Структурно-вещественные неоднородности земной коры Байкальского рифта и глубина

Структурно-вещественные неоднородности земной коры Байкальского рифта и глубина очагов землетрясений Суворов В. Д. , Мельник Е. А. , Стефанов Ю. П. , Тубанов Ц. А. Институт нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН, (г. Новосибирск), Институт прочности и материаловедения СО РАН, (г. Томск), Институт геологических наук СО РАН (г. Улан-Удэ).

Цель: Рассмотреть взаимосвязь между сейсмической структурой земной коры, ее напряженно деформированным состоянием, изменением коэффициента петрофизической неоднородности и глубиной очагов землетрясений в Байкальской рифтовой зоне.

Profile location Изученность Байкальской рифтовой зоны и сопредельных территорий методом ГСЗ Рассматриваемые профили ГСЗ

Сейсмоплотностной разрез литосферы вкрест Байкальского рифта Гравитационное поле: Наблюденное Расчетное Изолинии скорости, км/с. плотность Аномалии плотности, не выраженные в аномалиях скорости Сейсмический разрез по данным (Сун Юншен, Крылов С. В. , Ян Баоцзюнь и др. , 1996). Гравитационное моделирование выполнено А. Н. Василевским. Условия: больше скорость, больше плотность, при одинаковой скорости, одинаковая плотность. Численные значений до соответствия с наблюденным гравитационным полем. Контрастность аномалий плотности в верхней коре достигают 0. 07 -0. 12 г/см 3, в нижней коре не более 0. 05 г/см 3.

Сейсмический и сейсмоплотностной разрезы литосферы вдоль северо-восточного фланга Байкальской рифтовой зоны Переходный слой корамантия Мохо Аномальная мантия Нормальная мантия Плотность, г/см 3 Сейсмический разрез по данным (Мишенькина, Мишенькин, 2004). Гравитационное моделирование выполнено А. Н. Василевским. Аномалии плотности 0. 05 -0. 2 г/см 3 распределены практически во всей толще коры в отличие от разреза вкрест Байкальского рифта.

Напряженно-деформированное состояние земной коры в упруго-хрупкопластическом приближении (Гольдин и др. , 2007) Моделирование процесса деформации осуществлялось численным решением системы уравнений механики сплошной среды в упруго-хрупкопластическом приближении (модель В. Н. Николаевского). Начальное условие: недеформированная среда, предварительно напряженная действием силы тяжести. Граничные условия: свободное скольжение вдоль боковых и нижней границ. Верхняя граница – свободна от напряжений. При напряжениях превосходящих предел сдвиговой прочности, повреждения в ходе пластической деформации накапливаются и прочность материала снижается. Описание метода численного моделирования изложено в работе [Стефанов Ю. П. Некоторые особенности численного моделирования поведения упругохрупкопластичных материалов //Физ. Мезомеханика, 2005, № 3. С. 129– 142].

Критерии выбора значений механических и реологических параметров Механические параметры Упругие модули сжатия, сдвига (в одномерном приближении для профилей вкрест Байкальского рифта и вдоль рифтовой зоны) и двумерное распределение плотности по сейсмическим и гравитационным данным Реологические параметры в одномерном приближении Сдвиговая прочность (предел текучести), угол внутреннего трения и коэффициент дилатансии общие для обоих профилей (в том числе и для осадков рифтовых впадин и слоя аномальной мантии). Подобраны значения реологических параметров, определяющие близость структур деформаций к сейсмическим и геологическим характеристикам земной коры и верхов мантии: сводовое поднятие земной поверхности, рельеф поверхности Мохо, форма астеносферного выступа, соответствие кайнозойских приповерхностных геологических структур характеру распределения деформаций в верхней коре. Попытка была не задавать известные структуры, а получить в результате моделирования.

