ГЕОТЕКТОНИКА, 2010, № 5, с. 3-21
УДК 551.24
ФОРМИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ГОРНОЕ СООРУЖЕНИЕ - ПРЕДГОРНЫЙ ПРОГИБ: ГЕОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И ЕЕ СОПОСТАВЛЕНИЕ С ДАННЫМИ ПО СЕВЕРНОМУ ПРЕДКАВКАЗЬЮ
© 2010 г. Е. П. Тимошкина1, Ю. Г. Леонов2, В. О. Михайлов1
1 Институт физики Земли РАН, 123995, Москва, Большая Грузинская, 10 2 Геологический институт РАН, 119017, Москва, Пыжевский пер., 7 Поступила в редакцию 25.01.2010 г.
В работе показано, что нарушение механического и термического равновесия в поверхностной оболочке Земли в результате мантийных или локальных внутриплитных процессов, связанных с периодами тектонической активности, приводит к формированию конвективных течений в маловязкой астеносфере. Эти течения воздействуют на литосферу и создают в ней области погружения или поднятия, которые могут развиваться длительное время после окончания периодов тектонической активности. Если плотность астеносферы не убывает с глубиной, то маломасштабные течения увеличивают поднятие в зонах сжатия континентальной литосферы и создают области погружения на их периферии, поэтому маломасштабная конвекция, по нашему мнению, является основным геодинамическим фактором, формирующим предгорные прогибы.
В статье представлены результаты детального численного моделирования процесса формирования предгорных прогибов на периферии горных сооружений. Для задания начальных условий для стадии континентальной коллизии рассмотрены доколлизионные стадии развития подвижного пояса, включающие стадию растяжения с образованием прогиба на утоненной континентальной или на океанической литосфере и стадию формирования осадочного бассейна (в зависимости от величины растяжения это может быть внутреннее море или пассивная континентальная окраина). Эти начальные условия использованы для моделирования стадии сжатия (континентальной коллизии), на которой собственно и происходит формирование системы горное сооружение — предгорный прогиб. Параметры модели и тектонических процессов были выбраны так, чтобы результаты численных расчетов были близки к данным по Большому Кавказу и Северному Предкавказью, включая мощность слоев земной коры и осадочного чехла, строение предгорных прогибов, скорости тектонического погружения, тепловой поток и др. Сопоставление результатов численного моделирования с данными об истории формирования Предкавказских прогибов подтверждает, что первый этап регионального сжатия на Большом Кавказе произошел до начала формирования майкопских отложений. Далее могут быть выделены, как минимум, еще три компрессионные стадии, произошедшие на интервалах времени 16.6—15.8 млн. лет (тархан), 14.3—12.3 млн. лет (конк — ранний сармат) и 7.0—5.2 млн. лет (понт). Еще один этап регионального сжатия, очевидно, происходит в настоящее время.
ВВЕДЕНИЕ
Формирование горных сооружений и ассоциированных с ними предгорных прогибов — это одно из проявлений процесса деформации континентальной литосферы. Характер деформирования литосферы определяется большим количеством факторов, включая ее реологические свойства (которые определяются мощностью литосферы, составом и термическим режимом слагающих ее пород, величиной приложенных напряжений, скоростями деформации, присутствием воды в кристаллической решетке и т.д.), и процессами, происходящими в подстилающей мантии. В глобальном контексте литосфера является тонким, относительно размеров планеты слоем, расположенным на поверхности конвектирующей мантии. Независимо от того, как устроена мантийная конвекция (общемантийная или двухъярусная, разделенная областью фазовых переходов на глубине 660 км и т.д.), в любом случае именно она, как принято считать,
определяет движение литосферных плит и большинство внутриплитных процессов. При моделировании процессов формирования и эволюции тектонических структур в поверхностной оболочке Земли влияние мантийной динамики является внешним фактором и задается посредством граничных условий, в виде скоростей или напряжений, приложенных к боковым границам и подошве модели выбранного участка погранслоя. Далее под внешними воздействиями мы будет понимать напряжения или вызванные ими смещения, приложенные к внешним границам модели. Эти граничные условия описывают либо воздействия, связанные с восходящими или нисходящими мантийными потоками непосредственно под моделируемой областью, либо внутриплит-ное растяжение—сжатие, т.е. процессы, также связанные с нисходящими или восходящими мантийными потоками, но расположенными на удалении от моделируемой области.
В работах авторов [9, 10, 15, 35* и др.] была построена модель формирования тектонических структур в реологически расслоенной поверхностной оболочке Земли, которая включает осадочный слой, литосферу и астеносферу и расположена на поверхности конвектирующей мантии. Эта поверхностная оболочка является погрансло-ем, т.е. тонким в масштабах планеты слоем, который по плотности, реологии, вертикальному градиенту температуры и т.д. отличается от основного объема мантии.
