Трехслойная модель Земной коры континентального типа и распределения модуля Юнга и пористости

УДК 624.131.431.2

C.B. Семашко, канд. геол.-минералог. наук, доц.,

ТРЕХСЛОЙНАЯ МОДЕЛЬ ЗЕМНОЙ КОРЫ КОНТИНЕНТАЛЬНОГО ТИПА И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МОДУЛЯ ЮНГА И ПОРИСТОСТИ

Установлено, что распределения модуля Юнга и пористости, полученные с использованием результатов экспериментальных определении газовой проницаемости, не противоречат трехслойной модели Земной коры континентального типа, построенной на основе сейсмических исследований.

Ключевые слова: сейсмические исследования, модели строения Земной коры, газовая проницаемость, пористость, модуль Юнга.

Современные представления о строении и составе Земной коры основываются на результатах интерпретации сейсмических и сейсмологических исследований. Начало использования результатов этих исследований для обоснования геологических моделей строения Земной коры было положено сейсмологом А. Мохоровичичем, который в 1909 г. обнаружил на глубине около 50 км сейсмическую границу, повсеместное существование которой подтвердили последующие исследования. В настоящее время научным сообществом эта граница принимается за нижнюю границу (подошву) Земной коры, которую называют границей Мохоровичича, или границей Мохо.

На современном уровне сейсмической изученности континентальной земной коры большинством исследователей выделяется верхняя кора (верхний этаж, верхняя часть земной коры) мощностью от 8 до 15 (20...25) км. Выделение наряду с верхней корой средней и нижней коры соответствует трехслойной модели континентальной коры. Эта модель получила достаточно широкое распространение во второй половине XX века и в нашей стране, и за ее пределами [1].

Скорости в верхней коре изменяются в пределах 5,5.6,5 км/с. В целом, верхняя часть Земной коры рассматривается как высокоградиентная среда. При этом по своим реологическим свойствам она соответствует горным породам, находящимся в твердом и хрупком состоянии. Важнейшей отличительной чертой верхней коры следует считать локализацию в ее пределах большей части эпицентров землетрясений.

К наиболее характерным особенностям средней части Земной коры следует отнести приуроченность к ней большей части волноводов (зон пониженных скоростей) и зон повышенной проводимости. На современном уровне интерпретации наличие этих особенностей позволяет рассматривать среднюю кору как флюидонасыщенную и имеющую повышенную

трещиноватость (микротрещиноватость). Скорости в средней коре изменяются в пределах 6,2.. .6,5 км/с.

Переход от средней к нижней коре не столь явно выражен, нежели переход от верхней к средней коре. Отсутствие резкого перехода связывают с близкими значениями реологических свойств горных пород средней и нижней коры. Подошва среднего слоя расположена на глубине 25.30 км, а ее рельеф обычно повторяет рельеф границы Мохо [1,2].

Скорости в нижней коре около 7 км/с и более, помимо этого нижняя часть земной коры в качестве отличительных особенностей имеет в своей подошве значительное число горизонтальных границ, что позволяет говорить об ее расслоенности. Следует отметить наличие высокоскоростных слоев вблизи границы Мохо, что связывается с внедрением пластовых интрузий основного состава [1,2].

Появление сейсмической томографии во второй половине XX века усилило позиции сейсмических видов глубинных исследований, создав условия для детализации и уточнения сейсмических моделей внутреннего строения Земной коры. При этом предметом интерпретации были и остаются кинематические и динамические характеристики распространения сейсмических волн и их пространственно-временные вариации в Земной коре континентального типа.

Кинематические характеристики и их вариации традиционно используют для определения строения и вещественного состава Земной коры. «Слабым звеном» современных моделей интерпретации сейсмических методов является определение вещественного состава земных недр. С целью увеличения достоверности «вещественных» моделей глубинных зон Земной коры привлекают данные лабораторных исследований при высоких термодинамических параметрах:

- различных типов горных пород;

- результаты исследований поведения различных минералов.

Динамические характеристики используют при выделении разуплотненных и трещиноватых горных пород. Определение динамических характеристик и их вариаций на современном уровне исследований достаточно трудоемко. Но эта информация востребована при выделении в Земной коре и динамически активных зон, и ряда специфических зон (интервалов, участков, частей) Земной коры: тектонически нарушенных, флюидонасыщенных, разуплотненных, частичного плавления и т.п.

