Тектонофизический анализ напряжений земной коры Зондской сейсмоактивной области

Погорелов, Виталий Викторович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Тектонофизический анализ напряжений земной коры Зондской сейсмоактивной области
ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Тектонофизический анализ напряжений земной коры Зондской сейсмоактивной области"

Погорелов Виталий Викторович

Тектонофизический анализ напряжений земной коры Зондской сейсмоактивной области

Специальность 25.00.10 - геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

о з •::,?

Москва-20 И г.

4856578

Работа выполнена в учреждении Российской академии наук Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН (ИФЗ РАН)

Научный руководитель:

Доктор физико-математических наук, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН

Юрий Леонидович Ребецкий

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН

Татьяна Валентиновна Романюк

Доктор физико-математических наук

Федеральное государственное унитарное предприятие Государственный научный центр Российской Федерации Всероссийский научно-исследовательский институт геологических, геофизических и геохимических систем Федерального агентства по недропользованию Министерства природных ресурсов Российской Федерации (ВНИИ геосистем), г. Москва

Владимир Ефимович Рок

Ведущая организация:

Учреждение Российской Академии Наук Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г.Томск

Защита состоится /& 2011 г. в 14:00 на заседании диссертационного совета Д.002.001.01 учреждения Российской академии наук Институт физики Земли им. О.Ю.Шмидта РАН по адресу: 123995, г. Москва, ул. Большая Грузинская, д.Ю, конференц-зал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФЗ РАН Автореферат разослан с?3. ' ¿¿з//_

Ученый секретарь Диссертационного совета кандидат физико-математических наук

Jua-ij

О.В.Пилипенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. Исследования сейсмического режима на активных материковых окраинах Юго-Восточной Азии представляют не только научный, но и огромный практический интерес. Это связано с серией катастрофических землетрясений вблизи островов Суматра, Ява, Тимор, Тайвань, повлекших гибель сотен тысяч человек. Актуальность исследования тектонических процессов, в ходе которых возникают сильные землетрясения, обусловлена необходимостью разработки методов прогнозирования сейсмической опасности. Важной частью исследований в этом направлении является реконструкция и анализ поля тектонических напряжений земной коры сейсмоопасных областей. Создание моделей напряженного состояния литосферы на основе численного тектонофизического моделирования и выявление закономерностей поможет пониманию сложившейся сейсмической обстановки в них, что необходимо для предсказания будущих землетрясений и сейсморайонирования.

На примере Зондской сейсмоактивной области отработана методика построения комплексной тектонофизической модели на основе геолого-геофизических, сейсмических, сейсмологических, гравиметрических данных и расчета параметров напряженно-деформированного состояния с учетом пластических деформаций моделируемой среды и флюидного давления.

В работе представлены результаты моделирования напряжений земной коры вдоль профиля через южную оконечность о.Ниас вкрест основных структур Зондской субдукции и побережья Суматры, секущего южный край очага катастрофического Суматра-Андаманского землетрясения 24.12.2004 г. Аналогичные исследования регионального масщтаба с подобной тщательностью и глубиной для данного района ранее не проводились. Учитывая определенную преемственность строения и сейсмотектонического режима на довольно протяженном участке Зондской дуги, результаты исследования актуальны для развития нового взгляда на сейсмологию и тектонику островов Индонезийского архипелага в целом, так как в ближайшем будущем серия разрушительных землетрясений и цунами в данном регионе продолжится.

Цель исследований - изучение особенности распределения напряжений в районе начала развития катастрофического Суматра-Андаманского землетрясения 24 декабря 2004 г. на основе результатов численного моделирования.

Основные задачи исследований:

1. Создать согласованную модель строения, реологических свойств и/ прочности коры вдоль профиля вкрест Западного фланга Зондской/

субдукционной области на основе комплекса сейсмологических, геолого-геофизических и тектонофизических данных.

2. Разработать концепцию для моделирования современного напряженного состояния субдукционных областей регионального масштаба, позволяющую получить наилучшее приближение расчетного напряженного состояния природному объекту.

3. Рассчитать поле напряжений в земной коре на 20-вертикальном профиле вкрест основных тектонических структур Зондской сейсмоактивной области вблизи о. Суматра методами численного моделирования в рамках упруго-пластической реологии литосферы и исследовать соотношения вкладов в общее напряженное состояние от гравитационного напряженного состояния, вызванного существующими плотностными неоднородностями коры и литосферы, а также горизонтальным пододвиганием океанической литосферы под активную континентальную окраину.

4. Изучить изменения напряженного-деформированного состояния субдукционных областей в результате крупномасштабного хрупкого разрушения коры - землетрясения.

Численный тектонофизический эксперимент проводился с использованием конечно-элементного вычислительного комплекса и\УАУ (ИПРИМ РАН). Параллельно исследовалась применимость данного пакета программ для моделирования тектонических структур регионального масштаба.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые на примере конкретной субдукционной структуры в рамках упруго-пластической модели литосферы показана преимущественная роль плотностных неоднородностей в формировании поля современных напряжений в сравнении с напряжениями, создаваемые горизонтальными движениями плит.

2. Разработана концепция моделирования современного напряженного состояния структур регионального масштаба и выполнено развитие подхода выбора реологических параметров геосреды для конечно-элементного моделирования на основе результатов тектонофизической реконструкции природных напряжений и тестовых численных моделей субдукционных областей.

3. Создана геомеханическая модель реологических параметров и поля напряжений для района катастрофического Суматра-Андаманского землетрясения 2004 г., согласованная с комплексом существующих геофизических, сейсмологических и тектонофизических данных, дающая адекватное представление о распределении природных напряжений в земной коре и верхней мантии.

4. Впервые для западного фланга Зондской сейсмоактивной области решена задача расчета напряженно-деформированного состояния в упруго-пластической постановке и проведено моделирование разрушения геосреды под воздействием сильных сейсмических событий.

Пра1сгическая значимость

Определение напряженно-деформированного состояния тектонически-активных участков земной коры чрезвычайно важно для задач оценки сейсмической опасности, а также при проектировании крупных промышленных объектов и мест добычи полезных ископаемых. Проведение мониторинга изменения геомеханических параметров в масштабе реального времени в соответствии с разработанной методикой позволит улучшить прогноз сейсмических событий и уменьшить риск техногенных катастроф.

Разработанная методика тектонофизического моделирования геофизических структур регионального масштаба с использованием сравнения с даппь:;.;;: с природных напряжениях позволяет получить соответствие механических и прочностных характеристик модельного тела и природного объекта. Применение алгоритма построения начальной модели, определения основных геомеханических параметров, корректировки начального напряженного состояния, а также оценки исчерпываемости полученных результатов позволит без проведения трудоемких рсчетов сложных 3 О-модслей находить в первом приближении характеристики поля напряжений структур регионального (~200-400 км) и субрегионального (-50-100 км) уровня, хорошо соответствующие природным объектам.

Защищаемые научные положения

1. Разработанная модель строения, механических свойств литосферы и поля современных напряжений для профиля вкрест Западного фланга Зондской субдукционной области согласована с сейсмологическими и геофизическими данными, а также с данными тектонофизической реконструкции природных напряжений.

2. Плотностные неоднородности в строении субдукционной области района Суматра-Андаманского землетрясения 2004 г. создают более значительный вклад в поле современных девиаторных напряжений по сравнению с напряжениями, обусловленными горизонтальными движениями океанической плиты.

3. В задачах геодинамики гравитационное напряженное состояние следует рассматривать в качестве начального напряженного состояния, на фоне которого путем последующего нагружения, вызванного движением океанических плит, формируется конечное напряженное состояние. Это

позволяет наиболее корректно учитывать влияние эволюции формирования литосферы субдукционных областей.

4. Для западного фланга Зондской сейсмоактивной области решена задача расчета напряженно-деформированного состояния в упруго-пластической постановке и проведено численное моделирование разрушения геосреды при воздействии сильного сейсмического события.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены на 3 российских (Миасс-2006, Москва-2007, Москва -2009) и 3 международных научных конференциях (Воронеж-2006, Львов -2007, Суздаль-2009), а также на 2 открытых семинарах лабораторий 801, 802 и 504 ИФЗ РАН. Результаты частично использованы в отчетах по грантам РФФИ 06-05-64409, 06-05-64410, 09-0501022,09-05-01023.

Личный вклад диссертанта состоит в разработке концепции построения геомеханической модели геологического объекта регионального масштаба с нетривиальной реологией от построения комплексной геолого-геофизической модели до сравнения результатов расчета характеристик напряженно-деформированного состояния с реальными объектами - источниками сильнейших катастрофических землетрясений. Построение модели, проведение численного моделирования поля напряжений и интерпретация полученных результатов выполнены лично диссертантом.

Публикации. Результаты работы представлены в 10 научных публикациях. Из них 2 - в журналах, входящих в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий», рекомендуемых ВАК РФ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, содержит 202 страницы машинописного текста, 74 рисунка, 3 таблицы, библиографию из 130 наименований.

Благодарности. Работа выполнена в тесном сотрудничестве с лабораторией тектонофизики ИФЗ РАН, а также коллективом сотрудников ИПРИМ РАН.

Автор глубоко благодарен научному руководителю д.физ.-мат.н. Ю.Л. Ребецкому и заведующему лабораторией гравиинерциальных измерений д.техн.н. В.Н. Конешову за чуткое и грамотное руководство, творческое участие в проведенных исследованиях. Автор особенно признателен д.физ.-мат.н. А.Н. Власову, к.техн.н. М.Г. Мнушкину и к.техн.н. A.B. Михайловой за ценную помощь в осмыслении процесса моделирования тектонофизических объектов. Автору хочется выразить признательность д. геол.-мин.н. Л.А. Сим, к.геол,-мин.н. Ф.ЛЛковлеву, д.физ.-мат.н. О.В. Павленко, к.геол.-мин.н. И.В. Осика и д. геол.-мин.н. Н.Б.Кузнецова за моральную поддержку и помощь в технических вопросах. Автор благодарит член.-корр. РАН В.П. Тубицына, к.физ.-мат.н. A.A. Баранова за консультирование и ценные советы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований, приведены защищаемые положения, охарактеризованы научная новизна и практическая значимость работы.

В главе 1 «Объект исследования и метод математического моделирования» проведен обзор научных исследований с использованием методов численного моделирования напряженного состояния земной коры и литосферы. Здесь представлен краткий анализ методических особенностей численного моделирования, и, в частности, возможностей использованного в работе конечно-элементного комплекса UWAY. Обоснована достаточность применения упруго-пластической реологической модели для рассмотрения структур регионального масштаба за короткие геологические времена.

Представлен тектонический обзор Зондской сейсмоактивной области и сейсмологические данные о катастрофическом Суматра-Андаманском землетрясении 2004 г. Проанализированы результаты реконструкции напряжений литосферы западного фланга Зондской дуги по данным о механизмах очагов землетрясений [Ребецкий и Маринин, 2006]. Несмотря на существенно 3-х-мерные особенности глубинного строения и тектоники Зондской субдукционной области, сейсмичность и характеристики напряженного состояния показывают хорошую преемственность строения геотектонических структур.

