126

Глава-6. Тектоническое погружение, растяжение и термическая активизация литосферы бассейна

В первой главе книги говорилось о том, что тектоническая и тепловая история осадочных бассейнов могут быть сложными и что в истории многих бассейнов этапы растяжения и тепловой активизации литосферы моггут повторяться неоднократно (Восточно-Баренцевоморская впадина, северная часть норвежского шельфа, Северное море и другие бассейны; Newman and White, 1997). В таких бассейнах вслед за первым событием растяжения, связанным c начальным эпизодом рифтогенеза, через 40-100 млн. лет могли следовать дополнительные этапы растяжения литосферы с амплитудой 1.03-1.3 (табл. 2-1; 3-1; Huismans et al., 2001). Имеются бассейны, в истории которых рифтовая стадия развития была промежуточной, в результате чего рифтовые грабены оказались наложенными на осадочные отложения предшествующих стадий и погребёнными под отложениями последующих формаций (верхнемеловой – миоценовый грабен Сирт в Ливийско-Египетском бассейне, юрско-нижнемеловые грабены Центральный и Вайкинг в Североморском бассейне; Кучерук, Ушаков, 1985). Для таких бассейнов анализ вариаций кривых тектонического погружения применяется для оценки амплитуды и продолжительности периодов тепловой и тектонической реактивизации литосферы бассейна.

Эта оценка основана на возможности вычисления вариаций амплитуды тектонического погружения бассейна альтернативными методами. Как отмечалось, в системе ГАЛО область поиска распределения температуры включала кроме осадочной толщи ещё и подстилающую литосферу и даже часть астеносферы (если та существовала на глубинах менее 200 км). Это обеспечивало (помимо корректной трактовки теплообмена между осадочными слоями и фундаментом) возможность вычисления амплитуды тектонического погружения фундамента как снятием нагрузки воды и осадков, так и анализом временных вариаций в глубинном распределении плотностей пород литосферы. Анализ изменения амплитуд тектонического погружения был впервые использован при рассмотрении истории формирования и развития осадочных бассейнов Северного моря и пассивных окраин Атлантики в работах (MacKenzie, 1978; 1981; Sclater and Christie, 1980; Rouden and Keen, 1980). Под тектоническим погружением бассейна авторы понимали погружение поверхности фундамента осадочного бассейна за вычетом вклада нагрузки воды и осадков. Анализ тектонического погружения оказался полезным в моделировании бассейнов, так как он характеризовал тектоническую историю фундамента в «чистом» виде, освобождённом от влияния поверхностной нагрузки, оставляя лишь внутренние причины для вариаций его погружения, и поэтому он мог использоваться для оценок относительных амплитуд тектонических событий (MacKenzie, 1978; 1981; Sclater and Christie, 1980; Rouden and Keen, 1980). В этой главе мы раскроем смысл понятия «тектоническое погружение бассейна», приведём алгоритмы для его вычисления и подчеркнём роль анализа вариаций кривых тектонического погружения в моделировании бассейнов.

6.1 Вариации тектонического погружения фундамента, вызванные изменением поверхностной нагрузки.

В модели локального изостатического отклика литосферы на нагрузку имеются два основных источника изменения тектонического погружения поверхности фундамента (Sclater and Christie, 1980; McKenzie, 1981; Артюшков, 1993): первый - обусловленный нагрузкой на поверхность фундамента осадочного покрова и воды (ZTs), и второй (ZTb) - связанный с процессами, изменяющими распределение плотности в колонке фундамента (например, с нагреванием и охлаждением пород фундамента, смещением границ фазовых переходов, растяжением литосферы бассейна, фазовыми переходами пород в основании коры габброаого состава в эклогит и другими)

ZT = ZTs + ZTb (6-1)

Принцип вычисления амплитуд тектонического погружения представлен на рис. 1-6. Левый рисунок здесь иллюстрирует ситуацию с нагрузкой осадков и воды на поверхность фундамента, когда столбец АА соответствует времени t=0 - начала формирования бассейна, а столбец ВВ - развитому осадочному бассейну. Столбцы АА и ВВ включают помимо пород фундамента слои воды и осадков. Правый рисунок иллюстрирует вариации тектонического погружения поверхности фундамента, свободной от нагрузки воды и осадков. Столбцы А1А1 (t=0 - начало формирования бассейна) и В1В1 (t > 0 - развитый осадочный бассейн) включают только породы фундамента. Предполагается, что веса всех столбцов уравновешиваются на уровне компенсации, глубина которого совпадает с глубиной нижней границы области расчёта распределения температуры в модели, Z_k = ZM. Равенство веса столбцов АА и А1А1, а также ВВ и В1В1 приводит к уравнению:

g_wZ_w(0) + G(0) + g_a(Z_k - Z_w(0) - l₀) = G(0) + g_a(Z_k - Z_t(0) - l₀)

из которого следует:

(6-2)

В то же время равенство веса столбцов ВВ и В1В1даёт соотношение:

с нагрузкой воды и осадков без нагрузки на поверхность осадков

Рис. 1-6. Принцип вычисления вариаций тектонического погружения поверхности фундамента (Makhous et al., 1997).

Веса всех столбцов фундамента уравновешиваются на уровне компенсации = глубине нижней границы области счета Z_k. Равенство веса столбца АА весу столбца А1А1 и веса столбца ВВ весу В1В1 дает формулу для вариаций тектонического погружения как результат изменения нагрузки на поверхность фундамента (формула (6-4)). Равенство веса столбцов А1А1 и В1В1 определяет ZTb - часть тектонического погружения, обусловленную изменениям глубинного распределения плотности пород фундамента (формула (6-10).

g_wZ_w(t) + G(t) + g_sS(t) + g_a(Z_k - Z_w(t) - S(t) - l₀) = G(t) + g_a(Z_k - Z_t(t) - l₀)

откуда следует:

(6-3)

Из (6-2) и (6-3) получаем формулу, определяющую относительное изменение глубины поверхности фундамента ZTs при удалении с него нагрузки воды и осадков:

(6-4)

В этом уравнении, как и выше, t - время, t = 0 - начало формирования бассейна, Zw(t) - палеоглубины водной колонки на время t, S(t) - толщина осадочного покрова, _a и _w - плотности астеносферы и воды. Средняя плотность пород в столбце осадков _s(t) определяется выражением:

(6-5)

включающим полный литолого-стратиграфический разрез осадочной толщи изучаемого участка бассейна. Формула (6-4) получена в предположении локального изостатического отклика литосферы на нагрузку воды и осадков.. Если отложение осадков происxодило в "суxиx" континентальныx условияx то в (6-4) следует положить Z_w(t)=0.