При создании моделей внутреннего строения Земной коры в качестве образцов горных пород используют ксенолиты, выносимые магмой с глубин, не доступных для прямых методов исследований, вплоть до нижних слоев литосферной мантии [3, 4]. Результаты исследований физических свойств и вещественного состава ксенолитов используют с целью:

- интерпретации глубинных геофизических исследований;

- обоснования петрологических моделей различных частей и участков земной коры.

Достижения экспериментальной минералогии активно используют при интерпретации глубинных исследований. Наиболее востребованы результаты исследований, полученные при изучении трансформаций, как отдельных минералов, так и ряда минеральных ассоциаций в условиях высоких температур и давлений. В настоящее время эти результаты оказывают определяющее влияние на формирование и обоснование предположений о вещественном составе пород Земной коры и верхней мантии.

При изучении динамически активных зон в Земной коре и верхней мантии на современном уровне знаний наиболее востребованы результаты исследований:

- пространственно-временных вариаций полей деформаций и напряжений;

- изменений деформационных и прочностных характеристик горных пород;

- емкостно-фильтрационных характеристик горных пород;

- природы механически ослабленных зон.

Присутствие или отсутствие водных растворов, пористость и проницаемость горных пород относятся к числу тех факторов, которые определяют прочностные характеристики глубинных зон Земной коры. При этом крайне важным, с точки зрения автора, является то, что в результате анализа значений проницаемости могут быть сделаны выводы о существовании, или отсутствии систем связанных между собой трещин или микротрещин [7].

В настоящее время наиболее обоснованные оценки проницаемости пород Земной коры до границы Мохо проведены на основе:

- экспериментальных определений проницаемости на образцах горных пород в отсутствие физико-механических и физико-химических процессов взаимодействия флюидов и образцов;

- термического моделирования и анализа метаморфических потоков.

Обработка значений проницаемости с использованием этих двух подходов позволило установить, что проницаемость континентальной Земной коры уменьшается с глубиной [6]:

- по степенному закону

¡В

где к - проницаемость, а = -12,56; Ь = -3,225; Ь - глубина, км; с = - 0,2230;

- в соответствии с уравнением

¡В

где буквенные обозначения соответствуют использованным (1).

Эти зависимости проницаемости Земной коры от глубины и полученные функциональные зависимости между эффективным давлением, по-

ристостью, проницаемостью, поверхностной энергией и модулем Юнга горных пород послужили основой для построения двух моделей распределения физико-механических и емкостно-фильтрационных свойств Земной коры.

Первая модель соответствует проницаемости горных пород в отсутствие физико-механических и физико-химических процессов, или, другими словами, отражает некоторое среднее состояние горных пород, определяемое как матрица горных пород на заданной глубине.

Вторая модель соответствует состоянию горных пород в условиях повышенной проницаемости (по сравнению с первой моделью), характерной для процессов метаморфизма и метасоматоза.

Для перехода от значений проницаемости к значениям модуля Юнга воспользуемся соотношением, связывающим между собой модуль Юнга Е, поверхностную энергию Т 5 и проницаемость к [7]:

к = 65,5

При подстановке значений проницаемости, полученных с использованием соотношений

Е = 1,54 107 1016125 °,

где Б = Ь0 2230 , 1 - глубина, км;

и для пород Земной коры при метасоматических и метаморфических процессах

Е ш = 8,1107 10161в

Где буквенные обозначения соответствуют использованным в (2) и (4).

При расчетах параметров, используемых при построении первой и второй модели, применяли следующие расчетные формулы.

Эффективное давление Р еА в пределах земной коры определяется по

формуле [6]

р а = Р ^- а-Р А,

где Р сут - давление на глубине, обусловленное весом вышележащих пород;

а - коэффициент, изменяющийся в пределах от 0,85 до 0,95; Р А - давление флюида.

Пористость Г в глубинных зонах Земной коры может быть определена по [7] с использованием соотношения

Г = 3

где ^ - коэффициент Пуассона; Р еА - эффективное давление; Е - модуль

Юнга.

При подстановке в (7) Еш будем иметь пористость Гш в зонах метаморфизма и метасоматоза.

Результаты расчетов модуля Юнга Е и Е м и пористости { и в земной коре континентального типа представлены на рис. 1 и 2.

