Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния литосферы центральной части Байкальской рифтовой зоны в начальные этапы развития

ВАК РФ 25.00.35, Геоинформатика

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Иванова, Светлана Васильевна

Введение.

Глава 1. Современные взгляды на источники и механизмы формирования

Байкальской рифтовой зоны.

Глава 2. Байкальская рифтовая зона как тектонотип областей растяжения в литосфере

2.1. Основные структурные характеристики Байкальской рифтовой зоны.

2.2. Геофизические поля и характеристические параметры литосферы.

2.3. Современная модель литосферы Байкальской рифтовой зоны и задачи для моделирования.

Глава 3. Методы оценки напряженно-деформированного состояния литосферы Байкальской рифтовой зоны

3.1. Общий краткий обзор методов оценки напряженно-деформированного состояния литосферы.

3.2. Изученность напряженно-деформированного состояния и теплового режима Байкальской рифтовой зоны.

3.3. Методика исследования напряженно-деформированного состояния геологической среды с применением метода конечных элементов (при использовании программы NASTRAN).

3.4. Формализация и параметры моделирования условий начала активного рифтогенеза Байкальской рифтовой зоны: постановка задачи для расчетов напряженно-деформированного состояния литосферы и алгоритм ее решения с помощью метода конечных элементов.

Глава 4. Расчет напряженно-деформированного состояния литосферы на начальном этапе развития Байкальской рифтовой зоны при воздействии температурной аномалии 4.1. Моделирование теплового режима Байкальской рифтовой зоны и анализ его особенностей.

4.2. Напряженно-деформированное состояние Байкальской рифтовой зоны в начале рифтогенеза: базовая модель.

4.3. Моделирование и анализ напряженно-деформированного состояния при формировании первичных структурных неоднород-ностей в литосфере Байкальской рифтовой зоны.

4.4. Оценка напряженного состояния при формировании прообразов рифтовых структур.

Глава 5. Эволюция напряженного состояния и ее отражение в структурах и процессах континентальных рифтовых зон 5.1. Современное напряженно-деформированное состояние Байкальской рифтовой зоны как возможный результат активного и пассивно го рифтогенеза.

5.2. Согласованность напряженно-деформированного состояния и сейсмической активности в Байкальской рифтовой зоне.

5.3. О возможной реконструкции напряженно-деформированного состояния других континентальных рифтовых зон.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния литосферы центральной части Байкальской рифтовой зоны в начальные этапы развития"

Актуальность темы

Среди геодинамических режимов рифтогенез играет чрезвычайно важную роль в развитии литосферы. Он определяет эволюцию структур и процессов, ассоциирующихся с областью растяжения. Генерация растяжения в литосфере может быть связана с несколькими источниками. В зависимости от их природы и месторасположения континентальные рифтовые зоны (КРЗ) по механизму образования подразделяются на активные и пассивные. Одним из типичных представителей КРЗ является Байкальская рифтовая зона (БРЗ), для которой главенствующими среди энергетических источников предполагают: (1) подъем аномальной мантии и ее растекание; (2) прогрев литосферы разогретой аномальной мантией; (3) локальное растяжение, вызванное коллизией Индостанской и Евроазиатской литосферных плит. Существенный вклад в развитие этих отличающихся друг от друга представлений внесли Н.А.Флоренсов, Н.А.Логачев, Ю.А.Зорин, С.В.Крылов и др., развивающие гипотезу подъема астеносферного диапира и разогрева упругой части литосферы с последующим ее растяжением и разрывом, а также P.Molnar, P.Tapponir, P.Mohr и мн. др., развивающие гипотезу пассивного рифтогенеза.

В связи с большим вниманием к исследованию КРЗ возникает необходимость более глубокого изучения как исходных энергетических источников напряжений, растягивающих литосферу, так и закономерностей распределения напряжений в ней в процессе деформирования. Кроме того, на современном этапе при оценке напряженного состояния литосферы рифтовых зон весьма актуальным становится переход на полуколичественные и количественные расчетные методы, поскольку они дают возможность оценить напряженно-деформированное состояние и установить характерные закономерности формирования КРЗ на начальных этапах их развития. Автор использовал один из таких методов, являющийся наиболее эффективным - метод конечных элементов (МКЭ).

