Тектонофізичних процеси

тектонофізичних процеси

Конвекція речовини в мантії

Відео: Четверта тектонофізичних конференція. Ранкове пленарне засідання

Умовою виникнення в хімічно однорідної середовищі теплової конвекції є критерій Релея:

, де a - коефіцієнт теплового розширення- g- прискорення сили тяжесті- DT - зміна температури в межах шару- Н - потужність верхнього шару мантії, де може протікати конвекція речовини-l - коефіцієнт теплопроводності- а - коефіцієнт температуропровідності.

Вважаючи a = (3 10^-5)⁰С, g= 10³см / с², Н = 700 км (700 10⁵ см), l = 10²¹см²/ С, а = 10^-2см / с, знайдемо мінімальну різницю температур (перепад температур в шарі), при якій буде відбуватися початок теплової конвекції речовини -

.Реально за рахунок підігріву мантійного речовини знизу перепад температур в низах і верхах мантійного шару потужністю

700 км може досягати декількох десятків градусів.

Взагалі кажучи, конвекція речовини у верхній мантії обумовлюється не тільки вертикальним градієнтом температури, що перевищує адіабатичний, а й також підведенням тепломасс до нижньої межі конвективного шару, внутрішнім підігрівом за рахунок радіонуклідів, існуванням латеральної температурної неоднорідності в шарі, де відбувається конвекція, гравітаційна нестійкість літосферних плит , в якій провідну роль відіграє архимедова сила затягування холодних і важких плит в гарячу мантію.

Прямим свідченням існування глибинної конвекції речовини є сейсмічні дані, згідно з якими опускається речовина літосферних океанічних плит в зонах субдукції простежуються на глибинах, значно більших, ніж гіпоцентри землетрусів.

На рис. 13 показані моделі можливих типів конвекції, а на рис.14 і 15 - схема конвекції речовини мантії по О.Г.Сорохтіну і С.А.Ушакову (1991).

Ізостазія

Як зазначалося раніше, супутникові та астрономо-гравіметричні дані свідчать про те, що поверхня геоїда відхиляється від поверхні нормального гідростатично рівноважного еліпсоїда обертання на невеликі величини, що виражаються в основному в десятках метрів. Це означає, що форма Землі в середньому така, як якщо б Земля складалася з однорідних концентричних шарів. Але це в середньому. Фактичні відхилення від рівноважного стану існують і вони, як говорилося раніше, фіксуються ундуляції (висотами) геоїда.

Гідростатичний рівновагу найбільш різко порушено плотностнимі неоднородностями в верхніх шарах земної кори, і, головним чином, за рахунок різкої вираженості рельєфу земної поверхні. Дослідження показують, що, тим не менш, на великих глибинах в літосфері існують якісь плотностние неоднорідності, які в значній мірі компенсують «руйнує» загальну картину рівноваги дію рельєфу місцевості. Це явище називають ізостазією. Вважається, що Ізостазія характеризує гідростатичний стан літосфери, що лежить на відносно ослабленому по реологическим характеристикам астеносферном шарі.

Вивчення ізостазії, особливо ділянок, де вона порушена, дає інформацію про протікання тектонофізичних процесів. Тому це явище привертає до себе увагу геологів-тектоністов.

Ізостатичне рівновагу означає, що під горами є недолік мас (тобто ділянки з негативною аномальної щільністю), а під великими западинами в рельєфі земної поверхні, навпаки, - надлишок мас (з позитивною аномальної щільністю), причому ці маси такі, що загальне тиск речовини під горами і западинами буде однаковим на деякій глибині, званої «глибиною компенсації» (100 і більше кілометрів).

Запропоновано дві схеми ізостатичного рівноваги: Ф.Пратта і Ер (рис.16).

