Институт геофизики им. С.И. Субботина АН УССР, Киев

Институт физики Земли им. О.Ю.Шмидта АН СССР, Москва

Аннотация

Кратко изложено современное состояние тектонофизического моделирования, его цели, принципы возможности и тенденции. Приведены примеры иэучавшихся тектонофизических механизмов. Обсуждаются возможности понижения стенени неоднозначности обратной тектонофизической задачи. Дана классификация тектонических моделей.

Первые попытки воспроизведения в лабораторных условиях тектонических структур относятся к середине ХIХ в. Эпизодически они продолжались и в течение последующих ста лет, но опыты выполнялись без специальной теоретической и экспериментальной базы и служили в основном для иллюстрации той или иной тектонической идеи. Методологическая база экспериментальной тектоники, прежде всего в виде элементов теории подобия, стала закладываться в 30-40-е годы ХХ в, [11, 18, 19]. Начало систематическим экспериментально-тектоническим исследованиям в нашей стране положено в 1944 г. В.В. Белоусовым, а оформление тектонофизического научного направления можно связать с появлением основополагающих статей М.В. Гзовского [4, 5].

В настоящем обзоре делается попытка представить (по необходимости – кратко) современное состояние тектонофизического моделирования, его возможности, идеологию и тенденции.

Цель и принципы тектонофизического моделирования. Целью физического моделирования тектонических процессов и структур является установление механизмов тектогенеза, т.е. способов, видов силовых воздействий на определенные толщи, массивы, блоки горных пород или целые геосферы, и вызываемые этими воздействиями деформированное и напряженное состояние соответствующих объектов. Достижение этой цели означает, с одной стороны, продвижение к пониманию физических причин тектогенеза, с другой – возможность аргументированного прогноза геологических структур и месторождений полезных ископаемйх нё глубину и в пределы закрытых участков, характера и степени сейсьяческой опасности, других важных в практическом отношении явлений и объектов.

М.В. Гзовским сформулированы пять принципов тектонофизического моделирования: подобия, селективности, сепарации, аппроксимации и статистической обоснованности [6]. Последный принцип является непременным при всяких физических экспериментах, в том числе и при немоделировании. Потребность введения второго, третьего и четвертого принципов возникла из сути тектонофизической задачи как задачи обратной и физического эксперимента как задачи прямой. Физическое моделирование тектонических процессов – это решение обратной задачи способом подбора (результатов решения прямых задач). Иначе говоря, решая тектонофзическую задачу моделированием постепенно, последовательно подбирают, приводят в соответствие модель реальному объекту. Принципы селективности, сепарации и аппроксимации - это не что иное, как рекомендуемые правила такого приведения в соответствие.

Принцип подобия должен быть соблюден при всяком моделировании, однако при тектонофизическом моделировании он шире, чем при техническом. В последнем случае, например при моделировании конструкций самолетов или мостов, вид нагрузок на реальные объекты и реология их материалов, как правило, хорошо известны. При тектонофизическом моделировании способ нагружения геологических объектов – обычно самый неизвестжй элемент, подлежащий исследованию в первую очередь, поэтому здесь прежде всего нужно добитьоя качественного подобия. Нет смысла тщательно подбирать (количественные) параметры модели, если она нагружается не так, как природный объект и (или) если свойства ее материала принципиально не соответствуют свойствам материала природного объекта. Может оказаться, что модель по некоторым параметрам подобна реальному объекту, но в целом ему не соответствует или соответствует лишь частично.

Проблема однозначности решения тектонофизической задачи методом моделирования. Поскольку основная тектонофизическая задача (определить механизм образования структуры, имея результат действия такого механизма, и – обычно менее достоверно - начальное соотояние массива) по своей сути – обратная, ее решение в принципе неоднозначно. Такое положение, на первый взгляд, делает тектонофизическое моделирование неэффективным. В самом деле, если одна и та же структура может быть получена многими способами и нет возможности отдать предпочтение одному из них, казалось бы, незачем приступать к моделированию. К счастью, реальные ситуации не столь безнадежны. Помогает самая разнообразная априорная информация о природных объектах, включающая физико-механические представления о мыслимых и заведомо невозможных способах силового воздействия на массивы пород, геологические сведения об истории развития структуры, важные детали ее строения, в частности зафиксированные полевыми тектонофизическими наблюдениями общая геометрия, а также пространственное положение и тип трещин, макро- и микроскладок, степень и направление деформированности отдельных кристаллов и зерен минералов и др.

Представляется весьма эффективной такая последовательность тектонофизического моделирования. Вначале изучаются результаты различных воздействий на модели массивов, толщ горных пород: поперечный изгиб толщи, давление в торец пачки, горизонтальная составляющая силы тяжести, возникающая в наклонно залегающей толще, касательные напряжения, прикладываемые к подошве слоя, Архимедова сила и т.д. Иными словами – решаются прямые задачи. Устойчиво получающиеся в моделях структуры сопоставляются с реальными объектами и отыскиваются аналоги с учетом наибольшего числа важнейших коррелирующихся параметров. На основании близких модельных аналогов выдвигается гипотеза о механизме образования того или иного типа структур. Затем моделируется образование конкретных структур определенного типа с учетом их индивидуальных особенностей и истории развития. Если в результате моделирования "сами собой" получаются детали (геометрии, деформированного состояния, трещиноватости), совпадающие с деталями природного объекта, и не появляются существенные детали, отсутствующие в последнем, можно утверждать, что механизм образования конкретной структуры с большой вероятностью определен верно.