Объектом исследования в диссертации является Байкальская рифтовая зона, на геолого-геофизическом материале которой изучены закономерности напряженно-деформированного состояния и показан процесс его эволюции на начальной стадии развития рифтогенеза в результате формирования особого теплового режима региона.

Целью работы является построение на базе современных вычислительных технологий моделей формирования БРЗ, учитывающих комплекс геофизических и геологических данных, выявление на их основе закономерностей вариаций напряженно-деформированного состояния и заключение о закономерностях рифтогенеза БРЗ на начальной стадии процесса.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1) изучение возможностей адаптации комплекса NASTRAN при создании геоинформационной системы для исследований условий формирования КРЗ;

2) создание двухмерных численных алгоритмов на базе МКЭ, предназначенных для компьютерного моделирования термоупругих напряжений в сплошной и нарушенной разрывами средах;

3) построение геомеханических моделей, учитывающих современные представления о геодинамической обстановке, разломно-блоковой структуре, глубинном строении и геофизических полях БРЗ;

4) оценка эволюции напряженно-деформированного состояния на основе построенных моделей.

Используемый материал и методы исследования

Основным материалом для построения моделей явились тектонические карты, карты разломно-блоковой тектоники, результаты изучения глубинной структуры, геотермии и других геофизических полей БРЗ, литературные источники по некоторым физическим характеристикам пород и опубликованные результаты исследований напряженно-деформированного состояния по БРЗ и другим КРЗ.

В основу методики расчетов был положен численный метод конечных элементов для решения двухмерных задач оценки напряженно-деформированного состояния сплошной среды и среды с нарушениями сплошности, реализуемый с помощью компьютерного моделирования.

Достоверность результатов обеспечена сравнением тестовых расчетов с аналитическими решениями соответствующих задач; сопоставлением данных, полученных на основании геофизической и геологической информации, и численных решений при моделировании вертикального разреза БРЗ. Защищаемые положения:

1. Разработана геоинформационная система по применению программного комплекса NASTRAN для компьютерного моделирования термоупругих напряжений и деформаций в начальные этапы рифтогенеза.

2. Аномальная мантия формирует в литосфере БРЗ особый тепловой режим, который является достаточным условием для возникновения напряжений растяжения, заложения прорифтовых структур и минимального утонения земной коры на начальной стадии рифтогенеза.

3. Разогрев на начальном этапе рифтогенеза приводит к горизонтально-слоистой структуре напряженно-деформированного состояния литосферы, вызванной сложным чередованием полей с различными типами напряженного состояния.

4. Деструкция литосферы на начальном этапе разогрева контролируется миграцией областей повышенной концентрации напряжений вкрест простирания БРЗ.

Научная новизна работы заключается в получении принципиально новых результатов о возможности формирования симметричных и асимметричных рифтовых депрессий, а также разломов на начальной стадии рифтогенеза за счет теплового энергетического источника. Впервые показана и проанализирована горизонтально-слоистая структура напряженно-деформированного состояния среды, вызванная тепловым энергетическим источником. Практическая значимость

Выполненные расчеты могут быть использованы для обоснования районирования БРЗ по типу напряженного состояния, а также при установлении корреляций между напряженно-деформированным состоянием и различными геодинамическими процессами и (или) геофизическими полями. Разработанная геоинформационная система на базе МКЭ может быть применена при исследовании теплового режима, его влияния на напряженное состояние и деформации литосферы, влекущие развитие рифтовых депрессий, разломов и др. структур различных КРЗ. Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: XVIII Всероссийской молодежной конференции «Геология и геодинамика Евразии» (Иркутск, 1999); Международной научной конференции, посвященной памяти профессора Павлова О.В. (Иркутск, 2000); 1-й Международной школе-семинаре «Физические основы прогнозирования разрушения горных пород» (Красноярск, 2001); ежегодной научно-технической конференции «Современные технологии и научно-технический прогресс» (Ангарск, 1999-2001); Всероссийской научной конференции, посвященной 10-летию Российского фонда фундаментальных исследований «Геология, геохимия и геофизика на рубеже XX и XXI веков» (Иркутск, 2002); XXXVI Тектоническом совещании (Москва, 2002). Публикации

