Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Моделирование эволюции осадочных бассейнов и деформации литосферы

ВАК РФ 04.00.04, Геотектоника

Автореферат диссертации по теме "Моделирование эволюции осадочных бассейнов и деформации литосферы"

- з Ш №

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ Кафедра исторической и региональной геологии

На правах рукописи УДК: 551.24.001.57(470.6+477.6) ЕРШОВ АНДРЕЙ ВИКТОРОВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭВОЛЮЦИИ ОСАДОЧНЫХ БАССЕЙНОВ И ДЕФОРМАЦИИ ЛИТОСФЕРЫ (НА ПРИМЕРЕ БАССЕЙНОВ ВОСТОЧНО-ЕВРОПЕЙСКОЙ И СКИФСКОЙ ПЛАТФОРМ)

Специальность: 04.00.04 - Геотектоника.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогпческих наук

Москва 1997

Работа выполнена на кафедре исторической и региональной геологии геологического факультета Московского Государственного . Университета им. М.В.Ломоносова.

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук,

профессор А.М.Никишин.

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук

A.Е.Шлезингер (ГИН РАН), кандидат физико-математических наук

B.Н.Вадковский (МГУ, геол. ф-т).

Ведущая организация: Музей Землеведения МГУ им. Ломоносова.

Защита диссертации состоится "14" марта 1997 г. в 14 ч.ЗО м. на заседании Диссертационного Совета К.053.05.02 по общей и региональной геологии и геотектонике при Московском Государственном Университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119899, ГСП, Москва В-234, Ленинские горы, МГУ, геологический факультет, аудитория 608.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета МГУ, зона "А", 6 этаж.

Автореферат разослан "10" февраля 1997г.

Ученый секретарь Диссертационнрдб-Срвета: .

кандидат геол.-минер, наук Т.Ю.Тверитинова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Успехи геологических наук за последнюю четверть века предопределили новое направление в геологических исследованиях - компьютерное моделирование. Решение геологических задач путем построения компьютерных моделей является не только экономически выгодным (в прикладных отраслях), но и позволяет быстро и эффективно проводить проверки теоретических построений.

Компьютерный анализ и моделирование стали неотъемлемой частью для геологических дисциплин и широко внедряются в историческую геологию и тектонику.

Исследования, проведенные автором в ходе работы над диссертацией, являются одними из первых в России в области количественного моделировения эволюции осадочных бассейнов и деформаций реологически-расслоенной вязко-упруго-пластической литосферы. Актуальность данных исследований обусловлена необходимостью широкого внедрения количественных методов анализа в геологии и получения на их основе новых результатов. В качестве исследовательских полигонов для отработки методики были выбраны хорошо изученные в геологическом плане молодая эпигерцинская Скифская платформа и внутриплитный Днепровско-Донецкий бассейн.

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы являлись разработка интегрированной методики количественного моделирования эволюции осадочного бассейна, создание модели вязко-упругих деформаций литосферы на основании экспериментальных данных по реологии пород, разработка соответствующих компьютерных программ и применение разработанной методики для моделирования эволюции реальных бассейнов: эволюции Восточно-Предкавказского предгорного прогиба на орогенном этапе и пострифтовой эволюции внутрикратонного Днепровского бассейна в общем контексте геологической истории южной части Восточно-Европейской платформы.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

* сбзор и ревизия данных о существующих количественных моделях кинематического восстановления истории погружения, процессов в осадочных бассейнах и деформаций литосферы

* разработка интегрированной методики моделирования бассейнов, включающей восстановление истории погружения бассейна, модели процессов теплопереноса, миграции флюидов и созревания органического вещества

* разработка алгоритма и написание пакета компьютерных программ на основании разработанной методики, включающего модули, обеспечивающие:

• создание, заполненние, редактирование базы данных, содержащей информацию о скважинах и сейсмических профилях, 1

• одно- и двухмерное восстановление истории погружения по скважинам и сейсмопрофилям с учетом уплотнения пород,

• расчет законов уплотнения на основании скважинных данных,

• статистический анализ истории погружения по набору скважин,

• одномерное моделирование термической истории осадков и литосферы, основанное на численном решении нестационарного уравнения теплопроводности и результатах кинематического анализа,

• моделирование созревания органического вещества

* отработка пакета программ на ряде бассейнов Восточно-Европейской, Скифской и Западно-Сибирской платформ (совместно с другими сотрудниками и аспирантами кафедры),

* создание количественной модели деформаций литосферы, основанной на экспериментальных реологических зависимостях пород и рассчитанном распределении температур,

* разработка алгоритма и написание компьютерных программ, обеспечивающих вычисления в рамках предложенной модели,

* проведение серии численных экспериментов, для изучения реакции литосферы на напряжения растяжения и сжатия в рамках предложенной модели,

* изучение геологического строения и истории формирования Скифской

платформы и Днепровского бассейна по опубликованным и фондовым геологическим материалам и, по возможности, полевым наблюдениям;

* . одно и двухмерное восстановление истории погружения Восточного Предкавказья по данным скважин и сейсмопрофилям,

* восстановление истории погружения Днепровского бассейна по сейсмическим и скважинным данным,

* моделирование эволюции Восточно Предкавказского бассейна на орогенном этапе в рамках гипотезы упругого прогибания литосферы под нагрузкой орогена Большого Кавказа,

* моделирование пострифтовой эволюции Днепровского бассейна .

Научная новизна. Разработан и опробован комплексный метод одномерной и двухмерной количественной оценки геологической истории развития для регионов с широким развитием недислоцировашшх и слабодислоцированных комплексов чехла.

Для молассового бассейна Восточного Предкавказья построена модель упругого прогибания бассейна под действием нагрузки орогена Большого

Кавказа, демонстрирующая высокую степень сходимости результатов моделирования и наблюдаемых геологических данных.

Предложен и обоснован вычислениями (на примере Днепровского бассейна) механизм пострифтового синкомпрессионного погружения внутрнкратоиных бассейнов: быстрое пострифтовое синкомпрессионное погружение бассейнов может быть объяснение эффектом "вдавливания" литосферы, но для этого литосфера бассейна должна быть достаточно "горячей".

