki»-<3fk1) I )/0(у.л,

m 1 j j j

где m - общее число оценок для заданной пары d и т , or к.) -

е j

средняя квадратическая ошибка atk^i.

Наиболее существенной статистической функцией, позволяющей оценить достоверность адмиттанса, является когерентность .

Когерентность есть безразмерная величина, лежащая в пределах О ^ 72 $ I. Экспериментальная когерентность вычисляется по формуле :

î - < ен* > < в* h ->/■■. в• в* <н'н*> Когерентность характеризует степень корреляции между гравитационной аномалией и топографией в зависимости от длины волны. Теоретическая 7г вычисляется через возмущение топографии (н) и границы MfAw) от нагрузки сверху и снизу гт.вк

72 = <HTwT 4 HBwB>2/ <н2 + H.B2xw 2 + wB2>

Когерентность между вин имеет рзбные значения в коротких и длинных волнах. Коротковолновые прогибы литосферы невозможны из-за ее жесткости и, таким образом; в этбм диапазоне гравитационные аномалии Буге определяются глубинными неоднородностями и не коррелируют с топографией. В длинных волнах когерентность имеет более высокое значение, чем в коротких волнах.

Метод прямого пространственного моделирования основан на решении уравнения (2.1) численным методом и допускает сложную геометрию изгиба взаимодействующих плит, введения, сосредоточенных нагрузок, краевых сил и моментов,„ осадочных линз и другие усложнения модели.

Предполагаются следующие граничные условия:

а) В случае сплошной плиты: на бесконечности (при х -» » ) «гх) =

= о . d«u)/dx = о ¡при х=о выполняются следующие условия :

[2 1 оо - со

DU) I = t(x) âaliL. | (2.5)

ил л— dx J Х=0 dx Х=0

- ь -

Условие изостазии выражается в уравнении J"Apg«(x)dx = Jpfxidx.

о о

61 Для плиты с нарушением сплошности в точке х=о граничные условия на бесконечности идентичны случаю, рассмотренному выше, а условия (2.61 заменяются на следующие условия:

И(х> = Dtxl5*^1, Й- [от^Ш^Г ^ *Г0т(0)£Ч^ | , dx dx dx J x = 0 a>l 0

где F(0) - перерезывающая сила в точке * = 0, d F(x'| = Pioi,

dx 0

Mix) - изгибающий момент, положительное направление отсчитыва-ется против часовой стрелки.

При численных расчетах в программе была предусмотрена возможность контроля изгибных напряжений в плите. Поскольку

Е г d2w(x) = ' ^ •

где z - расстояние до нейтральной поверхности, то максимальные напряжения, возникающие на эквидистантных поверхностях, ограничивающих упругий слой плиты, равны:

max Е те'х> d2Hixl 6 IX х> d2w(x")

О = - ~ ' 5 ' = " ~2 ' .?— (2.6)

-сх 2 d х T^tx) dxd

. Следует отметить, что верхним слоям, разбитым дизъюнктивными нарушениями, в модели не приписывается существенной несущей способности. Тем самым верхняя граница упругого слоя литосферы оказывается заглубленной на 5-6 км от дневной поверхности. Ли-тостатическое давление на этих глубинах смещает изгибные напряжения в область чистого сжатия, что позволяет интепретировать

шах

величину охх только как изгибную составляющую напряжений.

Уравнение (2.1) интегрируется численно методом конечных разностей. Гравитационные эффекты от плотностных контрастов и осадочных ЛИНЗ ВЫЧИСЛЯЮТСЯ методом Тальвани [Talwani et al, 1959]..Гравитационный эф$ект от депрессии границы Мохо вычисляется с помощью метода Паркера [Parker, 1972]. Сопоставление вычисленных и наблюдаемых гравитационных аномалий позволяет оценить правомерность модели.

В третей главе рассматривается гравитационно-механическая

модель, построенная на асейсмичных границах между континентальными плитами на примере Урала.

В данной главе рассматриваются геологическое строение, тектоническая ситуация Урала, сейсмичность и глубинное строение исследуемого региона.

В настоящее время мобилистических взглядов на тектонику Урала придерживается ряд авторов [Пейве, Зоненшайн, Гамильтон]. Согласно этим работам Урал образовался в результате столкновения палеоокеанических Русской и Сибирской плит в перми. В соответствии с этим можно полагать, что Уральские горы поддерживаются краем Русской платформы, пододвинутой под Сибирскую. Существуют геологические свидетельства столкновения: наклон Главного Уральского глубинного разлома, отсутствие андезитов в западном прогибе, полярность парных метаморфических поясов среднего палеозоя.