Математическое моделирование в геодинамике. Исследования современных напряжений конкретных участков коры и литосферы методами математического моделирования преимущественно выполняются на двумерных профилях вкрест исследуемых структур с использованием упругой, вязко-упругой или упруго-вязко-пластической реологии в зависимости от типичного времени протекания рассматриваемого явления. Зачастую влияние гравитационного напряженного состояния на формирование девиаторных напряжений при моделировании полагается незначительным.

Достаточно большое число работ посвящено численному моделированию типичных геодинамических обстановок межрегионального масштаба: рифт, субдукция и др., не привязанных к конкретным регионам. В этих работах преимущественно используются модели линейно-вязкого тела, в которых роль гравитационных напряжений не рассматривается в качестве определяющей. Единичными работами являются модели конкретных региональных объектов, в которых реологическая модель отвечает упруго-вязко-пластическому телу [Popov and Sobolev, 2007]. Как правило, полная нагрузка прикладывается за достаточно большое число шагов. Однако, даже при этом не исследуется роль

начального гравитационного состояния в формировании конечного поля напряжений.

При моделировании напряжений в тектонических объектах регионального и глобального масштаба, как правило, авторы на основе теоретических заключений выявляют наиболее значимые влияющие параметры. Целью этих исследований является построение правдоподобной картины напряженного состояния, отражающей те или иные особенности, наблюдаемые в природе. Свойства материалов часто являются менее изученными ввиду отсутствия прямых методов их определения и неоднозначности применяемых косвенных методов. Лабораторные исследования, например, в данном случае не могут считаться однозначными из-за сложности постановки эксперимента, способного адекватно смоделировать поведение материалов на больших глубинах.

Тектоника Западного фланга Зондской субдукционной области.

Зондская дуга протяженностью более 5600 км расположена между Андаманскими островами на северо-западе и дугой Банда на востоке и является результатом конвергенции Индо-Австралийской плиты и Юго-Восточной Азии. Характер относительного движения заметно изменяется вдоль простирания ввиду дугообразной формы границы плит (рис. 1). На долготе центральной Явы, простирание зоны субдукции почти ортогонально к направлению движения плит. Геометрия дуги (глубина предцуговых бассейнов, склон желоба, расширение желоба в направлении о. Ява) систематически меняется с запада на восток, вместе с тем уменьшается толщина осадков на субдуцирующей плите. Относительное движение плит, нормальное к дуге вблизи о. Ява, становится косым к северу от о. Суматра. До Суматра-Андаманского землетрясения 2004 г. оно было практически параллельно дуге с преобладанием обстановки правостороннего сдвига вдоль разломных систем Суматры и Андаман-Никобарских островов. Активный тектонизм западной Индонезии в основном обуславливается субдукцией Австралийской плиты с Суматрой и Явой [Cardwell and Isacks, 1978, Hamilton, 1979]. Согласно [Fitch, 1972; McCaffrey, 1991; McCaffrey, 2000], вдоль Суматры направление субдукции имеет характер косого скольжения под преддуговым желобом и переходит в почти ортогональное дуге затягивание в желобе, которое затем сменяется параллельным дуге правосторонним сдвигом по Суматранскому разлому (Sumatran Fault, SF) (рис. 1). Эти тектонические особенности являются источниками проявления мощной и частой сейсмической активности. Между желобом и Суматранским разломом находится достаточно расщепленный преддуговой блок аккреционной призмы. По ней проходил разлом Ментавай (Mentawai Fault, MF), который в настоящее время не активен и погребен под толщей осадочных отложений.

Особенности формирования и сейсмические последствия Суматра-Андаманского землетрясения 2004 г. Геодезические данные показывают смещения до 23 мм/год вдоль Суматранского разлома. Рассчитанные скорости сейсмотектонических деформаций максимального укорочения в океанической плите имеют азимут СВ 23° и убывают вдоль желоба с юго-востока на северо-запад от 5.2 до 0.4 см в год. Для западного фланга Зондской дуги имеются данные (каталог ИЕ1С и других авторов) о нескольких сильных землетрясениях с магнитудами более 7.5.

Восточная долгота но

Рис. 1. - Неитектоническая схема

-2i района исследований по [Chlieh, 2007].

Скорости Индо-Австралийской плиты (1Í АП) uiноситсдьмо Зо;:дс;;ого блока по региональной кинематической модели [Воск. 2003: Socquet.2006]. Возраст океанической коры обозначен подчеркнутыми цифрами [Cande. 1995; Gradstein. 1994].

На врезке показаны вертикальные -il сечения с нанесенной сейсмичностью с 1964 по 2002 гг. Звездочками севернее и южнее о. Симелуе обозначены эпицентры Суматра-Андаманского землетрясения 26.12.2004 г. и Симелуе-Ниасского землетрясения 28.03.2005 г.

Жирной точечной линией указано положение рассматриваемого профиля. Значения в квадратах показывают азимут скорости движения ИАП в районе о. Ниас (13°) и угол направления движения ИАП с профилем.

В работе [Ребецкий и Маринин, 2006] на основе метода катакластического анализа и сейсмологических данных о механизмах очагов коровых землетрясений, предшествовавших катастрофическому Суматра-Андаманскому землетрясению (САЗ), выполнялась реконструкция тектонических напряжений. Результатом явились наборы карт напряженного состояния осреднения, в

масштабе, сопоставимом с мощностью коры (30-50 км), определяющие величины напряжений, ориентацию главных осей тензора напряжений, а также выполнены оценки значений флюидного давления в трещинно-поровом пространстве горных пород. Результаты расчетов показали неравномерность распределения величин напряжений в исследуемом регионе. Значение максимальных касательных напряжений здесь изменяются в диапазоне 5 -35 МПа. В работе также сделана оценка величины прочности эффективного сцепления массивов горных пород, которая составила 3.5 МПа. Было отмечено, что к юго-востоку от начала "вспарывания" разрыва САЗ проекции осей алгебраически максимальных и минимальных напряжений на горизонтальную плоскость субнормальны.

Выводы к главе 1

1. Современные численные комплексы являются хорошим инструментом исследований, позволяющим изучать напряженное состояние моделей со сложным строением и большим количеством неоднородных по свойствам объемов с учетом способности геоматериалов к упруго-пластическому деформированию.

2. Сейсмологические и геолого-геофизические данные для западного фланга Зондской дуги достаточны для построения 2Э-профиля вкрест основных тектонических структур, отражающего структурное строение региона. Сейсмический режим и особенности неотектонической обстановки в первом приближении поддерживают возможность двумерного моделирования.

3. Современные тектонофизические методики исследования напряженного состояния сейсмоактивных областей позволяют получить параметры реологической модели, используемой при численном моделировании.

В главе 2 «Реологическая модель и предварительные расчеты»

рассматриваются проблемы реализации методов численного моделирования применительно к задачам геодинамики. Моделирование тектонических объектов с использованием методов математического анализа является одним из ведущих инструментов изучения проблем геодинамики. Определенное преимущество численного тектонофизического моделирования в сравнении с физическим (лабораторным) моделированием [напр., Стоянов, 1979] связано, прежде всего, с возможностью более корректного соблюдения подобия по условиям нагружения и свойствам деформируемого объекта. Подобие по свойствам, как правило, выполняется в рамках выбираемой модели среды, наиболее адекватно отвечающей характеру деформационного процесса: для быстропротекающих (сейсмические волны) - среда упругая; для медленных (развивающихся за

геологические времена) - среда вязкая; для сейсмотектонических процессов (-100-10000 лет) - среда упруго-пластическая.

Строение 20-вертнкалыюго профиля и упругая модель. Реологические свойства модели строения двумерного профиля (рис. 2), секущего основные тектонические структуры Зондской сейсмоактивной области вкрест о. Суматра (рис. 1) на основе данных глубинного сейсмозондирования (ГСЗ) [ИекЬеГГег, 1980] и аномалий регионального поля тяжести [М1кот, 2005] приведены в табл.1.

КМ 0-

25-

50-50 0 50 100 150 200 250 км

Рис. 2 - Структура профиля через южную конечность о. Ниас вкрест побережья о. Суматра на основе [ИсскЬсйг, 1980, 1981].

Таблица 1 - основные плотностные и реологические характеристики структурных областей 20-профиля через юго-восточную оконечность о.Ниас вкрест о.Суматра.

Тип геоматериала / № № областей Плотность ГСМ 3 Коэфф. Пуассона Модуль Юнга, ГПа Критерий пластичности Предел упругости, МПа Эфф. коэфф. внутреннего трения

Осадочные комплексы / 1,3, 14, 17 2,4-2,6 0,25 30-40 Друкер-Праггер 1,5-2,0 0,125 -АП; 0,315

Субконтинентальная кора 12, 10, 15 2,6-2,8 0,25 40 Друкер-Праггер 2,0 0,125-АП; 0,315

Океаническая кора /4,5, 11, 12 2,7-2,9 3,3-3,4 0,30 60-100 120-150 Друкер-Праггер 5-10 3-5 0,050-0,125

Океаническая мантия/6 3,4 0,25 150 Мизес 2 0

Субонтиненталь-ная литосфера/ 9 3,4 0,25 150 Мизес 1,5 0

«Астеносфера» /7 3,4 0,35 0,1 Мизес 0,1 0

Вода /8,13,16 1,03 0,5 0,001 Мизес 3 0

Сокращение - АП- обл.2 -аккреционная призма (палео-акреция)

ЮЗ Разлом СВ

Желоб о.Ниас. Ментавай бассейн О.Суматра ..........У.........-......—........¿а._

Вода [ д ^—ОсадЗЧнь«П(Ом11яв«сы 3 т 1 1

Океаническая кора —Акрещюиная Океаническая верхняя мантия ' ------- И5 .] д Субконтиненфльная ■ кора Х^ХСубконтинентальный Мантийный клин

астеносфера у Вертикальное преувеличение 2:1

Комплексные геофизические и сейсмологические данные позволили оценить плотности вдоль рассматриваемого профиля и рассчитать значения модулей упругости. Однако для создания геомеханической модели необходимо определить пределы прочности (текучести) горных пород в разных горизонтах коры и верхней мантии, для чего использовались результаты тектонофизической реконструкции напряжений для Западного фланга Зондской дуги, выполненной в работе [Ребецкий и Маринин, 2006], а также данные других авторов.

В численных расчетах породы мантии моделировались упруго-пластическим телом Мизеса без упрочнения (идеальная пластичность после достижения предела упругости):

Здесь 12 - второй инвариант тензора напряжений, тл - предел текучести. Исследования уровня природных девиаторных напряжений в мантии на основе анализа размера зерен в мантийных включениях [Mercier, 1980], показали, что вблизи границы Мохо они могут составлять около 10-20 МПа, а по мере приближения к низам литосферы снижаются до 3 МПа. В силу этого в численных расчетах значение предела текучести подкоровой литосферы принималось равным 2-3 МПа.