В основі першої лежить припущення, що в літосфері існує якась горизонтальна поверхня на глибинах понад

100 км, у всіх точках якої тиск верхніх шарів однаково, тобто маси стовпчиків речовини літосфери в кожній точці земної поверхні рівні. В умовах різних висот рельєфу місцевості висоти стовпчиків будуть різні, але щоб маси були рівні, щільність речовини в кожному стовпчику приймається також різною. Таким чином, по Пратту верхній шар літосфери до кордону компенсації неоднорідний за щільністю, а його потужність залежить від висот рельєфу місцевості.

За Ері земна кора приймається однорідної по щільності і лежить на в`язкому підставі верхньої мантії, форма рельєфу якого аналогічна формі земної поверхні, але в дзеркальному відображенні. При цьому амплітуди рельєфу збільшені за рахунок різниці щільності кори і верхньої мантії.

Відео: Четверта тектонофізичних конференція в ИФЗ РАН. Пленарне засідання. Частина 2

Оскільки конструкції Пратта і Ері пов`язані з рельєфом земної поверхні і з густиною земної кори, то, природно, виникло питання про розрахунок відповідних полів тяжіння для цих моделей. Є відповідні формули. Різниця ж між наблюденним полем сили тяжіння і полем відповідної моделі ізостазії називають ізостатичного аномалій, які свідчать про відхилення реального геологічного розрізу від ізостатичного стану. Ці аномалії піддаються геологічної інтерпретації.

Як зазначалося, ундуляції геоїда також є характеристиками ізостатичного стану літосфери. Є відповідні теоретичні дослідження, на підставі яких отримані формули, що дозволяють обчислити висоти геоїда по наблюденним аномалій сили тяжіння. Такі розрахунки були виконані для території Білорусі і суміжних областей і побудована карта висот геоїда (див. Рис.3). Використовуючи попередні матеріали по геоїда, розглянемо, як коливання висот геоїда характеризують ступінь ізостатичного рівноваги літосфери регіону і як вони пов`язані з сучасними уявленнями про тектоніці регіону (див. Рис. 7).

Згідно з попереднім постулюється: регіон, окремі геологічні структури знаходяться в ізостатичному рівновазі, якщо відхилення геоїда від еліпсоїда не перевищують точності вимірювання висот геоїда (± 0,25 м). Поглянувши на карту висот геоїда, зображену на рис. 3, бачимо, що на території заходу Східно-Європейської платформи висоти геоїда змінюються від 24 до 35 м, утворюючи відповідно западини і підняття. Тобто в цілому літосферу регіону не можна вважати гідростатично врівноваженою. Подивимося тепер, як ця неврівноваженість розподіляється між геологічними структурами.

Перш за все помітна тенденція прогинання геоїда в східному напрямку. Фенноскандінавскій сегмент характеризується різноманітністю форм поверхні геоїда: тут і високоградієнтним схили, підняття і западини в основному північно-західного і субширотного простягання. Волго-Урал і Сарматія в межах досліджуваної території характеризується великими западинами геоїда. Чітко простежується Полоцьк-Курземська субширотна зона глибинних розломів, виражена в вузькій лінійно витягнутої западині геоїда, в яку з півночі впираються дві аномалії геоїда північно-західного простягання. На карті геоїда знаходять яскраве відображення Білоруська антеклиза (підняття геоїда), Підляського-Брестська западина (локальна западина геоїда широтного простягання). Львівська шовна зона виражена підняттям геоїда північно-східного напрямку.

У східній половині території зафіксована велика впадина геоїда амплітудою до 5 м. Вона охоплює Прип`ятський прогин, Коростенський плутон, але центральна, яскраво виражена, локалізована частина западини приурочена до Прип`ятського прогину.

У поведінці изолиний висот геоїда добре простежуються і тектонічні елементи Українського щита. Так, Коростенський та Білоцерківський блоки характеризуються прогином поверхні геоіда- Вінницький, Гайсинський і Ананьївський блоки - підняттям. На заході Українського щита, в області переходу до Львівської шовного зоні, простежується прогинання поверхні геоїда субмеридионального простягання.

