В рамках концепции двухъярусной тектоники плит проведена постановка задачи о поведении нижнего слоя земной коры в процессе континентальной субдукции. В приближении 'смазочного слоя' получено уравнение, описывающее его поведение. Проведен анализ этого уравнения и осуществлено его численное решение. Таким образом, получена модель, применимая для описания процессов утолщения коры в районе столкновения литосферных плит.

Геология и геофизика, 1991, ?7, с.3-8.

Магматический петронегизис рассматривается с учетом разнообразных взаимосвязанных петрологических и тектонических процессов, происходящих в обстановке коллизии.

Физико-химический анализ парагенезисов магматических пород с детальным изучением составов минералов, расчеты реакций природного минералообразования позволили восстановить термодинамические условия выплавления магм различного состава и их эволюцию в процессе магмообразования.

Построена двухмерная механическая и тепловая модели коллизионного пояса на основе представлений о реологической расслоенности литосферы, допускающей относительные движения ее слоев в процессе коллизии. Рассмотрен температурный режим коллизионной зоны с учетом выделение энергии за счет вязкого трения в нижнем слое коры. Вклад диссипативного источника в общий энергобаланс коллизионной зоны обеспечивает повышение температуры нижней коры дополнительно на 80-150 њС, что способствует плавлению.

Детальный анализ современной геологической структуры районов развития коллизионного магматизма в пределах Кавказа и всей центральной части Альпийского пояса позволил установить приуроченность его к поверхностным субмеридиональным и субширотным зонам растяжения, парагенезис которых возник в поле напряжений, сформированном в обстановке общего субмеридионального сжатия.

Особенности химического состава магматитов (широкая латеральная изменчивость химического состава, антидромная направленность, смена более ранних известково-щелочных серий субщелочными и щелочными, отсутствие или слабое проявление процесса кристаллизационной дифференциации, резкое обогащение более основных членов серий легкими REE, а также некогерентными элементами) свидетельствует о существенной роли процессов кислотного выщелачивания в магматическом петрогенезисе коллизионных зон. Исследования финансируются РФФИ (грант ? 95-05-15735).

В 1997 году в ряде работ В.Е.Хаина и Н.А.Яблонской было положено начало возрождению идей Эмиля Аргана, относительно происхождения коллизионного пояса Евразии. Структурный рисунок Альпийско-Гималайского и Центрально-Азиатского горных поясов проинтерпретирован как отражающий упруго-пластические верхнекоровые деформации. Составлена модель кайнозойской структуры области коллизии, с определенными закономерностями подобия и симметрии ее отдельных элементов и их сочетаний.

Модель всего коллизионного пояса составлена на основании детального изучения кайнозойской структуры Тяньшаньско-Кызылкумского региона. Здесь выявлены многопорядковые структурные парагенезы, указывающие на ротационное упруго-пластическое течение верхней части земной коры (яблонская, 1997). Анализ сейсмичности показал, что в подобных деформациях участвует слой земной коры до глубины 20км (95% землетрясений).

Предлагается рассматривать под складками покрова Э.Аргана деформации внутри верхнего сейсмоактивного слоя земной коры (сейсмоактивность свидетельствует об его хрупко- или упруго-пластических свойствах), а под складками основания - деформации его подошвы , или кровли подстилающего пластичного, в котором сейсмичность затухает. В таком случае, по-видимому, мегантиклинали и мегасинклинали и мегасинклинали внутри коллизионной зоны должны соответствовать расположенным на глубине складкам основания, осложняющие их складчато-сдвиго-надвиговые структуры - складкам покрова.

Представление о пластичности нижней коры объяснит и предполагавшуюся Э.Арганом возможность больших горизонтальных перемещений на этом уровне, и известные вариации ее мощности - образование "корней гор" и т.д., способностью к перетеканию и нагнетанию под действием тангенциальных напряжений. "Горизонтальная миграция глубинного материала замечается по вертикальным движениям. Они, за исключением случая, когда их маскируют движения, вызванные другими более мощными фактами, характеризуются понижением, если материал уходит из-под данного района и подъемом, когда он притекает" (Арган, 1935, стр.111).

