ПЕТРОЛОГИЯ, 2012, том 20, № 2, с. 136-155
УДК 551.2.03+551.22
ФОРМИРОВАНИЕ И ПОДЪЕМ МАНТИЙНЫХ ДИАПИРОВ ЧЕРЕЗ ЛИТОСФЕРУ КРАТОНОВ НА ОСНОВЕ ЧИСЛЕННОГО ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
© 2012 г. О. П. Полянский*, С. Н. Коробейников*****, А. В. Бабичев*, В. В. Ревердатто*
*Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН просп. Академика Коптюга, 3, Новосибирск, 630090, Россия; e-mail:pol@igm.nsc.ru **Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН просп. Лаврентьева, 15, Новосибирск, 630090, Россия; e-mail: s.n.korobeynikov@mail.ru ***Новосибирский государственный университет, ул. Пирогова, 2, Новосибирск, 630090, Россия
Поступила в редакцию 02.20.2011 г.
Получена после доработки 05.08.2011 г.
В статье представлены результаты численного моделирования гравитационно-неустойчивых процессов в литосферной мантии древних кратонов. Гравитационная неустойчивость рассматривается как результат плавления вещества в основании литосферы при нагревании ее участка аномальной мантией. Моделирование проведено методом конечных элементов в двумерной постановке. Модель учитывает геологическое строение и термомеханические параметры литосферы Сибирской платформы. На основании моделирования сделаны выводы о главных закономерностях мантийного диапиризма основной или ультраосновной магмы, поднимающейся сквозь "холодную" высоковязкую литосферу. Показано, что при учете реалистичной упруго-вязко-пластичной реологии вещества литосферы формируются диапировые магматические тела разной формы. Смоделированы разнообразные режимы всплывания диапира в литосфере, различающиеся по длительности, температурному полю, уровню подъема. Сделаны выводы об определяющей роли реологии в процессе всплывания расплава через литосферу до уровня границы мантия—кора, смоделированы условия осциллирующего режима диапиризма с повторными порциями поднимающейся магмы. Результаты моделирования могут объяснить некоторые особенности, связанные с трапповым магматизмом в пределах Сибирской изверженной провинции. Оценена длительность и скорость подъема магм, параметры периодического режима всплывания магм, дается возможное объяснение высокоскоростных сейсмических аномалий, наблюдаемых в субкоровых областях Сибирской платформы.
ВВЕДЕНИЕ
Формирование крупных изверженных провинций на континентальной и океанической плитах связывают с нижнемантийными суперплюмами, поднимающимися с глубин границы ядро—мантия (Romanowicz, Gung, 2002; Добрецов, 2010). Физические аспекты процесса движения плюма термической или термохимической природы достаточно хорошо изучены с помощью физического и математического моделирования (Кирдяшкин и др., 2005; Farnetani, Richards, 1994). Эта концепция включает всплывание в локальной области легкого, высокотемпературного и маловязкого мантийного материала — плюма — на фоне крупномасштабных мантийных конвективных течений. Интерес представляет случай, когда верхняя часть плюма поднимается к подошве литосферы, резко отличающейся по свойствам от нижележащей астеносферы. Взаимодействие материала плюма или его продуктов плавления с литосферной частью мантии, по существу, не изучено. Так, в статье Соболева и др. (2009) разработана модель взаимодействия мантийной струи и литосферы на Сибир-
ской платформе с целью объяснения образования меймечитов, сибирских траппов и кимберлитов. Показано, что температура под основанием литосферы в области мантийной струи достигает 1600°С, что достаточно для выплавления магмы меймечитов. В этой модели область вышележащей литосферной мантии сохраняется термически невозмущенной, подошва литосферы остается неподвижной и проникновение горячего вещества через литосферу в модели не рассматривается. В модели Бурова и Клотинга (Бигоу ОоеИ^И, 2009) исследовано взаимодействие плюма с тонкой молодой литосферой либо мощной древней литосферой кратона. При этом плавление в литосфере также не рассматривается. Результаты моделирования показывают, что зародившийся начальный шарообразный объем мантийного вещества диаметром 200 км поднимался с глубины 600 км к подошве литосферы (100 км) за ~1.5 млн. лет. При подъеме он горизонтально уплощался, растекался под основанием плиты и внедрялся в литосферу за время порядка 5—6 млн. лет. В случае молодой литосферы происходило интрудирование ее материалом плюма, утонение и рифтогенез в коре, а в случае мощ-
45--
T, °C
400 800 1200 1600
J_I_L
T = 0°C
axy = 0
N
u = 0
axy = 0
= 0
200
245 .
350 / 450
г, км 0 = 0.017 Вт/м3 Т = 1450 или 1650°С
Рис. 1. Постановка задачи, граничные и начальные условия 2D моделирования подъема мантийного диапира при плавлении литосферы.
Граничные условия, приведенные справа, выполняются на боковых сторонах. Слева показана стационарная геотерма, принятая в качестве начальной. Нанесена сетка конечных элементов, перестраиваемая в ходе вычислений. Переходный слой — недеформируемое основание литосферы. Линия Т = Т означает фронт плавления мантийного перидотита. Обозначения параметров см. в табл. 1.