На карті геоїда гарне відображення знаходять зони зчленування основних сегментів Східно-Европейскоой платформи: Фенноскандии, Сарматії і Волго-Урал. Так, контакт Фенноскандии і Волго-Урал відзначається схилом поверхні геоїда в східному напрямку з високим градієнтом - від 30 до 27 м, і проявом під Полоцькому різко вираженою локальної западини. Зчленування Волго-Урал і Сарматії, мабуть, слід провести по структурному виступу геоїда північно-східного простягання, що розділяє великі западини геоїда і проходить між Полоцькому і Мінськом. Цей структурний ніс геоїда відповідає Вітебського гранулітового масиву, який, мабуть, потрапляє в зону зчленування Волго-Урал і Сарматії. Зчленування Фенноскандии і Сарматії, тектонічно виражене Центрально-Білоруським поясом, чітко фіксується високоградієнтним схилом поверхні геоїда в східному напрямку від 31 до 28 м. Дарсонвалізація і дарсонваль - особливий напрямок в медицині, призначене для лікування широкого спектру захворювань.

Таким чином, рельєф поверхні геоїда, з одного боку, несе в собі інформацію про особливості тектонічної будови західної частини Східно-Европейскоой платформи, що дозволяє уточнити межі зон зчленування Фенноскандии, Сарматії і Волго-Урал, а з іншого боку, характеризує ступінь неврівноваженості окремих геологічних структур.

З іншого боку, комплексні геолого-геофізичні дослідження, виконані до теперішнього часу на території Білорусі, дають підстави зробити висновок, що земна кора Білорусі в тектонічному відношенні являє собою систему великих блоків, розділених сквозькоровимі глибинними розломами (див. Рис.6). Просторове розташування блоків різної геофізичної типізації інтерпретується як свідчення складної картини тектонофізичних процесів, що протікають в геологічній історії формування літосфери Білорусі.

Неоднорідність земної кори Білорусі за типами її глибинної будови, а тим самим і по плотностной характеристиці, будучи фактором глобального процесу гравітаційної диференціації речовини з тенденцією до гідростатичного рівноваги, надає провідне вплив на тектонічну перебудову. У зв`язку з цим звернемося до теорії ізостазії, згідно з якою окремі блоки літосфери перебувають в стані рівноваги, як би плаваючи на подстилающих значно більш вузьких масах згідно із законами гідростатики. За різними оцінками глибина ізостатичного компенсації (поверхні рівного тиску) H_ik в середньому близько 80;

100 км

, хоча є і припущення про те, що такий поверхнею може бути межа Мохо (H_M). Маючи це на увазі, для літосфери Білорусі визначимо глибину залягання поверхні ізостатичного компенсації H_ik на відрізку [РH_M, H_S= 100км] з умови: H_ikдорівнює тій першій глибині H_j з послідовності {H_Mlt; H₁lt; H₂lt; ... lt;H_S}, Для якої дисперсія значень тисків по геофізичним блокам буде задовольняти нерівності

,(1)

де

(2)

- тиск Q-го блоку на поверхні компенсації, розташованої на глибині Н_j [H_М, 100 км] - g(Q) - прискорення сили тяжіння для блоку Q- r(Q,z) - змінна по вертикалі (z) Щільність речовини Q-го блоку;

У наведеній нижче таблиці за основними геофізичних блокам наведені плотностние розрізи земної кори і надастеносферной верхньої мантії, отримані на підставі комплексного аналізу матеріалів глибинних сейсмічних зондувань і гравітаційного моделювання, і дані розрахунки за формулою (2) тисків блоків на різних рівнях глубинности

Розрахунок тисків блоків літосфери Білорусі на передбачуваних рівнях ізостатичного компенсації