Для описания деформационного поведения пород коры использовалось тело Друккера - Прагера, предельное состояние которого определяется двумя параметрами: пределом внутренней прочности т,( (внутреннее сцепление - inner cohesion strength) и коэффициентом внутреннего трения кс (inner friction)

Здесь р' = р-р^ - эффективное давление, определяемое как разность тектонического давления в твердом каркасе пород и флюидного давления.

Поскольку в программном пакете ШУАУ (как и во многих широко известных численных комплексах Апвуз, ИаБ^ап, ЬБ Бупа и др.) нет возможности учета флюидного давления в соответствии с задачей двухфазных сред [Николаевский, 1996], создаваемое понижение прочности определялось заменой коэффициента внутреннего трения кс аналогичным эффективным значением:

Для определения предела эффективной прочности отдельных участков коры был проведен ряд тестовых расчетов. Критерием отбора являлось соответствие уровня девиаторных напряжений результатам тектонофизической реконструкции природных напряжений [Ребецкий и Маринин, 2006]. В

(1)

112\<ти.+кср'.

(2)

к„ при À = pfl/p„.

(3)

результате получен окончательный вариант распределения параметров прочности вдоль исследуемого профиля [Погорелов и др., 2010].

Сопоставление с упругим решением. С целью анализа достоверности моделирования напряженно-деформированного состояния литосферы в зонах субдукции с применением упругих моделей [Романюк и др., 2001] были выполнены расчеты, в которых геоматериал рассматривался как линейно-упругое тело. Податливость к деформированию астеносферы моделировалась пониженными значениями модуля упругости (аналогично [Погорелов и Баранов 2010]). Было выявлено завышение касательных напряжений в коре, что свидетельствует не в пользу применимости подобного подхода для оценки характеристик тензора напряжений.

Аналнз влияния задания краевых условий. Влияние дискретности нагруженин. Для формирования корректной модели начального напряженного состояния в работе было исследовано влияние накопления деформаций в процессе равномерного поэтапного приложения гравитационной нагрузки Показано, что при выборе режима разбиения нагрузки в рамках оговоренной (статической) постановки задачи важным условием является соблюдение малости полученных деформаций. С увеличением числа шагов разбиения возникающие деформации в мантийных областях модели увеличиваются в несколько раз, что приводит к разрушению корового слоя, не соответствующему природным данным. Таким образом, показано, что в рамках принятой реологии для формирования начального гравитационного напряженного состояния достаточно приложить нагрузку одномоментно. Тем не менее, для моделей малой мощности (50 км) в критически важных участках коры чисто гравитационное напряженное состояние не дает согласованной картины ориентации главных осей напряжения с сейсмологическими данными и результатами тектонофизической реконструкции [Ребецкий, 2008]. Это определяет необходимость создания дополнительного горизонтального нагружения за счет соответствующего движения океанической литосферной плиты.

Анализ условий нагружения показал, что задаваемые горизонтальные нагрузки не передаются на значительные расстояния вдоль океанической плиты. Тем не менее, они приводят к перераспределению мантийного вещества, которое создает дополнительные условия для погружения слэба. Это позволяет получить корректную картину ориентации осей главных напряжений. Для оценки допустимости модели внешних нагрузок была рассмотрена упрощенная модель большей мощности (250 км) и определен характер перемещений и ориентации осей в рамках рабочего профиля. Предварительно рассмотренные варианты нагружения показали, что для рассмотрения результатов моделирования в

коровых структурах при обсужденной реологии (ниже границы Мохо -пластичность по Мизесу) при условии малости задаваемых перемещений гравитационные неоднородности вносят определяющий вклад в распределение параметров тензоров напряжений и деформаций. Исследование предположительно более вероятных способов нагружения показало, что горизонтальные движения тектонических плит не могут рассматриваться в качестве основной движущей силы в процессах субдукции, так как при прочностных характеристиках, полученных по данным о сбрасываемых напряжениях в природных массивах, они не передаются на достаточные расстояния. Их учет в качестве граничных условий дает возможность получить правдоподобную картину ориентации осей главных напряжений. По результатам были сформированы 2 окончательных режима нагружения.

В главе 2 также выполнена реконструкция гравитационного затягивания горизонтального участка океанической плиты под влиянием веса погруженного конца слэба. Выявлено, что аналогично результатам модели увеличенной мощности, в слэбе создаются дополнительные растягивающие напряжения, которые определяют приоритет сдвигового деформирования. Результат такого воздействия также слабо передается субгоризонтальному участку, что, вероятно, говорит в пользу связи подобного эффекта с часто наблюдаемой на глубинах 150-400 км асейсмической областью в погруженной океанической литосфере.

Безусловно, вышеизложенное показывает первостепенную роль гравитационного воздействия в формировании поля напряжений земной коры и литосферы.

Выводы к главе 2

1. Комплексирование геолого-геофизических данных с результатами тектонофизической реконструкции природных напряжений в сейсмофокальной зоне субдукционных областей позволяет создать наиболее адекватную геомеханическую модель для численного анализа современного напряженного состояния.

2. Численные модели на основе псевдо-упруго-пластической реологии не позволяют учесть реальных особеностей деформирования в зонах субдукции. В отличии от них, в упруго-пластических моделях распределения коэффициентов Пуассона и пределов прочности являются более значимыми, чем соотношения модулей Юнга.

3. Создана модель строения, механических свойств литосферы и поля современных напряжений для профиля вкрест Западного фланга Зондской субдукционной области, согласованная с сейсмологическими и геофизическими

данными, а также с данными тектонофизической реконструкции природных напряжений.

4. В рамках упруго-пластической модели поведения геосреды показано, что преобладающее воздействие в конвергентных тектонических процессах имеют гравитационные силы.

В главе 3 «Результаты расчета модели комплексного воздействия»

исследовано влияние различных определяющих параметров на результаты численных расчетов напряженно-деформированного состояния вдоль рассматриваемого профиля. Эти параметры связаны как с вариацией краевых условий поставленной задачи, так с реологическими свойствами и технологией численного расчета. Результаты численного моделирования интерпретированы с позиции геодинамики, сейсмологии и т^^оноЖичики.

В качестве начального напряженного состояния рассматривается распределение напряжений в модели с геометрией и структурой под воздействием массовых сил - гравитационное напряженное состояние. На рис. 3 представлено распределение инвариантных к выбору системы координат параметров тензора напряжений: всестороннего давления, максимальных касательных напряжений и коэффициента Лоде-Надаи. Следует отметить, что с глубин 20-25 км всестороннее давление (рис. 3 ,а) имеет практически одинаковое вертикальное распределение в океанической и субконтинентальной частях модели. Исключение составляет область вблизи погруженного участка океанической плиты, где наблюдается снижение величины всестороннего давления на 15-20% в сравнении с окружающими породами мантии. По мере удаления от слэба давление в мантии выравнивается, приближаясь к литостатическим значениям. Неоднородность в распределении давления связана с достижением максимальных значений девиаторных напряжений в океанической литосфере (рис. 3, б).

Уровень максимальных касательных напряжений (рис.3, б) в субконтинентальной коре не превышает 70 МПа, нарастая от нулевых значений у поверхности. Средние для коры значения максимальных касательных напряжений вне аккреционной призмы составляют 30-40 МПа. В аккреционной призме максимальные значения этих напряжений приурочены к кровле океанической плиты. По мере продвижения от границ субконтинентальной коры к оси желоба происходит снижение уровня этих напряжений от 40-50 МПа до 120 МПа, что хорошо согласуется с результатами тектонофизических оценок [Ребецкий и Маринин, 2006].

-H\J\JU\J

-50000

50000 100000 150000 200000 250000 300000

p in MPa

200 400 600 800 10ОО 1200 1400

-10000 6) -20000 -30000 -40000 -50000

50000

100000 150000 200000 250000 300000

tau in MPa

0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 Рис.3 - Распределение инвариантных характеристик тензора напряжений: (а) всестороннее давление, МПа, и (б) максимальные касательные напряжения, МПа; (в) максимальные сдвиговые деформации под влиянием плошостных неоднородностей.

Деформации сдвига выше объемных на 20-30%, что говорит о преобладании этого механизма над сжимаемостью. В верхней части коры слэба их значения в два раза выше по сравнению с нижним слоем. В субконтинентальной коре они равномерно нарастают к нижней границе, достигая максимума на границе с мантийным клином. В верхней океанической коре под аккреционной призмой и далее в сторону субконтинента значения также максимальны. Изолинии сдвиговых деформаций в океанической мантии имеют форму сглаженной поверхности рельефа

Анализ влияния субдукции океанической плиты на напряженное состояние, вызванное только действием гравитационных напряжений, проводился после второго этапа нагружения, когда на основе данных о GPS-скоростях смещений литосферных плит задавались горизонтальные движения. Проекция этой скорости, нормальная к простиранию желоба составляет 3,3-3,6 см/год. Расчеты для модели с заданным движением океанической литосферы, имитирующим давление со стороны рифта в Индийском океане, производились при последовательном увеличении амплитуды ее горизонтальных смещений на модели начального напряженного состояния, отвечающего распределению

массовых сил. Задавалось полное смещение левой границы океанической плиты из расчета их накопления за период ~ 10 ООО лет, что составило ~ 350 м. В работе исследовалось влияние субдукции при увеличиении амплитуды горизонтальных смещений до 700 м, условия, определяющие движение океанической литосферы не только за счет движения ее поверхностной, но и глубинной части (рис. 4).

а)

б)

кора 700 м

кора ¡700 м

Движение коры под влиянием рифта

900 м

у - фиксировано Влияние мантийной конвекции

S2 ■ $№S3

Рис.4 - Схема условий нагружения: а) горизонтальные перемещения, имитирующие влияние рифта в качестве возможной движущей силы, б) имитация влияния мантийной конвекции

0.001 0.005 0.009 0.013 0.017 0.021

Рнс. 5 - Результаты расчета напряжений в модели для конечного нагружения при эволюции нагружения (начальное напряженное состояние - гравитационная нагрузка, горизонтальные смещения океанической литосферы 350 м): (а) - алгебраическая разность всестороннего давления конечной модели и начального напряженного состояния, МПа, (б) - максимальные касательные напряжения в конечной модели, МПа (в) - максимальные деформации упруго-пластического сдвига при увеличенной амплитуде гор. смещения океанической плиты.

В результате горизонтального движения океанической плиты всестороннее давление (рис. 5, а) увеличивается по сравнению с начальным напряженным состоянием на 30-50 МПа в субконтинентальной коре и переходной области аккреционной призмы, а также в слэбе под указанными структурами. Изменения данного параметра достаточно однородны и монотонны. В мантии наблюдаются две области пониженных значений добавочных давлений по сравнению с невозмущенным материалом (на глубине 40 км разница достигает 100 МПа). Характер изменения данного параметра здесь не столь однороден. Отметим также, что всестороннее давление в океанической плите на расстоянии 70 км правее желоба (с ориентацией на север - северо-восток в сторону о.Суматра) практически не изменилось, что, вероятно, можно объяснить передачей внешнего воздействия целиком более наклонному участку слэба. Ближе к границе приложения горизонтальной нагрузки в океанической плите наблюдается увеличение давления на 100 МПа, что хорошо соотносится с образованием флексуры в упругой пластине.

