: Список книг : Основная : О себе : Геология : Байки : Форум

Гутерман В.Г.

Механизмы тектогенеза

ПРЕДИСЛОВИЕ

Киев: Наукова думка, 1987. 172 с.

Механизмы тектогенеза (по результатам тектонофизического моделирования). Киев: Наукова думка, 1987. 172 с.

В настоящее время, как и почти на всех этапах развития геотектоники, сосуществуют различные, часто взаимно исключающие взгляды на причины и особенности геотектонических процессов. Такое положение в значительной степени обусловлено недостаточной изученностью конкретных физических механизмов формирования тектонических объектов. Большое разнообразие структурных форм одного и того же типа, например складок, часто порождает представление о существовании в природе многочисленных принципиально различающихся способов образования тектонических структур и даже физических причин тектогенеза. Исследование эффективности определенных, в первую очередь самых простых, механизмов могло бы ограничить их необходимое (для объяснения наблюдаемых тектонических явлений) число и, следовательно, способствовать выяснению физических причин тектонических процессов. В этом заключается фундаментальное значение исследования механизмов тектогенеза.

Знание механизма формирования структур того или иного типа подразумевает, что известны характер воздействия на определенный массив горных пород, последовательность образования элементов структуры, их взаимные геометрические и динамические отношения. Отсюда понятно прикладное значение этих исследований: если на основании ограниченного числа полевых наблюдений установлен тип структуры с известным механизмом формирования, то тем самым установлены и основные закономерности ее строения, напряженного и деформированного состояния. Конечно, это знание не освобождает от необходимости геолого-геофизических исследований конкретных структур, но позволяет получить нужную информацию при меньших затратах труда и средств.

Тектонофизика располагает двумя принципиально различными методами исследования: 1) определение силового воздействия на массив горных пород в момент формирования геологической структуры по результатам полевых наблюдений и измерений зафиксированных в породах следов этого воздействия: складок, разрывов, кливажа и т.п.; 2) моделирование, которое может быть как теоретическим (физико- или механико-математическим), так и физическим.

Использование "полевого" тектонофизического метода для исследования механизмов тектогенеза сопряжено с большими трудностями. Для того чтобы надежно установить характер силового воздействия на массив горных пород при формировании геологической структуры, нужны детальные тектонофизические исследования нескольких конкретных структур каждого типа.

Только так можно понизить степень неоднозначности решения обратной задачи. Тектонофизическое описание требует не меньшего объема полевых исследований, чем тектоническое или структурно-геологическое описание.

В настоящее время еще ни одна региональная структура (геосинклиналь, рифт и т.д.) детально тектонофизически не охарактеризована. Но если бы такая информация и была, по ней очень трудно было бы восстановить последовательность деформированных состояний изучаемого массива, без чего всякий вывод о тектоническом механизме ненадежен.

Таким образом, моделирование — пока наиболее эффективный метод исследования механизмов тектогенеза, хотя и на этом пути имеются свои трудности и вероятность неверных выводов.

Задачей настоящей работы было исследование методом тектонофизического моделирования эффективности простых физических механизмов. Другими словами, задача ставилась так: какие тектонические явления могут быть вызваны тем или иным конкретным механизмом? Чаще ставится другой вопрос: какой механизм обусловил формирование конкретной структуры или типа нарушения? Последний вопрос кажется более естественным, однако на него трудно получить однозначный ответ. Например, антиклинальная складка в слоистой толще может образоваться в результате как поднятия участка основания, так и давления, действующего вдоль слоистости, и сделать правильный выбор между этими механизмами бывает далеко не просто.

В самом начале наших исследований (примерно в середине 1960-х гг.) задача ставилась традиционно, но затем стали ясны преимущества новой постановки. Изучая тектонические следствия простых, часто очевидных, физических механизмов, можно свести к минимуму гипотетический элемент в исследованиях и в известной мере преодолеть субъективные устремления исследователя получить искомую структуру каким-то определенным способом. Только после того, как эффективность ряда механизмов выяснена, целесообразно вернуться к традиционной постановке задачи при моделировании конкретных структур с их индивидуальными особенностями строения и развития. В этом последнем случае моделирование носит тектонически-иллюстративный или детализационный характер, в то время как при изучении эффективности механизмов — тектонически-эвристический.

