Computer modelling of the state of stress and strain of the Tunguska and Vilyui syneclises.pdf Природа формирования литосферы является одной из основных научных проблем современной геодинамики [1]. В настоящее время решение многих фундаментальных проблем осуществляется на основе междисциплинарного подхода, который требует привлечения сведений и методов из разных областей наук. При таком подходе к указанной проблеме одной из задач ее комплексного анализа является изучение напряженно-деформированного состояния (НДС) литосферы. Эта задача геомеханики сводится к решению задачи механики деформируемого твердого тела с учетом геолого-геофизических особенностей регионов и механизмов неупругого деформирования геологических сред [2]. При этом структурная модель геосреды определяется геологическим строением исследуемого объекта. Важнейшее значение для получения достоверных результатов имеет также выбор адекватной модели геосреды. Развитие численных методов и вычислительной техники позволяет решать данный класс задач с достаточно детальным рассмотрением неоднородности структуры земной коры и с учетом сложной реологии геологических сред. 1 Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-3190034. Компьютерная программа для выполнения исследований была модифицирована в рамках государственного задания ИФПМ СО РАН, тема номер FWRW-2022-0003. Компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния 53 Одним из крупных и важных геологических объектов на территории Российской Федерации является Сибирский кратон, который представляет собой древнюю стабильную платформу, сложенную из разных геологических структур. На его территории отмечается большое количество месторождений разнообразных полезных ископаемых [3]. Геологическая структура данного региона была хорошо изучена с помощью экспериментальных методов, начиная от полевых экспедиций и заканчивая анализом и обработкой космических съёмок [4]. Из-за большой протяженности Сибирского кратона на его границах происходят разные геомеханические процессы, такие, как сжатия, сдвиги, растяжения, которые сильно влияют на внутренние процессы преобразования горных пород. Анализ влияния геотектонических процессов сжатия и растяжения на формирование НДС срединной части Енисейского кряжа и северной части Вилюйской синеклизы был проведен нами в предыдущих работах [5, 6]. Данная статья является дальнейшим этапом этих исследований. В этой работе в качестве объектов исследования были выбраны южная часть Вилюйской синеклизы и срединная часть Тунгусской синеклизы, где проходит геологический профиль «Кимберлит-1981» [7, 8]. Геологическая структура Тунгусской синеклизы представляет собой впадину округлой формы, вызванную опусканием кристаллического фундамента на глубину порядка 3-5 км. При этом стоит заметить, что по данным геофизиков на территории Тунгусской синеклизы происходит возникновение мантийного плюма на ранней стадии, которая в дальнейшем приведёт к высокой деформации земной коры. Вилюйская синеклиза которую в ряде источников называют Якутско-Вилюйской крупной изверженной провинцией, является областью массового проявления внутриплитного магматизма, которая сформировалась в результате внедрения огромных объемов мантийных магм за относительное короткое время [9, 10]. Цель данной статьи - анализ НДС Вилюйской и Тунгусской синеклиз на основе разработанных структурных моделей изучаемых объектов и физико-математической модели деформирования литосферы. В рамках данного анализа предполагалось выявить связь между особенностями НДС участков литосферы и местоположениями полезных ископаемых в них. Структурные модели Вилюйской и Тунгусской синеклиз В 80-е и 90-е годы XX века на территории бывшего СССР и современной России была проведена глобальная работа по исследованию литосферы на предмет поиска полезных ископаемых и анализа