6.4 Вариации тектонического погружения, вызванные изменением в распределении плотностей пород фундамента

Мы говорили о том, что включение подстилающей литосферы и части астеносферы в область поиска распределения температуры (наряду с осадочной толщей бассейна) позволяло при моделировании в системе ГАЛО вычислять вторую часть амплитуды тектонического погружения в (6-1) ZTb , обусловленную вариациями в глубинном распределении плотностей пород фундамента, чтобы использовать полученные данные для дополнительного контроля исходных параметров моделирования бассейна. Алгоритм вычисления значений ZTb следует из рисунка 1-6. Приравнивая веса столбцов А1АI и В1В1 на правом рис. 1-6, получаем соотношение:

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

откуда следует выражение для ZTb (Makhous et al., 1997):

(6-8)

Здесь g - ускорение силы тяжести и G - вес столбца фундамента некоторой фиксированной высоты lo (рис. 1-6):

(6-9)

Плотность пород фундамента _l (Z,t) является функцией температуры T(Z,t), давления P(Z,t) и времени t в согласии со сказанным в предыдущем разделе главы. Там же отмечалось, что параметр _o в формуле (6-6) включалет вариации плотности, вызванные различием в типе пород (кора, мантия, “гранитный” или “базальтовый” слои), фазовыми переходами в пределах перидотитовой мантии литосферы, а также растяжением литосферы.

При расчетах тектонического погружения по формулам (6-4), (6-8), 6-9) глубина поверхности изостазии совпадала с глубиной основания области счета и приходилась на глубинные горизонты хорошо прогретых, реологически ослабленных пород астеносферы или низов литосферы, способных течь под действием сравнительно слабых разностей напряжений. Отметим, что отклонения от состояния изостазии ожидаются незначительными как на рифтовом этапе развития бассейна, когда его литосфера ослаблена аномальным прогреванием и растяжением, так и на региональном этапе его эволюции, когда характерные горизонтальные размеры осадочного покрова будут заметно превосходить эффективную “упругую” мощность подстилающей литосферы (Артюшков, 1979; Галушкин и др., 1991). Для локально-изостатического отклика литосферы на нагрузку относительные изменения амплитуд тектонического погружения, вычисленные удалением нагрузки осадков и воды с поверхности фундамента по формуле (4-6) и показанные сплошной кривой на рис. 1-3В, должны совпадать с изменениями амплитуд, полученными из вариаций плотностей пород фундамента (формулы (6-8) и (6-9); пунктирная кривая на рис. 1-3В). В следующем разделе будет показано, что условие совпадения кривых вариаций тектонического погружения, вычисленных двумя способами, может быть использовано для оценки продолжительности и амплитуды тектонических и термических событий, имевших место в истории развития литосферы бассейна.

6.5 Оценки продолжительности и амплитуд тепловых и тектонических активизаций бассейнов из анализа тектонических кривых

Как следует из данных таблиц 2-1 и 3-1 главы 1, растяжение литосферы бассейна (или выражаясь точнее сокращение мощности коры) нельзя считать мгновенным процессом ни на стадии континентального рифтогенеза (табл. 2-3 и 2-4; глава 2; Takeshita and Yamaji 1990), ни в периоды следующих тектонических реактивизаций бассейна (рис. 3-1В, 3-6В). Система ГАЛО допускает анализ термического режима системы "осадочная толща-фундамент" с учётом одновременного протекания процессов осадконакопления (эрозии или перерыва) и уменьшения мощности коры в результате растяжения литосферы или эрозии коры снизу (глава 2). Геологические аспекты процессов растяжения и тепловой активизации литосферы бассейнов обсуждались в главе 2, здесь мы остановимся на алгоритмическом описании процессов в программных пакетах и рассмотрим отдельные примеры их моделирования. В системе ГАЛО растяжение литосферы моделируется в виде последовательности эпизодов растяжений с малыми амплитудами _i ,

Рис. 3-6. Численная реконструкция эволюции истории погружения и термического режима осадочной толщи (А) и подстилающей литосферы (С) бассейна Иллизи в районе скв. TGE-1, Восточный Алжир (Makhous and Galushkin, 2003).

Рис. В: (1) - тектоническое погружение поверхности фундамента при снятой нагрузке воды и осадков; (2) – то же за счёт вариаций распределения плотностей в фундаменте (см. текст). Вычисленная геотерма и измеренные значения температур в современном разрезе бассейна предполагают высокий термический режим литосферы бассейна.