Показана возможность возникновения внутрйплатформенных общелитосферных складок в обстановке сжатия при достаточно низком (по сравнению с критическим) уровнем напряжений в результате наложения поля напряжений на существующую структуру литосферы.

Практическая ценность. Разработанный и написанный в ходе диссертационной работы пакет компьютерных программ является оригинальной разработкой не имеющей аналогов в России. Он может быть использован при моделировании и других бассейнов. Возможность построения моделей термической истории бассейна, истории созревания органического вещества дает возможность применения его для количественного анализа истории генерации и миграции углеводородов. Переход в перспективе от двухмерного к трехмерному кинематическому моделированию позволит проследить эволюцию структур (например ловушек углеводородов) во времени, что даст возможность оценить вероятности формирования различных полезных ископаемых.

Фактический материал. Автором были использованы материалы фондов Ставропольской и Кавказской' экспедиций геологического факультета МГУ, фонды Геологической библиотеки МГУ, материалы фондов ПО "Краснодарнефтегеофизика", Центральной Геофизической Экспедиции (г.Москва), материалы фондов СОГРЭ (г.Владикавказ), Укргеофизики (Киев). Часть материала была собрана автором в ходе полевых экскурсий по Крыму, Центральной и Северной Добрудже в период с 1992 по 1996 г.г.

Одномерное моделирование по Скифской платформе было проведено по материалам 122 буровых скважин и геологических разрезов, двухмерное - с использованием как данных по отдельным скважинам, так' и сейсмическим профилям. Также для разработки методик использовались более 200 скважин и 15 профилей для различных бассейнов Восточной Европы и Западной Сибири.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из __ страниц

машинописного текста. Работа включает введение, три основные части, объединяющие 6 глав, заключение и библиографию из_названий.

Во "Введении" дана общая характеристика работы, определены ее цели и задачи.

Часть I "Методика количественного моделирования эволюции осадочных бассейнов" посвящена обзору существующих количественных

моделей, описанию интегрированной методики моделирования осадочных бассейнов и пакета программ, разработанного автором для этой цели. Эта часть состоит из двух глав: 1) "Восстановление истории погружения осадочного бассейна" и 2) "Модели процессов протекающих в осадочном бассейне". В первой главе описываются методы и алгоритмы, позволяющие на основании геологического разреза кинематически восстановить эволюцию бассейна во времени. Во второй главе рассматриваются количественные модели процессов погружения бассейна, эрозии, транспорта осадков и седиментации, уплотнения и литификации осадков, теплопереноса, миграции флюидов, созревания и миграции углеводородов.

Часть II диссертации "Количественная реологическая модель литосферы"

включает главы 3) " Модель вязко-упругих деформаций литосферы, основанная на экспериментальных реологических зависимостях составляющих литосферу пород " и 4) "Реакция литосферы на напряжения растяжения и сжатия. Причины формирования и эволюции осадочных бассейнов". Третья глава содержит описание экспериментальных данных по реологическим свойствам пород, существующих представлений о структуре и составе литосферы, ее термальному состоянию, источникам и величине действующих напряжений. Реологическая модель литосферы строится на основании реологических свойств пород составляющих ее пород и расчетного распределения температур в литосфере.В четвертой главе, используя построенную модель, исследуется реакция литосферы на напряжения растяжения и сжатия.

Часть III "Модели некоторых бассейнов Восточно-Европейской и Скифской платформ." состоит из трех глав: 5) "Моделирование истории погружения Восточно-Предкавказского бассейна на орогенном этапе" и 6) "История погружения и геодинамика Днепровско-Донецкого бассейна в каменноугольное время", в которых приведены результаты моделирования бассейнов.

Апробация работы и публикация результатов. Основные положения диссертации докладывались на Днях научного творчества молодых ученых МГУ (1993, 1994); Международных рабочих совещаниях по проекту EUROPROBE раздел "Внутриплитная тектоника и динамика бассейнов" (Москва, 1993; Киев, 1994; Москва, 1995; Лидс, Англия, 1995; Ялта, 1996), ; на рабочем совещании Неогеновой комиссии (в рамках проекта "PERI-TETHYS" (Москва, ГИН, 1994); XXVIII-om и ХХ1Х-ом Всероссийских Тектонических совещаниях (Москва 1995, 1996); на 4-ом и 5-ом Международных совещаниях по тектонике плит памяти Л.П.Зоненшайна (Москва, 1993, 1995); рабочих встречах по Международному проекту "PERI-TETHYS" (Милан, 1995; Париж, 1994; Москва, январь 1996; Москва, май 1996; Амстердам, 1996); Международных совещаниях по проекту IGCP-369 "Сравнительная эволюция Пери-Тетических рифтовых бассейнов" (Болонья, 1994; Констанца, 1995). Результаты исследований неоднократно

докладывались и обсуждались на кафедре исторической и региональной геологии МГУ.

По теме диссертации опубликована 26 работ, результаты работы вошли в 5 отчетов по различным научным проектам и были использованы при создании 2 новых учебных курсов для студентов.

Диссертация выполнялась под руководством профессора А.М.Никишина, которому автор выражает глубокую благодарность.

Автор выражает особую признательность Ю.И.Галушкину и С.Н.Болотову за содействие в разработке основных положений методики моделирования.

Большая помощь в подготовке исходного геологического материала для моделирования была оказана С.Н.Болотовым, А.С.Алексеевым, М.В.Коротаевым и П.А.Фокиным.

Автор благодарен Е.Е. Милановскому, Б.П.Назаревичу, Л.Ф. Копаевич, Д.И. Панову, Е.Ю. Барабошкину, Л.М.Расцветаеву, В.С.Милееву, А.Ф.Читалину, В.Н.Вадковскому, Н.В.Короновскому, О.В.Япаскурту (МГУ, Геологический ф-т); С.С, Косовой (ЦГЭ); Н.В.Лопатину, О.И.Симоненковой (ВНИИ Геосистем), К.О.Соборнову (ЮКОС); Л.И.Лобковскому (ин-т Океанологии РАН); А.Т.Исмаил-Заде (МИТПАН); С.Н.Стовбе (Укргеофизика); К.Н.Поплавскому (Институт Геофизики НАН Украины), А.Ковхуте (ГИН ВАН); В.О.Михайлову (ОИФЗ) а также зарубежным исследователям: Ю.Подладчикову, Е.Бурову, M.-F.Brunet, , VV.Cavazza, S. Cloetingh, J.Dercourt, R.Stephenson, J.-D. Van Wees, M.Wilson, P.Ziegler за дискуссии, ценные советы и консультации, полученные в процессе написания работы, а также за предоставленные геологические материалы.