По теме диссертации опубликовано 11 работ, находятся в печати 2. Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Текст работы объемом 133 страницы сопровождается 31 рисунком, 3 таблицами и списком литературы из 150 наименований. Благодарности

Заключение Диссертация по теме "Геоинформатика", Иванова, Светлана Васильевна

Заключение

В диссертации представлены результаты моделирования условий возникновения зон континентальных рифтов, ярким представителем которых является БРЗ. Для исследований напряженно-деформированного состояния и его изменений в ходе эволюции построен ряд моделей, отражающих последовательность зарождения и формирования БРЗ. Источником зарождения континентального рифта может быть подъем мантийного плюма, который создает асимметричный аномальный разогрев верхней части литосферы, состоящей из двух слоев: земной коры и литосферной части мантии.

Моделирование дает основание считать, что механизм деформирования литосферы БРЗ, в основе которого лежит температурная аномалия, инициировал процесс рифтогенеза. Температурная аномалия привела к возникновению горизонтальных растягивающих напряжений в верхней части земной коры и процессов деструкции в литосфере. Это начало зарождения рифта, которое свидетельствует, что температурный режим на начальной стадии рифтогенеза может играть определяющую роль в деформировании литосферы и в вариациях ее напряженного состояния. Дальнейшее моделирование для среды с нарушениями сплошности показало, что аномальный разогрев участка литосферы вызывает разрушение ранее образовавшегося сводового поднятия, приводя к формированию крупных разломов, окаймляющих рифтовые впадины. При этом разрывообразование верхней части земной коры связано с миграцией максимальных значений горизонтальных растягивающих напряжений.

Используя с помощью метода конечных элементов теорию температурных напряжений, было рассчитано напряженно-деформированное состояние литосферы, формируемое аномальным тепловым воздействием. Проведенные расчеты показали следующие результаты:

1. аномальный разогрев слоя литосферы оказывает влияние на распределение температур в вышележащих слоях, приводя к неравномерному прогреву литосферы рифтовой зоны;

2. температурная аномалия вызывает образование сводового поднятия, растяжение коры в центральной части, уменьшение ее мощности и возникновение зон повышенной концентрации напряжений, которая обеспечивает деструкцию верхней части сводового поднятия и создает условия для зарождения дислокаций;

3. неравномерный разогрев литосферы приводит к ее сложной горизонтальной расслоенности по типам напряженного состояния и по степени ее деструкции;

4. концентрация растягивающих напряжений в центральной части сводового поднятия обеспечивает возможность его разрушения, формирование разломов и прототипов рифтовых впадин;

5. миграция областей концентрации напряжений в верхней коре влечет за собой пространственную миграцию процессов разломообразования и сейсмичности.

Резюмируя результаты проведенных исследований начальной стадии эволюции напряженно-деформированного состояния БРЗ, отметим, что аномальный разогрев слоя континентальной литосферы является достаточным условием для возникновения и развития Байкальского рифта.

Разработанные модели достаточно полно и обоснованно подтверждают возможность формирования континентальных рифтовых зон за счет высокого первичного разогрева, в результате воздействия которого закладываются риф-товые депрессии. Кроме того, полученные результаты еще раз подтвердили точку зрения Н.А.Логачева [2001], что «рифтогенез как глубинный процесс, сопровождаемый растяжением и раздроблением литосферы, может состояться в определенным образом подготовленных для его реализации термодинамических и структурных условиях».

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Иванова, Светлана Васильевна, Иркутск

1. Алакшин A.M., Лысак С.В., Письменный Б.П. и др. Глубинное строение и геодинамика Саяно-Байкальской горной области и сопредельных районов Восточной Сибири И Глубинное строение территории СССР. М: Наука, 1991, с. 88105.

