Институт геофизики НАН Украины им С И Субботина

Институт геофизики НАН Украины им. С. И. Субботина г. Киев Корчин В. А. , Буртный П. А. , Карнаухова Е. Е. ТЕРМОБАРИЧЕСКИЕ ЗОНЫ РАЗУПЛОТНЕНИЯ ЗЕМНОЙ КОРЫ – ОБЛАСТИ СЕЙСМОАКТИВНЫХ ПРОЦЕССОВ 2017 1

Распределение с глубиной скоростей упругих волн в верхних горизонтах литосферы по данным взрывной сейсмологии (ломаные тонкие линии) и результатам лабораторных опытов (плавные толстые кривые) для некоторых регионов: а – Украинский щит, б – Малый Кавказ, в – Рудные горы (Германия). Распределение волноводов в земной коре Украинского (1 -17), Балтийского (18 -32), Индийского (33), Канадского (34 -40) щитов (А. А. Трипольский, В. Н. Шаров, 2004). ΔVв=0, 1 -0, 7 км/с (0, 1 -0, 22 км/с) ΔНв=3 -15 км Нмин=5 -12 км 2

Корреляция между пространственной плотностью числа очагов n (в областях радиусом 1º, последовательно центрированных в эпицентрах событий данного региона) Район событий Африканская рифтовая система Алеутские острова Атлантический океан Центральная Америка Евразия Индийский океан Курило-Камчатка Северная Америка Тихий океан Филиппины Южная Америка Тонга-Новая Зеландия Ява Число событий в интервалах глубин 0 -22 км 22 -40 км 106 7 258 443 406 554 488 346 216 414 573 183 1166 650 208 2 141 155 4 351 5 1 387 125 364 455 По Родкину М. В. (2011) 3

Поставлена задача – изучить физические особенности минерального вещества в термодинамических условиях различных глубин земной коры в том числе в РТ условиях зон низких сейсмических скоростей. 4

Породы внутри Земли «живут» - «активная геофизическая среда» . Породы испытывают сжатие, разогрев, разного рода превращения. 1. Роль теплового расширения. Коэффициент теплового расширения горных пород: 2× 10 -6 - 4× 10 -4 К-1; среднее 3× 10 -5 К-1, при их разогреве даже на 300 о. С имеем ~1% уменьшения плотности. 2. Роль сжатия. На глубине 5 -11 км в коре имеем увеличение плотности не более ~0. 5%. В глубинных условиях недр Земли изменения плотности будут порождать развитие (затем релаксацию) очень высоких микронапряжений. Дополнительно важен эффект наличия флюидной фазы, часто связанной с процессами превращений. 5

Изменение VР, S=f(PT)=f(H) с глубиной: 1 – граниты равномернозернистые, 2 – граниты порфировидные, 3 – граниты рапакиви, 4 – плагиограниты, 5 – граниты трахитоидные, 6 – средние породы, 7 – основные породы, 8 – ультраосновные породы, 9 – чарнокитоиды, 10 – гнейсы 6

Изменения с глубиной скорости распространения упругих волн (Vp) в породе постоянного минерального состава может быть рассчитано по соотношению: Зоны низкой скорости в земной коре определяются условием: Поскольку положительны, а , то для образования зоны необходимо выполнение условия для абсолютных величин: В земной коре на глубинах от 3 до 40 км для древних щитов и Градиент изменения температуры на этих глубинах варьирует в широких пределах – от 5 до 25 °С/км. В этом интервале давлений и температур (Р≈1, 2 -3, 5 кбар; Т≈110÷ 250ºС) наблюдаются наибольшие отрицательные изменения скорости и обнаруживаются зоны низких скоростей. Установлено, что в случае реализации низкотемпературного режима опытов скоростей на зависимостях Vр=f(РТ)=f(H) не проявляются. Если температурный градиент ÷ зоны инверсии в интервале давлений 1, 8÷ 3, 5 кбар на зависимостях Vр=f(PT) зоны низких скоростей проявляются четко. Уменьшение скоростей в этих зонах для различных образцов пород варьируют от -10 до -250 м/с. 7

§ ΔН Зона низких скоростей в земной коре характеризуется пониженными значениями λ и является отражающим горизонтом для теплового потока, источником которого являются термоактивные процессы на больших глубинах. По классическим законам термодинамики и теплофизики наличие слоя с пониженной теплопроводностью на пути распространения тепловой энергии, приводит к повышению температуры на нижнем участке слоя и понижению ее на верхнем. Таким образом, нарушается равновесное РТ-условие существования зоны низких скоростей. С понижением температуры в верхней области 8 зоны нарушается термобарическое условие ее существования.