Один из основных результатов, полученных путем качественного и численного анализа уравнений для этой модели, состоит в следующем. Деформация поверхностной оболочки под действием внешних сил приводит к нарушению в ней механического и термического равновесия. В результате в по-гранслое возникают градиенты давления, под действием которых в маловязкой астеносфере начинают формироваться маломасштабные конвективные течения. Они названы маломасштабными потому, что в данном случае характерный размер конвективных ячеек равен мощности астеносферы, т.е. порядка 100 км, что существенно меньше характерных масштабов мантийной конвекции.
Астеносферная конвекция воздействует на литосферу, существенно усложняя строение и процесс развития поверхностных структур. Так, под влиянием маломасштабной конвекции в обста-новках регионального сжатия могут возникать области локального растяжения и наоборот, в об-становках регионального растяжения могут возникать области локального сжатия. Подобное чередование областей растяжения и сжатия наблюдается в реальных структурах, но его не удается объяснить простым схождением или расхождением литосферных плит [43]. Маломасштабная конвекция может также существенно увеличить глубину осадочных бассейнов по сравнению с моделями термического погружения [32] и создавать области погружения на периферии областей сжатия [35], т.е. формировать предгорные прогибы на периферии горных сооружений. Отметим, что конвективные течения в астеносфере использовались и другими авторами для объяснения особенностей строения и эволюции ряда региональных тектонических структур, но в основном на качественном уровне [19, 24, 27, 30 и др.].
В данной статье выполнен детальный численный анализ развития маломасштабной конвекции в поверхностной оболочке Земли в применении к областям горообразования. Начальные и граничные условия выбраны так, чтобы описать процесс формирования системы Большой Кавказ — Предкавказские прогибы. В процессе моделирования выяснилось, что если начинать расчеты собственно с фазы сжатия и горообразования, то
* Перевод на русский язык статей [33—35], которые многократно цитируются в данной работе, можно найти на сайте www.cnrrb.ru.
конечный результат существенно зависит от принятых начальных условий — мощности слоев поверхностной оболочки, распределения в ней температуры и плотности. Система Предкавказских прогибов, как структур орогенного типа, т.е. собственно предгорных прогибов, возникла, строго говоря, с сармата, когда стал поступать обломочный материал с растущего горного сооружения Большого Кавказа. Но в мелу, палеогене и неогене здесь уже были сформированы осадочные толщи значительной мощности, свидетельствующие о достаточно быстром погружении в это время. Это, возможно, было связано с продолжающимся восстановлением механического и термического равновесия, нарушенного на активных тектонических этапах в начале юры в период формирования прогиба Большого Кавказа и последующих этапов складчатости. Задать неравновесные начальные условия к началу фазы сжатия и горообразования затруднительно. Проблема начальных условий устраняется, если провести достаточно упрощенное моделирование раннеюрских стадий так, чтобы получить наблюдаемую мощность осадков и скорости погружения в передовом прогибе к началу этапа горообразования. Влияние начальных условий, принятых для ранней юры, на современную структуру пренебрежимо мало. Эта стратегия была принята в данной работе.
В силу существенной зависимости результатов геодинамического моделирования от строения и термического режима литосферы и астеносферы, характера сжатия и других факторов, мы в начале статьи даем краткое общее изложение модели с качественным описанием характера маломасштабной конвекции в областях растяжения и сжатия. Модель базируется на работах [9, 10] и является их дальнейшим развитием. Затем вкратце перечисляются необходимые для задания граничных и начальных условий данные о строении и истории формирования систем горное сооружение — предгорный прогиб, в основном на примере Большого Кавказа. Далее следует критический анализ предложенных ранее геодинамических моделей. Затем приводятся результаты численного моделирования, целью которого являлось описание процесса формирования системы Большой Кавказ — Предкавказье. В последнем разделе работы численные результаты сопоставляются с данными о строении и развитии Предкавказских прогибов.
Геодинамическая модель: принципы построения и основные результаты
Исследуем процесс формирования тектонических структур в реологически расслоенной поверхностной оболочке Земли. Для этого необходимо описать движения и деформации поверхностного погранслоя под действием сил, инициированных мантийной конвекцией, и рассмотреть движения в литосфере и астеносфере, связанные с восстановлением механического и термического равновесия,
нарушенного в процессе деформации погранслоя внешними силами (принимая действия таких сил, но не обсуждая здесь их возможную природу). Для решения этой задачи мы усовершенствовали термомеханическую модель эволюции поверхностной оболочки, предложенную в работах [9, 10] и впервые
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.