ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2014, № 6, с. 124-137
УДК 551.24
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МАШИННОГО ДИАПИРИЗМА КАК ПРИЧИНЫ ВНУТРИКОНТИНЕНТАЛЬНОГО РИФТОГЕНЕЗА
© 2014 г. О. П. Полянский1, С. Н. Коробейников2, 3, А. В. Бабичев1, В. В. Ревердатто1, В. Г. Свердлова1
Институт геологии и минералогии им. B.C. Соболева СО РАН, г. Новосибирск
E-mail: pol@igm.nsc.ru 2Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН, г. Новосибирск 3Новосибирский государственный университет, г. Новосибирск Поступила в редакцию 27.01.2014 г.
Разработана численная модель мантийного диапиризма и "активного" рифтогенеза, которая описывает возможность растяжения и утонения коры под действием локального 100-км теплового источника в сублитосферной мантии, вызывающего плавление и подъем магматического диапира сквозь литосферу кратона. Модель совмещает механизм всплывания аномально горячего вещества ввиду его гравитационной неустойчивости, андерплейтинг магмы под континентальной корой и ее растяжения за счет сил конвективных течений в основании плиты. Результаты моделирования позволяют описать некоторые геологические особенности совместного формирования крупной Ви-люйской изверженной провинции и Вилюйского осадочного бассейна.
DOI: 10.7868/S0002333714060052
ВВЕДЕНИЕ
Замечено, что континентальные внутриплит-ные крупные изверженные провинции во многих случаях располагаются в пределах осадочных бассейнов и образуются совместно или предваряют их формирование [Bryan, Ernst, 2008]. Для реконструкции механизмов образования внутрикратон-ных вулканогенно-осадочных бассейнов важным моментом является корреляция динамики погружения поверхности коры и базитового магматизма, связанного с растяжением. Общий объем бази-товых пластовых интрузий и эффузивов в массе осадочных отложений косвенно характеризует степень истощения и утонения мантийной литосферы под бассейном. Примеры природных древних и современных бассейнов показывают широкий разброс параметров, характеризующих длительность и скорость погружения, степень растяжения/утонения литосферы, возраст и масштаб магматизма [Burov, Poliakov, 2001; Huis-mans et al., 2001]. В целях построения общей модели континентального рифтогенеза важно определить движущие силы формирования бассейнов, завершивших свое развитие на континентальной стадии и не вступивших в фазу океанического спрединга. Одним из примеров такой структуры является Вилюйский прогиб, который расположен на востоке Сибирской платформы и вмещает в себя основную массу траппов Вилюй-ской крупной изверженной провинции [Масайтис и др., 1975; Гайдук, 1988] (рис. 1). Эта геологическая структура представляет значительный инте-
рес в связи с интрузиями базитов и кимберлитов, внедрившихся в осадочных отложения, возраст которых детально определен по стратиграфическим и изотопным данным. Предполагается, что под бассейном в среднем палеозое существовал су-перплюм, вынесший к основанию литосферы значительные массы расплавленного материала, часть которого в объеме 320 тыс. км3 излилась на поверхность или внедрилась в осадочные отложения [Kuzmin et al., 2010; Киселев и др., 2014]. В выполненных ранее исследованиях [Гайдук, 1988; Прокопьев и др., 2001; Pavlov et al., 2008; Полянский и др., 2012а] доказывается рифтовая природа образования Вилюйского прогиба. Применялся комбинированный подход, состоящий из реконструкций скорости погружения, а также численного моделирования на основе механики деформируемой упругопластичной среды [Полянский и др., 2013]. Для Вилюйского бассейна по данным эволюции осадконакопления сделан вывод о неоднородном по площади бассейна и полистадийном растяжении. Сделаны оценки пространственного распределения параметров растяжения коры и мантийной литосферы, а также расширения за счет внедрения даек. Реконструкция позволяет выявить два этапа растяжения, приведших к накоплению осадков мощностью 4—5 км и форлан-довый этап, вызвавший аккумуляцию более 2 км осадков. Принимая модель двухслойной литосферы, делается вывод о преимущественном растяжении подкорового слоя (в 1.2—2.0 раза относительно 1.1-1.4-кратного в коре). В каждом из разрезов
120'
126° 132°
МОРЕ ЛАПТЕВЫХ
72°
68°
I
& 56°
138°
о7
56
120
Рис. 1. Рельеф кристаллического фундамента востока Сибирской платформы и среднепалеозойские дайковые пояса ([Прокопьев и др., 2001], с изменениями): 1 — изогипсы поверхности кристаллического фундамента; 2 — среднепалеозойские рои даек; 3 — области выходов пород кристаллического фундамента на дневную поверхность; 4 — основные разломы сбросового типа; 5 — фронт Верхоянского надвигового пояса. Буквами в кружках обозначены Сыангдинская (Сг), Линденская (Л), Тангнарынская (Т), Сарсанская (С), Кемпендяйская (К), Ыгыаттинская (Ы) и Суханская (Сх) впадины; Сунтарское (Су) и Оленекское (О) поднятия; Предпатомский (П) и Алдано-Майский (А) прогибы. Прямоугольником показана площадь Вилюйской крупной изверженной провинции, соответствующая модельной области.