Фрагмент схематического разреза вещественного состава земной коры участка геотраверса IV. 1 — плагиограниты, 2 — диориты, 3 — эндербиты, 4 — осадочно-вулканогенные породы зеленокаменных структур (а) и гранитоиды кировоградско-житомирского комплекса (б), 5 — зоны разломов, 6 — граница К 2, 7 — зона низких скоростей, q — тепловой поток вдоль профиля. В зависимости от величины теплового потока (суммарного ТП) меняются температуры в литосфере, а, следовательно, и физические свойства слагающих ее пород. Так на глубине 25 км рассчитываются следующие зависимости Т от ТП: Т = 250 ºС при ТП = 30 м. Вт/м 2; Т ≈ 300 ºС при ТП = 40; Т ≈ 500 ºС при ТП = 60 м. Вт/м 2. Таким образом, поскольку тепловые потоки на исследуемом участке УЩ варьируют от 30 до 55 м. Вт/м 2 , то различные блоки вдоль участка профиля имеют различные температурные градиенты с 9 глубиной, а следовательно, характеризуются различной конфигурацией зоны низких сейсмических скоростей.

Петроструктурные исследования пород после различных РТ воздействий Гистограммы распределения значений плотности дислокаций в зернах кварца образцов гранитов: а — исходное состояние; б — после максимальных в опытах РТ-воздействий, в — после РТ-условий, соответствующих зоне низких скоростей. 10

Структурные параметры и остаточные напряжения зерен кварца в образцах гранита, претерпевших воздействия Р и Т: размеры блоков в зернах (D), их относительная деформация (∆a/a), плотность дислокаций в блоках (ρσ), остаточные напряжения (σ), концентрация дефектов упаковки и двойников (1, 5σ+γ), плотность дислокаций в межблочных пространствах (ρD) № обр 1 2 3 4 Режимы воздействия Ри. Т Исходный 052 ГПА гидростатика Исходный 052 ГПА Квазигидростатика Исходный 0, 27 Гпа Квазигидростатика; 225 ºС Исходный 0, 52 Гпа Квазигидростатика; 310 ºС D, Å 515, 5 436, 8 ∆α/α· 103 +3, 994 +4, 434 ρσ∙ 107, Å-2 σ·103, 1, 5σ+γ ρD·107, Å-2 ГПа 12, 05 15, 14 +11, 56 +12, 96 3, 66 3, 56 1, 533 3, 765 -4, 124 -6, 464 1, 061 2, 055 3, 82 1, 15 730, 4 657, 6 +2, 393 +2, 462 4, 337 4, 681 +6, 938 +7, 207 1, 613 1, 469 44, 6 55, 02 746, 3 975, 0 +2, 682 -0, 602 5, 545 0, 279 +7, 845 -1, 759 2, 297 1, 068 42, 75 24, 99 появление новых двойников в зернах полевых шпатов 89, 58 124, 8 2178, 1 -1, 4104 1975, 7 -2, 215 Увеличение в 100 раз повреждение одной из межзерновых границ в граните после РТ 11 воздействия ЗНС

Микроструктурные преобразования горных пород в различных РТ Параметры и характеристики 2 -3 кб, 160 -220ºС Зона инверсии скорости 5, 5 -6, 5 кб, 300 -350ºС Область возрастания скорости Уменьшаются Увеличиваются Двойникование и милонитизация Значительно Мало уменьш. Разуплотнение межзерновых границ Значительно Уплотнение Магистральные микротрещины Увеличение Снижение Искривление пласт. (в Ві), двойниковых полос (Рl) - Выявлено Переориентация кристаллов Q, Bi, Pl - Выявлена Линии скольжения в Bi Выявлено Уменьшение Изменение формы зерен Q Растрескивание Разворот, перекристаллизация Оптическая анизотропия Увеличилась Уменьшилась Поляризационная оптическая неоднородность Увеличилась Уменьшилась Блоки мозаики (Д) Уменьшение Увеличение Плотность дислок. В блоках Увеличение Уменьшение Плотность дислок. В межзерновых границах Уменьшение Увеличение Относительная деформация зерен Увеличение Уменьшение, изменение знака Дефекты упаковки, двойники Увеличение Уменьшение Плотности дислок. отдельных зерен Увеличение Уменьшение Характер дислокационного поля, динамика Увеличение центров образования Переползание, анигеляция, локализация, увеличение дислок. полос скольжения Характер деформации Низкотемпературное упругое упрочнение, хрупкое разрушение Упруго-пластические высокотемпературные (термические) Vp, Vs, E, G, σ, K, ρ, 1/ β 12

Графики зависимости ρ=f(PT)=f(H) для различных пород

§ § Изменение пористости пород в термодинамических условиях различных глубин

15

Корреляция между пространственной плотностью числа очагов n (в областях радиусом 1º, последовательно центрированных в эпицентрах событий данного региона) Район событий Африканская рифтовая система Алеутские острова Атлантический океан Центральная Америка Евразия Индийский океан Курило-Камчатка Северная Америка Тихий океан Филиппины Южная Америка Тонга-Новая Зеландия Ява Число событий в интервалах глубин 0 -22 км 22 -40 км 106 7 258 443 406 554 488 346 216 414 573 183 1166 650 208 2 141 155 4 351 5 1 387 125 364 455 По Родкину М. В. (2011) 16