Назви блоків земної кори і тип (див. Рис.6)	Потужності шарів (в км) / / щільності (10-3кг / м3)				Потужність кори (в км) / / щільність подкорового речовини (в 10-3кг / м3)	Тиск кори 10-6 па	Глибина компенсації 60 км
	Осадоч- ний	верхній	середній	Нижній			доповнить. потужність / / щільність	тиск 10-6па
Вільнюський -А	0,1 / 2,30	13 / 2,77	15 / 2,86	27 / 3,06	55 / 3,45	тисячі п`ятсот вісімдесят п`ять	5 / 3,45	1754
Вітебський - А	2,5 / 2,35	7,5 / 2,78	14 / 2,87	28 / 3,07	52 / 3,45	+1498	8 / 3,45	1769
Бобруйський -АВ	0,5 / 2,30	15 / 2,78	15 / 2,85	20 / 3,02	50 / 3,44	тисячі чотиреста тридцять один	10 / 3,45	1769
Столінський - ВС	0,5 / 2,30	12 / 2,75	16 / 2,81	20 / 3,03	48 / 3,40	1369	12 / 3,40	1769
Гомельський -ВС	3,0 / 2,44	12 / 2,90	15 / 2,84	21 / 3,03	51 / 3,41	1469	9 / 3,41	1754
Лепельський -С	0,5 / 2,30	13 / 2,78	17 / 2,75	20 / 3,02	50 / 3,40	одна тисяча чотиреста двадцять дві	10 / 3,40	1 755
Мінський -СD	0,3 / 2,30	15 / 2,81	16 / 2,83	14 / 3,00	46 / 3,42	1275	14 / 3,42	+1744
Мазовецький - СD	0,3 / 2,30	15 / 2,79	16 / 2,84	17 / 3,02	48 / 3,40	1365	12 / 3,40	1765
Мозирський - F	4,0 / 2,44	2 / 2,75 9 / 2,82	18 / 2,81	12 / 3,00	45 / 3,33 52 / 3,42	1475	8 / 3,42	1743
Брестський - F	1,0 / 2,35	14 / 2,70	15 / 2,83	15 / 3,04	45 / 3,36 54 / 3,42	1553	6 / 3,42	1754
Узагальнений розлом-блок	0,5 / 2,30	14 / 2,77	15 / 2,81	17 / 2,96	46 / 3,39	+1298	14 / 3,39	1 763
дисперсія тисків	94	9

для відшукання H_ik за цими даними за формулою (1) були обчислені значення дисперсій D_pпослідовно для Н_j= Н_М, 60, 65, 70, 80,100 км. Порівняння їх з e₀ показало, перш за все, що тиску блоків земної кори на поверхні Мохо істотно перевищують рівень e₀. Це означає, що на території Білорусі підошва земної кори не може бути поверхнею ізостатічесокй компенсації, що теоретично було переконливо доведено С.С.Красовскім.

Для всіх інших розрахункових глибин, починаючи з 60 км, значення дисперсій задовольняють умови (1). Отже, глибина залягання площини ізостатичного компенсації H_ik для літосфери Білорусі дорівнює 60 км. Тобто, в даний час верхня частина літосфери Білорусі потужністю 60 км знаходиться в ізостатичному стані. Звернемо увагу на ту обставину, що на цій же глибині за даними ДСЗ на профілі EUROBRIDGEcent- 96 виявлена субгоризонтально сейсмічна межа. На рис.17 представлена модель ізостатичного стану літосфери. На малюнку: 1 - назви: тектонічних структур (БПГП - Білорусько-Прибалтійський гранулітового пояс, ЦБЗ - Центрально-Білоруська шовна зона, ОМВП - осницького-Мікашевічскій вулканоплутоніческій пояс), геофізичних блоків (Вл -Вільнюсскій, Мн - Мінський, Бб -Бобруйскій, Мо - Мозирський), шарів земної кори (ВК - верхня кора, СК - середня кора, НК - нижня кора), АС - астеносфера- 2 - межа Мохоровичича (підошва земної кори) - 3 - сейсмічна межа у верхній мантіі- 4 - сейсмічні кордону в земній корі-5 - зона відображення у верхній мантії з високим градієнтом сейсмічної швидкості- 6 - поверхня ізостатичного компенсаціі- 7- точка перетину профілів глибинного сейсмічного зондування EUROBRIDGErsquo-96 і EUROBRIDGErsquo-97.