Исходные данные представляют собой гравитационные аномалии Буге и топографию с разрешением в 70-100 км. В дальнейшем анализе из наблюдаемой гравитационной аномалии исключен длинноволновый фон в виде суммы первых 10 сферических гармоник глобальной модели поля свшз-сл. так как аномалии соответствующей длины волны не имеют отношения к неоднородностям литосферы. В расчетах были проанализированы 16 профилей гравитационных аномалий Буге и топографии вкрест Урала, отстоящих друг от друга на 100 км; значения топографии и гравитационных аномалий осреднены вдоль профилей по 70 км. В расчетах был использован средний профиль топографии и средний профиль гравитационной аномалии Урала. Характерной особенностью профиля аномалии Буге является наличие двух сопряженных локальных пиков отрицательной и. положительной аномалии над горным поясом с амплитудой в 20 мГал.

При подготовки данных для применения спектрального метода была проведена параболическая интерполяция профилей с заданным шагом и заданной длиной волны. Для проверки устойчивости расчетов относительно принятого шага интерполяции и длины профилей были выполнены оценки для двух значений шага интерполяции и для двух длин профилей.

В процессе моделирования упругой толщине Русской плиты те придавался ряд дискретных значений: 0 км (изостазия по Эри), 10 км, 20 км, 50 км, 100 км; значение упругой толщины Сибирской

:тл/тя варьировалось от 0 км до 50 км. Средняя толщина коры, порученная в процессс- моделирования т = 40 км , что соответству-• •т сейсмологическим данным по ГСЗ [Беляевский и др., 1980].

Сопоставление ас*х раряантов вычисления позволяет сделать ьыр.од существовании ь коротких длинах волн отрицательного пик.-, азмигтан^я, который возникает ь случае существенных горизон-гяльных илотностных неоднородностей ъ литосфере [McHutt. 1983]. Таким образом, вычисление гравитационного адмиттанса для Урала •[.''.ьоляет сделать вывод, что гравитационные аномалии Уральской оочы определяется как топографией, так и интенсивными плотност-Чг'мп ь^^л.') 'р'''ЛКостями на глубине. Вычисление гравитационного ■-лм.и'таноа т- рамках упругой модели изостазии дает оценку упруго;*, ¡чашиш Русской плита в 80 - 100 км.

По указанной совокупности профилей определена также когерентность топографии и гравитационной аномалии Буге, эти оценки i даже получены по в два раза удлиненным профилям и по площадным ланным Г McHutt. and Kosan, 1.337 7 . ОЦвНКИ lf2 Хорошо СОГЛЭСуЮТСЯ м*чду собой и соответствуют нашему прогнозу (см. гл. 2) - спаду ог высоких значений ~(2 к нулевым с уменьшением длины волны. Этот подход дает оценку упругой толщины литосферы около 80 км. F.! свете принятой тектонической схемы это значение относится к Русской плите докембрийского возраста, поддерживающей Урал.

При применении метода прямого пространственного моделирования численный эксперимент был начат с построения наиболее простой классической модели локальной изостазии по схеме Эри (т = - 0). При нулевой жесткости плиты теоретическая аномалия силы тяжести над краем Русской плиты не воспроизводит наблюдаемый положительный пояс, и расхождения между наблюдаемыми и теоретическими гравитационными аномалиями достигают более 40 мГал. В качестве второго приближения рассматривалась модель, содержащая сплошную литосферную плиту в районе Урала; горный пояс рассматривался как топографическая нагрузка на плиту. При введении под Уралом единой непрерывной плиты с какой-либо ненулевой упругой толщиной те расхождения между наблюдаемыми и теоретическими гравитационными аномалиями увеличиваются. Кроме того, идея непрерывной плиты под Уралом противоречит имеющимся геологическим и палеомагнитным данным по исследуемому региону. От упомянутых недостатков свободна модель двух взаимодействующих плит, в рам-

ках которой может быть получено значение величины депрессии границы Мохо, соответствующей наЗлщаемкм аномалиям Буге.