2. Белоусов В.В. Основы геотектоники. М.: «Недра», 1975, 264 с.

3. Белоусов В.А., Вольвовский Б.С., Вольвовский И.С. Увидеть корни гор //

4. Наука в СССР, 1984, №2, с. 54-61.

5. Голенецкий С.И. Сейсмичность Прибайкалья история ее изучения и некоторые итоги // Сейсмичность и сейсмология Восточной Сибири. М.: Наука, 1977, с. 3-42.

6. Голенецкий С.И. Проблема изучения сейсмичности Байкальского рифта // Геодинамика внутриконтинентальных горных областей. Новосибирск, 1990, с. 228-235.

7. Голубев В.А., Зорин Ю.А., Лысак С.В., Осокина С.В. Новые геотермические исследования на озере Байкал // Сейсмичность и глубинное строение Прибайкалья. Новосибирск: Наука, 1978, с. 68-84.

8. Грачев А.Ф. Рифтовые зоны Земли // Л.: Недра, 1977, 247 с. Грачев А.Ф. Основные проблемы новейшей тектоники и геодинамики северной Евразии // Физика Земли, 1996, №12, с.5-36.

9. Гущенко О.И. Метод кинематического анализа структур разрушения при реконструкции полей тектонических напряжений // Поля напряжений и деформаций в литосфере. М.: 1979, с. 7-25.

10. Добрецов H.JL, Кирдяшкин А.Г., Кирдяшкин А.А. Глубинная геодинамика. 2-е изд. Новосибирск: Изд-во СО РАН, филиал «ГЕО», 2001, 409 с. Дучков А.Д., Лысак С.В., Балобаев В.Т. и др. Тепловой поток в недрах Сибири. Новосибирск, Наука, 1987, 128 с.

11. Зорин Ю.А. Изостазия и гравитационная модель земной коры и верхней мантии // Вопросы глубинного строения Байкальского рифта. Новосибирск: Наука, 1977, с. 83-98.

12. Зорин Ю.А., Мордвинова В.В., Новоселова М.Р. и др. Плотностная неоднородность мантии под Байкальским рифтом // Изв. АН СССР Сер. Физика Земли, 1986, №5, с. 43-52.

13. Зоненшайн Л.П., Гольмшток А.Я., Хатчинсон Д. Структура Байкальского рифта // Геотектоника, 1992, №5, с.63-77.

14. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация. М: Мир, 1986, 318с.

15. Иванов В.И. Гидроразрыв как метод определения напряженного состояния горных пород из геолого разведочных скважин // Природа и методология определения тектонических напряжений в верхней части земной коры. -Апатиты, 1982, с. 94-97.

16. Казьмин В.Г. Рифтовые структуры Восточной Африки: Раскол континентов и зарождение океана. М.: Наука, 1987, 206 с.

17. Кулаков И.Ю. Трёхмерные сейсмические неоднородности под Байкальским регионом по данным локальной и телесейсмической томографии // Геология и геофизика, 1999, т.40, № 3, с. 317-331.

18. Киселёв А.И., Попов A.M. Байкальский рифт как отражение динамических и структурно-вещественных различий между литосферой Сибирской платформы и Центрально-Азиатского подвижного пояса // ДАН, 2000, т. 370, № 5, с. 651654.

19. Киссин И.Г., Рузайкин А.И. Очаги землетрясений в поле геоэлектрических неоднородностей земной коры Байкальской рифтовой зоны // Физика Земли, 2000, №7, с. 67-75.

20. Кочетков В.М. Сейсмическая ситуация Северомуйского района // Сейсмотектоника и сейсмичность района строительства БАМ. М.: Наука, 1980, с. 121128.

21. Крылов С.В., Мишенькин Б.П., Мишенькина З.Р. и др. Детальные сейсмические исследования на Р- и S-волнах. Новосибирск: ВО «Наука». Сибирскаяиздат. фирма, 1993, 199 с.