Автор со всей теплотой благодарит своих коллег и друзей С.Н.Болотова, П.А.Фокина, И.В.Шалимова, М.В.Коротаева, А.В.Фурнэ, В.В.Ильину, Е.Ю.Бембинову, Н.В.Назарову, И.А.Васильеву, Е.А.Третьякову за постоянную поддержку и помощь во время выполнения работы.

Работа выполнена при поддержке РФФИ, INTAS, Министерства Минеральных Ресурсов России, проектов EUROPROBE, Peri-Tethys.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Часть 1. Методика количественного моделирования эволюции осадочных бассейнов.

Компьтерное моделирование осадочных бассейнов с целью изучения процессов, протекающих в ходе их развития является одним из самых быстроразвивающихся направлений в области геологических наук. В последнее время получено ' множество результатов по разным бассейнам, и поэтому появилась возможность сопоставлять их между собой. Каждый бассейн обладает своей спецификой строения, эволюции и степени изученности. Эти три особенности и определяют набор применяемых методов и подходов моделирования. Однако для сопоставления важно, чтобы исходные принципы моделей разных бассейнов были общие.

Все модели делятся по методу моделирования на прямые (forward) (по заданным уравнениям и набору начальных и граничных условий строится решение "вперед во времени") и обратные (inverse) (по заданным результатам необходимо определить процесс "назад во времени"). Все задачи в геологии -обратные, однако построить обратную модель гораздо сложнее чем прямую, и поэтому обратные задачи часто решаются путем многократного решения прямой с изменяемыми начальными и граничными условиями.

Все техники моделирования бассейнов можно разделить на структурные и кинематические реконструкции и модели процессов (динамические, термические, гидрологические, транспортные, геохимические, физико-химические). По решаемым задачам выделяются задачи восстановления истории погружения, тектоники, термической истории, истории генерации и миграции углеводородов, истории формирования и разрушения ловушек.

В рамках кинематических методов осадочный чехол рассматривается как "осадочная летопись" (sedimentary record) событий геологической истории бассейна. Основная задача в этом случае - расшифровать эту "летопись", и таким образом восстановить историю бассейна во времени. Исходные данные -геологический разрез с стратиграфическим делением и анализом перерывов, литологией и абсолютными датировками, оценки палеоглубин бассейна и величин размыва. По размерности исходного разреза выделяются одно, двух и трехмерные методики. Основной метод кинематического анализа одномерного разреза по скважине - "backstripping" (обратное снятие) с учетом уплотнения пород со временем в зависимости От приложенной нагрузки.

Для выполнения двумерных реконструкций мы должны разбить разрез на "псевдоскважины", по каждой из них выполнить одномерную реконструкцию и произвести обратное преобразование к двумерной конфигурации. Эта методика приемлема при отсутствии существенных горизонтальных движений и разрывов сплошности среды. В случае невыполнения этих условий необходимо применять

дополнительные • техники. Например, при смещениях- по невертикальным разломам, необходимо дополнительно использовать методику восстановления балансированных разрезов или какое-либо ее расширение (sinous bed technique, equal area technique). При складках, образовавшихся в результате горизонтальных движений» - методику спрямления складок (unfolding). В качестве результата получается количественная история

погружения/воздымания бассейна со временем, на основании которой могут быть сделаны' тектонические' или другие выводы. Преимущество

количественного подхода состоит в том, что результаты, полученные при моделировании отдельных разрезов {скважин, сейсмопрфилей) могут быть подвергнуты статистическому анализу. При наличии большой выборки оказывается возможным проводить сравнение бассейнов, коррелировать отдельные события в разных бассейнах.

Кроме этого, важность кинематических реконструкций еще и в том, что они служат основой для динамических, термических, геохимических и др. моделей. Каждая из таких моделей - это модель процесса (или нескольких процессов), описываемого дифференциальным уравнением. Задавая параметры среды, начальные и граничные условия и получая решение уравнения, мы сравниваем их с "реперами" - реально измеренными величинами. Так например, для моделей теплопереноса основным репером является отражающая способность витринйта. Выбранные начальные и граничные условия должны обеспечивать наилучшее совпадение рассчитанных и измеренных реперных значений. К сожалению такое решение обратной задачи получается неоднозначным (т.е. одни и те же реперные . значения можно получить множеством разных способов задания нач. и гр. условий)- Поэтому здесь не удается получит решение "чисто математически" и необходимо привлечение дополнительных геологических ' соображений, обосновывающих/отвергающих тот или иной выбор' начальных/граничных условий.

В работе приведен обзор существующих количественных: моделей процессов, протекающих в осадосном бассейне: процессов тепломассопереноса (теплоперенос, миграция флюидов," перенос и :накоплёнйе: кластических осадков), описываемых дифференциальным уравнением в частных производных второго порядка и локальных процессов физико-химических -превращений вещества (преобразования органического вещества под действием температуры, растворения/осаждения минеральных зерен и т.д.), описываемых линейной системой обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка. На основании данного обзора разработана интегрированная методика, объединяющая существующие модели. Написан пакет компьютерных программ, включающий: одно- и двухмерное кинематическое восстановление геологической истории осадочного бассейна с учетом изменения мощности осадочных слоев при литификации, моделирование теплопереноса, созревания углеводородов.

Методика была опробирована на Предкавказском, Днепровско-Донецком, Тимано-Печорском, Баренйевоморском, Западно-Сибирском бассейнах.