В результате, согласно вышесказанному и имеющимся геологическим и палеомягнитным данным, гыла принято модель вззимлс-й-ствия Русской и Сибирской плит. Следуя предлагает/ей модели, ■.пи введены две отдельные плиты с надвиговсЯ гесметрной, ;> за-.м независимо варьировались параметры -ли?, нли? и краег.ие ус -ловия до достижения наилучшего согласия м&жду вычисленными и наблюдаемыми гравитационными аномалиями. Значение толщину угл.'; гой литбеферы варьировалось независимо для овеих плит: д.чч русской плиты - в диапазоне 0 - 140 км , для Сибирской плиты -*

- 70 км с шагом б 5 км. При этом толщина коры по сейсмплогичег-ким данным принималась т^, = 40 км. плотность мантийных nav: о =• 3300 кг'"м-5. На Урале по данным комплексных геофизических

ГП *

исследований р нолдитоя в пределах 2750 - ЗОСС кг/М'\ Б ноапй модели средняя плотно:ть коры принимается равной ?8С0 кг.-м".

Так как неясен характер механического взаимодействия пд«п неизвестна геометрия грани» плит, граничные условия на сси хр> бтч для обеих плит ¡гринимались в виде изгибающего моментл вертикальной сил;;, ?няч*яия краевых моментов и ьмртикалья''3 силы, возникащ*а в результате взаимодействия двух плит, ¡дая pc.fe.'ljihcb COOTfct'tctfr- 'о: и - ОТ I •101Ь И >М К ДО Т !(•;.! V, ::

f - от i • 101 ° н-м ^v ыо1- н/м.

Б результате численного моделирования ■'•ила пол.."К-ны япп' 1 адекватные исходным данным значения пар-метров ¡л>л! w обоих плит: для Русской плиты - т = ICO-ПО км ч- ?.: •: г-" 4 }• = •.•

- э.^чо"4 н°м), Mr -5-Ю17 н-м/м, f - С • Т:>11 ц.'м; длл Си-Таг? плиты - т,.»- 0-10 км í d - о - т.; • •:г''11 н ., f = м ' ;• г-том ь о'лчети хребгм наилучшему ]-к-ул1Т»»ту .-чапаю-м-у^т к-

¡?я?х*1 с н!ламиемыми эноммиями f г , ч"/> прякти-1-<,*у ч

нр'-ьишгп.-т шч'решнпсти иг.м^рчния налдьдччмих •.¡н'тлиЯ. ::•>•:••»•• Л'ний чн-чк при и'ги'яшем момент- укл;--..Н1--т, что иггибчж»!? « ■ мент направлен гя часоы-.й стрелке, что cx7t/-i~!ьу*т u;r,.t-'iWr: ник) гугггукцаи Руоск/Я плиты на восток. ;!'а-->?.-я рял ^ягл-т-л». -п.-ас.д восточным лклонсм хрбгп рыхол'| на п'-г- рххгп 'г.- l .•••

кс«плг-кс-'.н. характерных тля островных луг. Г: у r-vb ¡ : w» • ■ описошк-й suae расч-ли*« ox'-se; вводится ío-"..'««?.: '".v ••' ••: Урала тело п'т-щенней плот;-! úp - -Г !• " v''1 ггр'-гт ¡t

угольной конфигурации. В результате была получена теоретическая аномалия, определяемая прогибом плиты и аномальным телом. Максимальная невязка между теоретическими и наблюдаемыми гравитационными аномалиями под восточным склоном хребта в результате попадает в доверительный интервал определения исходных данных.

Известно, что Предуральский краевой прогиб заполнен терри- , генными осадками малой плотности (флишем, молассой) мощностью в 5-6 км. Данные о плотности осадков, заполняющих Предуральский краевой прогиб весьма противоречивы. В описываемой модели плотность осадков варьировалась в диапозоне 2300 - 2670 кг/м3. Наиболее адекватные значения гравитационных аномалий достигаются при ps = 2600 кг/м3.

Изгибные напряжения о , возникающие в плите, можно контролировать непосредственно при численных расчетах по формуле (2.6). Для Русской платформы максимальные напряжения, вызываемые прилагаемыми изгибными моментами, достигают 250 МПа у края плиты. Близкие значения напряжений получены в ряде предшествующих работ [Sheffejs arid McNutt, 'l986; Буров И Коган, 19901. Еще раз отметим, что верхняя граница упругого слоя находится под воздействием литостатического сжимающего давления, подавляющего растягивающие напряжения, вызванные изгибом.

С физической точки зрения, существование граничных сил и моментов можно объяснить наличием опускающихся блоков вещества, являющихся частью взаимодействующих штат, либо влиянием сил вязкого трения вследствие конвективного течения мантийных пород.

Построенная в результате численного моделирования гравитационно-механическая модель литосферы Урала позволяет сделать вывод об изгибе Руской плиты в восточном направлении.

Кроме того, важным результатом, полученным из численного эксперимента является необходимость существования под восточным склоном хребта аномального плотного тела, интерпретируемого как интрузия в литосферу вулканических пород.