Компьютерное моделирование показывает, что вязкие течения в нижней коре играют главную роль в передаче движущих сил внутриплитных деформаций на большие расстояния. Получена динамика изменения мощности коры в коллизионной зоне за 20 млн.лет, соответствующая реальным временам коллизии. Характерными особенностями являются: значительное (до 2-х раз) увеличение мощности коры; асимметрия склонов коллизионного поднятия; горизонтальные размеры орогена несколько сотен километров; высота поднятий до 8км. Поле скоростей в нижней коре указывает на значительное перемешивание вещества этого слоя. Распределение сдвиговых напряжений свидетельствует об условиях растяжения на кровле пластичного слоя при общей обстановке сжатия.

Результаты численного моделирования тепловых процессов с учетом диссипативной теплогенерации при вязком течении в нижней коре указывают на значительное (50-200oС за 20 млн.лет) увеличение температуры на подошве коры, при этом достигается температура плавления гранитов. В сочетании с действующими в нижней коре напряжениями это создает условия для гранитоидного магматизма.

Современные островные дуги приурочены главным образом к западной периферии Тихого океана, а у его восточных берегов субдукция выражена активными окраинами андского типа. Эта глобальная асимметрия широко известна и отражает коренное различие условий субдукции в направлении на запад и на восток, которое объясняют ориентировкой ротационных напряжений. Однако все больше данных указывает на то, что в прошлом, по крайней мере в раннем мезозое, островодужные системы развивались по обе стороны Прапацифики.

Формирование асимметрии, характерной для наших дней, происходило в позднем мезозое и коррелируется с фазами распада Пангеи. Центробежное перемещение ее фрагментов выражают векторы, которые получены вычитанием общего западного дрифта литосферы из полных векторов современного движения континентов относительно подстилающей мантии (использована модель HS2-NUVEL1). С началом распада Пангеи, когда это центробежное перемещение наложилось на общий западный дрифт, различие условий субдукции на двух активных перифериях суперконтинента должно было усилиться: на западной его периферии широтная компонента абсолютного движе-ния континентальных плит заметно увеличилась; на восточной периферии, где суммировались встречные движения, широтное смещение могло быть почти нулевым. На американской стороне Прапацифики, где происходило надвигание континентов, на субдуцирующую литосферу и соответствующее омоложение последней, островодужные системы закрывались, а вместо них формирова-лись вулкано-плутонические пояса андского типа.

Если исходить из концепции циклов Пангеи, то вполне вероятно, что размещение островных дуг бывало асимметричным и прежде, на этапах распада более ранних суперконтинентов. Судя по сохранившимся вулкано-плутоническим комплексам андского типа, на разных циклах глобальная асимметрия субдукции проявилась с неодинаковой полнотой.

В работе строится количественная модель механических и тепловых процессов, происходящих при коллизии в литосфере, имеющей приближенно трехслойное строение (верхняя жесткая кора, нижняя пластичная кора, упругая подкоровая литосфера).

Результаты моделирования указывают на эначительное (до 2-х раз) увеличение мощности коры. В центральной части орогена на поздних стадиях коллизии и в постколлизионную фазу возникает область растяжения, связанная с гравитационным "растеканием" образовавшегося поднятия. В процессе пластического деформирования вещества нижней коры происходит диссипативное выделение тепла, которое приводит к разогреву как самой коры, так и подстилающей мантии. Численное моделирования теплового режима показывает, что область значительного увеличения температуры на подошве коры (на 50 - 200оС) имеет мощность около 10 км и горизонтальные размеры порядка сотен километров. Данный механизм может объяснить существование глубинного метаморфизма, а также обеспечить достаточное для частичного плавления вещества нижней коры повышение температуры. Таким образом, создаются предпосылки для возникновения син- и постколлизионного гранитоидного магматизма.

В настоящей работе исследуются эффекты, связанные с чередованием в структуре литосферы слоев, обладающих существенно различными реологическими свойствами.