Часть 2. Количественная реологическая модель литосферы

Наиболее известные из моделей деформаций литосферы - это модели рифгинга по механизму простого (simple shear) (D.McKenzie) или чистого (pure share) (B.Vernike) сдвига, модели погружения за счет сжатия (S.Cloetingh), или фазовых переходов (Е.В.Артюшков, Л.И.Лобковский), модель изгиба литосферы под нагрузкой орогена (C.Beaumont), модели, связанные с конвекцией (В.О.Михайлов).

Уравнения изгиба тонкой упругой пластинки для описания изгиба литосферы широко используются и дали хорошо согласующиеся с наблюдениями результаты для океанической литосферы, за небольшим исключением, когда при достаточно большой кривизне литосферы наблюдались прогибы превышающие теоретически ожидаемые значения. Это явление качественно объясняется эффектом "пластического шарнира", т.е. уменьшением эффективной упругой толщины литосферы за счет пластического поведения пород. Попытки использовать уравнения изгиба однородной пластинки с линейной вязко-упругой реологией не увенчались успехом. Аналогичный подход для континентальной литосферы был не столь успешным, эффективная упругая толщина определемая на основании разных экспериментальных (послеледниковые поднятия, предгорные прогибы, топографическая нагрузка) и теоретических методов существенно различалась. В работах Е.Б.Бурова показано, что использование упруго-пластической реологии с учетом распределения температур в литосфере позволяет дать более согласованные оценки эффективной упругой толщины литосферы. Экспериментальные данные свидетельствуют, однако, не о упруго-пластическом, а о вязко-упругом поведении основных породообразующих минералов. Замена вязко-упругой реологии на упруго-пластическую допустима, но при этом теряются некоторые эффекты, в частности - зависимость от времени. Возможность такой замены требует отдельного обоснования. Предложенная модель свободна от таких недостатков и является непосредственным продолжением и развитием идей и методов предшествующих исследований.

Количественная модель описывает отклик литосферы на внутриплитные напряжения и изгибающие моменты, вызванные приложенными нагрузками. Нахождение распределения напряжений в трехмерной неупругой среде является сложной задачей, особенно если учитывать недостаточность наших знаний о структуре и реологических свойствах литосферы. Более приемлемым является подход позволяющий упростить задачу путем введения асимптотического приближения тонкой пластинки. Однако, здесь необходимо учитывать, что реальные реологические свойства пород слагающих литосферу - неупругие и, кроме того, сильно меняются в зависимости от темпреатуры и, следовательно, с

глубиной. При построении численной модели мы используем гипотезы. Кирхгофа-Лява для тонкой пластинки и соотноошения, Связывающие деформацию и напряжения в соответствии с полученными экспериментально данными о реологии составляющих литосферу пород. Реологические свойства вещества литосферы моделируются на основании экспериментальных исследований ползучести и хрупкого разрушения основных породообразующих минералов.

Ниже приведены основные соотношения. Рассматривается цилиндрический изгиб литосферы. Деформация предполагается состоящей из 2 частей: упругая

деформация £ и остаточная деформация £г Полная деформация равна сумме этих двух частей: £ = £е + £ Полная деформация определяется геометрически на основании гипотез Кирхгофа-Лява: £ — £ ^ + М?" ■ — ^ .

Е

Напряжения определяются упругой частью деформации: <Т =-- ■ £е .

Вязкая и пластическая релаксации это переход упругой деформации в пластическую: £е —> £г . Вязкая релаксация описывается на основании экспериментально установленных законов, описывающих ползучесть основных породообразующих минералов пород литосферы в зависимости отприложенных напряжений и температуры:

степенная ползучесть: £г

А„ст"-е яг

2

Еп

__о

Дорновская ползучесть £г = Ар ■ в пт

Дорновская ползучесть установлена только для оливина и используется только для мантийных пород, критические напряжения перехода степенной ползучести в Дорновскую - 200 МПа. Температуры берутся из расчетного распределения температур в литосфере.

При пластической релаксации напряжения превышающие критические значения релаксируют. Хрупкие деформации описываются как пластические с критической силой определяемой законом Бирли:

а = ар%г{у - Л),

где ОС = ——— - для нормальных сбросов, (X = Я — 1 - для надвигов, - 1

ОС = -—-— - для сдвигов, Л « 0.35 коэффициент учитывающий

влияние гидростатического давления поровых флюидов,

К = [(1 + // ")1/2 — // ] 2 , /7 - коэффициент трения скольжения. Вязкая релаксация, при которой более 90% упругой деформации переходит в остаточную за время меньше минимального временного шага считается эффективно пластической с нулевой критической силой.

Распределение температур в литосфере существенно влияет на ее реологические свойства. Оно может быть расчитано либо путем численного решения уравнения теплопроводности, либо путем инверсии поверхностного теплового потока.

Профиль разбивается на малые ячейки. Шаг по времени выбирается достаточно малым. Сперва рассчитывается начальное распределение напряжений. Для этого вводится "полоса разгона" - некоторый временной интервал до начала "настоящего" временного отсчета, это позволяет поднять уровень напряжений от,нулевого до требуемого малыми приращениями - и использовать при этом тот же алгоритм, что и далее, за исключением вязкой релаксации.

Пусть определены напряжения в момент I и выполняется баланс моментов и сил. При переходе к следующему моменту времени сначала вычисляется вязкая релаксация в каждой точке за время сИ:. Это вносит дисбаланс в уравнение моментов и сил. Затем, численно определяются дополнительный изгиб и "поджатие", позволяющие восстановить баланс сил и моментов. Пластическая релаксация учитывается на этом шаге. Выбор малого шага по времени позволяет линеаризовать эту задачу и свести все к нескольким последовательным решениям уравнения тонкой упругой пластинки на жидком основании с переменной толщиной и нагрузкой - эффективными параметрами, определяемыми из реального распределения напряжений. Кроме того, в задаче изгиба тонкой пластинки еще необходимо поставить четыре граничных условия, определяемых в каждом конкретном случае. Это могут быть условия на отклонение, его первую или вторую производную на правом и левом концах профиля. Применение данной модели к реальным объектам (глава 3) показывает необходимость введения , преддеформационных неоднородностей литосферы, связанных с ее предшествующей эволюцией. Неоднородность литосферы в модели вводится как "законсервированная" деформация бывшей рифтовой структуры. Эффективно она проявляется в предизгибе средней линии упругой пластинки при решении эффективной упругой задачи; в уравнении баланса моментов она появится в виде /

члена (Рм>^\ где И'0 -- отклонение средней линии пластинки от прямой до

начала деформации. Это отклонение для рифтов вычисляется как где Z - уровень шейкообразования (necking), f5 -

Р)

коэффициент утонения литосферы при рифтинге. Для козффициета /? мы

о 1 /~> • 7 п

использовали выражение р — 1 + С ЭШ - ■ - ■-. В зависимости от уровня

шейкообразования литосфера изгибается, • чтобы обеспечить региональное изостатическое равновесие. Эти "законсервированные" деформации и сказываются при последующей компрессионной, реактивации бывшей рифтовой структуры.