22. Леонтьев А.В., Назаров Л.А., Назарова Л.А. Модельные представления полей региональных напряжений для Алтае-Саянской горной области // ФТПРПИ, 1996, №4, с.53-61.

23. Лобацкая P.M. Разрывные нарушения верхней части земной коры Байкальской рифтовой зоны // Проблемы разломной тектоники. Новосибирск, 1981, с. 112129.

24. Логачев Н.А. Вулканизм и тектоника Кенийской рифтовой зоны // Геотектоника, 1974, № 3, с.74-93.

25. Логачев Н.А. Главные структурные черты и геодинамика Байкальской рифтовой зоны // Физическая мезомеханика, 1999, т.2, № 1 -2, с. 163-170. Логачев Н.А. Об историческом ядре Байкальской рифтовой зоны // ДАН, 2001, т. 376, №4, с.510-513.

26. Логачев Н.А., Зорин Ю.А., Шерман С.И. Геодинамика континентальных рифтов // Геология и геофизика, 1982, №12, с. 13-22.

27. Логачев Н.А., Флоренсов Н.А. Байкальская система рифтовых долин // Рольрифтогенеза в истории Земли. Новосибирск, Наука, 1977, с. 19-29.

28. Лысак С.В. Тепловой поток континентальных рифтовых зон. Новосибирск:1. Наука, 1988, 200 с.

29. Лысак С.В., Шерман С.И. Глубинный тепловой поток и сейсмическая активность,- в кн.: Сейсмичность и глубинное строение Прибайкалья, 1978, с. 56-68. Лысак С.В., Зорин Ю.А. Геотермическое поле Байкальской рифтовой зоны. М.: Наука, 1976,92 с.

30. Мишарина Л.А. Напряжения в очагах землетрясений Монголо-Байкальской сейсмической зоны // Поле упругих напряжений Земли и механизм очагов землетрясений. М., 1972, с. 161-171.

31. Назарова JI.A. Моделирование объемных полей напряжений в разломных зонах земной коры // ДАН, 1995, т. 342, № 6, с. 804-808.

32. Николаев П.Н. Системный подход в анализе и картировании полей тектонических напряжений // Природа и методология определения тектонических напряжений в верхней части земной коры. Материалы Всесоюз. школы-семинара, Апатиты, 1982, с. 18-34.

33. Новацкий В. Динамические задачи термоупругости. М.: Изд-во «Мир», 1970, 254 с.

34. Парфенов В.Д. К методике тектонофизического анализа геологических структур // Геотектоника, 1984, № 1, с. 60-72.

35. Парфенов В.Д., Парфенова С.И. К вопросу о реконструкции осей палео-тектонических напряжений в горных породах // Докл. АН СССР, 1980, т. 251, №4, с. 238-241.

36. Поспеев А.В. Электропроводность земной коры и мантии западной части Байкал о-Амурского региона // Астеносфера по комплексу геофизических методов. Киев: Наук, думка, 1988, с. 34-44.

37. Радзиминович Н.А. Современное разломообразование в земной коре ЮжноБайкальской впадины по сейсмологическим данным // Диссертация. канд. геол.-мин. наук, Иркутск, 2002.

38. Разваляев А.В. Континентальный рифтогенез и его предыстория // М.: Недра, 1988, 191с.

39. Расцветаев Л.М. Структурные рисунки трещиноватости и их геомеханическая интерпретация // Докл. АН СССР, 1982, т. 267, № 4, с. 904-908. Рогожина В.А., Кожевников В.М. Область аномальной мантии под Байкальским рифтом. Новосибирск, Наука, 1979, 104 с.

40. Родыгин А.И. Азимутальные проекции в структурной геологии. Томск: Изд-во ТГУ, 1981, 135 с.

41. Ружич В.В., Рязанов Г.В. О зеркалах скольжения и механизме их образования // Механизмы формирования тектонических структур Восточной Сибири. Новосибирск, 1977, с. 105-108.