Механические и реологические параметры земной коры и верхов мантии Плотность, г/см 3 Модуль сжатия, ГПа Модуль сдвига, ГПа Сдвиговая прочность, МПа Коэффициент внутреннего трения Коэффициент дилатансии Вода 1. 0 2. 5 0. 0 0 0 Осадки рифтовых впадин 2. 0 21 16 5 0. 173 0. 035 2. 7 60 43 10 -50* (0 -16 км) 0. 34 0. 087 35 -10** (16 -36 км) 0. 0870. 00001*** (16 -36 км) 0. 0026 - 0 Слой Верхняя кора (0 -16 км) Нижняя кора (16 км- Мохо) 2. 9 85 45 Аномальная мантия 3. 2 135 60 22 -2** (36 -80 км) 0 0 Нормальная мантия 3. 3 160 72 200 (36 -50 км) 200 -50** (50 -80 км) 0. 14 (36 -50 км) 0. 14 – 0. 0*** (50 -80 км) 0 *- линейное возрастание с глубиной в верхней коре, **- линейное убывание с глубиной в нижней коре и мантии, ***- квадратичное убывание с глубиной в нижней коре и мантии в заданных интервалах, соответственно.

Изменения сдвиговой прочности, коэффициентов внутреннего трения и дилатансии с глубиной Сдвиговая прочность Аномалия под оз. Байкал мантия Контрастность изменений коэффициента внутреннего трения значительно выше, чем для сдвиговой прочности В нижней коре коэффициент внутреннего трения и сдвиговая прочность значительно понижены и только в этом случае удается получить приповерхностные геолого-тектонические структуры.

Сейсмоплотностной разрез литосферы вкрест Байкальского рифта Гравитационное поле: Наблюденное Расчетное Изолинии скорости, км/с. плотность Аномалии плотности, не выраженные в аномалиях скорости Сейсмический разрез по данным (Сун Юншен, Крылов С. В. , Ян Баоцзюнь и др. , 1996). Гравитационное моделирование выполнено А. Н. Василевским. Условия: больше скорость, больше плотность, при одинаковой скорости, одинаковая плотность. Численные значений до соответствия с наблюденным гравитационным полем. Контрастность аномалий плотности в верхней коре достигают 0. 07 -0. 12 г/см 3, в нижней коре не более 0. 05 г/см 3.

Аномалии напряженно-деформированного состояния литосферы вкрест Байкальского рифта (Гольдин и др. , 2006) Напряжение-деформации вкрест В вертикальной компоненте проявляются аномалии сжимающих напряжений в осадках под оз. Байкал и в верхах мантии (области с аномально пониженными сдвиговой прочностью и внутренним трением) Горизонтальные растягивающие напряжения характерны для верхней коры Забайкалья и верхам мантии под платформой. В нижней коре они минимальны. Интенсивность деформаций достигает 10 -15% в зонах контрастных изменений плотности, в пограничной области утолщения астеносферного выступа, и на северозападном борту Байкальского рифта, а также вдоль поверхности Мохо. Зоны деформаций имеют листрическую форму и протягиваются через всю толщу кору или ее части. Повышенные деформации во впадинах и пониженные в хребтах.

Сейсмический и сейсмоплотностной разрезы литосферы вдоль северо-восточного фланга Байкальской рифтовой зоны Переходный слой корамантия Мохо Аномальная мантия Нормальная мантия Плотность, г/см 3 Сейсмический разрез по данным (Мишенькина, Мишенькин, 2004). Гравитационное моделирование выполнено А. Н. Василевским. Аномалии плотности 0. 05 -0. 2 г/см 3 распределены практически во всей толще коры в отличие от разреза вкрест Байкальского рифта.

Аномалии напряженно-деформированного состояния литосферы вдоль северо-восточного фланга БРЗ (Гольдин и др. , 2006) Значительные Становое Платформа Рифтовая зона аномалии поднятие вертикальных напряжений отсутствуют, если нет контрастных аномалий плотности. Отчетливые аномалии горизонтальных напряжений в верхней коре и в области перехода корамантия. Смена знака при переходе от платформы в складчатую область за счет слоя аномальной мантии. Повышенная интенсивность деформаций (до 10%) формируются на подошве слоя аномальной мантии (граница М 1) и в коре над областью с наибольшей мощностью коры и протягиваются вверх по наклонной под углом 40 о зоне, приуроченной к сочленению Северо-Муйского хребта и Муйской впадины.