Эволюция океанической литосферы достаточно хорошо описывается в рамках модели тонкой упругой пластинки. К настоящему моменту существуют достаточно хорошо разработанные модели поведения континенталной литосферы в обстановке растяжения (рифт) и под нагрузкой орогена (предгорный прогиб). Поведение литосферы в обстановке сжатия является не менее важным, однако ясности в данном вопросе до сих пор не существует. , Поэтому мы сконцентрировали свои усилия на исследовании деформации континентальной внутрикратонной литосферы в обстановке сжатия.

С использованием пакета программ, реализующего расчеты в рамках-предложенной модели, было проведено моделирование изгиба ли+осферы под действием сжимающих напряжений. Проведены численные эксперйме'нты, на основании которых показана возможность быстрого пострифтового пбгружения осадочного бассейна в обстановке сжатия за счет вязко-упругой,, реакции реологически ослабленной литосферы бассейна. Результату использованы - для объяснения деформаций литосферы Днепровско-Донецкого бассейна и всей южной части Восточно-Европейской Платформы в каменноугольное время (Часть 3).

Часть 3. Модели некоторых бассейнов Восточно-Европейской и Скифской платформ.

Моделирование истории погружения Восточно-Предкавказского бассейна на орогенном этапе

Орогения Большого Кавказа началась примерно 35 млн. лет назад с главным коллизионным этапом в течении последних 12 млн.лет. Она привела к образованию Пред- и Закавказских молассовых бассейнов (Терско-Каспийский, Индоло-Кубанский, Куринский и др.).

Проведенное исследование было нацелено на изучение геодинамической эволюции Восточно-Предкавказского молассового бассейна на орогенном этапе с помощью количественного моделирования. Был проведен интегрированный анализ бассейна на основании всех имеющихся геологических и геофизических данных (разрезы скважин, сейсмопрофили, топография, профили ГСЗ, тепловой поток).

В первую очередь было выполнено кинематическое восстановление истории погружения по набору скважин и детальному двухмерному геологическому разрезу через бассейн, построенному с использованием скважинных данных и сейсмических профилей. В качестве основы был выбран V региональный сейсмопрофиль и 20 глубоких скважин расположенных вдоль его линии. Используя расчленение, основанное на сейсмостратиграфии майкопского, сарматского и акчагыльского клиноформых комплексов, мы имеем возможность восстановить историю погружения в ключевые моменты с точностью временного щага до 100 тыс. лет. Восстановленные палеоразрезы имеют форму, типичную для предгорных прогибов, с углублением по направлению к орогену и периферийным поднятием (кряж Капинского) в пртоивоположной стороне на расстоянии приблизительно равном длине полуволны. Полученная история погружения вдоль профиля послужила исходными данными для обратной задачи упругого изгиба литосферы под действием нагрузки орогена и внутриплитных напряжений. Упругие параметры ■ литосферы были оценены на основании данных ГСЗ, термической и реологической моделей литосферы. Эффективная упругая толщина оценивается приблизительно как 50 км. Решение обратной задачи позволило оценить влияние нагрузки орогена на молассовый бассейн и саму временную динамику роста орогена.

На рисунке 1 представлены некоторые результаты восстановления истории погружения и согласие динамической модели с восстановленной историей погружения. В левом ряду показаны палеоразрезы для нескольких временных срезов, полученные на основании кинематического восстановления истории погружения. В правом ряду показано положение подошвы майкопских отложений для тех же моментов времени, что и слева, полученное на основании кинематического и динамического моделирования. ЫтРЦЧОВАЯ линия - подошва майкопских отложений, извлеченная из истории погружения (левый ряд); ОДЛОШ« АЯ линия - подошва майкопских отложений, полученная при моделировании упругого изгиба литосферы. Хорошее согласие модели и геологических данных позволяет, утверждать, что погружение бассейна на орогенном этапе удовлетворительно описывается в рамках модели упругого прогибания литосферы под действием нагрузки орогена по крайней мере с сарматского времени.

Кроме того, результаты восстановления истории погружения по 120 скважинам бассейнов Пред- и Закавказья и Крыма были использованы для получения статистических характеристик истории погружения этих бассейнов.

Популярной геодинамической моделью описывающей причины образования предгорных прогибов является модель упругого прогибания литосферы бассейна под нагрузкой растущего орогена. Подобное моделирование проведено для многих предгорных бассейнов Альпийско-Гималайского пояса (предгорные прогибы'Пиренеев, Альп, Карпат, Гималаев). Для Кавказа и Предкавказья из всего комплекса моделирования были осуществлены только попытки оценить эффективную упругую толщину литосферы на основании корреляции топографии и гравианомалий. Построение интегрированной модели Предкавказских молассовых бассейнов, основанной на:-тех же предпосылках, что и модели других бассейнов Альпийско-Гималайского пояса позволяет провести сопоставление предгорных прогибов этого складчатого пояса. Это дает, кроме того, и возможность оценить применимость используемой упруго-пластической модели предгорного прогиба, определить ее ограничения. Кинематическое восстановление эволюции Кавказа и молассовых бассейнов ' независимо от предложенной динамической модели и может служить основой для построения других геодинамических моделей, если возникнет такая.необходимость.

История погружения и геодинамика Днепровско-Донецкого бассейна в каменноугольное время.

