Numerical modeling the state of stress and strain of the Yakutsk-Vilyui large igneous providence for the analysis of geo.pdf В настоящее время полностью не исследована природа формирования и изменения внешних и внутренних геологических структур земной коры. За многие миллионы лет внешняя земная структура не один раз подвергалась геологическим изменениям вследствие движения литосферных плит, которое вызвано циркуляцией мантии в глубоких недрах Земли [1]. Одним из методов определения эволюции движения литосферных плит и оценки равновесного состояния между земной корой и мантийным слоем является анализ напряженно-деформированного состояния глубинной структуры литосферы [2]. На территории Евразии находится один из самых больших блоков земной коры - Сибирский кратон. Многие учёные начиная с XIX века усиленно изучали структуру данной области, от первых полевых экспедиций в Сибирь до создания компьютерных структурных моделей всего геологического объекта в целом [3, 4]. Ввиду большой протяженности Сибирского кратона, в его внутренних областях 1 Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-3190034. А.Ж. Ахметов, И.Ю. Смолин 54 выделяется ряд геологических объектов, на территориях которых наблюдаются такие геодинамические процессы, как коллизия, растяжения и сдвиги. Анализ геотектонических процессов на территории Енисейского кряжа, находящегося в состоянии коллизии, проведен нами ранее и представлен в работах [5, 6]. В данной статье в качестве объекта исследования была выбрана Вилюйская синеклиза, которую в ряде источников [7, 8] называют Якутско-Вилюйской крупной изверженной провинцией (КИП). Данная территория расположена в северо-восточной области Сибирского кратона, примыкает к Предверхоянскому краевому прогибу и граничит на севере и юге со склонами Анабарского массива и Байкало-Алданского щита, а на западе и юго-западе постепенно переходит в Ангаро-Ленский прогиб. На самой территории и на границах с прилегающими геологическими областями распространены зоны разломов. На территории Якутско-Вилюйской КИП находится Лено-Вилюйская нефтегазоносная провинция, которая является одним из богатейших месторождений нефти и газа на территории Российской Федерации [9]. Это определяет важность исследования этой области. Цель данного исследования - разработать компьютерную модель, позволяющую оценить геотектонические процессы на основе анализа напряженнодеформированного состояния выбранного геологического объекта, и выявить связь между расположением областей локализации пластической деформации в слоях литосферы и местоположением залежей нефти и газа. Структурная модель Якутско-Вилюйской КИП В 80-х годах XX века на территории Якутско-Вилюйской КИП, входящей в состав Сибирского Кратона, были проведены геологические и геофизические исследования слоёв земной коры и верхней мантии в ходе проекта «Комплексного освоения земных недр СССР» [10]. На рис. 1 показана ориентация геологического профиля «Кратон-1980» общей протяженностью около 3500 км, полученного методом глубинного сейсмического зондирования. Черным прямоугольником выделена часть геологического разреза, которая проходит по территории Якутско-Вилюйской КИП. Рис. 1. Ориентация геологического профиля «Кратон-1980» на геолого-структурной карте России [11] Fig. 1. Orientation of the geological profile “Craton-1980” on the geological and structural map of Russia [11] Численное моделирование напряженно-деформированного состояния 55 Особенность ориентации геологического профиля «Кратон-1980» в том, что он проходит по территории Лено-Вилюйской нефтегазовой провинции, которая является одним из крупнейших месторождений нефти и газа в Якутии (рис. 1 и 2) [12]. Рис. 2. Лено-Вилюйская газонефтеносная провинция [13]. Цифрами обозначены структурные элементы: I - Хапчагай-ский мегавал, II - Лунгхинско-Келинский мегапрогиб; нефте-газоностные области (цифры в кружочках): 1 - Вилюйская, 2 - Предверхоянская; месторождения: 1 - Среднетюнгское, 2 - Средневилюйское, 3 - Толон-Мастахское, 4 - Соболох-Недлинское, 5 - Усть-Вилюйское. Черной прерывистой линией показаны границы нефтегазоносных областей Fig. 2. Leno-Viluyi gas- and oil-bearing province [13]. The numbers indicate structural elements: I - Hapchagai megalithic bank and II - Lungkhinsko-Kelinsky mega-trough; oil- and gas-bearing areas (circled numbers): (1) Vilyui and (2) Pre-Verkhoyansk; deposits: 1, Srednetyungskoe; 2, Srednevilyuyskoe; 3, Tolon-Mastakhskoe; 4, Sobolokh-Nedlinskoe; and 5, Ust-Vilyuyskoe. The black dashed line indicates the boundaries of the oil- and gasbearing areas На рис. 3 представлена часть геологического профиля «Кратон-1980» с геофизическими данными, полученными методом ГСЗ, отражающая неоднородную глубинную структуру исследуемого региона. Протяженность данного участка профиля равна 475 км, а глубина - 60 км. Регистрация сейсмических волн осуществлялась аналоговыми стациями «Тайга» и «Черепаха» с трёхкомпонентными А.Ж. Ахметов, И.Ю. Смолин 56 сейсмоприемниками НСП-3. Шаг пунктов приёма - 10 км. Длина годографа 200-1050 км [14]. Зарегистрировано около 1500 аналоговых сейсмограмм, из которых оцифровано и принято для дальнейшей работы 1488 сейсмограмм (730 сейсмограмм - при возбуждении ядерными взрывами, 758 сейсмограмм - при возбуждении химическими взрывами) [15]. Условные знаки геофизических данных представлены в атласе [11]. Рис. 3. Часть геологического профиля «Кратон-1980», охватывающая всю территорию Вилюйской синеклизы Fig. 3. A part of the geological profile “Craton-1980” comprising the entire territory of the Vilyuy Syneclise Вилюйская синеклиза Западно- Вилюйская ступень Линденская впадина Хапчагайское поднятие Лухинская впадина Восточно- Вилюйская ступень На рис. 3 наблюдается глубокий прогиб кристаллического фундамента, обозначенный буквой Ф0, который простирается вдоль профиля на глубине 7 км от земной поверхности в левой и правой сторонах профиля и далее опускается до 15-18 км в глубину в середине профиля. Верхний слой земной коры, граничащий непосредственно с кристаллическим фундаментом, является Вилюйским осадочным бассейном, который накапливался в течение миллионов лет. Весь геологический профиль разделён на серию блоков, которые отделяются друг от друга сквозными разломами - они обозначены на профиле субвертикальными сплошными линиями, обозначенными звездочками. Также на рис. 3 видно продольное расслоение осадочного чехла на глубине 4-8 км, но мы не будем учитывать данную особенность структуры чехла ввиду малого различия значений скоростей продольных и поперечных волн. На данном рисунке отчётливо видны сквозные разломы, которые разделяют весь профиль на серию обозначенных блоков, из которых состоит Якутско-Вилюйская КИП. Это Западно-Вилюйская ступень, Лин-денская впадина, Хапчагайское поднятие, Лунхинская впадина, Восточно-Вилюйская ступень. Ниже на глубине 46 км выявлена граница Мохо (М), обозначенная черной толстой линией, которая отделяет земную кору от верхней мантии. Она имеет форму, симметричную с границей кристаллического фундамента. Гра- Численное моделирование напряженно-деформированного состояния 57 ница Мохо простирается вдоль профиля на глубине 40-42 км в левой и правой стороне профиля и поднимается до глубины 37 км в середине профиля. Вследствие такого расположения границы Мохо и границы, разделяющей кристаллический фундамент с осадочным чехлом, внутренние глубинные слои земной коры, лежащие на глубинах 20-40 км, являются сильно деформированными. На основе вышеуказанных геофизических данных была создана двумерная структурная модель исследуемого региона, представленная на рис. 4. 