Роль плотностных неоднородностей может быть определяющей в распределении локальных напряжений и деформаций в земной коре. Это определяет необходимость проведения трехмерного моделирования напряженно-деформированного состояния земной коры. Важна задача изучения природы пониженного коэффициента внутреннего трения и сдвиговой прочности по комплексу геолого-геофизических данных.

Коэффициент петрофизической неоднородности (химической по Буллену, 1955, Магницкому, 1966) Дополняет модель Адамса-Вильямса учитывающую изменения скоростей и плотности под действием только литостатического давления. • η = d. K/dp –(1/g) d. Ф/dz, • • • К - модуль сжатия, р=ρgz – литостатическое давление, g – ускорение силы тяжести, Ф=К/ρ=Vp 2 -(4/3)Vs 2, ρ – плотность, z – глубина, Vp, Vs – скорости продольных и поперечных волн. • Использовался для больших глубин Земли и связывался с фазовыми переходами.

Петрофизическая неоднородность в земной коре и по теоретическому моделированию минералогического состава сухих магматических пород, скорости и плотности Значения модельной петрофизической неоднородности для сухих магматических пород (Sobolev, Babeiko, 1994) закономерно меньше, чем в земной коре БРЗ и ЯКП. Важно, что изменения петрофизической неоднородности соотнесены здесь не с глубиной, как обычно, а со скоростью. Ясная связь между изменениями коэффициента петрофизической неоднородности и вещественным составом пород отсутствует. Его изменения с глубиной коррелируются с закрытием трещин в горных породах под действием давления, что хорошо известно по данным измерений на образцах пород.

Структура земной коры и очаги землетрясений

Карта эпицентров землетрясений Прибайкалья и Забайкалья с К 9 за период 1950– 2003 г. г. (http: //seismo. crust. irk. ru) Профили ГСЗ

Распределение эпицентров землетрясений в области расположения Селенгинской локальной сети станций в 2003 -2007 г. г. Сейсмические станции

Расположение эпицентров землетрясений дельты Селенги и Среднего Байкала с Кр≥ 7. 5 за 2001 -2005 г. г. использованных в обработке (Суворов, Тубанов, 2008) I, III, IV, V, VI условные линии вдоль характерных областей распределения эпицентров землетрясений. Проф ил ь ГСЗ

Распределение очагов землетрясений по линиям профилей вдоль оз. Байкал (А, Б) и вкрест (В). Вдоль оз. Байкал (линии 1 -3) очаги погружаются в северо-восточном направлении для различных групп очагов под углами от 5 до 10 о. Вкрест рифта (линии 4 -6) более крутое погружение происходит в направлении на юго-восток и достигает 12 -16 о.

Распределение глубины очагов землетрясений в БРЗ в окрестности станций постоянной сети (De´verche`re, et al. , 2001) Использована однородная модель земной коры с постоянным отношением Vp/Vs. Распределение глубины очагов землетрясений в модели земной коры по данным ГСЗ в области центрального Байкала (Суворов, Тубанов, 2008). Интервал расположения очагов сузился до 10 -22 км, в то время как в однородной модели этот интервал глубин в окрестности ст. Тырган 7 -30 и более км.

Зависимость глубины от разности времени в очаге для однородной и горизонтально слоистой моделей. для группы событий в окрестности станций Заречье и Степной Дворец Слоистая модель Однородная модель

Очаги-ГСЗ вкрест Сейсмические разрезы литосферы в БРЗ и очаги землетрясений Разрез вкрест Байкальского рифта. Очаги за 2003 -2005 г. г. по данным (Суворов, Тубанов, 2008) показаны желтыми кружками, распределены интервале глубин 10 -22 км. 100 300 600 800 1000 км Вынесены очаги ≥ 9 энергетического класса с ошибкой определения глубины менее ± 5 км и в полосе профиля ± 50 км. Под Муйской впадиной очаги с определениями механизмов, на западном участке профиля за период 1997 -2001 г. г. Необходима релокация очагов в модели земной коры по данным ГСЗ. Разрез вдоль северовосточного фланга рифтовой зоны. Очаги «размазаны» практически по всей мощности коры от 0 до 30 км.