Анализ вертикальных движений Восточно-Европейской платформы позволяет выделить эпохи повышенной тектонической активности и относительно спокойные эпохи. Первые характеризуются увеличением скорости погружения осевых частей осадочных бассейнов и воздыманием смежных областей, тогда как во вторые и те и другие области медленно погружаются. Смена этих эпох происходит практически одновременно на больших участках платформы. Некоторые из этих событий связаны с растяжением, тогда как другие не имеют характерных для рифтогенеза прявлений.

В качестве примера рассмотрен Днепрово-Донецкий бассейн. Характер его погружения в каменноугольное время не объясняется моделью термической релаксации литосферы после рифтогенеза. После позднедевонской рифтовой фазы в' Днепрово-Донецком бассейне, сопровождавшейся подъемом плечей рифта (Украинский щит и Воронежская антеклиза), и последующей турнейской фазы термической релаксации с замедляющимся погружением, мы наблюдаем резкое увеличение скорости погружения. Предположительно, в то же самое время; на южном краю Платформы существовал Скифский ороген и исследуемый регион находился в "обстановке сжатия . Детальный палеогеографический анализ южной части Восточно-Европейской Платформы позволяет выделить две фазы этой тектонической активизации. В раннем визе многие структурные подразделения южной части Восточно-Европейской Платформы испытывали противонаправленные вертикальные движения: Украинский щит, Воронежская антеклиза и Токмовски'й свод воздымались, Днепрово-Донецкий и Пачелмский бассейны погружались. Предположительно, причиной таких событий является

изгиб литосферы пол действием внутриплитных напряжений. Амплитуды этих движений - около 100-200 метров, ширина структур грубо соответствует длине полуволны лигосферной складчатости - 300 километров. Начиная с позднего визе Днепрово-Донецкий бассейн начал быстро проседать, все области к северу остановили свои заметные вертикальные движения. История погружения Днепровского бассейна представлена на рис.2.

Геологическое время (МА)

В данной работе исследуется возможность объяснения быстрого каменноугольного погружения Днепрово-Донецкого бассейна как реакции литосферы на компрессионные напряжения,

распространяющиеся от границ плиты. Для проверки возможности такого объяснения было проведено моделирование изгиба литосферы под действием сжимающих напряжений. Чисто

упругая модель

литосферы не позволяет получить большого

погружения бассейна при относительно небольших амплитудах воздымания остальных структур. Для проведения

моделирования были использованы компьютерные программы,

реализующие принципы, на которых основана количественная модель

литосферы, описанная в части 2. Мы использовали для верхней коры - реологию кварца, для нижней - сухого диабаза, для мантии - оливина. Распределение температур в литосфере существенно влияет на ее реологические свойства. Для Днепровского бассейна и его плечей оно рассчитывалось путем численного решения уравнения теплопроводности с учетом двух факторов: утоненния

Рисунок 2

литосферы в области рифта и аномально горячей мантии пол рифтом и его плечами. Для остальной части литосферы - путем инверсии поверхностного теплового потока. Было выбрано типичное для платформенных областей значение поверхностного теплового потока.

В этой задаче необходимо поставить четыре граничных условия. В качестве таковых были использованы отклонение и его первая производная на концах пластинки. На юго-западном краю профиля рос Скифский ороген и формировался молассовый бассейн. Чтобы учесть это мы положили отклонение на левом краю профиля равным \у=1 км. В качестве второго условия на этом краю мы использовали и/'=0, но это не так важно, так как нас интересуют области достаточно далекие от края и, не зная точно положения орогена, всегда возможно слегка отодвинуть его, чтобы скомпенсировать эффект неточного задания производной. Северо-восточная часть профиля находится на достаточном удалении от исследуемых областей и мы положили на правом краю

Суммарный уровень внутриплатных напряжений поддерживался постоянным, его значение подбиралось, чтобы получить согласие с наблюдаемой картиной. Его значение варьировалось б пределах от 0 до критической силы в наиболее реологически слабом месте (т.е. силы, при которой происходит потеря устойчивости, и соотношения линейной теории теряют смысл). Эго достаточно сильное ограничение, так как литосфера Днепрово-Донецкого бассейна была прогретой после рифтинга, и, следовательно, ее эффективная упругая толщина -малой, критическая сила - низкой и не достаточной, чтобы привести к потере устойчивости холодной литосферы в центральной части Платформы. Это ограничение приводит к невозможности образования внутриплатной складчатости за счет потери устойчивости при сжатии, потому что всегда существуют "тонкие" ' места, не способные передать необходимо большие напряжения во внутренние области. Но, мы знаем, что внутриплатформенные складкоподобные структуры регулярно активизировывались в компрессионной обстановке приблизительно на тех же местах, приблизительно с одинаковой амплитудой. Этот факт позволяет нам предположить наличие литосферных структурных неоднородностей, которые вызывают "предрасположение" к складкообразованию. В нашей модели мы поместили такую неоднородность литосферы в области Пачелмского авлакогена. Структурный план вертикальных движений, аналогичный ранневизейскому , неоднократно возникал на платфоме в последующей истории. Считалось, что это не может быть общелитосферной складчатостью под действием внутриплнтных напряжений, так как критическая сила неодходимая для ее возникновения в чисто упругом случае давала напряжения, превышающие предел прочности пород. Расчет в рамках предложенной модели с учетом вертикальных неоднородностей в бывших рифтовых структурах показывает, что даже относительно небольшой силы

оказывается достаточно для возникновения пологих общелитосферных складок с амплитудой около 50-100 м.

Результаты вычислений представлены на рисунке 3- На рисунке показано положение горизонтальной до начала деформации линии для последовательных Украинский Днепровский Воронежское ПачелмскийТокмовский щит бассейн поднятие бассейн свод

1 -1--1-1-1-:-1-1-1-1-

-1 V-_\_I_л^ .,/ I_I_I_I_I_I_

О 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1ВОО 2000

Рисунок 3

моментов времени 2, 4, 6, 8 и 10 млн.лет, начиная от момента приложения сил, В нашем случае такой линией может быть, например, кровля фамена. В первое время деформация главным образом упругая, синкомпресснонные общелитосферные складки возникают в результате наложения горизонтальных напряжений на существующую структуру литосферы. В дальнейшем вся деформация сконцентрировалась в реологически наиболее слабой области -Днепровском бассейне. Максимальный уровень напряжений в литосфере в течении всего времени на превышал 1 кбар. Окончательно, дополнительное нетермальное погружение составило около 1 км за 10 млн.лет.