отвечающиx каждый своему интервалу времени t_i, так что полная амплитуда растяжения за

время t = t₁ + t₂ +  +t_n достигала = ₁ ₂ _n , где n - полное число элементарных этапов растяжения литосферы. Расчёт термического режима проводится в предположении мгновенного адиабатического растяжения области в _i раз и последующей термической релаксации в течении интервала времени t_i. В большинстве вариантов развития континентальных бассейнов и их моделирования продолжительность эпизодов растяжения литосферы варьирует от 40 до 100 млн.лет, а скорости растяжения редко превышают 0.1 мм/год (см., например, этапы РАС1 и РАС2 на рис. 3-1е и этапы EXT-1 - EXT-3 на рис.3-6В. В таких условиях процесс растяжения в большей степени сказывался на глубине границы Мохоровичича, чем на глубинах изотерм растягиваемой литосферы (рис.3-6). Алгоритмы моделирования позволяют рассматривать сокращение слоя “нормальной” коры не только как результат растяжения литосферы, но и как результат действия фазовых переходов, переводящих породы нижних горизонтов континентальной коры в более плотные гранулитовые и эклогитовые фации (глава 2; Артюшков, 1993). В этом случае процесс утонения коры моделируется последовательной эрозией её нижних слоёв, выражающейся в замещении нижних слоёв коры мантией.

Тепловая активизация, подобно тектонической, могла повторяться неоднократно в истории бассейна. В системе моделирования бассейнов ГАЛО процесс тепловой активизации литосферы бассейна численно воспроизводится поднятием кровли термического диапира с температурой Tdiap  1000-1200^oC с определённой скоростью. При этом распределение температуры в интервале Tdiap < T < Tlow переписывается на каждом шаге времени на распределение, возрастающее линейно от температуры в кровле диапира Tdiap до значения Tlow, поддерживаемого в основании области счёта. Полагалось, что в течении определенного времени становления “теплового диапира” (от 5 до 50 млн. лет) его кровля поднималась с постоянной скоростью (от 0.5 до 5 км/млн.лет) от своего начального положения до конечной глубины. Затем кровля диапира либо продолжала воздымание до окончания тепловой активизации, либо оставалась на той же глубине, либо погружалась при частичной релаксации теплового диапира. Скорость и амплитуда подъёма диапира и продолжительность его активности подбираются так, чтобы минимизировать отклонение амплитуд тектонического погружения фундамента, определяемых удалением нагрузки воды и осадков (сплошные линии на рис. 1-3е и 3-6в), от амплитуд, вычисляемых из распределения плотностей пород в фундаменте (мелко-пунктирные кривые на тех же рисунках). Например, в варианте моделирования бассейна Уэд эль-Миа на рис. 1-3, первая тепловая активизация, ТАК1, отвечала подъёму кровли астеносферного диапира с температурой 1000°C со скоростью около 5.5 км/млн.лет от 280 до 270 млн. лет назад и поддержанию этой кровли на неизменной глубине с эквивалентным тепловым потоком на поверхности около 100 мВт/м² в течение последующих 35 млн.лет. Вторая тепловая активизация в том же варианте моделирования, ТАК2, отвечала подъёму кровли диапира со скоростью около 1 км/млн.лет от 120 до 100 млн.лет и стагнации диапира по настоящее время, отвечающей тепловому состоянию литосферы с эффективным тепловым потоком на поверхности бассейна около 60 мВт/м². Рис. 3-6 даёт пример тепловой активизации, интенсивность которой продолжает расти и в настоящее время (ТАС-5).

Вариант развития бассейна Иллизи в Восточном Алжире, представленный на рис.3-6, интересен ещё и тем, что он предполагает одновременное действие тепловой активизации и растяжения литосферы в кайнозое. Необходимость кайнозойской тепловой реактивизации литосферы предполагается здесь высокими значениями температур, измеренными в современном разрезе бассейна (около 110°С на глубине 2 км; Makhous and Galushkin, 2003) ). На рис. 3-6В крупным пунктиром показано положение тектонической кривой (6-8) при учете одной лишь этой тепловой активизации. Видно, что в этом случае пунктирная кривая вариаций амплитуд тектонического погружения идёт заметно выше сплошной кривой. Если же предположить, что одновременно с тепловой активизацией в кайнозое имел место процесс сокращения мощности коры (в результате растяжения литосферы с небольшой амплитудой 1.16 или эквивалентной эрозией коры снизу в ответ на фазовые переходы), то обе тектонические кривые совпадают. В пользу такого варианта развития событий говорит и низкий рельеф поверхности бассейна при выраженной высокой тепловой активизации района. Такая ситуация повторяется на всех реконструируемых разрезах восточной половины бассейна Иллизи (см. глава 12). Высокий тепловой поток и предполагаемое «растяжение» литосферы согласуются с имеющейся геолого-геофизической информацией о высоком тепловом потоке и недавнем вулканизме в изучаемом районе (Makhous and Galushkin, 2003).

В заключение раздела необходимо отметить, что сам по себе тектонический метод не позволяет однозначно оценить амплитуды термических и тектонических событий в литосфере. Увеличивая одновременно начальный и конечный тепловые потоки, мы всегда можем подобрать соответствующую последовательность событий для одной и той же тектонической кривой. Однако, сочетание тектонического метода с измеренными значениями температур в современном разрезе бассейна и геолого-геофизической информации о строении и развитии района значительно сужают число возможных вариантов.