Вариации тектонического погружения фундамента, вызванные изменением поверхностной нагрузки.

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) + r_a×g×(Z_k - Z_t(0) - l₀) = G(t) + r_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 rl(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 ro 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.

 

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×r_w×Z_w(0) + G(0) + g×r_a×(Z_k - Z_w(0) - l₀) = G(0) + g×r_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×r_w×Z_w(t) + G(t) + g×r_s×S(t) + g×r_a×(Z_k - Z_w(t) - S(t) - l₀) = G(t) + g×r_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, ra и rw - плотности астеносферы и воды. Средняя плотность пород в столбце осадков rs(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.