оценена степень растяжения за счет внедрения базальтов, которая меняется в диапазоне у = 0.01— 0.12 при средней величине 0.06, т.е. около 6%. Эта величина представляется обоснованной при учете мощности траппов в обнажениях и в разрезах по скважинам в палеозойских осадочных отложениях.
Моделирование процессов термомеханического взаимодействия верхнемантийного диапи-ра (плюма) и литосферы рассматривается в ряде работ [Weinberg, Podladchikov, 1994; Farnetani etal., 2002; d'Acremont et al., 2003; Burov, Cloet-ingh, 2009; Соболев и др., 2009], однако особенно-
42
200 г, км
Осадочный бассейн
Кора: рс
Интрузии ; , базитов г,
М_ Id
■^«.It.YJUbtJt.V.H-tt.«-»—
В
Литосферная
мантия: р„
ü
Рис. 2. Принципиальная схема магматического риф-тинга по представлениям [Ruppel, 1995; Brian, Ernst, 2008; Bialas et al., 2010], используемая для постановки задачи моделирования мантийного диапиризма (вне масштаба).
сти деформирования при всплывании в лито-сферной части мантии освещены недостаточно полно. В частности, при применении реалистичной реологической модели нижней и верхней мантии, остаются неясными механизмы совместного плавления литосферного слоя и подъема через литосферу частично-расплавленного вещества магматического диапира.
Другой проблемой, требующей более детального исследования, является выявление механизма растяжения в континентальной коре [Б1а1а8 й а1., 2010]. Одной из причин предполагается растягивающее напряжение, возникающее при дивергентных течениях базитовой магмы под основанием коры в подстилающей мантии, как это происходит при океаническом спрединге в зоне серединно-океанических хребтов. Процесс аккумуляции и растекания магмы под границей Мохо, которая является плотностным барьером для подъема высокоплотных магм, называется андер-плейтингом [ТЪуЪо, Агйеш1еуа, 2013]. Когда мантийный диапир, всплывающий под действием архимедовой силы, рассматривается в качестве основного фактора, говорят об "активном" механизме рифтогенеза ^ирре1, 1995] (рис. 2).
Цель наших исследований — доказать с помощью численного моделирования: (1) возможность подъема магмы путем плавления и всплы-вания частично-расплавленной массы через литосферу кратона к основанию коры; (2) смоделировать механизм андерплейтинга магмы и его способность вызвать деформации растяжения континентальной коры.
Модель разработана на основе геологических, петрологических и геофизических данных, характеризующих структуру Вилюйской крупной из-
верженной провинции и одноименного осадочного бассейна, расположенных на востоке Сибирской платформы (рис. 1). Геометрия модельной области описывает структуру литосферы Сибирского кратона: ее толщина составляет 200 км, включая 45-км кору и 155-км мантийную литосферу. Геометрические соотношения в модели выбирались исходя из строения коры под Вилюйским бассейном по данным ГСЗ [Egorkin et al., 1987]. Современная толщина коры по геофизическим данным в центре Вилюйской впадины составляет 34—36 км, а вне прогиба — около 42 км. При мощности осадочного чехла 6—8 км (местами — до 14 км) [Гайдук, 1988] толщина кристаллической коры под бассейном составляет 26—30 км. Вилюйский осадочный бассейн представляет крупную впадину протяженностью около 800 км при ширине до 450 км. Впадина обрамлена двумя роями базито-вых даек: с северо-запада — Вилюйско-Мархин-ским протяженностью 750—800 км, с юго-востока — Чаро-Синским протяженностью до 500 км. В осевой части прогиба выделяется Контайско-Джер-бинское рассеянное поле даек того же простирания. Протяженная форма Вилюйского бассейна позволяет использовать двумерную модель, соответствующую поперечному сечению структуры.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И МЕТОД МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Совокупность петрологических и геологических данных служит основой построения предлагаемой численной модели, которая позволяет описать связь между мантийным диапиризмом и утонением/растяжением коры.
Рассматривается термомеханическая модель плоской деформации в связанной постановке. Для дважды непрерывно дифференцируемых полей вектора скорости Ы1 уравнения равновесия в дифференциальной форме вместе с граничными условиями имеют следующий вид (здесь и далее индексы I и] пробегают значения 1, 2) [Коробейников, 2000]
Gy,j + pgi = 0 в V, nPij = f* на Sf, u i = u* на Su.
(1)
Здесь — компоненты симметричного тензора напряжений Коши; g¡ — компоненты вектора ускорения свободного падения; р — текущая массовая плотность материала; V — область, занимаемая телом в текущей конфигурации; Б — замкнутая граница области V; Би, Б^ — части поверхности Б, на которых заданы компоненты вектора скоро-
0
сти u t и вектора напряжений Коши f = ; nt — компоненты вектора внешней нормали единичной длины к поверхности Sf; по повторяющимся индексам проводится суммирование от 1 до 2; запятая обозначает частную производную по соответствующей координате; звездочка обозначает заданную величину.
Для дважды непрерывно дифференцируемых полей температур T уравнение баланса тепловых мощностей имеет следующий вид [Ландау, Лиф-шиц, 1986; Holzapfel, 2000]:
а уравнение баланса тепловых мощностей в слабой форме записывается в виде
pcpT = Gydy + kT
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.