ПЕТРОЛОГИЯ, 2010, том 18, № 4, с. 450-466
УДК 551.24/25
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГРАНИТОГНЕЙСОВОГО ДИАПИРИЗМА В ЗЕМНОЙ КОРЕ: КОНТРОЛИРУЮЩИЕ ФАКТОРЫ, ДЛИТЕЛЬНОСТЬ И ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ
© 2010 г. О. П. Полянский*, А. В. Бабичев*, С. Н. Коробейников**, В. В. Ревердатто*
*Институт геологии и минералогии СО РАН просп. Академика Коптюга, 3, Новосибирск, 630090, Россия; e-mail:pol@uiggm.nsc.ru **Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН просп. Лаврентьева, 15, Новосибирск, 630090, Россия; e-mail: korob@hydro.nsc.ru Поступила в редакцию 12.01.2010 г.
Статья посвящена моделированию формирования гранитогнейсовых куполов, образовавшихся путем диапирового всплывания. Описаны природные примеры диапиризма гранитной магмы в докембрий-ских гранит-зеленокаменных поясах, а также в пределах комплексов метаморфических ядер. В работе предлагается новый подход, описывающий процессы частичного плавления и развития гравитационной неустойчивости в гранитном слое коры, испытавшем тепловое воздействие и плавление при внедрении базитового расплава. Реология частично расплавленного материала, как и окружающей среды, предполагалась температурно-зависимой, подчиняющейся либо закону пластичности, либо ползучести (неньютоновой вязкости). Результаты моделирования показывают, что реология коры существенно влияет на характер диапиризма (форму всплывающих тел, длительность, ширину термического ареола). Скорости процессов всплывания при описании свойств коры как упругопластичного тела (метры—десятки метров в год) на порядки превышают скорости, получаемые при моделировании в рамках ползучести (вязкой жидкости), которая составляет 0.8 см/год. По результатам моделирования оказалось, что существует предельная глубина всплывания частично закристаллизованного расплава, соответствующая изотерме 400°С, в моделях с учетом температурной зависимости свойств ползучести среды.
Кислый расплав в нижней коре может сформироваться в следующих случаях: 1) в процессе термической релаксации утолщенной коры в орогениче-ских областях; 2) за счет регионального увеличения теплового потока из мантии над поднятиями астеносферы; 3) при глубинных интрузиях базитов под основание коры (андерплейтинга); 4) вследствие внутрикорового разогрева, обусловленного аномальным распределением радиоактивных элементов. Движение возникшего расплава определяется перераспределением вещества по плотности в гравитационном поле. Оно происходит путем интрузий или вследствие диапиризма и контролируется рядом факторов, главными из которых являются температура и реология среды. Среди многообразия проявлений гранитоидного магматизма в континетальной коре выделяются гранитные интрузии и гранито-гнейсовые диапировые купола. Настоящая статья посвящена моделированию формирования грани-тогнейсовых куполов.
Диапиризм гранитной магмы широко развит в докембрийских гранит-зеленокаменных поясах, а также в пределах комплексов метаморфических ядер (\nderhaeghe, 2009). Геологическим примером диапировой структуры может являться Тейский гра-нитогнейсовый купол, расположенный в заангар-
ской части Енисейского кряжа (Ножкин и др., 1999). Купольная структура площадью 1500 км2 является самым верхним элементом структурно и орографически приподнятого сиалического блока в пределах центральной зоны Енисейского кряжа. Ядерная часть купола образована гнейсами, гранитогнейса-ми, гнейсогранитами, а также интрузивными магматическими гранитами, средняя плотность которых составляет 2600 кг/м3 (Ножкин и др., 1983). Окружающие породы — метаморфические толщи тейской и сухопитской серии протерозойского возраста, состоящие из высокоглиноземистых гранат-ставролит-биотитовых кристаллических сланцев (плотностью 2960 кг/м3) и ортоамфиболитов (2920 кг/м3). Контакты гранитоидов с вмещающими породами преимущественно согласные, но на отдельных участках (на поверхности и на глубине, по геофизическим данным) они становятся секущими. Тейская структура выделяется как крупное поднятие первого порядка, осложненное куполами второго порядка (Итуйский, Индольский, Тырыдинский купола площадью 6—10 км2). Последним свойственны кольцевые и полукольцевые разломы, залегающие с крутым падением в сторону периферии купола. Геохронологические исследования и-РЬ методом по цирконам, отобранным в зоне Итуйского купола,
Рис. 1. Схема формирования купольной структуры Фангшан (Северо-Китайская кратон) по данным (Не е! а1., 2009). Гранодиоритовое ядро (отмечено крестиками) окружено зоной контактово-метаморфических, деформированных пород (пунктир с символом НТ8А). Пунктиром показана граница регионального зеленосланцевого метаморфизма. Наблюдается утонение и прорывание стратиграфических слоев в пределах синклинальной структуры, обрамляющей ядерную часть купола.
показали возраст одного из этапов формирования Тейской структуры в 866 ± 16 млн. лет. Этот возрастной рубеж подтвержден позднее SHRIMP-анализом цирконов (Берниковский, Берниковская, 2006), отобранных из гранитоидов северной части Тейского массива (864 ± ± 9—868 ± 10 млн. лет). Достаточно близкие оценки возраста говорят о том, что структурные элементы разного порядка Тейского гранитогнейсового купола формировались практически одновременно.