фундаментальных геологических особенностей структуры горных массивов в рамках проекта «Комплексного освоения земных недр СССР». Итогом данной работы было получение данных для геофизических профилей, которые проходили по многим ключевым геологическим областям бывшего СССР [7]. По интересующим нас областям проходит геологический профиль «Кимберлит-1981», ориентация которого представлена на рис. 1. Геологический профиль «Кимберлит-1981» проходит по территориям Тунгусской синеклизы и южной части Вилюйской синеклизы, которые являются частями Лено-Вилюйской и Лено-Тунгусской нефтегазоносных провинций - крупнейших месторождений нефти и газа в Сибири [11, 12]. Часть геологического профиля «Кимберлит-1981», представлена на рис. 2 вместе с геофизическими данными, которые получены на основе метода глубинного сейсмического зондирования. Представленные на рис. 2 данные по Вилюйской и Тунгусской синеклизам содержат значения скоростей продольных и поперечных волн, выделенные границы А.Ж. Ахметов, И.Ю. Смолин 54 осадочного чехла и границы Мохо, а также зоны разломов. Протяженность выбранного участка Вилюйской синеклизы составляет 360 км, а Тунгусской синеклизы - 879 км, глубина обоих объектов равна 60 км. Рис. 1. Ориентация профиля «Кимберлит-1981» на геолого-структурной карте России [7] Fig. 1. Orientation of the Kimberlit-1981 profile on the geological and structural map of Russia [7] a Вилюйская синеклиза Ыгыаттинская впадина | Сунтарское поднятие | Кемпендяйская впадина b Рис. 2. Части геологического профиля «Кимберлит-1981», охватывающие территории Вилюйской (а) и Тунгусской (b) синеклиз Fig. 2. Parts of the Kimberlit-1981 geological profile comprising the areas of (a) Vilyui and (b) Tunguska syneclises Вилюйская синеклиза разделяется на серию геологических объектов, таких как Ыгыаттинская впадина, Сунтарское поднятие, Кемпендяйская впадина и Южно-Вилюйская ступень (рис. 2, а). Здесь наблюдается сильная деформация кристаллического фундамента, нижняя граница которого обозначена на рис. 2, а буквой К справа у вертикальной оси координат, в виде прогиба, который уходит на глубину порядка 10 км в районе Кемпендяйской впадины. Далее в западном направлении фундамент поднимается в районе Сунтарского поднятия и снова опускается до Компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния 55 глубины 5 км в Ыгыатгинской впадине. Верхний слой литосферы, который граничит с кристаллическим фундаментом, является южной оконечностью Вилюй-ского осадочного бассейна, осадочные породы которого накапливались в течение многих миллионов лет. На основе геофизических данных профиля, литосфера составлена из серии блоков, разделенных субвертикальными фронтальными разломами, которые доходят до границы Мохо, обозначенной буквой М справа у вертикальной оси координат, - линии раздела земной коры и мантии. Схожую геологическую картину имеет Тунгусская синеклиза, в составе которой выделяют следующие геологические объекты: Бахтинско-Курейское поднятие, Западно-Тунгусская ступень, Кочечумо-Туринская впадина и ВосточноТунгусская ступень. На рис. 2, b можно увидеть небольшую деформацию кристаллического фундамента, нижняя граница которого также обозначена буквой К. Глубина верхней границы фундамента колеблется в диапазоне 3-8 км, максимальное осаждение фундамента наблюдается в районе Кочечумо-Туринской впадины, а наименьшее осаждение - в районах Восточно-Тунгусской ступени и Бах-тинско-Курейского поднятия. Здесь, также как и на рис. 2, а, наблюдаются субвертикальные разломы, которые проявляются между границами геологических областей. Кроме указанных геологических областей и разломов, на геологических профилях приведены границы, разделяющие слои земной коры, в которых отмечаются различные скорости продольных и поперечных волн. Это свидетельствует о том, что плотностные и упругие свойства в них