При увеличении амплитуды краевых условий в перемещениях появляются линейные локализации, которые могут быть соотнесены с разрывными нарушениями сплошного массива - тектоническими разломами. Эти особенности отчетливо просматриваются в горизонтальной и вертикальной компоненте тензора деформаций (рис. 6). В аккреционной призме они имеют схожий характер с аналогичными локализациями варианта нагрузки (рис.4, а).

-10000 а) -20000 -30000 -40000 -50000

-О.02О -0.015 -О.ОЮ -0.005 0.000 0.005 0.010 Sumatra evolution 60 pf3 gravity + 100 % MANTLE moving M1 - step 5

-10000 -20000 -30000 -40000 -50000

-0.020 -0.015 -0.010 -0.005 0.000 0.005 0.010

Рис. 6 - Результаты расчета для конечного нагружения (собственный вес + горизонтальные смещения океанической литосферы в 700 м совместно с компенсирующей нагрузкой на нижней границе разреза) распределения в модели: для конечной стадии нагружения (а) горизонтальных и (б) вертикальных деформаций, м.

50000 100000 150000 200000 250000 300000

horizontal deformation

На распределениях компонент тензора деформаций видно, что подобное задание краевых условий приводит к появлению сильно выраженных нефизичных особенностей, проявляющихся даже при амплитуде горизонтальных перемещений на 350 м. Это существенно искажает модель поля деформаций, проявляется в ориентациях осей главных напряжений. Кроме этого, указанный тип нагружения приводит к потере устойчивости решения в левой части разреза. Таким образом, данный вариант краевых условий не может быть рассмотрен в качестве предпочтительного.

Выводы к главе 3

1. Анализ влияния горизонтальной нагрузки на непогруженный участок плиты показал, что ее влияние практически полностью компенсируется на расстоянии порядка 100 км и почти не передается далее.

2. Учет влияния затягивания тяжелым концом погруженного слэба в качестве движущей силы и перераспределения мантийного вещества (конвекция) приводит к появлению растягивающих напряжений при увеличении угла падения зоны Беньофа в области активного взаимодействия «океан-континент».

3. Эволюция процесса «догружения» позволила выделить линеаризованные особенности в коре переходной области. Положение областей локализации пластических деформаций в виде наклонных полос с погружением под субконтинентальную плиту для участка западного фланга Зондской дуги, полученные по результатам расчета (рис. 5, в), хорошо соответствуют наблюдаемым по геофизическим данным системам листрических разломов [КлескЬеГег А а1., 1980].

4. Полученные распределения основных параметров поля напряжений устойчивы к определенным вариациям краевых условий и механических свойств и, следовательно, отражают совокупный эффект краевых условий нагружения и реологических свойств на модели малой мощности (профиль может быть построен на основе данных ГСЗ). Тем не менее, отличия в ориентациях осей главных напряжений говорят о том, что при реологии геосреды, близкой к природной не удается задать краевые условия таким образом, чтобы корректно отразить способность пододвигающегося слэба передавать горизонтальные напряжения на значительные расстояния.

5. Результаты расчета показывают, что плотностные неоднородности в строении субдукционной области района Сумарта-Андаманского катастрофического землетрясения создают более значительный вклад в поле современных девиаторных напряжений по сравнению с напряжениями, обусловленными горизонтальными движениями океанической плиты.

6. В задачах геодинамики гравитационное напряженное состояние следует рассматривать в качестве начального напряженного состояния, на фоне

которого путем последующего нагружения, вызванного движением океанических плит, формируется конечное напряженное состояние. Это позволяет наиболее корректно учитывать влияние эволюции формирования литосферы субдукционных областей.

Глава 4 «Моделирование напряженно-деформированного состояния после воздействия сильного сейсмического события» посвящена исследованиям косейсмических деформаций, формирующихся после сильного землетрясения. Для моделирования воздействия землетрясения на геотектоническую структуру используются два крупных сейсмических события: Суматра-Андаманское землетрясение 2004 г. и Симелуе-Ниасское землетрясение 2005 г. Первое развивалось с глубины 30 км вдоль верхней границы слэба и практически достигло поверхности, второе началось на похожих глубинах, но зона разрыва не распространилась выше аккреционной призмы. Модель очага землетрясения по [Simoes, 2004, Natawidjaja, 2004], характер афтершоковых последовательностей [Chlien, 2007], а также закономерности вертикальных голоценовых и косейсмических деформаций [Briggs, 2008, Копса, 2006] позволили построить численную модель и провести сравнительный анализ полученных результатов с природными данными. Активизация сейсмогенной зоны и «вспарывание» коры в результате формирования очага землетрясения моделировалось в квазистатической постановке элементом повышенной сдвиговой деформации с реологией Друккера-Прагера. Его прочностные параметры (коэффициент внутреннего трения, предел прочности) подбирались в результате численного эксперимента с использованием данных о величине сбрасываемых напряжений в очаге сильного землетрясения в предположении, что основная работа производится засчет накопления сдвиговых деформаций. Краевые начальные условия, полученные из окончательной модели нагружения от двух источников, а также поверхность вспарывания показаны на рис.7: а) модель Симелуе-Ниасского землетрясения 2005 г., б) модель Суматра-Андаманского мега-землетрясения 2004 г.

В качестве начального напряженного состояния здесь принималось обсужденное выше решение для комплексного поэтапного нагружения под действием двух источников воздействия - плотностных неоднородностей и горизонтальных перемещений океанической плиты с погружением слэба в более податливый структурный слой «астеносферы» под действием заталкивания и вызванного им перераспределения вещества (рис 5, а).

Разрыв прошел дальше

у - фикенронано

кора 350 м

- фиксировано

Сильное землетрясение вспарывание сразу прошло до поверхности

б)

Рис. 7 - Варианты активизации сейсмогенной зоны: а) активация происходит только под палеоакреционой призмой, б) вспарывание проходит в акреционные комплексы средних слоев, в) моделирование сильного события - вспарывание происходит вдоль всего слэба.

а)

б)

300000

gamma deformation

в)

Рис.8 - Распределения алгебраических разностей исследуемых параметров напряженно-деформированного состояния между результатами расчета для данной задачи с активизацией сейсмогенной области и начального напряженного состояния (гравитация +движение): а) давление, МПа, б) сдвиговые деформации, в) вертикальные перемещения, м.

50000 100000 150000 200000

О 10 20 30

250000 300000

р sl - р mov01 in МРа

40 50

-0.002

-0.001

0.000

0.001

250000 300000

vertical displacement! -4 -2 О 2

50000 100000 150000 200000 250000 300000

[t vertical displacement

5 10 15 20 25 ЗО 35 40 45 50 55 60

50000 100000 150000 200000 250000 300000

vertical displacement

-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5

в)

Рнс.9 - Распределения приращения перемещений для данной задачи с активизацией сейсмогенной области и начального напряженного состояния (гравитация +движение): я) горизонтальные перемещения, м, б) вертикальные перемещения, в) схематизорованная структура вкрест Зондской дуги и детализированный участок профиля ГСЗ вблизи островов Флоре по [Silver, 1983].

Изменения в распределении всесторонних давлений показывают небольшие превышения при рассмотрении данного воздействия. Тем не менее, область вспарывания заметно выделяется в максимальных упруго-пластических деформациях сдвига. Распределения вертикальных перемещений говорят о появлении сильно-градиентных зон перехода (схематически линеаризованы на рис. 8, в). Если предположить, что после активизации сейсмогенной области аналогично рассмотренному варианту, область вспарывания затем проникла в более молодые структуры аккреционной призмы (рис. 9), то можно отметить, что область сдвиговых деформаций не продлилась за пределы палео-аккреционной призмы.

Распределения горизонтальных и вертикальных перемещений говорят о стремлении к выделению двух наиболее крупных блоков - океанической литосферной части и субконтинента с переходной областью порядка 50 км по латерали от схематического разлома Ментавай в сторону о.Суматра. Таким образом, породы аккреционной призмы «движутся» скорее в составе пододвигающейся океанической литосферы, испытывая сопротивление субконтинентального блока, чем стремятся «надвинуться» на субгоризонтальный участок океанической плиты. Вероятно, это связано с недостаточностью запасенной энергии деформаций для более значимого развития сейсмогенной области. Модель Суматра-Андаманского землетрясения (рис. 7, б) показывает тенденцию к надвиганию аккреционных структур на океан при пододвигании слэба с активизацией разрыва вдоль всей его верхней границы (рис. 10).

-20 -18

-14

-10

FLEXURE

-6 -4

PALEO-SHELf EKE

vertical displacement! 2 О

° Slope sediments in small basins, Ceioioic basin Cenaraic basin a Shelf sediments

overlying melaage a subflucling sediments oner lying shell sediments orerljing Paleogece

oceanic crest stcpd & melange irerl/ing pit - intiusiyts, pfc-Tctliatj

sediments Terllart rocks rocks & Permo-Trioss'ic

granite

Рис.10 - Распределения приращения перемещений для задачи моделирования Суматра-Андаманского мега-землетрясения 2004 г. (с активизацией сейсмогенной области вдоль всей границы слэба с областью перехода океан-континент) и результатами расчета начального напряженного состояния (гравитация+движение): а) горизонтальные перемещения, б) вертикальные перемещения, в) схематизированная структура вкрест Зондской дуги на основе исследований ГСЗ вблизи о. Ниас по [Karig, 1979]. Ломаная линия отражает тенденцию в движениях дневной поверхности. Синим цветом показаны области преобладающего влияния надвигания океана, красным - деформированием субконтинентальной плиты.

Выводы к главе 4.

1. Проведенный анализ сейсмической обстановки участка Зондской сейсмоактивной области вблизи о.Суматра показал хорошую повторяемость механизмов коровых землетрясений. Ось алгебраически максимального напряжения в основном ориентирована в направлении под континент, ось алгебраически минимального напряжения преимущественно направлена перпендикулярно основным тектоническим структурам субдукционной дуги. Такая ориентация определяет преобладание обстановки фронтального сжатия в области перехода океан-континент, что соответствует реконструкции [Ребецкий, 2007]. В совокупности с преемственностью в глубинном строении это подтверждает правомерность проведения двумерного моделирования вкрест островной дуге около Суматры даже с учетом значимой субпараллельной компоненты в скоростях движения океанической плиты в рассматриваемом регионе.