Гистограммы распределения по глубине: а – минимальных значений экспериментальных скоростей VPэкс=f(PT) в ЗНС; б – центров ЗНС сейсмических скоростей для щитов; в – фокусов землетрясений, зарегистрированных на территории Финляндии в интервале Н=5 -25 км 17

Зоны низких скоростей наиболее активные горизонты современного преобразования минеральной среды земной коры, даже в тектонически спокойных регионах (например, кристаллических щитах). Они претерпевают постоянные динамические изменения. Это области наиболее выраженной самоорганизации минеральной среды нашей планеты. Наличие зон низких скоростей в земной коре является ее неотъемлемой частью, стабилизирующей устойчивость литосферы. В силу ослабленных здесь упругих характеристик пород это область релаксации интенсивных полей напряжений тектонически активных процессов. Подтверждением этому служит наличие на глубинах ЗНС наибольшего количества очагов коровых землетрясений. Зоны низких скоростей в силу своей природы (область разуплотненных пород) могут служить критериями поиска полезных ископаемых, поскольку они наиболее проницаемы для мигрирующих минеральных сред в земной коре. Наиболее перспективны в этом плане горизонты палеообластей ЗНС, которые, возможно, в настоящее время находятся вблизи поверхности в результате эрозии коры. В этих областях наиболее вероятно образование и локализация газово-жидких 18 углеводородов неорганического происхождения.

Волноводы на УЩ

Модельные колонки распределения горных пород с глубиной для различных районов УЩ 1 — гнейсы, 2 — гнейсы двупироксеновые, кристаллосланцы, 3 — основные гранулиты, 4 — чарнокиты, 5 — эндербиты, 6 — плагиограниты, 7 -11 — гранитоиды, 12 — гранодиориты, 13 — диориты, 14 — анортозиты, 15 -17 — габброиды, 18 — пироксениты, 19 — переслаивание у/о пород, 20 – положение по глубине предполагаемых ЗНС и зон пониженной плотности и повышенной пористости (см. карту выше).

Спасибо за внимание! 21

22

Участок VIII профиля ГСЗ Могилев-Подольск. Таганрог (центральная часть Ингуло. Ингулецкого района): а). 1 -изолинии скорости, 2 -протяженные отражающие горизонты, 3 -отражающие площадки, 4 -зона с пониженными значениями скорости. б). Экспериментальные зависимости Vp=f(PT)=f(H) для соответствующих пород геологического розреза вдоль профиля ГСЗ: 1 -граниты житомирские, 2 -кировоградские, 3 -новоукраинские, 4 -гнейсы ингуло-ингулецкие. в). Синтетический скоростной разрез, построенный по материалам РТисследований: 1 -изолинии скорости, 2 -граница К 2, 3 -зона низких скоростей. 23

24

Совместный анализ параметров сейсмических волноводов и зон низких скоростей, обнаруженных лабораторными петрофизическими исследованиями, позволил сделать предположение о термодинамической природе ЗНС в земной коре. Комплекс физических и структурных исследований пород в термодинамических условиях, соответсвующих глубинам 4 — 15 км, когда ухудшаются упругие параметры минеральной среды, показал, что в данном интервале РТ происходит дилатансионное разуплотнение пород, как результат развития в среде неоднородных термоупругих напряжений. Эти напряжения приводят к хрупким на микроуровне разрушениям межзернового пространства, разуплотнению породы. После разуплотнения породы с увеличением РТ-параметров опыта, другими словами глубины, включаются механизмы, характерные пластичным превращениям среды, происходит совершенствование породы. При этом скорости распространения упругих волн в средах интенсивно увеличиваются, более четко оконтуривая выше лежащую зону низких скоростей. Считаем, что наличие зон низких скоростей в земной коре как результат структурных превращений пород в условиях противоборства давления и температуры, является объективной реальностью, характерной для минеральной среды на определенных глубинах Земли. Зоны низких скоростей возникают в тех случаях, когда градиент температуры на соответствующих глубинах превосходит определенный порог, а давление не способно компенсировать нарушение сплошности минерального вещества, вызванное действием температуры. Флюктуации температур различного происхождения на глубинах 7 -20 км могут изменять параметры зоны низких скоростей вплоть до их исчезновения. В связи с этим ЗНС в земной коре встречаются не повсеместно, а эпизодично локализуясь в отдельных районах на конкретных глубинах. Этот факт подтвержден выполненным петрофизическим термобарическим моделированием верхних горизонтов земной коры, в 25 пределах которых часто фиксируются зоны низких скоростей.