также отличаются. На основе вышеуказанных геолого-геофизических данных были созданы двумерные структурные модели исследуемых регионов, которые представлены на рис. 3. b Тунгусская синеклиза Запад Рис. 3. Компьютерные структурные модели Вилюйской (а) и Тунгусской (b) синеклиз вдоль геологического профиля «Кимберлит-1981» Fig. 3. Computer structural models of the (a) Vilyui and (b) Tunguska syneclises along the Kimberlit-1981 geological profile Представленные модели отражают слоистую неоднородность литосферы. Каждый из слоёв отличается индивидуальными физико-механическими свойствами, что оказывает влияние на распределения напряжений и деформаций в литосфере под воздействием гравитации, а также тектонических напряжений. Упругие свойства были определены на основе данных о плотности геосреды и скоростях продольных и поперечных упругих волн, полученных на основе геофизических данных профиля «Кимберлит-1981». Об определении прочностных свойств в рамках модели упругопластической среды речь пойдет в следующем разделе статьи. А.Ж. Ахметов, И.Ю. Смолин 56 Т аблица 1 Упругие и прочностные свойства слоёв земной коры и верхней мантии Вилюйской синеклизы вдоль геологического профиля «Кимберлит-1981» Свойства осадоч ный слой слой 2 слой 3 слой 4 слой 5 верхняя мантия (слой 1) верхняя мантия (слой 2) Плотность, г/см3 2.785 2.880 2.965 3.05 3.136 3.26 3.26 Модуль сдвига, ГПа 33.62 39.855 39.776 44.748 54.07 47.16 47.16 Модуль всестороннего сжатия, ГПа 51.455 60.987 71.221 75.64 80.681 77.13 77.13 Когезия, МПа 5 5xY(H) 10 10 10xY(H) 3 3xY(H) Коэффициент внутреннего трения 0.2 0.005 0.2 0.2 0.005 0.2 0.001 Коэффициент дила-тансии 0.005 0.005 0.005 0.005 0.005 0.005 0.001 Т аблица 2 Упругие и прочностные свойства слоёв земной коры и верхней мантии Тунгусской синеклизы вдоль геологического профиля «Кимберлит-1981» Свойства осадоч ный слой слой 2 слой 3 слой 4 слой 5 верхняя мантия (слой 1) верхняя мантия (слой 2) Плотность, г/см3 2.821 2.91 2.99 3.077 3.163 3.25 3.25 Модуль сдвига, ГПа 32.19 39.54 41.07 48.10 46.47 45.92 45.92 Модуль всестороннего сжатия, ГПа 52.51 64.5 67.22 88.93 78.59 76.42 76.42 Когезия, МПа 5 5xY(H) 10 10 10xY(H) 3 3xY(H) Коэффициент внутреннего трения 0.2 0.005 0.2 0.2 0.005 0.2 0.001 Коэффициент дила-тансии 0.005 0.005 0.005 0.005 0.005 0.005 0.001 Математическая постановка задачи В основу математической постановки, позволяющей описать НДС участков литосферы в условиях геодинамического влияния, лежат фундаментальные уравнения механики деформируемого твердого тела и определяющие соотношения [6, 13]. К фундаментальным уравнениям относятся законы сохранения массы, импульса и энергии. К определяющим соотношениям относятся уравнения, позволяющие описать особенности механического поведения геосреды, в данном случае - упругопластического. Поскольку применяется модель баротропной среды, закон сохранения энергии не является необходимым для замыкания системы уравнений и может быть рассмотрен отдельно. Для описания упругопластическо- Компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния 57 го деформирования применена гипотеза аддитивного разложения полного тензора деформаций и тензора скоростей деформации на упругую и пластическую составляющие. Таким образом, два класса представленных уравнений позволяют получить замкнутую систему уравнений. Описание нелинейного упругого отклика среды производится с помощью модели гипоупругости (связь между скоростями напряжений и скоростями деформаций) [13]. Для описания пластических течений в геосреде, была использована модель Друкера - Прагера - Николаевского с неассоциированным законом течения, которая позволяет независимо описать процессы дилатансии и внутреннего трения. Предельная поверхность напряжений записана в виде условия Друкера - Прагера: f=а ^і + J/2 - y=0, ( где f(

Скачать электронную версию публикации