42. Саньков В.А., Леви К.Г., Кале Э. и др. Современные и голоценовые горизонтальные движения на Байкальском геодинамическом полигоне // Геология и геофизика, 1999, т. 40, № 3, с. 422-430.

43. Сим J1.A. Некоторые особенности полей напряжений в зонах разломов (по геологическим и сейсмологическим данным) // Поля напряжений и деформаций в земной коре. М: Наука, 1987, с. 151-159.

44. Скляров Е.В., Мазукабзов A.M., Мельников А.И. Комплексы метаморфических ядер кордильерского типа. Новосибирск: Изд-во СО РАН, НИЦ ОИГГМ, 1997, 182 с.

45. Тимофеев Ю.В., Анисимова Л.В., Дюкарм Б. и др. Оценка вязкости земной коры в зоне Главного Саянского разлома по данным наклономерных измерений // Геология и геофизика, 1999, т. 40, № 10, с. 1495-1501.

46. Тихонов А.Н. Типы пространственного распределения зеркал скольжения и их использование для выявления кинематики разрывных нарушений // Геология и разведка, 1983, № 3, с. 131-133.

47. Теркот Д., Шуберт Дж. Геодинамика: Геологические приложения физики сплошных сред, Ч. 1 и 4.2. М., Мир, 1985, 360с. 376с.

48. Тычков С.А., Кулаков И.Ю., Бушенкова Н.А. Глубинная геодинамика Байкальской рифтовой зоны (сейсмотомография, численное моделирование) // Материалы XXXIII Тектонического совещания. Москва, ГЕОС, 2000, с. 534538.

49. Флоренсов Н.А. Байкальская рифтовая зона и некоторые задачи ее изучения // Байкальский рифт. М: Наука, 1968, с. 40-56.

50. Шерман С.И., Борняков С.А., Буддо В.Ю. Области динамического влияния разломов (результаты моделирования). Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1983,112 с.

51. Шерман С.И., Борняков С.А., Буддо В.Ю. Моделирование механизма образования сейсмоактивных разломов в упруго-вязкой среде // Геология и геофизика, 1985, № 10, с. 9-18.

52. Шерман С.И., Днепровский Ю.И. Поля напряжений земной коры и геолого-структурные методы их изучения. Новосибирск, Наука, Сиб. отд-ние, 1989, 158с.

53. Шерман С.И. Приморский взбросо-сдвиг // Информационный бюллетень Инстатута земной коры СОР АН, Иркутск, 1970, с. 14-15.

54. Шимкович Д.Г. Расчет конструкций в MSC/NASTRAN for Windows.-М.: ДМК Пресс, 2001,448 с.

55. Справочник физических констант горных пород, под ред. С. Кларка. Москва, Мир, 1969, 542 с.

56. Cochran I.R. A model for Development of Red Sea. A.A.P.G. Bulletin, 1983, v. 67,1. N1, p. 41-69.

57. Duchkov A.D., Sokolova L.S. Thermal structure of Siberian litliosphere. Terrestrial heat flow and geothermal energy in Asia. Oxford and IBN Publ. Co., New Delhi, India, 1995, p. 281-293.

58. Gordienko I.V., Sherman S.I. Late paleozoic-cenozoic destruction of the litho-sphere and rifting in the Baikal region. // The first Stephan Mueller conf. of the European Geophys. Soc., Tel Aviv University, 2000, p. 57.

59. Verdonck D., Furlong K.P. Stress accumulation and release at complex transform plate boundaries // Geophysical Research Letters, 1992, VOL. 19, NO. 19, p. 19671271970.

60. Zobac M.L., Zobac M.D. State of stress in the Conterminous United States // J. Geophys. Res., 1980, v. 85,№BU,p. 6113-6156.

61. Zorin Yu.A., Rogozhina V.A. Mechanism of rifting and the deer-seated structure of the Baikal rift Zone // Tectonophysics, 1978, v. 45, p. 23-30.

62. Zonenshain L.P., Savostin L.A. Geogynamics of the Baikal rift zone and plate tectonics of Asia II Tectonophysics, 1980, v. 76, p. 1-45.