Из анализа рис. 1 и 2 следует, что область наименее интенсивных изменений (увеличение) модуля Юнга и наиболее интенсивных изменений (уменьшение) пористости находится в верхней части Земной коры (до глубин 15.20 км), что примерно соответствует верхней коре выделяемой по сейсмическим данным. Наибольший рост модуля Юнга приходится на интервал 30.40 км, что примерно соответствует нижней коре, выделяемой по сейсмическим данным.

Результаты сопоставления трехслойной модели Земной коры и результатов определения модуля Юнга и пористости (проведенных на основе экспериментальных определений проницаемости и выведенных соотношений между проницаемостью, пористостью, модулем Юнга, коэффициентом Пуассона и эффективным давлением) демонстрируют их непротиворечивость друг другу в рамках трехслойного деления Земной коры.

Модуль Юнга Е*10э, Па О 10 20 30 40 50 60

Рис. 1. Распределение модуля Юнга Е и Ем в Земной коре

Пористость ґср*0.01 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

Рис. 2. Распределение пористости / и/ш в Земной коре

Следовательно, используя определения проницаемости наряду с обобщенными сейсмическими моделями могут быть построены обобщенные модели Земной коры, учитывающие распределения пористости и модуля Юнга в Земной коре континентального типа в состоянии:

1) отсутствия физико-механических и физико-химических процессов, отражающих некоторое среднее состояние горных пород;

2) наличия процессов метаморфизма и метасоматоза.

Список литературы

1. Резанов И.А. Эволюция представлений о Земной коре / под ред. И.Н.Томсон. М.: Наука, 2002. 229 с.

2. Лобковский Л.И., Никишин А.М., Хайн В.Е. Современные проблемы геотектоники и геодинамики. М.: Научный мир, 2004. 612 с.

3. Геохимическая эволюция пород основания литосферной мантии по результатам изучения ксенолитов деформированных перидотитов из кимберлитов трубки Удачная/А.М. Агашев [и др.]// Докл. АН, 2010. Т. 432. № 4. С. 510-513.

4. Ветрин В.Р., Калинкин М.М. Реконструкция процессов внутри-корового и корово - мантийного магматизма и метасоматоза (по результа-тамизученияглубинных включений). Апатиты, 1992. 108 с.

5. Родкин М.В. Роль глубинного флюидного режима в геодинамике и сейсмотектонике. М., 1993. 194с.

6. Шмонов В.М., Витовтова В.М., Жариков А.В. Флюиды и проницаемость пород земной коры. М.: Научный мир, 2002. 216 с.

7. Семашко С.В. Оценка изменений напряженного состояния глубинных зон земной коры при современных геодинамических процессах// Изв. ТулГУ. Сер. Экология и безопасность жизнедеятельности. Вып. 8. Тула 2006. 271с.

S. Semashko

Three-layered model of Earth's crust of continental type and Young modulus and porosity distribution

It’s ascertained that Young modulus and porosity distribution gotten with using experimental researching gas permeability don’t contradict three-layered model of Earth's crust of continental type, which has been creation with using seismic investigations.

Key words: seismic investigations, Earth's crust structure models, gas permeability, porosity, Young modulus.

Получено 22.09.10

УДК 624.131.431.2

С.В. Семашко, канд. геол.-минералог. наук, доц.,

КОЭФФИЦИЕНТ ПУАССОНА, ПОРИСТОСТЬ И РАСКРЫТИЕ МИКРОТРЕЩИН В ГЛУБИННЫХ ЧАСТЯХ ЗЕМНОЙ КОРЫ

Выведены соотношения между пористостью и коэффициентом Пуассона, которые позволяют делать выводы об устойчивости микротрещин в глубинных частях Земной коры континентального типа. При пористости более 2,25 % микротрещины находятся в неустойчивом состоянии независимо от значений коэффициентом Пуассона.

Ключевые слова: эффективное давление, флюиды, пористость, коэффициент Пуассона, модуль Юнга, микротрещины.

В соответствии с современными представлениями о напряженно-деформированном состоянии земных недр, горные породы Земной коры, содержащие флюиды, находятся под действием эффективного давления, которое определяет напряжение между минералами и деформации пород. При этом различают эффективное давление в условиях открытых и закрытых гидродинамических систем [1].