2. Принятая модель очага и корректный учет начального напряженного состояния позволили рассчитать поля напряжений, деформаций и перемещений для сильнейшего сейсмического события с активизацией протяженной зоны вспарывания (Суматра-Андаманское землетрясение, Mw 9.15, декабрь 2004 г.) и более слабого с блокированной сейсмогенной областью (Симелуе-Ниасское землетрясение, Mw 8.6, март 2005 г.). Построенные поля хорошо согласуются с ко-сейсмическими смещениями оцененными по данным сети станций GPS и измерениями на атоллах вдоль берегов о.Ниас, а также с системой трещинных нарушений, возникших на острове.

3. Рассмотрение модели с поэтапным вспарыванием разрыва показало иную картину распределения анализируемых параметров полей напряжений, деформаций и перемещений, которая говорит в пользу асейсмического развития деформаций ввиду недостаточности запасенной энергии. Тем не менее, она хорошо соотносится с наблюдаемыми закономерностями голоценовых вертикальных смещений и может рассматриваться в качестве интерсейсмической модели при небольшом периоде повторяемости события. Отметим, что действие сейсмогенной зоны, заданной в модели реологии геоматериала, здесь не проявляется. Это говорит о ее вероятном блокировании между крупными сейсмическими событиями.

4. Анализ вероятных перемещений дневной поверхности вдоль всего рабочего профиля показал качественное совпадение с геологическими структурами регионального масштаба области перехода от Индийского океана через зону субдукции к Зондскону континентальному блоку, полученными по ГСЗ. Так, результат моделирования Суматра-Андаманского землетрясения привел к совпадению с тектонической схемой на профиле вкрест острова

Суматра, проходящего через середину о. Ниас. Модель поэтапной активации разлома кореллирует с профилем вкрест Зондской дуги вблизи островов Флоре.

5. Применение модели геосреды с реологией тела Друккера-Прагера для океанической литосферы с изменяющимся значением прочности сцепления позволило выполнить для Западного фланга Зондской дуги расчет изменения напряжений в результате сильного сейсмического события, а также для его афтершковой последовательности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

Разработана методика моделирования тектонических структур регионального масштаба сейсмоактивных регионов. Показано, что в совокупности с реконструкцией природных напряжений по механизмам очагов землсфиСсний возможно провссти обобщение результате!: двухмерного моделирования по профилям вкрест дневной поверхности на трехмерную региональную модель без применения трехмерного численного моделирования для экономии времени и избежания трудоемкой подготовки ЗО-модели.

Построена модель напряженного состояния Зондской сейсмоактвной области с учетом упруго-пластической реологии поведения геоматериала.

Показано, что флюидное давление играет важнейшую роль в процессах деформирования и разрушения горной породы.

Впервые для западного фланга Зондской сейсмоактивной области решена задача расчета напряженно-деформированного состояния в упруго-пластической постановке и исследованы закономерности напряженно-деформированного состояния, формирующегося в земной коре в результате воздействия сильного сейсмического события.

Проведен анализ изменения поля напряжений во время подготовки и после крупного сейсмического события. Показано, что остаточные деформации могут создавать условия для возникновения крупных тектонических нарушений (вплоть до регионального масштаба).

Полученные результаты наглядно демонстрируют, что конечно-элементный вычислительный комплекс 11\УАУ (ИПРИМ РАН) может с успехом применяться для решения задач геомеханики и геофизики регионального и субрегионального масштаба.

Публикации по теме диссертации

1. Погорелов В.В., Конешов В.Н., Ребецкий Ю.Л. Численное моделирование напряжений западного фланга Зондской сейсмоактивнй области // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2010. № 1. Выпуск 15. Стр. 174-192

2. Погорелов В.В.,. Баранов А.А: Гравитационные напряжения в земной коре Центральной Азии // Геофизические исследования, Москва, 2010. т 11 № 3 Стр. 72-84

3. Погорелов В.В., Конешов В.Н., Михайлова A.B., Ребецкий Ю.Л. Моделирование напряженного состояния Зондской сейсмоактивной области // Материалы XII международной конференции "Активные геологические и геофизические процессы в литосфере. Методы, средства и результаты изучения", Воронеж 18-23 сентября 2006. Изд. Воронеж. Гос. Унив. 2006. ТII. С. 105-110.

4. Ребецкий ЮЛ., Погорелов В.В. Особенности квазипластического течения трещиноватых сред // Фундаментальные проблемы геотектоники. Материалы XL тектонического совещания. М.: Изд. ГЕОС, 2007. С. 134-138.

5. Погорелов В.В., Конешов В.Н., Михайлова A.B. Численное 2D-моделирование напряжений для профиля Зондской сейсмоактивной области // Тезисы докладов. IX геофизические чтения Федынского, 1-3 марта 2007 г. М.: Изд. ГЕОС, 2007. С. 78.

6. Погорелов В.В., Конешов В.Н., Михайлова A.B. Численное моделирование Зондской сейсмоактивной области // Материалы VIII международной конференции «Новые идеи в науках о Земле», РГГРУ 10-13 апреля 2007 г. Т. I, S I, V. 1. М.: Изд. РГГРУ. 2007. С. 262-265.

7. Погорелов В.В., Конешов В.Н., Михайлова A.B., Ребецкий Ю.Л. О роли гравитационных неоднородностей в формировании напряженного состояния субдукционных зон по результатам численного моделирования профиля западного фланга Зондской дуги // Нови геофизични технологии прогнозувания та мониторингу геологичного середовича. Материали науковои конференции 9-12 октября 2007 г. Львов Карпатське Виддиленя Институту Геофизики им. С.И. Субботина. Львов. Изд. Сполом. 2007. С. 80-82.

8. Pogorelov V.V., Baranov A.A. Gravity stresses in the Central Asian crust. Abstracts of international conference "Geodynamical Phenomena: From field, observational, computational, seismological and rheological perspectives"// Russia, Suzdal 18-23 august 2009, pp. 105-109

9. Погорелов B.B., Баранов A.A. Оценка гравитационных напряжений в земной коре Центральной Азии// Материалы I молодежной школы «Современная тектонофизика. Методы и результаты» 21-24 сентября 2009г., Москва. Стр. 156-165.

10. Погорелов В.В., Баранов A.A. Оценка гравитационных напряжений в земной коре Антарктиды // Тектоника и геодинамика складчатых поясов и платформ фанерозоя. Материалы XLIII Тектонического совещания. T.I, М.: Изд. ГЕОС, 2010. Стр. 151-154.

Погорелов Виталий Викторович

Тектонофизический анализ напряжений земной коры Зондской сейсмоактивной области

Автореф.дисс. на соискание ученой степени кандидата физ.-мат.наук

Подписано н печать 27.01.2011 г. Заказ№ 15.9/1.1 А Формат 60x90/16 Усл.печ. л.1 Тираж 100 экз Отпечатано в типографии ООО «Аналитик»

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Погорелов, Виталий Викторович

ВВЕДЕНИЕ .■.

ГЛАВА 1 - ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЙ И МЕТОД МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.

Г. 1. Численное моделирование с использованием метода конечных элементов мкэ). п

1.1.1. Теоретические основы МКЭ.

1.1.2. Разбиение областей и создание структуры решения МКЭ 1.

1.1.3. Пример 1шоскрй задачи теории упругости.

1.1.4. Техникамоделирования с использованием комплексаГПЛ^АУ.

1.1.5. О реологической модели среды при тектонофизическом моделировании МКЭ:.

1.1.6. Влияние временного фактора и характерного масштаба модели на выбор реологических свойств.

1.1.7. Деформации в литосфере.

1.2. Деформации структур регионального уровня. Основные уравнения для описания деформаций упруго-пластического геоматериала.

1.3. Особенности строения зон субдукций. Тектоника Зондской дуги

1.3.1. Механизм деформирования субдукционных областей.

1.3.2. Тектоника Зондской субдукционной области.

1.3.3; Современная геодинамика Зондской дуги.

1.3.4. Тектоника о. Суматра.

1.4. Параметры Суматра-Андаманского катастрофического земле-трясения. Современное напряженное состояние региона землетрясения по сейсмологическим данным

1.4.1. Сейсмотектоническая обстановка.

1.4.2. Результаты тектонофизического анализа природных напряжений.

Выводы к главе 1.

ГЛАВА 2 - РЕОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ РАСЧЕТЫ.

2.1. Строение 20-вертикального профиля и упругая модель.

2.1.1. Задача плоской деформации для двумерной модели.

2.1.2. Задание упругих параметров модели.

2.1.3. Пластические свойства геоматериала.

2.1.4. Учет флюидного давления.

2.1.5. Влияние массовых сил.

2.2. Модель строения западного фланга Зондской дуги по профилю "Ниас".

2.2.1. Исходные данные.

2.2.2. Параметры модели по профилю "Ниас".

2.3. Условия нагружения и граничные условия.

2.3.1. Гравитационные напряжения для псевдоупругой модели.

2.3.2. Граничные условия для учета внешних воздействий.

2.3.3. Модель увеличенной мощности (230 км).

2.4. Параметры упруго-пластической модели.

2.5. Влияние дискретности разбиения нагружения.

2.6. Краевые условия на деформируемых границах модели.

2.7. Анализ изостатической скомпенсированности модели.

Выводы к главе 2.

ГЛАВА 3 - РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА МОДЕЛИ КОМПЛЕКСНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ.

3.1. Начальное (гравитационное) напряжено-деформированное состояние.

3.1.1. Начальное напряженное состояние. Распределение напряжений.

3.1.2. Начальное (гравитационное) деформированное состояние.

3.1.3. Остаточные напряжения.

3.2. Совместное действие гравитационного напряженного состояния и горизонтальных движений океанической и литосферной плит.

3.2.1. Движение под влиянием рифта, амплитуда горизонтальных смещений 350 м. Напряженное состояние.

3.2.2. Движение под влиянием рифта, амплитуда горизонтальных перемещений 350 м. Деформации.

3.2.3. Движение под влиянием рифта, амплитуда горизонтальных перемещений 700 м.

3.2.4. Влияние конвекции, амплитуда горизонтальных смещений океанической коры 350 м.

3.2.5. Влияние конвекции в мантии, амплитуда максимального горизонтального смещения 700 м.

Выводы к главе 3.

ГЛАВА 4 - МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПОСЛЕ ДЕЙСТВИЯ СИЛЬНОГО СЕЙСМИЧЕСКОГО СОБЫТИЯ.

4.1. Суматра-Андаманское (Mw 9.15) и Симелуе-Ниасское (Mw 8.6) катастрофические землетрясения 2004-2005 гг. и их афтершоковые последовательности. Косейсмические и постсейсмические перемещения.

4.2. Модель очага Симелуе-Ниасского землетрясения 2005 г. Постановка задачи численного моделирования.

4.3. Моделирование сейсмических событий различной активности.

4.3.1. Результаты моделирования Симелуе-Ниасского землетрясения.

4.3.2. Моделирование землетрясения с развитием области вспарывания.