Другими примерами гранитогнейсовых диапи-ров являются купол Фангшан (Северо-Китайский кратон) (He et al., 2009) и купол горы Тор-Один (Канадские Кордильеры) (Norlander et al., 2002). Параметры формирования купольной структуры Фангшан представлены на рис. 1. Бозраст образования — 128.5—132.4 млн. лет (данные по датированию цирконов методом SHRIMP (Davis et al., 2001)), данные Ar/Ar-датирования биотита и роговой обманки (Ma, 1989) дают близкие возрастные датировки стадии охлаждения в 131.1—132 млн. лет. Основываясь на оценках, полученных по А^Ю5-калишпатовому геобарометру, давление при становлении диапира составляло 2 кбар, соответственно глубина внедрения — 6—7 км. Ширина метаморфической зональности варьирует в диапазоне 300—2000 м при размере гранодиоритового ядра диапира 8—10 км. Б зональности выделяются (от гранодиоритов к периферии) андалузит/силлиманит-калишпатовая, гранат-став-ролитовая и андалузит-биотитовая зоны, что соот-
ветствует температурам метаморфизма от 650—700°С до 450—500°С. Поскольку анатексиса внутри ареола не наблюдается, то максимальная температура не превышала 675°С. Гранодиоритовое ядро окружено концентрической зоной сдвигово-деформирован-ных пород шириной 200—600 м. По периферии ядра наблюдается обрамляющая синклинальная структура, что, по-видимому, может рассматриваться как признак совместной деформации гранитоидов и вмещающих пород при подъеме диапира. Эрозия вмещающих метаосадков над верхней частью диапира составляет более 4 км, рассчитанная по сравнению с мощностью неэродированных осадочных отложений на удалении от купольной структуры. Это означает, что минимальная высота подъема диапира была не менее толщины эродированных пород.
Гранит-мигматитовый купол горы Тор-Один является одним из совокупности куполов плутонического пояса Роки Маунтин (Западные Кордильеры, Канада) (Мог1апёег е! а1., 2002). Он представляет собой овал размером 5—7 на 20 км. Ядро составляют мигматито-гнейсы, лейкограниты; обрамление купола сложено грубообломочными метабазитами зе-леносланцевой фации. По реконструкции термохронологической истории формирования выделяются следующие этапы формирования купола: I этап — погружение пород при коллизии и формировании орогена, затем — анатексис, II этап — изотермическая декомпрессия от 10 до 4—5 кбар (17— 21 км) в процессе всплывания диапира, III этап —
растяжение и эксгумация ядер диапиров и метаморфических пород обрамления (формирование комплекса метаморфических ядер (Скляров, 2006)). Длительность всплывания диапира оценивается приблизительно в ~4 млн. лет на основе датирования зерен цирконов методом SHRIMP в диапазоне 60—56 млн. лет (Vanderhaege, 1999). Полученные из геологического анализа параметры процесса диапи-рового подъема гранитной магмы применялись для построения теплофизической и компьютерной моделей, описанных далее.
Исследования механизмов всплывания при гравитационной неустойчивости проводились ранее как с помощью лабораторных экспериментов, так и путем математического моделирования. Физическое моделирование на аналоговых материалах с помощью центрифуги (Рамберг, 1985) доказывает реальность природного диапирового механизма. В результате лабораторных экспериментов Х. Рамбергом впервые была разработана концепция о диапиризме гранитной магмы. Из аналоговых экспериментов (Кирдяшкин и др., 2005) следует, что диапироподоб-ные структуры могут формироваться в виде протяженных вертикальных плюмов в процессе плавления среды с участием значительной доли расплава.
В зависимости от температуры материал коры может описываться различными моделями. Так как явление диапиризма гранитной магмы развивается при температурах, близких к плавлению гранита, то большинство исследователей для математического моделирования всплывания вещества выбирают уравнения вязкой жидкости (ньютоновской, если вязкость предполагается постоянной) (Gerya, Burg, 2007; Bittner, Schmeling, 1995; Vanderhaeghe, 2009; Weinberg, Podladchikov, 1994). В работе (Bittner, Schmeling, 1995) разработана модель, учитывающая формирование магматического диапира в результате плавления нижней коры, куда внедрялся высокотемпературный расплав основного состава. Показано, что при реалистичной реологии коры подъем диапира происходит до уровня глубин 12—15 км, выше которого температура вмещающих пород мала для реализации деформаций ползучести. Рассматривались модели движущейся границы раздела сред при плотностной неустойчивости гранитогнейсов и вмещающих пород нижней коры (Полянский, 1989; Полянский, Волков, 1990). Несмотря на достигнутые успехи в моделировании явления диапиризма в рамках уравнений вязкой жидкости, авторы настоящей работы остановились на новом подходе: решение геометрически и физически нелинейных уравнений механики деформируемого твердого тела (МДТТ). Причины развития нового подхода следующие: во-первых, уравнения вязкой жидкости предполагают среду
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.