В четвертой главе рассматривается гравитационно-механическая модель на сейсмоактивных границах между плитами на примере относительно молодого горного пояса - Кавказа.

В данной главе дается анализ геодинамической истории, геологического стороения, сейсмичности, строения земной коры, нео-тект ники, гравитационных и топографических данных региона. На

основании этого анализа строится пространственная гравитацион-но-мехашческая модель Кавказа на основе концепции упругого изгиба.

Мобилистических взглядов на тектонику Кавказа придерживаются многие исследователи [Зоненшайн, Адамия, Гамкрелидзе, Варда-петян]. Согласно этим работам, геодинамическую эволюцию Кавказского региона можно описать следующим образом.

На рубеже эоцена - олигоцена в связи с закрытием Мезо-тесиса, столкновением Афро-Аравийской и Евразиатской платформ, в результате вдавливания Аравийского "клина" в край Русской плиты ранее разрозненные части- Иран,-Малый Кавказ, Большой Кавказ были собраны в единый горноскладчатый пояс - Кавказ. Глубоководные впадины Черного и Каспийского морей, находящиеся по обе стороны от зоны коллизии, рассматриваются как реликты Мезотетиса. Подтверждением этой гипотезы 'являются вулканические провинции на Кавказе, офиолиты, палеомагнитные данные.

Согласно неотектоническим данным, можно выдвинуть гипотезу, что Кавказский регион находится в начальной стадии континента-ной коллизии. Главной причиной новейшей тектонической активизации региона является внедрение Аравийской плиты в районе Кавказа в край Русской плиты. При этом Аравийская плита действует подобно жесткому штампу, вызывая деформации сопредельных территорий. Подобная модель была предложена Р. Молнаром и Р. Тапонье [1975. 1981]. При внедрении жесткого штампа в тело литосферной плиты с левой стороны от него образуются правые, ас правой -левые сдвиги. Следует отметить, что между восточной и западной частями Кавказа имеются тектонические различия [Philip, Cisternas &г al, 1989]. Восточный Кавказ можно рассматривать как регион, подвергшийся континентальной коллизии, в то' время как западная часть Большого Кавказа находится в промежуточном состоянии и ей свойственны некоторые черты зоны прежней субдукции.

При построении гравитационно-механической модели Кавказского региона использовались два вида исходных данных: гравитационные аномалии Буге и топография с разрешением 70-100 км и профили гравитационных аномалий Буге и топографии с разрешением в 5-10 км . В первом случае рассматриваемый регион был разбит на II профилей, проходящих вкрест Большого Кавказа с интервалом около 100 км. Исследовались профили, проходящие через Черное

море, профили, проходящие непосредственно через горный массив, а также, профили, проходящие через Каспийское море. Во-втором случае, были проанализированы 12 параллельных профилей гравитационных аномалий Буге и топографии вкрест Большого Кавказа, пересекающих хребет с интервалом около 50 км.

В § 4.7 рассмотрены результаты прямого пространственного моделирования. Численный эксперимент проводился отдельно для представительного западного и представительного восточного профилей. Западный профиль: численный эксперимент в обоих случаях был начат с построения классической модели по Эри. Теоретические аномалии Буге хорошо воспроизводят характер изменения наблюдаемого отрицательного пояса над Главным Кавказским хребтом (в районе Эльбруса) и наблюдаемого положительного пояса под Ри-онским бассейном. Тем не менее отклонение вычисленных аномалий но амплитуде от наблюдаемых в данных областях составляют, соответственно, 30 мГал и 25 мГал. В результате введения под хребтом непрерывной плиты получается хорошее соответствие между наблюдаемыми и теоретическими аномалиями в районе Эльбруса, но остаются расхождения в районе Рионского бассейна и в южной части профиля. При введении модели взаимодействия Русской и Аравийской плит и учети плотности осадков, заполняющих Рионский бассейн, минимальная невязка сведена к нескольким мГал. Плотность осадков в обоих случаях принималась равной 2600 кг/м3 на глубине 7 км. Наиболее адекватные исходным данным гравитационные аномалии Буге получены при значении упругой толщины обеих плит от 10 км (во втором случае) до 25 км (в первом случае).