В работе проанализированы результаты исследования четырех тектонических механизмов: 1) неравномерных по площади и во времени вертикальных перемещений блоков земной коры и более глубоких частей тектоносферы; 2) сползания по склону основания слоистой толщи; 3) взаимодействия мантийных расплавов с блоками коры; 4) кристаллизации мантийных расплавов in situ. В отдельных частях работы они рассматриваются раздельно, однако в рамках определенной модели тектоносферы между ними может быть установлена закономерная связь: три первых являются прямыми или косвенными следствиями четвертого. Этими четырьмя механизмами могут быть объяснены практически все достоверно известные тектонические явления. Таким образом, открывается возможность построения новой общей схемы тектогенеза.

Действие всех перечисленных механизмов может быть обеспечено медленным остыванием тектоносферы, содержащей расплавы как в виде рассеянных включений, так и в виде относительно маломощных линз, группирующихся в скопления. В качестве природных моделей тектоносферы предлагается рассматривать крупные расслоенные интрузии.

Автор выражает глубокую признательность академику АН УССР А.В. Чекунову за постоянное внимание к работе, Я.М. Хазану за полезные обсуждения многих затронутых в ней вопросов, В.С. Островскому за помощь в оформлении иллюстративного материала.

ГЛАВА 1. ПРИНЦИПЫ ТЕКТОНОФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Под тектонофизическим моделированием обычно подразумевают только физическую его модификацию. Именно для нее разработаны общие принципы, которые М.В. Гзовский сформулировал так [44, с. 73]:

1. Принцип подобия моделей реальным объектам. Результаты испытания моделей можно использовать при рассмотрении природных объектов только в том случае, если они подобны. Анализ подобия необходим при каждом испытании моделей.

2. Принцип избирательности моделей (селективности) относительно процессов, происходящих в природных объектах. Модели, подобные объектам в отношении изучаемых процессов, не должны и могут не быть подобными в отношении многих других второстепенных и не существенных для нас явлений.

3. Принцип раздельного изучения на моделях (сепарации) тех существенных факторов, которые в природных объектах действуют совместно.

Для четкого определения роли каждого фактора в исследуемом процессе модели нужно испытывать сериями, в каждой из которых следует последовательно изменять только один фактор, сохраняя действия остальных постоянными. После раздельного изучения нужно испытывать сложные модели, подверженные воздействию совокупности ранее исследованных факторов.

4. Принцип последовательных приближений (аппроксимации) к полному подобию моделей и природных объектов. В силу большой сложности природных процессов и относительности наших знаний о них, модели всегда являются лишь приближенно подобными. За счет углубления представлений об условиях подобия, улучшения знаний о природных объектах и физических свойствах горных пород, разработки лучших материалов для изготовления моделей и совершенствования техники моделирования степень подобия моделей в ходе исследования должна непрерывно повышаться. Учитывая это обстоятельство, испытание моделей можно начинать, если условия их подобия еще слабо разработаны. Вместе с тем принцип последовательных приближений обязывает к определенной осторожности при распространении выводов о моделях на природные объекты.

5. Принцип статистической обоснованности заключений о результатах испытания моделей. Выводы, получаемые путем испытания моделей, являются чисто эмпирическими, поэтому их достоверность и точность должны оцениваться и проверяться статистически.

Первые четыре принципа вполне применимы и к теоретическому моделированию, если соответствующим образом уточнить смысл входящих в некоторые из них понятий. Второй и третий принципы в таком уточнении не нуждаются. В формулировке четвертого принципа нужно из перечисления факторов, повышающих степень подобия, исключить материалы моделей и технику моделирования и включить разработку алгоритмов, позволяющих решать задачи для сред и систем, все более и более адекватных природным. Пятый принцип следует заменить принципом устойчивости модели к вариациям входящих в нее параметров.