Литосфера включает три взаимодействующих между собой слоя: верхний жесткий слой коры, нижний вязкодеформируемый коровый слой, упругую подкоровую литосферу. При коллизии пластические свойства нижней коры позволяют верхней коре и подкоровой литосфере двигаться относительно независимо. Вещество нижнего слоя коры увлекается движущейся под ней литосферой к зоне коллизиисубдукции. В результате происходит утолщение коры ивобласти коллизии и связанное с ним воздымание территорий. В процессе пластического деформирования вещества нижней коры происходит диссипативное выделение тепла. Построена двумерная модель механических и тепловых процессов в коллизионной зоне. Тепловая эволюция коллизионной структуры в рамках рассматриваемой модели описывается нестационарным уравнением теплопроводности с учетом движения подкоровой литосферы и прилегающих нижних слоев коры. Учитывается вклад в тепловой баланс радиогенных и диссипативных источников тепла.В настоящей работе рассматриваются эффекты, связанные с относительным движением слоев вязкого вещества нижней коры. Для Решение проводится численно на компьютере решения сисметодом конечных разностей. Применяется явная разностная схема с расщеплением по времени. Этот метод позволяет свести решение многомерной задачи к последовательному решению одномерных задач. На рисунке 1 представлены расчетные геотермы, характеризующие тепловую эволюцию центральной части коллизионной зоны. Характерной особенностью является максимум температуры в нижнем слое коры. Прирост за счет диссипативной теплогенерации при данном (близком к реальному) наборе параметров составляет 100-150оС. Значительно прогревается (до 100оС) верхняя часть мантийной литосферы (около 10 км). Через некоторое время (определяемое соотношением интенсивности диссипативной теплогенерации и выноса тепла) коллизионная зона выходит на практически стационарный режим, и ее температура (и, следовательно, реология) не будет существенно меняться при неизменных внешних условиях. На рисунке 1 приведена также кривая плавления влажного гранита. Сопоставление ее с расчетными геотермами показывает, что в нашей модели на подошве коры температура достигает температуры плавления влажного гранита. На рисунке 2 представлено отклонение от "нормального" (т.е. невозмущенного) распределения температур в континентальной литосфере, расчитанное для сечения коллизионной зоны через 20 млн. лет после начала коллизии. Зона, в которой сосредоточены вязкие деформации, находится в правой части моделируемой области, диапазон глубин ограничен пунктирными линиями. Видно, что область существенного повышения температуры имеет весьма значительные размеры. При данном наборе параметров слой, температура в котором превышает "нормальную" более чем на 120 оС имеет мощность около 10 км и латеральные размеры в несколько сотен километров. Сходные результаты получаются при достаточно широком разбросе управляющих параметров. Моделирование динамики изменения мощности нижней коры показывает, что по мере развития коллизии в нижней коре образуется структура типа вихревой ячейки. Это свидетельствует о перемешивании вещества нижней коры в ходе коллизии: с подошвы материал поднимается в вышележащие слои, в верхних же частях растекается в стороны от центрального поднятия. Т.е. в центральной части орогена возникает область растяжения, связанная с гравитационным растеканием коллизионного поднятия. Таким образом, вклад диссипативного источника в энергобаланс коллизионной зоны весьма значителен. Предложенный механизм может объяснить существование глубинного метаморфизма, а также обеспечить достаточное для частичного плавления вещества нижней коры повышение температуры. Распределение напряжений на границе верхней и нижней коры способствует разрушению верхней коры в центральной области. Тем самым создаются предпосылки для возникновения гранитоидного син- и постколлизионного гранитоидного магматизма.

Верхняя часть подкоровой литосферы конвергирующей плиты к моменту погружения в мантию значительно прогревается. Разогрев подкоровой литосферы может привести к возникновению так называемой аномальной мантии, а также к потере способности к хрупкому разрушению. Это может служить объяснением того факта, что в большинстве коллизионных областей отсутствуют наклонные сейсмофокальные зоны, аналогичные зонам Беньофа.

В работе строится количественная модель механических процессов, происходящих при коллизии в литосфере, имеющей приближенно трехслойное строение (жесткая верхняя кора, пластичная нижняя кора, упругая подкоровая литосфера). Получены основные уравнения, описывающие ди-намику коллизионного орогена для различных случаев (локальная изостазия, региональ-ная изостазия, денудация и осадконакопление). Результаты компьютерного моделирования указывают на значительное (до 2-х раз) увеличение мощности коры. Образуются поднятия асимметричной формы с характерными горизонтальными размерами несколько сотен километров. Выявляются факторы и параметры (скорость относительного движения, реология слоев, интенсивность эрозионных процес-сов), влияющих на эти особенности. Воздействие упругой реакции подкоровой литосферы, а также эрозии и осадконакопления приводит к появлению краевых осадочных бассейнов размером до 200 км, глубиной до 8 км. Выявлены значительные перемещения материала коры в процесе коллизии. Перераспределение поверхностной нагрузки при эрозионных процессах может поддерживать существование корней орогенов в постколлизионную стадию. Результаты моделирования сопоставляются с реальными кол-лизионными структурами для определения возможности применения предлагаемой модели для описания особенностей динамики и строения коллизионных орогенов.