Соотношение между упруго-хрупко пластическими напряжениями, деформациями и распределением очагов землетрясений по профилю вкрест Байкальского рифта Модельный уровень скачкообразного уменьшения внутреннего трения и сдвиговой прочности – 20 км. Аномалии горизонтальных напряжений свойственны областям (блокам), расположенным в интервале глубин 0 -30 км, и обладающим повышенной жесткостью. Можно предполагать, что нижняя граница (штриховая зеленая линия) соответствует подошве блоков, подстилаемых нижней корой с пониженным внутренним трением. Очаговая область располагается в наклонной зоне перехода от повышенных напряжений к пониженным, что соответствует пограничной зоне между пониженными и повышенными деформациями.

Соотношение между упруго-хрупко пластическими напряжениями, деформациями и распределением очагов землетрясений по профилю вдоль северо-восточного фланга Байкальской рифтовой зоны Региональная граница между верхней и нижней корой по характеру распределения аномалий напряжений наблюдается на глубине около 30 км, заметно ниже модельного уровня 20 км. Очаги землетрясений «размазаны» в интервале глубин 0 -30 км и не связаны с распределением напряжений и деформаций, как в сечении вкрест Байкала. Это связано с относительно небольшими размерами плотностных неоднородностей, вдоль рифтовой зоны. Необходимо 3 D моделирование или по рассечкам вкрест зоны.

Изменения коэффициентов Пуассона и петрофизической неоднородности в литосфере Байкальской рифтовой зоны и Якутской кимберлитовой провинции (Суворов, Мельник, 2008) Реологическая расслоенность коры в изменениях коэффициента Пуассона отсутствует. В БРЗ он увеличивается с глубиной практически монотонно при отсутствии признаков вертикальной зональности, которую можно было бы связать с очагами землетрясений. Двухзвенный характер изменения петрофизической неоднородности: в верхней коре он значительно уменьшается и стабилизируется в области, где закрываются Область очагов трещины и располагаются очаги землетрясений под центральной частью землетрясений. Байкальского рифта

Общие выводы: 1. 2. 3. 4. Гравитационная неустойчивость может играть заметную роль в эволюции Байкальского рифта вопреки мнению о слабом влиянии астеносферной линзы на деформацию коры под Байкальским рифтом. Зоны повышенных деформаций листрической или близкой к прямолинейной форме могут пронизывать всю толщу коры, если в мантии существуют достаточно контрастные плотностные аномалии или изменения рельефа Мохо (деформации в подошве коры). Достаточным условием локализации деформаций является значительное уменьшение в нижней коре коэффициента внутреннего трения и сдвиговой прочности. Получен ряд фактов свидетельствующих о связи скоростных, плотностных, деформационных характеристик верхней коры с особенностями распределения очагов землетрясений. Проблема заключается в повышении детальности изучений земной коры геофизическими методами и повышения точности локализации очагов землетрясений.

• Спасибо за внимание

Геолого-геофизические сведения о пониженных сдвиговой прочности, коэффициентах вязкости и внутреннего трения в нижней коре континентов: 1. Данные близвертикальных отражений 2. Вещественные модели земной коры по геологическим данным и геомеханическим измерениям на образцах горных пород 3. Скорость продольных, поперечных волн и плотность (сейсмогравитационные наблюдения)

Примеры сейсмической расслоенности земной коры Mooney, Meissner, 1992

Обобщенная связь между сейсмической расслоенностью земной коры по близвертикальным отражениям и вязкостью Mooney, Meissner, 1992 Реальная ситуация значительно сложнее, но общая концептуальная реологическая модель земной коры не встречает серьезных возражений

Модели изменения вязкости с глубиной в зависимости от вещественного состава и температуры (теплового потока) Meissner, Mooney, 1998 Моделируется идеализированная вещественная расслоенность земной коры по вертикали. Общая тенденция - уменьшение вязкости с глубиной на 2 -3 порядка.