Наиболее важен первый принцип — подобия. Применительно к физическому моделированию подобие модели реальному объекту означает следующее [44, с. 73; 126, с. 8]. Модель геометрически подобна оригиналу, если она представляет собой уменьшенную (или увеличенную) копию оригинала. Модель кинематически подобна оригиналу, если определенные частицы находятся в соответствующих точках в соответствующее время, причем длительность процесса в модели, как правило, также масштабируется. Динамическое подобие модели оригиналу означает, что отношение каждого вида сил (тяжесть, инерция, различной природы напряжения, трение), действующих на определенные частицы в модели и в оригинале, постоянно, а отношения напряжений (или деформаций) в соответствующих точках модели и оригинала к предельным характеристикам применяемых материалов (пределы прочности, пластичности и т.п.) равны. Модель полностью подобна оригиналу, если одновременно осуществляется геометрическое, кинематическое и динамическое подобие.

Тектонические явления не ограничиваются чисто механическими процессами. Так, внедрение крупных интрузий, например, оказывает, кроме механического, термическое и химическое воздействие на окружающие породы. При моделировании такого рода процессов необходимо вводить дополнительные виды подобия, в частности по тепловому полю. Однако физическое моделирование тектонических процессов, включающее изучение тепловых полей, из-за больших технических трудностей пока не проводится. Вопросы геотермии изучаются либо теоретически, либо с помощью аналоговых устройств [32]. Поэтому при рассмотрении подобия применительно к физическому моделированию ограничимся наиболее важной в тектоническом смысле механической стороной проблемы.

Условия подобия выражаются набором коэффициентов подобия, между которыми существует закономерная связь. Они выводятся из анализа размерностей, а также из уравнений механики сплошной среды и эмпирических соотношений между напряжениями, свойствами пород и условиями их деформирования. Для тектонофизического моделирования первую полную разработку условий подобия дал М.В. Гзовский [42, 44]. В табл.1 приведены основные коэффициенты (множители) подобия и важнейшие их соотношения.

Полного подобия при моделировании практически никогда нельзя достичь. Причины этого отражены в приведенных выше втором, третьем и четвертом принципах моделирования. Поэтому в каждой конкретной серии экспериментов используется два, а то и одно условие подобия в зависимости от сложности изучаемого процесса или явления.

Таблица 1. Основные коэффициенты подобия и их соотношения (по М.В. Гзовскому [44, с дополнениями]

Величина и ее обозначение	Коэффициент подобия	Соотношение между коэффициентами подобия
Линейный размер l	lm / lo = Сl	Сl = СgСt
Плотность ρ	ρm / ρo = Сρ	Сρ = Сτ/СlСg = СlСtСη
Ускорение g	gm / go = Сg	Сg = Сτ/СlСρ = Сl/Сt2
Время t	tm / to = Сt	Сt = Сη/СlСgСρ = (Сl/Сg)1/2
Коэффициент вязкости η	ηm / ηo = Сη	Сη = СτСt = СgСρСlСt
Нормальное напряжение σ	σm / σo = Сσ	Сσ = Сτ = СE = СG = СS
Касательное напряжение τ	em / eo = Сe	Сτ = СlСgСρ = Сη/Сt = СρСl2/Сt2
Деформация e	em / eo = 1
Скорость деформации è	èm / èo = Сè	Сè = Сt-1
Модуль Юнга E	Em / Eo = СE	СE = Сτ
Модуль сдвига G	Gm / Go = СG	СG = Сτ
Коэффициент Пуассона μ	μm / μo = 1
Прочность по напряжениям S	Sm / So = СS	СS = Сτ
Прочность по деформациям D	Dm / Do = 1
Энергия u	um / uo = Сu	Сu = СτСl3
Температура T	Tm / To = СT	СT = Сu

Примечания: 1. Величины с индексом "m" относятся к модели, с индексом "о" — к оригиналу.
2. В качестве независимых размерных величин приняты длина (l), ускорение (g) и плотность (ρ); в качестве основных условий подобия — С_τ = С_lС_gС_ρ и С_η = С_τС_t, поэтому коэффициент подобия времени С_t определяется как через коэффициенты, представляющие отношения этих независимых величин, так и через основные условия подобия.
3. Коэффициенты подобия величин, имеющих одинаковую размерность, равны между собой; поэтому такие же равенства можно написать и против других величин той же размерности.