а
yy
ной литосферы кратона проникновение плюма в литосферу не происходило, и рифтинг не наблюдался. Подъем плюма от границы ядро—мантия за время ~90 млн. лет исследован в модели Фарнета-ни и др. (Farnetani et al., 2002), где также отмечено растекание "головы" плюма на 2000 км под литосферой. В большинстве моделей мантийной конвекции плюм или диапир заранее определялись как уже сформировавшееся "легкое" и перегретое относительно окружающей среды тело, обычно шарообразной формы и с заданным объемом (Weinberg, Podladchikov, 1994; d'Acremont et al., 2003). Тем самым, условия зарождения и начала всплывания диапира задавались "по определению", а не находились из решения задачи. Неясными остаются вопросы о конечном этапе эволюции диапиров: как высоко расплав может подниматься и каково соотношение подъемной силы и вязкого сопротивления вещества при подъеме на верхние уровни литосферы? Таким образом, становится очевидно, что диапировый механизм транспорта магмы в наиболее вязкой и холодной части мантийной литосферы требует изучения. Другими важными вопросами являются следую -щие: 1) возможно ли проникновение частично расплавленного вещества сквозь жесткую литосферу; если да, то: 2) каков механизм подъема и форма всплывающих тел и 3) какова роль реологии литосферы, испытывающей фазовый переход при плавлении, в процессе диапиризма?
Поскольку реология литосферы описывается комбинацией упругих, вязких и пластических деформаций, эта задача является весьма сложной. Представляется, что наиболее эффективно осуществить подход к изучению термомеханических
процессов в континентальной литосфере с помощью компьютерного моделирования.
ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ
При разработке модели мы основывались на геологических, петрологических и геофизических данных, характеризующих структуру и вещественный состав Сибирской платформы. Хотя в модели использованы признаки и свойства характерные для многих древних платформ, параметры выбирались исходя из наличия информации, относящейся, главным образом, именно к Сибирской платформе.
Геометрия. Геометрия модельной области описывает структуру литосферы Сибирского крато-на: рассматривается 45-километровая кора (результаты ГСЗ, Suvorov et al., 2006) и 155-километровая мантийная литосфера. Общая мощность литосферы составляет 200 км, что обосновывается результатами сейсмической томографии по данным (Priestley, Debayle, 2003) (рис. 1). Такая же мощность литосферы (200—220 км) следует из вертикального разреза верхней мантии Сибирской платформы, построенного лучевым методом по данным первых вступлений сейсмических волн от ядерных взрывов (Суворов и др., 2010). В этой модели на большей части профиля Рифт, пересекающего Сибирскую платформу с севера на юг, на глубинах 180—220 км фиксируется граница скачка скорости продольных волн, которую можно интерпретировать как основание литосферы. Для простоты мы предполагаем мощность литосферы постоянной, равной 200 км.
Под основанием литосферы задавался переходный слой толщиной 45 км, моделирующий область
Таблица 1. Теплофизические и реологические модельные параметры коры и мантийной литосферы (где не указано различие, значения приняты одинаковые)
Параметр, символ (размерность)
Значение
Толщина коры; мантийной литосферы (км)
Ширина мантийной струи (км) Плотность коры, мантии/расплава, р0 (кг/м3)
Коэффициент Пуассона, V Модуль Юнга, Е (Па) Теплоемкость, ср (Дж/(кг К)) Теплопроводность коры, мантии, к (Вт/(м К))
Радиоактивное тепловыделение коры, мантии, А0 (Вт/м3)
Скрытая теплота плавления, Ь (КДж/кг) Доля расплава, ф
Мантийный тепловой поток, Qs (м Вт/м2) Тепловое расширение, а (К-1) Температура солидуса, Тт (°С)
Температура в основании литосферы, сублитосферной струи (°С) Предел текучести коры, мантии, <зу (МПа)
45 155
100 2800
3430/3350; 3250/2900 0.25 5 х 1010 1250 2.5 3.5 7.1 х 10-7 0
400 0.1-0.5 17
1.0 х 10-5 1350-1352; 1360-1370
1340 1450; 1650 100-400 0.1-1
астеносферы, где постоянно действует мантийный тепловой источник. Предполагается, что под кра-тон от границы верхней и нижней мантии (Бигоу, Ооейп^, 2009), либо от границы ядро-мантия (Добрецов и др., 2010) поднимается высокотемпературный мантийный поток (струя) с поперечной шириной 100 км. Для простоты экспериментов переходная зона не включалась в область расчета мантийных течений и рассматривалась только в качестве теплопроводящей. Ширина модельной области составляла 800 км, т.е. она в 4 раза превышала ее вертикальный размер, что позволило уменьшить влияние боковых границ. Для Сибирской платформы надежных данных о местоположении и ширине мантийной струи нет. Поэтому выбор поперечного размера мантийного потока основывается на оценках диаметра вулканических каналов горячих точек, исходя из анализа сейсмотомографических картин (МоП;еШ е! а1., 2004). Нами принималась минимальная величина из имеющихся оценок - 100 км.
Граничные и начальные условия показаны на рис. 1. Для механической части 2D задачи задавались условия скольжения на вертикальных боковых границах и неподвижной нижней границы; верхняя граница модели оставалась свободной. Для тепловой
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.