4.3.3. Моделирование Суматра-Андаманского землетрясения 2004 г. 180 Выводы к главе 4.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Тектонофизический анализ напряжений земной коры Зондской сейсмоактивной области"

В последнее время большое количество работ ученых различных регионов мира посвящено численному моделированию напряженно-деформированного состояния земной коры. Суть этих исследований состоит в реконструкции напряжений и деформаций, возникающих в коре и а литосфере, на основе комплекса геологических, неотектонических, сейсмических, морфологических и других данных, а также в изучении режимов нагружений, вызывающих реально наблюдаемые картины. Как правило, в качестве вычислительного аппарата используются конечно-элементные пакеты программ, адаптированные для данного класса задач из машиностроения и строительства, или разработанные непосредственно исследователями для применения в геофизике. Достоинствами первых пакетов является их унифицированность и возможность (хотя и с некоторыми допущениями) сопоставления более глобальных результатов с частными инженерными задачами, или с созданными лабораторными моделями. Их недостатками является определенная сложность перехода к даже сильно упрощенным глобальным моделям, так как большинство инженерных задач ограничены реологией реальных конструкционных материалов с установленными параметрами и нагрузками, а также допустимой криповой устойчивостью конструкций или определенным соотношением на допустимые пластические области. Вторые пакеты разрабатываются чаще всего для проверки той или иной гипотезы, выдвигаемой самими исследованиями, и не предполагают инженерного применения. Таким образом, они могут быть качественно более точными в рамках принятых предположений в ущерб общности при переходе к другому масштабу, механизму или применительно к другому региону. Указанные пакеты чаще применяются для построения абстрактных фундаментальных моделей, иллюстрирующих ту или иную концепцию. Реальные геологические объекты имеют довольно сложную структуру, а также 5 изменяющиеся свойства среды. Реологические параметры при моделировании представляют отдельную достаточно сложную проблему ввиду ограниченности экспериментальных данных. Как известно, характеристики материалов, полученные на образцах в лабораторных экспериментах, сильно отличаются от прогнозируемых на глубинах, превышающих доступные промышленному бурению мощности.

Моделирование, проводимое в глобальных масштабах (размеры тектонических плит), может служить для развития инструментов, способных внести вклад в исследование глубинного строения Земли, а также для объяснения глобальных тектонических и мантийных движений, изменений теплового потока, связи литосферных структура с магнитным' и гравитационным полями Земли. Региональные (~100.1000 км) исследования должны объяснять механизмы наблюдаемых тектонических и сейсмических режимов изучаемых областей. Локальные исследования (десятки километров) могут служить основой для инженерных применений в области строительства и разработки месторождений полезных ископаемых с учетом геолого-геофизических и тектонических особенностей рассматриваемого региона.

Тайвань, повлекших гибель сотен тысяч человек. Актуальность исследования„ тектонических процессов, в ходе которых возникают сильные землетрясения, обусловлена необходимостью разработки методов прогнозирования сейсмической опасности. Важной частью исследований в этом направлении является реконструкция и анализ поля тектонических напряжений земной коры сейсмоопасных областей. Создание моделей напряженного состояния литосферы на основе численного тектонофизического моделирования и выявление закономерностей поможет пониманию сложившейся 6 сейсмической обстановки в них, что необходимо для предсказания будущих землетрясений и сейсморайонирования.

В работе представлены результаты моделирования напряжений земной коры вдоль профиля через южную оконечность о.Ниас вкрест основных структур Зондской субдукции и побережья Суматры, секущего южный край очага катастрофического Суматра-Андаманского землетрясения 24.12.2004 г. Аналогичные исследования регионального масштаба с подобной тщательностью и глубиной для данного района ранее не проводились. Учитывая определенную преемственность строения и сейсмотектонического режима на довольно протяженном участке Зондской дуги, результаты исследования актуальны для развития нового взгляда на сейсмологию и тектонику островов Индонезийского архипелага в целом, так как в ближайшем будущем серия разрушительных землетрясений и цунами в данном регионе продолжится.

Целью представленных исследований являлось изучение особенности распределения напряжений в районе начала развития катастрофического Суматра-Андаманского землетрясения 24 декабря 2004 г. на основе результатов численного моделирования.

В процессе исследования решались следующие основные задачи: 1. Создать согласованную модель строения, реологических свойств и прочности коры вдоль профиля вкрест Западного фланга Зондской субдукционной области на основе комплекса сейсмологических, геолого-геофизических и тектонофизических данных.

2. Разработать концепцию для моделирования современного напряженного состояния субдукционных областей регионального масштаба, 7 позволяющую получить наилучшее приближение расчетного напряженного состояния природному объекту.

3. Рассчитать поле напряжений в земной коре на 2В-вертикальном профиле вкрест основных тектонических структур Зондской сейсмоактивной области вблизи о. Суматра методами численного моделирования в рамках упруго-пластической реологии литосферы и исследовать соотношения вкладов в общее напряженное состояние от гравитационного напряженного состояния, вызванного существующими плотностными неоднородностями коры и литосферы, а также горизонтальным пододвиганием океанической литосферы под активную континентальную окраину.

4. Изучить изменения напряженного-деформированного состояния субдукционных областей в • результате крупномасштабного хрупкого разрушения коры - землетрясения.

Численный тектонофизический эксперимент проводился. с использованием конечно-элементного вычислительного комплекса иХУАУ (ИПРИМ РАН). Параллельно исследовалась применимость данного пакета программ для моделирования тектонических структур регионального масштаба.

Научная новизна работы заключается в следующем:

2. Разработана концепция моделирования современного напряженного состояния структур регионального масштаба и выполнено развитие подхода выбора реологических параметров геосреды для конечноэлементного моделирования на основе результатов тектонофизической 8 реконструкции природных напряжений и тестовых численных моделей субдукционных областей.

Практическая значимость

Разработанная методика тектонофизического моделирования геофизических структур регионального масштаба с использованием сравнения с данными о природных напряжениях позволяет получить соответствие механических и прочностных характеристик модельного тела и природного объекта. Применение алгоритма построения начальной модели, определения основных геомеханических параметров, корректировки начального напряженного состояния, а также оценки исчерпываемости полученных результатов позволит без проведения трудоемких рсчетов сложных ЗБ-моделей находить в первом приближении характеристики поля 9 напряжений структур регионального (~200-400 км) и субрегионального (-50-100км)уровня, хорошо соответствующие природным объектам.

Защищаемые научные положения :

1. Разработанная модель, строения,1 механических : свойств литосферы и поля современных напряжений для профиля* вкрест Западного фланга Зондской субдукционной области согласована с сейсмологическими и геофизическими данными; а также с данными тектонофизической реконструкции природных напряжений.

2. Плотностные неоднородности в строении субдукционной области района Суматра-Андаманского землетрясения* 2004 г. создают более значительный вклад в поле современных девиаторных напряжений» по сравнению с напряжениями, обусловленными горизонтальными движениями океанической плиты;

3. В задачах геодинамики гравитационное напряженное состояние следует рассматривать в качестве начального напряженного состояния, на фоне которого путем; последующего нагружения, вызванного движением океанических плит, формируется конечное напряженное состояние. Это позволяет наиболее корректно учитывать влияние эволюции формирования; литосферы субдукционных областей.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Погорелов, Виталий Викторович

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Разработана методика моделирования тектонических структур регионального масштаба сейсмоактивных регионов. Показано, , что в совокупности с реконструкцией природных напряжений по механизмам очагов землетрясений возможно провести обобщение результатов двухмерного моделирования по профилям вкрест дневной поверхности на трехмерную региональную модель без применения трехмерного численного моделирования для экономии времени и избежания трудоемкой подготовки ЗО-модели.

2. Построена модель напряженного состояния Зондской сейсмоактвной области с учетом упруго-пластической реологии поведения геоматериала.

3. Показано, что флюидное давление играет важнейшую роль в процессах деформирования и разрушения горной породы.

4. Впервые для западного фланга Зондской сейсмоактивной области решена задача расчета напряженно-деформированного состояния в упруго-пластической постановке и исследованы закономерности напряженно-деформированного состояния, формирующегося в земной коре в результате воздействия сильного сейсмического события.

5. Проведен анализ изменения поля напряжений во время подготовки и после крупного сейсмического события. Показано, что остаточные деформации могут создавать условия для возникновения крупных тектонических нарушений (вплоть до регионального масштаба).

Полученные результаты наглядно демонстрируют, что конечно-элементный вычислительный комплекс ШУАУ (ИПРИМ РАН) может с успехом применяться для решения задач геомеханики и геофизики регионального и субрегионального масштаба.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В главе 1 представлен тектонический обзор Зондской сейсмоактивной области, и в соответствии с разработанной методикой в главе 2 проведена реконструкция напряжений на тестовом профиле. Показана значимость корректного учета гравитационных неоднородностей как источника генерации гравитационных напряжений, обсуждено влияние флюидного давления на деформируемость литосферы, а также тщательным образом оценено влияние различных процессов, способных влиять на неотектонические движения. В результате разработана методика построения модели геомеханических свойств и модели нагружения. В главе 3 представлены результаты реконструкции поля напряжений по опорному профилю вкрест Зондской сейсмоактивной области, характерному для строения и типа вазимодействия литосферных плит — косая субдукция в районе центральной Суматры. Результаты сопоставлены с реконструкцией природных напряжений по данным о механизмах очагов землетрясений. С учетом хорошей преемственности в строении и тектоническом режиме протяженных областей вдоль Зондской дуги использование этих двух независимых подходов позволяет создавать модели качественно-трехмерного поля напряжений литосферы для рассматриваемой области.

В главе 4 изложены результаты моделирования поля напряжений до и после сильного сейсмического события. Результаты с использованием разработанной методики для профиля вкрест Центральной Суматры сопоставлены с результатами моделирования зарубежных исследователей, основанных на изучении микросейсмов до и после крупнейшего Суматранского землетрясения с Млу=9.15, вызвавшего разрушительное цунами, которое унесло сотни тысяч человеческих жизней. Обсуждается связь локализованных зон с наблюдаемой системой разломов и структурных комплексов.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Погорелов, Виталий Викторович, Москва

1. Антипов A.A. Строение тектоносферы Зондской зоны субдукции на основе геофизических данных // автореф. дисс. канд.геол.-мин. наук. М: МГУ, 2006. 32 с.

2. Артюшков Е.В. Геодинамика // М.: Наука, 1979. 327 с.

3. Белоусов В.В. Основы геотектоники // М.: Недра, 1989.

4. Булычев В.Г. «Механика дисперсных грунтов». Стройиздат, Москва, 1974 г. 184 с.

5. Власов А.Н., Мерзляков В.П. Усреднение деформационных и прочностных свойств в механике скальных пород // М.: Изд-во АСВ, 2009. 208 с.

6. Гатинский Ю.Г., Рундквист Д.В., Владова Г.В.и др. Зоны субдукции: действующие силы, геодинамические типы, сейсмичность и металлогения // Вестник ОГГТТН РАН 2000, № 2 (12) (http ://www.scgis.ru/russian/ р125 l/hjdgggms/2-2000/subduction.htm).