Аналізуючи таблицю і характер розподілу блоків різного складу, легко помітити, що тиск блоків на поверхню компенсації в більшій мірі залежить від потужності і щільності нижнього шару кори. До потовщеною літосфері в значно більшому ступені тяжіють блоки, які мають інтегральний основний або основний-середній склад. Ці ж блоки генетично типізуються відповідно типами A і AB. Значно менше вплив на величину тиску надають зміни щільності і потужності середньої та верхньої кори.

Однак для деяких блоків зазначені закономірності порушуються. Це перш за все має місце для блоків в південній частині Білорусі - Гомельського, Мозирського, Брестського, - які знаходяться в межах Пріпятсько-Брестського субширотного лінеаментів. Брестський і Мозирський блоки мають відносно малу потужність земної кори і її нижній частині, якщо таку розглядати тільки до поверхні коро-мантійних суміші. Поверхня коро-мантійних суміші не є кордоном між земною корою і верхньою мантією, її слід розглядати як внутрікорових, хоча вона, ймовірно, в силу специфіки свого формування, володіє сейсмічними властивостями речовини самих верхів верхньої мантії, розташованого безпосередньо під поверхнею Мохо. Це дозволяє припускати ускладнення блоків, що мають коро-мантийную суміш, і відповідне збільшення тиску на поверхню компенсації. Гомельський блок має аномальне ущільнення всього розрізу земної кори, що пояснюється інтенсивним впровадженням основних порід з мантії у верхню частину кори. Все це свідчить про індивідуальність і локалізованому характері тектонофізичних процесів, що відбувалися в Пріпятсько-Брестському лінеаментів на стадії активізації і рифтогенеза.

За даними ДСЗ і гравітаційного моделювання на території Білорусі нижче площини H_ik = 60 км до глибин 90-100 км, відповідних верхнім позначок покрівлі астеносфери, щільність речовини літосфери закономірно збільшується з глибиною, що не змінюючись по латералі. Тим самим, шар літосфери потужністю 30-40 км, укладений між цими площинами, створює однаковий тиск на нижні шари на всій території Білорусі. Нижче цього шару, тобто нижче площини H= 90-100 км, плотностной режим речовини неоднорідний за рахунок мінливості потужності літосфери (див. Рис.17). Так, потужність літосфери на території Білорусі з найбільшим градієнтом зменшується в південно-східному напрямку від 190-200 км під Білоруської антеклізой, до 90-100 км під Прип`ятського прогином. На широті м Мінська вона має регіональну тенденцію до зменшення в східному напрямку приблизно от200 км до 140-150 км. Відповідно збільшується потужність астеносфери приблизно на ту ж величину 50;

60 км. Регіональне гравітаційне поле в цьому напрямку зменшується приблизно на 35-45 мГал. Вважаючи, що цей ефект обумовлений зміною потужностей літосфери і астеносфери, речовина цих геосфер уздовж зрізів на глибинах нижче 90-100 км (див. Рис.2) має відрізнятися за щільністю на 0,01 10³-0,02 10³кг / м³. Це може створити між західною і східною частинами території Білорусі надлишковий тиск литосферного блоку на підстильний його астеносферних шар в середньому rgH= 0,015 10³ 9,8 55 10³= 8,1 10⁶Па, порівнянне з межею міцності порід на розрив. Отже, шар верхньої мантії нижче горизонту 90-100 км не підкоряється ізостатичного концепції Пратта-Ері. Оскільки ж в даний час система «літосфера-астеносфера», проте, знаходиться в рівноважному стані, то це надлишковий тиск компенсується за рахунок внутрішніх пружно-в`язких напружень астеносфери (тобто літосфера може бути уподібнюючи нерівноважному тілу, який лежить на надувному матраці ). Мабуть, в геологічному часу ця система нестійка: привнось в астеносферу гарячого глибинної речовини призводить до розтріскування вищерозміщеної тендітної літосфери, до впровадження в її верхні горизонти магматичних розплавів і флюїдів, в кінцевому підсумку, збільшують вагу і потужність літосфери, що особливо добре ілюструється розподілом щільності по розрізу в Гомельському блоці.