495 км Рис. 4. Компьютерная структурная модель Якутско-Вилюйской КИП вдоль геологического профиля «Кратон-1980» Fig. 4. A computer structural model of the Yakutsk-Vilyui LIP along the geological profile “Craton-1980” Вилюйская синеклиза Западно- Вилюйская ступень Линденская впадина Хапчагайское поднятие Лухинская впадина Восточно- Вилюйская ступень В этой модели отражена слоистая неоднородность земной коры и верхней мантии. Слои отличается своими физико-механическими свойствами. В ходе численного моделирования такая структура будет обуславливать неоднородность напряженного состояния и локализацию неупругой деформации, которые могут повлиять на образование местонахождений полезных ископаемых. Упругие свойства каждого из слоёв земной коры и верхней мантии представлены в таблице. Они были определены по геофизическим данным геологического профиля «Кратон-1980». Упругие свойства слоёв земной коры и верхней мантии геологического профиля «Кратон-1980» Осадочный слой Слой 2 Слой 3 Слой 4 Слой 5 Слой 6 Верхняя мантия Плотность, г/см3 2.684 2.78 2.81 2.93 3.05 3.25 3.4 Модуль сдвига, ГПа 33.67 35.43 36.52 41.64 46.98 44.25 40.25 Модуль всестороннего сжатия, ГПа 52.22 58.73 63.12 66.07 66.57 78.73 80.73 А.Ж. Ахметов, И.Ю. Смолин 58 Математическая постановка задачи В основе математической постановки задачи о расчете напряженнодеформированного состояния и движения элементов земной коры лежат фундаментальные уравнения механики деформируемого твердого тела и определяющие соотношения. К фундаментальным уравнениям относятся законы сохранения массы, импульса и энергии [16]: о. II О О. (i) р«.- = °у, j + pgt; (2) E = ctj S'. (3) Здесь р0, р - начальное и текущее значение плотности среды, V0, V- начальное и текущее значение объема некоторой малой области среды, ut - компоненты вектора перемещения, - компоненты тензора напряжений, gt - компоненты ус корения свободного падения, Е - внутренняя энергия единицы начального объема, £у - компоненты тензора деформаций. Точка над символом обозначает материальную производную по времени, запятая в нижнем индексе - частную производную по соответствующей пространственной координате. Для описания упругопластического деформирования среды принимается гипотеза аддитивного разложения полного тензора деформаций и тензора скоростей деформаций на упругую и пластическую составляющие (4) Определяющие соотношения первой группы задают связь между напряжениями и упругими деформациями и ниже записаны в скоростной форме, когда скорость напряжений пропорциональна скорости упругой деформации Dt (£j 3 % 5j ) , (5) P = - K£ kk, (6) с tj =(-P5 tj +s tj); (7) Dstj . . Dt S’j stk C°jk sjkЮt k ; (8) £ty=2(ut,j +u j ,t); (9) cby=\\(ui,j-u л), (10) где stj - компоненты девиатора тензора напряжений; P - давление; 5^ - символ Кро-неккера; -D- - означает вращательную производную по времени (производную Численное моделирование напряженно-деформированного состояния 59 Яуманна); д - модуль сдвига; K - модуль всестороннего сжатия; ю- - компоненты псевдотензора скорости вращения. Целью определяющих уравнений второй группы является определение скорости пластической деформации. В качестве основы взята теория пластического течения, согласно которой компоненты тензора скорости пластических деформаций задаются законом пластического течения [16] Ч =1 dg. (11) Мы будем использовать модель Друкера - Прагера - Николаевского с неассоциированным законом течения, позволяющим независимо описывать процессы дилатансии и внутреннего трения. Предельная поверхность напряжений записана в виде условия Друкера - Прагера f=а Ji+ 42 - y=о, (12) где f - поверхность текучести; J1 - первый инвариант тензора напряжений; J2 -второй инвариант девиатора тензора напряжений; Y -когезия; а - коэффициент внутреннего трения. В случае неассоциированного закона течения пластический потенциал не совпадает с функцией пластичности и в соответствии с теорией Николаевского принимается в виде g(о-) = J2 +Л J (2Y --3 J j + const, (13) где Л - коэффициент дилатансии. Компоненты скоростей неупругой деформации определяются законом пластического течения (11) и будут иметь в случае потенциала (13) вид, определяемый уравнениями ч=^ +2л (і' - 3 j1 )у )1,

Скачать электронную версию публикации