Таким образом, мы можем сделать следующие основные выводы:

• быстрое пострифтовое карбоновое погружение Днепровско-Донецкого бассейна возможно объяснить за счет синкомпрсссионного "вдавливания" реологически слабой литосферы;

• данный механизм погружения бассейна не ограничен данным конкретным случаем, но может служить причиной пострифтового синкомпрессионного погружения и других внутрикратонных бассейнов;

• общелитосферные складки возникают в обстановке сжатия при достаточно ..низком (по сравнению с критическим) уровнем напряжений в результате

наложения поля напряжений на существующую структуру литосферы.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1) Разработана методика моделирования формирования и эволюции осадочных бассейнов включающая:

• одно-, двух- и трехмерное кинематическое восстановление геологической истории осадочного бассейна с учетом изменения мощности осадочных слоев при литнфикации,

• моделирование процесов, протекающих в осадочном бассейне: погружения бассейна, эрозии, транспорта осадков и седиментации, уплотнения осадков, теплопереноса, миграции флюидов, созревания и миграции углеводородов,

• моделирование процессов протекающих в литосфере и определяющих эволюцию бассейна: растяжение литосферы, пострифтовое термальная релаксация литосферы, образование форландового бассейна за счет нагрузки орогена, деформация литосферы в условиях сжатия.

2) Построена модель континентальной реологически расслоенной вязко,... .упруго-пластической литосферы на основании экспериментальных

реологических свойств составляющих литосферу пород и расчетного распределения температур.

3) Погружение Предкавказского молассового бассейна на орогенном этапе удовлетворительно описывается в рамках модели упругого прогибания литосферы под действием нагрузки орогена Большого Кавказа. Эффективная упругая толщина литосферы Восточно-Предкавказкого молассового бассейна приблизительно оценивается как 50 км.

4) Характер вертикальных движений территории Восточно-Европейской ( платформы в карбоновое время объясняется в рамках предложенной модели

упруго-вязкой реакции литосферы на компрессионные напряжения. Сперва возникают общелитосферные складки при достаточно низком (по сравнению с критическим) уровнем напряжений в результате наложения поля напряжений на существующую структуру литосферы. Затем деформация концентрируется в реологически наиболее слабой области. Быстрое

пострифтовое карбоновое погружение Днепровско-Донецкого бассейна возможно объяснить за счет синкомпрессионного "вдавливания" реологически слабой литосферы. Данный механизм позволяет получить достаточно большие величины погружения (порядка 0.1 км/МА при уровне внугриплитных напряжений не превышающем 1 кбар) и не ограничен данным конкретным случаем, но может служить причиной пострифтового синкомпрессионного погружения и других внутрикратонных бассейнов.

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ И НАХОДЯТСЯ В

ПЕЧАТИ СЛЕДУЮЩИЕ РАБОТЫ:

1. Геодинамический анализ Северо-Кавказского осадочного бассейна по данным компьютерного моделирования истории погружения. - В сб. "Тектоника и магматизм Восточно-Европейской платформы." -М.: КМК, 1994.- 210с.(с.85-93). (Соавторы: Никишин A.M., Болотов С.Н., Назаревич Б.П., Клутинг С., Лобковский Л.И., Сгефенсон Р.)

2. North Caucasus sedimentary basin: stages of development and geodynamical history. In "L.P. Zonenshain memorial conference on plate tectonics", Programme and abstracts. Moscow, November 17-20, 1993. (Coauthors: Nikishin A.M., Bolotov S.N., Cloetingh S., Khain V.E. ICurdin N.N.,Lobkovsky L.I., Milanovsky E.E., Nazarevich B.P., Panov D.I., Rastsvetaev L.M., Sobornov K.O.)

3. ID and 2D computer modelling of the burial history of the Russian Platform and Karpinsky Kryazch zone, in: Intraplate Tectonics and Basin Dynamics EUROPROBE Abstracts, October 11-16, Kiev, 1994. (Coauthors: Bolotov S.N., Nikishin A.M., Fokin P.A., Furne A.V.)

4. Компьютерное моделирование осадочных бассейнов. - Тез. докладов XXyiH Тектонического совещания (Тектоника осадочных бассейнов. Северной Евразии). Москва. МГУ. 1995, с.136-138. (Соавторы: Никишин A.M., Болотов С.Н., Коротаев М.В., Назаревич Б.П., Фурнэ А.В., Шалимов И.В.)

5. An integrated computer model for rift development (Russian Platform as a sample), EUG 95, Strassbourg, (Coauthors: Galushkin Yu.I., Nikishin A.M.)

6. Dnieper-Donets basin, Ukrainian Shield and Voronezh High: Carboniferous-Neotectonic movements as reaction to the reorganisation of the regional stress fields, In: EUROPROBE WORKSHOP. Intraplate tectonics and basin dynamics. Geodynamics of Intracratonic Rifting: Eastern European Craton and Pripyat-Dnieper-Donets Rift. Leeds. 28-31 July 1995. Abstracts. (Coauthors: A. Nikishin, P. Fokin, A. Alekseev)

7. Riphean-Paleozoic geological history and geodynamics of the east European craton., EUROPROBE WORKSHOP. Intraplate tectonics and basin dynamics. Geodynamics of Intracratonic Rifting: Eastern European Craton and Pripyat-

Dnieper-Donets Rift. Leeds. 28-31 July 1995. Abstracts. (Coauthors: Mikishin A.M., Furne A.V., Fokin P.A., Alekseev, A.S., Ziegler P., Cloeting S., Stephenson R., Bolotov S.N., Korotaev M.V.)