Виды тектонофизических моделей

Известные модели тектонических структур можно классифицировать следующим образом.

  1. По степени соответствия реальным объектам: соответствующие, частично соответствующие и несоответствующие.
  2. По детальности, глубине исследования свойств природных объектов и происходящих в них процессов: модели геометрического, механического и физического рангов. В первом случае объект моделируется системой жестких элементов во втором – согласно понятиям и правилам механики деформируемых сред, в третьем – механическая модель дополняется физическими процессами (нагревом, фазовыми переходами и т.д.). Определять степень соответствия модели необходимо с учетом, в рамках ее ранга.
  3. По общности тектонической задачи: модели типичных структур и процессов, в которых изучаются общие закономерности определенного класса тектонических явлений (складок, разрывов, диапиров, конвекции и т.д.), в том числе и механизмы их возникновения; модели конкретных геологических структур (или областей) с их индивидуальными особенностями строения и развития.
  4. По характеру и величине массовых сил, действующих в модели: нормально тяжелые модели, т.е. исследуемые в поле силы тяжести Земли, и центрифугируемые модели, в которых массовая (центробежная) сила на 1–3 порядка больше силы тяжести и, что существенно, может варьировать.
  5. По оптическим свойствам материала моделей: оптически инертные (обычно непрозрачныв) и оптически активные (обычно прозрачные) модели.

В настоящее время наиболее распространены частично соответствующие модели механического ранга. Чаще моделируются типичные структуры, а выводы о конкретных объектах делаются по закономерностям типичных моделей. Как начальный этап исследования это допустимо, но для повышения достоверности и убедительности выводов, делающихся на основании тектонофизического моделирования, завершать исследование необходимо все же моделями конкретных геологических объектов.

  1. Бондаренко П.М., Лучицкий И.В. Сдвиги и зоны скалывания в тектонических полях напряжений // Экспериментальная тектоника в теоретической и практической геологии. - М.: Наука, 1985. С. 159-182.
  2. Бокун А.Н. Развитие и характер трещин в моделях флексурообразного изгиба // там же. С. 230-237.
  3. Бурмистенко В.М. Об одном опыте экспериментального изучения разломных структур земного шара // Тектоника Сибири, т. 5. М.: Наука 1972. С. 196-198.
  4. Гзовский М.В. О задачах и содержании тектонофизики // Изв. АН СССР сер. геофиз. 1954, №3. С. 244-263.
  5. Гзовский М.В. Моделирование тектонических полей напряжений и разрывов // Там же. №6,С. 527-545.
  6. Гзовский М.В. Основы тектонофизики М.: Наука, 1975. 536 с.
  7. Гончаров М.А., Горелов Ю.М., Лебедева Н.Б. Метод сравнительного моделирования геосинклинальной складчатости // Экспериментальная тектоника в теоретической и прикладной геологии. М.: Наука, 1985. С. 151-154.
  8. Григорьев А.С., Михайлова А.В. Сочетание теоретического и экспериментального методов при исследовании процессов образования тектонических структур // Там же. С. 131-146.
  9. Гутерман В.Г. Механизмы тектогенеза (по результатам тектонофизического моделирования) Киев: Наук. думка, 1987. 172 с.
  10. Ларин В.Н., Руженцев С.В. Моделирование покровных складок // Геотектоника. 1975. №3. С. 36-43.
  11. Люстих Е.Н. Условия подобия при моделировании тектонических процессов // Докл. АН СССР. 1949. 64, №5, С. 661-664
  12. Миллер Ю.В. Экспериментальное исследование структурной зональности, связанной с послойным сдвиговым течением // Экспериментальная тектоника в теоретической и прикладной геологии. М.: Наука, 1985. - С. 196-204.
  13. Осокина Д.Н. Моделирование тектонических полей напряжений с помощью поляризационно-оптического метода и его применение при решении задач тектоники и тектонофизики // Там же, С. 62-93.
  14. Рамберг Х. Сила тяжести и деформации в земной коре. - М.: Недра, 1986. - 399 с.
  15. Чабаненко I.I. Розломи Землi. КиIв: Наук. думка, 1969. 87 с.
  16. Шеменда А.И. Условия и некоторые результаты физического моделирования деформаций литосферы // Эксперимент и моделирование в геологических исследованиях. Новосибирcк: Ин-т геологии и геофизики СО АН СССР, 1984. С.37-46.
  17. Шерман С.И., Борняков С.А., Буддо В.Ю. Области динамического влияния разломов (результаты моделирования). Новосибирск: Наука, 1983, 112 с.
  18. Шнеерсон Б.Д. О применении теории подобия при тектоническом моделировании Тр. Ин-та теорет. геофизики АН СССР. 1947. Т.3. С.94-106
  19. Hubbert M.K. Theory of scale models as applied to the geologic structures // Bull. Geol, Soc. Am. 1937. 48, N10. P.1499-1520
  20. Odonne F. Vialon P. Analogue models of folds above a wrench fault // Tectonophysics. 1983. 99, N1. - P. 31-46.
Hosted by uCoz