При теоретическом моделировании также должно быть соблюдено подобие модели природному объекту. Подобие (или его отсутствие) теоретической модели оригиналу закладывается при выборе типа уравнений, описывающих моделируемый процесс и свойства материала природного объекта, вида начальных и граничных условий (этим определяется качественное подобие), а также численных значений параметров, входящих в уравнения, граничные и начальные условия (количественное подобие). Очевидно, что обеспечение качественного подобия — совершенно необходимое условие всякого моделирования. Если процесс в модели качественно идет не так, как в природе, нет смысла тщательно подбирать численные значения параметров и анализировать точность определения напряжений, скоростей и других характеристик.

Приведем один пример возможного несоблюдения подобия теоретических моделей природным объектам. Как известно, всем горным породам свойственны так называемые предельные характеристики: пределы прочности, текучести и т.д. Это означает, что породы — довольно сложные в реологическом смысле тела. Решение задач о деформировании таких тел сопряжено с преодолением значительных трудностей. Чтобы их избежать, задачу упрощают, полагая зависимость между напряжениями и деформациями (скоростями деформаций) линейной, и пренебрегают пределами прочности или текучести, считая (иногда без достаточного обоснования), что они малы. Чаще всего для описания медленных неупругих деформаций массивов горных пород (деформаций типа течения) используют реологическую модель вязкой жидкости, для которой закон связи между напряжением τ и скоростью деформации è = ∂e/∂t для одномерного случая таков:

τ = ηè

(1.1)

где η – коэффициент вязкости, зависящий, вообще говоря, от температуры и скорости деформации, но часто принимаемый постоянным. Деформация (при η = const) за время t_Σ действия постоянного напряжения τ

e = τ tΣ ∫dt = 0 τ tΣ η η

(1.2)

Отсюда ясно, что даже при очень большой вязкости и малом постоянном напряжении за длительное (геологическое!) время тело может быть сильно деформировано. Если же не пренебрегать пределом текучести τ_f, то для тела, характеризующегося за этим пределом законом течения (1.1), можно записать

e =   tΣ (τ - τf) при τ > τf   η   0 при τ ≤ τf

(1.3)

Очевидно, что если напряжения в реальном массиве пород не превосходят предела текучести, массив останется недеформированным, сколько бы времени не действовало напряжение τ, а в модели массива типа (1.2) будет наблюдаться значительный тектонический эффект. Может быть и так, что напряжения на одних участках массива превышают предел текучести, а на других остаются ниже τ_f. Понятно, что и в этом случае ньютоновская (вязкая) модель массива даст результат, существенно отличающийся от реального процесса.

Принципиально ничего не меняет и последовательное "подключение" к вязкому элементу упругого, в результате чего получается вязко-упругое тело Максвелла, характеризующееся в одномерном случае законом связи

è = τ'  +  τ E η'

(1.4)

где Е — модуль Юнга; τ' — производная от напряжения по времени. Если действующее на такое тело напряжение постоянно, то τ' = 0, и снова приходим к равенству (1.2).

Большинство существующих теоретических схем конвекции твердого вещества мантии Земли построено на основании моделей тел, не имеющих предела текучести. Следовательно, в них нарушено уже качественное подобие, и количественные оценки, например скорости перемещения вещества в конвективной ячейке, сделанные на основании таких моделей, трудно считать вполне достоверными.

Опасность несоблюдения качественного подобия существует, конечно, и при физическом моделировании тектонических процессов. Можно, например, неправильно выбрать модельный материал (что при теоретическом моделировании эквивалентно неправильному выбору уравнений или закона связи между напряжениями и деформациями) или подвергнуть модель слишком экзотическому с геологической точки зрения силовому воздействию. Однако при физическом моделировании, по крайней мере процессов течения горных пород, такая опасность значительно меньше. Все модельные материалы — это тоже реальные тела, и даже весьма текучим веществам (например, смазкам) свойствен хотя бы небольшой предел текучести, который в той или иной мере скажется на характере деформаций в модели. Нереальность с тектонической точки зрения оказываемого на модель силового воздействия при физическом моделировании также ощущается лучше.

Таким образом, наиболее опасным источником неверных выводов из результатов тектонофизического моделирования является качественное несоответствие модели природному аналогу. При исследовании тектонической эффективности физических механизмов, при выяснении их принципиальных возможностей именно этому виду подобия следует уделять наибольшее внимание.