8. Computer modelling of the rift-basin history of the Russian and the Scythian platforms. In: IGCP Project No. 369 "Comparative Evolution of PeriTethyan Rift Basins" Mamaia, Romania, 29 September-3 October, 1995, p. 33-34. (Coauthors: Nikishin A.M., Bolotov S.N., Korotaev M.V., Nazarevich B.P., Fokin P.A., Furne A.V. )

9. The role of intraplate stresses in the evolutionof the sedimentary basinsof Russian Platform: computer modelling approach, 5-th Zonenshain conference on plate tectonics. Programme and abstracts. Moscow, November 22-25, 1995, pp. 147-148. (Coauthors: Nikishin A.M., Galushkin Yu.I., Alekseev A.S., Fokin P.A., Furne A.V., Stovba S.N.)

10. Usage of computer modelling data in the analisis of history of triassic sedimentation in the eastern part of the Scythian platform. 5-th Zonenshain conference on plate tectonics. Programme and abstracts. Moscow, November 2225, 1995, pp. 141-142. (Coauthors: Nazarevich B.P., Nikishin A.M.)

J1. Кайнозойские обшелитосферные с кладки на Восточно-Европейской платформе в результате ее альпийского сжатия: геологические данные и математическая модель. (Тез. докладов XXIX Тектонического совещания. Москва. МГУ. февраль 1996 г.), стр. 106-108. ( Соавторы: Никишин A.M., Коротаев М.В., Клутинг С., Стефенсон Р.)

12. Numerical modelling of the Fore- and Trans-Caucasus - Crimea molasse basins, PeriTethys Programme, Moscow Workshop, Moscow, 16-17 January 1996. (Coauthor: Brunet M.-F.)

13. Scythian platform: tectonic history. Peri-Tethys Programme, Moscow Workshop, Moscow, January 16-17, 1996. (Coauthors: Nikishin A.M., Bolotov S.N., Baraboshkin E.Yu., Kopaevich L. F., Nazarevich B.P., Panov D.I., ICosova S.S., Brunet M.-F., Cloetingh, S., Stephenson R.A. Wilson M.)

14. Numerical modelling of the Eastern Fore-Caucasus molasse basin during the Cenozoic collision., Peri-Tethys Programme, Second Moscow Workshop, Moscow, 28-30 May 1996. (Coauthors: Brunet M.-F., Nikishin A.M., Bolotov S.N., Kosova S.S.)

15. Numerical,modelling of the Eastern Fore-Caucasus molasse basin during the Cenozoic collision, Peri-Tethys Programme Annual Meeting, Amsterdam, 10-11 June, 1996. (Coauthors: M.-F. Brunet, A.M. Nikishin, S.N. Bolotov, S.S. Kosova)

16. The response of the continental lithosphere on the intraplate stresses: Russian Platform example, 30th International Geological Congress, 1996, Beijing, China. Abstracts. (Coauthors: A.M. Nikishin)

17. Numerical modelling of the fore- and trans- Caucasus-Crimea molasse basins. 30th International Geological Congress, 1996, Beijing, China. Abstracts. (Coauthors: M.-F.Brunet, S.N.Bolotov, A.M.Nikishin)

18. Late Precambrian to Triassic history of the East-European Craton: dynamics of sedimentary basin evolution, Tectonophysics, 1996, v 268, (Coauthors: A.M. Nikishin, P. Ziegler, R. Stephenson, S. Cloetingh, A.V. Furne, P.A. Fokin, S.N. Bolotov, M.V. Korotaev, A.S. Alexeev, V.I.Gorbachev, E.V. Shipjlov, A. Lankrejer, E.Yu. Bembinova, 1 .V.Shalimov)

19. Continental ¡ithosphere folding in the Eurasia, (submitted to ■ Tectonics) (Coauthors: Nikishin A.M., Cloetingh S., Brunet M-F, Korotaev M.V.)

20. Dnieper-Donets basin, Ukrainian Shield and Voronezh High: Carboniferous-Cenozoic movements as reaction to reorganisations of regional stress field. (submitted to Tectonophysics) (Coauthors: Nikishin A.M., Cloetingh S., Fokin P.A., Stephenson R., Alekseev A.S., Brunet M.-F., Korotaev M.V.)

21. Scythian Platform: chronostratigraphy and polyphase stages of tectonic history, Peri-Tethys Memoir, 1997, 3, (in press) (Coauthors: A.M. Nikishin, S. Cloetingh, S.N. Bolotov, E.Yu. Baraboshkin, L.F. Kopaevich, B.P. Nazarevich, D.I. Panov, M.-F. Brunet, V.V. Il'ina, S.S. Kosova, R.A. Stephenson)

22. Scythian Platform, Caucasus and Black Sea region: Mesozoic-Cenozoic tectonic history and dynamics, Peri-Tethys Memoir, 1997, 3, (in press)(Coauthors: A.M. Nikishin, S. Cloetingh, M.-F. Brunet, R.A. Stephenson, S.N. Bolotov )

23. Modelling of the Eastern Caucasus moiasse basin evolution during the Cenozoic collision, (submitted to Peri-Tethys Memoir) (Coauthors: M.-F.Brunet, S.N.Bolotov, A.M.Nikishin, S.S.Kosova)

24. Мезозойско-кайнозойская история и геодинамика Крымско-Кавказско-Черноморского региона, Вестник Московского Университета, сер. Геология, 1997, N 3, (Соавторы: Никишин A.M., Барабошкин Е.Ю.,Болотов С.Н., Брунэ М.-Ф., Клутинг С., Копаевим Л.Ф., Назаревич Б.П., Панов Д.И. )

25. О роли фаз регионального сжатия и растяжения в ускорении вертикальных движений в районе Днепровского бассейна, Украинского щита и Воронежской антеклизы, Доклады Российской Академии Наук, (в печати) (Соавторы: Никишин A.M., Фокин П.А., Алексеев А.С., Клутинг С., Коротаев М.В.)

26. East-Barents Sea basin: modelling of the burial history, (submitted to Marine and Petroleum Geology) (Coauthors: M.V. Korotaev, S. Cloetingh, A.M. Nikishin, E.V. Shipilov, R. Stephenson)

Отпечатано в множительной лаборатории Геологического ф-та МГУ;

1997

ТирА*-100**3