При численном эксперименте, проводимом для восточного профиля, как и для западного профиля применялись последовательно усложненые модели. В результате применения модели взаимодействия двух плит для исходных данных с различным разрешением получены одинаковые значения упругих толщин: переменное значение те для Русской плиты от 40 до 70 км; для Аравийской плиты те = 40 км. Граничные условия, соответствующие наилучшему результату, в случае исходных данных 1°»1° для обеих плит имеют следующие значения: кг-2-1017н-м/м, рг-1-1012 н/м. Во втором случае для Аравийской плиты оптимальные граничные условия имеют следующие значения: м =-8*Ю17н-м/м, р =-8-1011 н/м; для Русской плиты -м.-З-Ю17 н-м/м, р=-3-Ю11н/м. С физической точки зрения, отри-

цательный знак перед f можно интерпретировать как имеющийся на глубине объем осадков с малой плотностью. В обоих случаях под Малым Кавказом в модель вводилось плотное тело на глубине для объяснения наблюдаемого гравитационного фона. Плотное тело на глубине можно интерпретировать как часть холодной погруженной литосферной плиты в районе Малого Кавказа. Использование данных с более точным разрешением позволило учесть в модели плотность осадков, заполняющих Куринскую впадину (2400 кг/м_3 на глубине 7 км).

Максимальные изгибные напряжения, вызываемые прилагаемыми изгибными моментами, для западного Кавказа находятся в пределах от 33 до 80 МПа, а для восточного Кавказа от 70 до 180 МПа.

В заключении приводятся основные результаты и выводы работы:

1. Ка основе гравитационных данных с использованием спектрального метода и метода прямого пространственного моделирования построены модели глубинного строения зоны взаимодействия литосферных плит в районах Урала и Кавказа.

2. Методами гравитационно-механического моделирования показано, что гравитационные аномалии Урала определяются топографией, жесткостью литосферы и, плотностными неоднородностями на глубине. Геометрия границ литосферных плит определена из условий равновесия силовых факторов, возникающих в зоне коллизии литосферных плит.

3. В соответствии с кинематической схемой развитой модели Уральский хребет поддерживается краем прочной и холодной Русской плиты. Получены количественные оценки механических характеристик плит: Русская плита - упругая толщина плиты = 80 -ПО км, изгибная жесткость d = 3.6-10г4-9.5-10г4н-м; Сибирская плита - упругая толпшна плиты Те = 0-10 км, изгибная жесткость ь --- 0 - 7.Ы02,н-м.

4. Проведенное исследование обнаруживает значительные различия ь тектонической структуре западного и восточного Кавказа. Различия определяются сильной неоднородностью поля тектонических деформаций в зоне коллизии Аравийской и Русской плит.

5. Гравитационные аномалии западного Кавказа определяются топографией, жесткостью литосферы и осадочными линзами. Получены оценки механических характеристик взаимодействующих Русской и Аравийской п.щт в рчйоне западного Кавказа. Упругая тол^ит

плит Те = 10-25 км, изгибная жесткость d = 7.1-IO21- II-Ю22.

6. Гравитационные аномалии восточного Кавказа определяются топографией, жесткостью литосферы, осадочными линзами, а также плотностными нводаородностями на глубине (в районе Малого Кавказа удалось выделить значительный гравитационный эффект погруженных краев литосферы). Для восточного Кавказа упругая толщина Русской плиты имеет переменное значение ст 40 до 70 км, изгиб-ная жесткость d = 8.8-Ю23- 2.4-Ю24 н-м. Упругая толщина Аравийской плиты соответствует Те = 40 км, изгибная жесткость d = S-S-IO23 н-м.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Кукулиева Р.Ю., Коган М.Г. Изгибная жесткость литосферы Ев-разии//Доклады АН-СССР, 1988 г., т.301, Jé I, С. 69-75.

2. Кукулиева Р.Ю. Гравитационно-механическая модель Урала. В сб.: Актуальные проблемы геофизики (материалы 4-ой Всесоюзной конференции молодых ученных в г. Звенигороде 18-21 апреля 1988 г.). М.: Наука, 1989, С. 75-81.

3. Стаховская Р.Ю. Гравитационно-механическая модель литосферы Кавказского региона. // В сб.: Материалы конференции молодых ученых 13-17 ноября 1989 г., 1989, Фрунзе: Илим . С.15-16.

4. Стаховская Р.Ю. Гравитационно-механическая модель Урала. // В сб.: Геология и полезные ископаемые Урала. Тезисы докладов xi Уральской конференции молодых геологов и геофизиков. 1991. Свердловск. С. 83.

5. Stakhovskaya R.Y. Gravity and mechanical modeling of passive and active margins of the Russian plate. // Annales Geophysical Supplement to Wiesbaden 22-26 April 1931 XVI General assembly. 1391. P.35.