7. Жарков В.Н. Трубицын В.П., Самсоненко JI.B. Физика Земли и планет. Фигуры и внутренне строение.// М.: Наука. 1971. 383 с.

8. Зайцев A.A. «Программное обеспечение проектирования и расчетов земляного полотна. Методические указания. // Московский Государственный Университет Путей Сообщения (МИРГГ). Кафедра «Путь и путевое хозяйство». Москва, 2006 г. -143 с.

9. Иванов П. JI. «Грунты и основания гидротехнических сооружений. Механика грунтов». Издательство «Высшая Школа», Москва, 1991 г.-447 с.

10. Ильюшин A.A. Пластичность. // М.: Гос. техн. изд-во, 1948 -375 с.

11. Ильюшин A.A., Победря Б.Е. Основы математической теории термовязкоупругости // М.: Наука, 1970. 280с.

12. Костров Б.В. Механика очага тектонического землетрясения. // М.:Наука, 1975 г. 176 с.

13. Короновский Н.В. Изостазия // Соросовский образовательный журнал, 2001, №11, с. 73-78.

14. Кристенсен Р. Введение в теорию вязкоупругости // М.: Мир, 1974.-228с.

15. Леонов Ю.Г. Платформенная тектоника в свете представления о тектонической расслоенности земной коры // Геотектоника № 6,1991 г. Стр. 73-97

16. Лукашевич И.П. Приставакина Е.И. Плотностная модель верхней мантии под океанами // Физика Земли № 2 1984- с. 103-107

17. Лукашевич И.П., Приставакина Е.И., Сорохтин О.Г. Роль динамического и статистического Факторов в формировании рельефа Северной части Срединно-Атлантического хребта // Океанология, № 5 1984 -с. 781-788

18. Маслов H.H. «Основы механики грунтов и инженерной геологии» П Издательство «Высшая Школа», Москва, 1968г. — 629 с.

19. Методы решения центральной вычислительной задачи гравиметрии, магнитометрии, геодезии и геоинформатики: сб. науч статей.// М.: изд. ИФЗ РАН, 2007.221 с.

20. Михайлова A.B. Деформации и напряжения в слое над движущимися блоками фундамента (по результатам математического и физического моделирования) // Физика Земли. 2010. № 5. с. 70-76

21. Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел. м.: мир, 1969. т. 2. 863 с.

22. Николаевский В.Н. Тензор напряжений и осреднение в механике сплошных сред // Прикл. мех. мат. 1975. т. 39. вып. 2. с. 374-379.

23. Николаевский В.Н. Граница Мохоровичича как предельная глубина хрупко-дилатансионного состояния горных пород // ДАН 1979. т. 249. № 4. с. 817-820.

24. Николаевский В.Н. Геомеханика и флюидодинамика // М.: Недра, 1996. 446 с.

25. Огородникова О.М. Конструкционный анализ в среде ANSYS. Учебное пособие// Издательство ГОУ ВПО УГТУ-УПИ. Екатеринбург, 2004- 68 стр.

26. Павленко О.В. "Нелинейное поведение грунта и преобразования сейсмических волн при интенсивных сейсмических воздействиях" Диссертация на соискание степени доктора физико-математических наук // ИФЗ РАН, 2005 г

27. Погорелов В.В., Решение задач нелинейной эндохронной теории вязкоупругости. Магистерская диссертация // МФТИ, Долгопрудный, 2002 г.47 стр

28. Погорелов В.В., Конешов В.Н., Михайлова A.B., Ребецкий Ю.Л.

29. Погорелов В.В., Конешов В.Н., Ребецкий Ю.Л. Численное моделирование напряжений западного фланга Зондской субдукционной области // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2010 № 1. выпуск № 15с. 174-192

30. Погорелов В.В.,. Баранов А. А: Гравитационные напряжения в земной коре Центральной Азии // Геофизические исследования, Москва, 2010. т И №3 Стр. 72-84

31. Рамберг X. Моделирование деформаций земной коры с применением центрифуги // М.: Мир, 1970.224 с

32. Ребецкий Ю.Л. Дилатансия, поровое давление флюида и новые данные о прочности горных массивов в естественном залегании. Сб. Флюид и Геодинамика. М.: Наука. 2006. С. 120-146.

33. Ребецкий Ю.Л., Маринин A.B. Напряженное состояние земной коры западного фланга Зондской субдукционнной зоны перед Суматра-Андаманским землетрясением 26.12.2004 // Доклады РАН. 2006. Т 407, № 1. С. 106-110.

34. Ребецкий Ю.Л., Маринин A.B. Поле тектонических напряжений до Суматра-Андаманского землетрясения 26.12.2004. Модель метастабильного состояния горных пород // Геология геофизика. 2006. Т 47. №11. Новосибирск. Гео. С. 1192-1206.

35. Ребецкий Ю.Л. Тектонические напряжения и области триггерного механизма возникновения землетрясений // Физическая мезомеханика 2007. № 10. С. 25-37.

36. Ребецкий Ю.Л. Взаимосвязь хрупких и пластических свойств земной коры ключ к решению проблем геодинамики и сейсмической опасности // IX Чтения Федынского М, 2007

37. Ребецкий Ю.Л. «Тектонические напряжения и прочность природных массивов»// М.: ИКЦ «Академкнига», 2007

38. Ребецкий Ю.Л. «Механизм генерации тектонических напряжений в областях больших вертикальных движений»// Физическая мезомеханика. No Л 1,2008 г. с 66-73.

39. Родионов В.Н., Сизов И.А., Цветков В.М. Основы геомеханики // М.:Недра, 1986-301с.

40. Романюк Т.В., Ребецкий Ю.Л. «Плотностные неоднородности, тектоника и напряжения Андийской субдукционной зоны на 21 град Ю.Ш. П. Тектонофизическая модель»// Физика Земли. No.2,20015 с 23-35.

41. Романюк Т.В. "Закономерности мезокайнозойской геодинамической эволюции западных окраин Северной и Южной Америк Диссертация на соискание степени доктора физико-математических наук // ИФЗ РАН, 2004 г

42. Рычков С.П. «Моделирование конструкций в среде MSC.Visual NASTRAN для Windows» Издательство НТ Пресс, Москва, 2004 г. 552 с.

43. Сегерлинд Л."Применение метода конечных элементов", перевод с английского A.A. Шестакова, под ред. Б.Е. Победри. Издательство "Мир", Москва, 1979 г. 392 стр.

44. Сила тяжести и тектоника. Под редакцией К.А. Де Джонга и Р.Шолтена. Фундаментальные труды зарубежных ученых по геологии, геофизике и геохимии // Изд-во «Мир», М. 1976 -504 стр.

45. Сорохтин О.Г., Ушаков С.А. Глобальная эволюция Земли // М.: Изд-во МГУД991 446 с.

46. Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г. Механика деформирования и разрушения горных пород // М.: Недра, 1992.223 с.

47. Терцаги К. Теория механики грунтов// М.: Госстройиздат, 1961.507 с.

48. Трубицын В.П. Основы тектоники плавающих континентов // Физ. Земли. 2000. № 9. С. 4-40.

49. Трубицын В.П., Баранов А.А., Харыбин Е.В. Численные модели субдукции океанической коры с базальтовыми плато//Физика Земли. 2007. №.7. С. 3-10.

50. Трубицын В.П. Уравнения тепловой конвекции для вязкой сжимаемой мантии Земли с фазовыми переходами//Физика Земли. 2008. №.12. С. 83-91.

51. Трубицын В .П., Евсеев А.Н., Баранов А.А., Трубицын А.П. Структура конвекции при различной ширине зон фазовых переходов//Физика Земли. 2008. №8. С. 3-14.

52. Трубицын В.П., Харыбин Е.В. Реологические модели мантийной конвекции, воспроизводящие разделение литосферы на плиты//Физика Земли. 2010. № 4. С. 3-8.

53. Трубицын В.П. Перемещения хребтов и зон субдукции в моделях мантийной конвекции с литосферными плитами/УФизика Земли. 2010.10. С. 5-14

54. Трубицын В.П. Термохимическая конвекция в мантии с рециркуляцией океанической коры//Физика Земли. 2010. № 11.С. 14-26.

55. Физические свойства горных пород и полезных ископаемых (петрофизика). Справочник геофизика Под. ред. Н.Б. Дортман // М.: Недра, 1984-455 с

56. Шахунянц Г.М. «Земляное полотно железных дорог» // Трансжелдориздат, Москва, 1953 г.- 827 с.

57. Шейдеггер А. Основы геодинамики. Под ред. Л.П. Зоненштайна // М.:Недра, 1987 386с.

58. Шимкович Д.Г. "Расчет конструкций в MSC/NASTRAN for Windows" Издательство ДМК Пресс, Москва, 2001 г. 448 с.

59. Шрейдер А.А. Геомагнитные исследования Индийского океана //М.: Изд-во «Наука», 2001 320 стр.

60. Barton, P.J., 1986. The relationship between seismic velocity and density in the continental crust—a useful constrain? //Geophys. J. R. Astron. Soc. 87,195-208.

61. Becker T.W., Faccenna C. Review of the Role of Subduction Dynamics for Regional and Global Plate Motions // Subduction Zone Geodynamics, 3 DOI 10.1007/978-3-540-87974-9, © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2009

62. Bird P. Testing hypothesis on plate-driving mechanisms with global lithosphere models including topography, thermal structure and faults // JGR Vol.103, No.B54, 1998, cc. 10115-10129.

63. Bock Y., Prawirodirdjo L., Genrich J.F., Stevens C.W., McCaffrey R., et al. Crustal motion in Indonesia from Global Positioning System measurements // JGR. 2003. V. 108, NO. B8.2367.

64. Bonet, J., Wood, R.D. Nonlinear Continuum Mechanics for Finite Element Analysis// Cambridge University Press, Cambridge, 1997.

65. Burov E., Guillou-Frottier The plume head-continental litosthere interaction using a tectonically realistic formulation for the lithosphere // Geopys.J. Int. 161,2005,469-490

66. Byerlee J.D. Brittle-ductile transition in rocks // JGR. 1968. Vol. 73,1. N 14. P. 4741-4750

67. Carter N.L., Tsenn M.C. Flow properties of continental lithosphere // Tectonophys. 1987. V. 136. P. 27-63

68. Chlieh M., Avouac J.-P., Hjorleifsdottir V., Song T.-Ru A., Chen J., Sieh K., Sladen A., H. Hebert, Prawirodirdjo L., Bock Y., Galetzka J. Coseismic Slip and Afterslip of the Great Mw 9.15 Sumatra-Andaman Earthquake of 2004 //

69. Bull. Seismol. Soc., 2007 r.,Vol. 97, No. 1A, pp. S152-S173, Coseismic Slip and Afterslip of the Great Mw 9.15 Sumatra-Andaman Earthquake of2004

70. Cloethingh S., E. Burov «Thermomechanical structure of European continental lithosphere: contstraints from rheological profiles and EET estimates» // Geophys. J. Int. 1996. No 124. P. 695-723.