Таким чином, у формуванні тектоносфери Білорусі головними процесами є: процес ізостазії, що випливає у верхній частині літосфери і підкоряється законам класичної теорії Пратта-Ері, і мантийно-астеносферних процес, обумовлений впровадженням в астеносферу глибинного мантійного речовини. Перший з них спрямований вниз, а другий - вгору. Інакше кажучи, тектонічні процеси, що відбувалися в регіоні, пов`язані з динамікою як на рівні вище поверхні компенсації, так і з більш глибинними процесами, що відбувалися в астеносферном шарі.

Порівняння потужності літосфери і астеносфери з платформеними тектонічними елементами показує їх гарний збіг. Великі позитивні структури (Український щит, Білоруська антеклиза) мають потужну літосферу і тонку астеносферу. Навпаки, до основних негативним структурам приурочена тонка літосфера і потовщена астеносфера. Це свідчить про те, що сучасні потужності літосфери і астеносфери формувалися головним чином протягом досить тривалого платформного етапу розвитку Східно-Європейської платформи, носило регіональний характер, і пов`язано головним чином з глибинно-астеносферних процесами. Ізостатичні ж процеси, як це показано вище, характерні для більш локальних структур.

Найважливішим питанням теорії ізостазії є питання про навантаження, здатної порушити зчеплення речовини сусідніх блоків і забезпечити їх вертикальне переміщення. У зв`язку з цим розглянемо Геомеханічна систему «розлом-блок», вважаючи, що блоки переміщаються відносно один одного по розділяє їх розломах під дією дотичних напружень, що створюють зрушення. З таблиці видно, що в межах земної кори між розломом і блоком існує надлишковий тиск, що дорівнює в середньому 1438-1298 = 140 10⁶Па. Це значення і приймемо за чинне вздовж розлому дотичне напруження t_p. Порівняємо це значення з межею міцності гірських порід на зрушення. Як відомо, речовина розломів (особливо що виникли в результаті розтягування) за своїми фізичними властивостями істотно відмінно від порід суміжних з ними блоків: воно менш щільне, більш пухке, володіє високою проникністю і пористістю, гарною фільтраційної здатністю, водонасиченому. Лабораторні дослідження показують, що для гірських порід з такими властивостями характерно щодо знижений опір на зрушення, а міцність на розрив зменшується в кілька разів. Оскільки межа міцності гірських порід на розрив оцінюється величиною 10⁵-10⁶Па (10⁷-10⁸ дин / см²), То, з огляду на стан речовини розлому, в якості межі міцності на зрушення для розлому приймемо значення 5 10⁴-5 10⁵Па. Зіставляючи це значення з величиною надлишкових дотичних напружень на кордоні «розлом-блок», що дорівнює 140 10⁶Па, робимо висновок, що існуюча відмінність у вазі розлому і блоку цілком забезпечує порушення зчеплення речовини розлому і блоку. Ці розрахунки підтверджуються даними повторних нівеліровок, виконаних на території Білорусі, які свідчать про сучасних вертикальних переміщеннях блоків по розломах.

На кордоні ізостатичного компенсації, тобто вже на глибинах 60 км, подальше вертикальне опускання важких блоків в мантію практично припиняється. І, отже, розломи, що розділяють блоки різної типізації земної кори, на цих глибинах заліковуються, утворюючи в даний час з блоками єдине ціле нижче поверхні компенсації.

Увага, тільки СЬОГОДНІ!