71. Dietmar Muller R. Deep Earth Structure and Global Tectonics. Lectures on Geological Hazards and Solutions // Division of geology and geophysics, School of geosciences, University of Sydney: GEOL 2001 -117 cTp

72. Doglioni C, Carminati E, Cuffaro M, Scrocca D Subduction kinematics and dynamic constraints //Earth Science Rev 2007, V 83 pp. 125-175

73. Drucker D.C., Prager W. «Soil mechanics and plastic analysis of limit desigin» // Q. Appl. Math. 1952. V. 10, N 2. P. 157-175.

74. Dziewonski A.M., Hales A.L., Lapwood E.R Parametrically simple earth models consistent with geophysical data // Phys. Earth Planet. Inter. 1975. V.10, N 1. P. 12-48

75. Engdhal E., Van der Hilst R., and Buland R., Global teleseismic earthquake relocation with improved travel times and procedures for depth determination // Bull. Seismol. Soc. Am., 1998, Vol 88, p. 722- 743.

76. Forsyth D.W. «Comparison of mechanical Models of oceanic lithosphere» // JGR Vol.85, No.Bl 1,1980 6364- 6368.

77. Fuis G.S.,Davis P.M., Ryberg T. Fault system of the 1971 San Fermando and 1994 Northridge earthquakes, Southern California: Relocated aftershocks and seismic image from LARSE II // Geol., 2003. V.31. №.2. P.171-174

78. Ghose R., Yoshioka Sh., Oike K. Three-dimensional numerical simulation of the subduction dynamics in th Sunda arc region, Sotheast Asia // Tectonophysics, 1990, №181 c.223-255

79. Govers R, Wortel M.J.R. Lithosphere tearing at STEP faults: Response to edges of subduction zones // Earth and Planetary Science Letters, 2005 № 236 pp.505- 523

80. Hafkenscheid E., Buiter S.J.H., Wortel M.J.R., Spakman W.? Bijward H. Modelling the seismic velocity structure beneath Indonesia: a comparison with tomography//Tectonophysics, 333 (2001) c. 35-46

81. Hamilton, W.B., 1979, Tectonics of the Indonesian region // U.S. Geological Survey Professional Paper 1078,345 p

82. Hamilton, W.B., 1988, Plate tectonics and island arcs // Geological Society of America Bulletin, v. 100, p. 1503-1527.

83. Hamilton, W.B., 1995, Subduction systems and magmatism, // in Smellie, J.L., ed., Volcanism associated with extension at consuming plate margins: Geological Society of London Special Publication 81, p. 3-28

84. Hall R. Reconstructing Genezoic SE Asia // Tectonic Evolution of SE Asia (edited by Hall, R. & Blundell, D* J.). Geological Society of London Special Publication, 1996, № 106, 153-184.

85. Hall R., Morley Ch.K. Sundaland Basins // Continent-Ocean Interactions Within East Asian Marginal Seas Geophysical Monograph Series №149, 2002 c 55-85

86. Huismans R.S., Beaumont Gh. Symmetric and asymmetric lithospheric extension: Relative effects of frictional-plastic and viscous strain softening // JGR, VOL. 108, NO. B10,2496, doi:10.1029/2002JB002026,2003

87. Huismans R.S., Buiter S.J.H., Beaumont Ch. Effect of plastic-viscous layering and strain softening on mode selection during lithospheric extension // JGR, VOL. 110, B02406i doi:10.1029/2004JB003114,2005 — c.B02406- B02423

88. Kameyama M., Yuen D.A., Karato S.-I., Thermal-mechanical effects of low-temperature plasticity (the Peierls mechanism) on the deformation of a viscoelastic shear zone. // Earth Planet. Sci. Lett. 1999, V 168 pp. 159-172.

89. Karig D.E., Moore G.F., Curray J.R., Lawrence M.B. Morphology and shallow structure of the lower trench slope off Nias Island, Indonesia // Bull.Geol.Soc.Amer. 1979 c. 92-113.

90. Kieckhefer R.M., Shor Jr.G.G., Curray J.R. Seismic refraction studies of the Sunda trench and forearc basin // JGR 1981. 1980. V. 85. P. 863-889.

91. Kieckhefer R.M.; Moore G.F.; Emmel F.J. Crustal structure of the Sunda Forearc region west of central Sumatra from gravity data // JGR 1981. V. 86, № B8. P. 7003-7012.

92. Kirby S.H., Kronenberg A.K. Rheology of the lithosphere: selected topics // Rev. Geophys. 1987. Vol. 24. No 6. P. 1219-1244

93. Kopp, H., Flueh, E.R., Klaeschen, D., Bialas, J., and Reichert, C., Crustal structure of the central Sunda margin at the onset of oblique subduction // Geophysical Journal International, 2001, v. 147, p. 449-474.

94. Kopp H., Klaeschen D., Flueh J., Bialas J., Reichert Ch. Crustal structure of the Java margin from seismic wide-angle and multichanel refraction data // JGR. 2002. V. 107, NO. B2., cl029-1053.

95. Kotelkin V.A megacyclic regime of the thermochemical convection of the Earth's mantle// Geodynamical Phenomena: From Field, Observational, Computational, Seismological and Rheological Perspectives, Suzdal, 2009

96. Laske G. and Masters G., A Global Digital Map of Sediment Thickness, EOS Trans. // AGU, 78, F483, 1997.

97. Lowrie A., Kozlov E., Haydukov V., Watkins J., Garagash I., Makarov V., Malyarova T. 2D/3D Geophysical Modeling of Mezozoic Onshore Rocks and Tertiary Offshore Sediments // AAPG Annual Meeting Houston, Texas March 10-13, 2002 -p.262-273

98. Lucente F.P., Chiarabba C., Cimini G.B., Giardini D., Tomographic constraints on the geodynamic evolution of the Italianregion, // JGR № 104, 1999 -c. 20307-20327.

99. McBride J.H., Karig D.E. Crustal structure of the outer Banda arc: new free-air gravity evidence // Tectonophysics. 1987, V. 140. P. 265-273.

100. McCaffrey, R., Active tectonics of the eastern Sunda and Banda arcs, JGR, 1988, V.93, № 15, c.15163-15182

101. Mercier J.C. Magnitude of the Continental Litosphere Stresses Inferred from Rheomorphic Petrology // JGR V.85, No. B11, 1980 p. 6293-6303.

102. Milsom J., Walker A. The Gravity Field of Sumatra. Geology of Sumatra. // Geol. Soc. Mem.,1997, NO. 27

103. Natawidjaja D.H., Sieh K., Ward S.N., Cheng H., Edwards R.L., Galetzka J., Suwargadi B.W. Paleogeodetic records of seismic and aseismic subduction from central Sumatran microatolls, Indonesia // JGR, 2004, Vol. 109, B04306

104. Newcomb K., McCann W. Seismic history and seismotectonics of the Sunda arc.// JGR. 1987. V. 92, NO. Bl. P. 421-439

105. Ord A, Zhang Y, Hobbs B.E., Regenauer-Lieb IC. Brittle fracturing at the laboratory to out crop // Predictive mineral discovery CRC Conference, Barocca Valley USA 1-3 June 2004 cc. 171-174

106. Pauselli C., Federico C., Braun J. Crustal deformation in subduction zones: information from numerical modelling // GNGTS Atti del 19° Convegno Nazionale 14.05,2005 - c.l 10-126

107. Pauselli C., Federico C. «Elastic modeling of the Alto Tiberina normal fault (Central Italy): geometry and litological stratification influences on the local stress field» // Tectonophysics, No. 347,2003 -p.99-113.

108. Popov A.A., Sobolev S.V. SLIM3D: A tool for the three-dimensional thermomechanical modeling of the lithospheric deformation with elasto-visco-plastic rheology// Physics of the Earth and Planetary Interiors, 2008, 171, 1-4, 5575

109. Pysklywec R.N. Beaumont Ch., Fullsack Ph. Lithospheric deformation during the early stages of continental collision: numerical experiments and comparison with South Island, New Zealand // 2007, 58 CTp

110. Ribe N.M., Stutzmann E., Ren Y., van der Hils R. Buckling instabilities of subducted lithosphere beneath the transition zone // Earth and Planetary Science Letters № 254,2007 c. 173-179

111. Riedel M. R., Karato Sh., Yuen D.A. Criticality of Subducting Slabs // www.dynamicearth.de/Projects/geoprocesses/mitarbeiter/miker/Paper/EPSL99

112. Richards S., Lister G., Kennett B. A slab in depth: 3D geometry and evolution of the Indo-Australian Plate, 2007 — 27 c.

113. Schellart W.P. Influence of the subducting plate velocity on the geometry of the slab and migration of the subduction hinge // Earth and Planetary Science Letters 231 (2005) 197-219

114. Simo, J.C., Hughes, TJ.R. Computational Inelasticity //2nd edn. Springer-Verlag, New York, 2000.

115. Simoes M., Avouac J. P., Cattin R., and Henry P. The Sumatra Subduction zone: A case for a locked fault zone extending into the mantle // JGR, 2004, Vol.109, B10402, doi:10.1029/2003JB002958

116. Silver E.A., Reedl D., McCaffrey R., Joyodiwiryo Y. Back arc thrusting in the Eastern Sunda Arc, Indonesia: a consequence of-arc-continent collision // JGR, 1983, Vol. 88, № B9, p.7429-7448

117. Sobolev S. Three-dimensional modelling of lithospheric dynamics coupled with mantle convection // Geodynamical Phenomena: From Field, Observational, Computational, Seismological and Rheological Perspectives, Suzdal, 2009

118. Stern R.J. Subduction zones // Reviews of Geophysics, №40 Vol.4 December 2002 c 301-338

119. Vlasov, A. N., Yanovsky, Yu, G., Mnushkin, M. G. and Popov, A. A., « Solving geomechanical problems with UWay FEM package»// Computational Methods in Engineering and Science (ed. Iu, V. P.), Taylor & Francis, 2004, pp.

120. Van der Voo R., Spakman W., Bijwaard H., Tethyan subducted slabs under India // Earth Planet. Sci. Lett. № 171 1999 c. 7 -20.

121. Widiyantoro S., Kennett B.L.N., van der Hilst R.D., Seismic tomography with P and S data reveals lateral variations in the rigidity of deep slabs // Earth Planet. Sci. Lett. № 173 1999- c. 91-100.

122. Zienkiewicz, O.C., Taylor, R.L. The finite element method // 5th edn. Butterworth-Heinemann, Oxford. 2000

123. Zhong S. Role of ocean-continent contrast and continental keels on plate motion, net rotation of lithosphere, and the Geoid // JGR, 2001, V 106, pp.703-712453.461.

Информация о работе

Погорелов, Виталий Викторович
кандидата физико-математических наук
Москва, 2011
ВАК 25.00.10

Диссертация

Тектонофизический анализ напряжений земной коры Зондской сейсмоактивной области - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы