Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,775

ON COMPUTER MODELING OF SHEAR COLLOCATIONS FOR REMOTE SENSING OF THE EARTH

Shevyrev S.L. 1, 2
1 Far Eastern Geological Institute
2 Far Eastern Federal University
Recent decrease of the domestic researchers’ interest to the technologies of remote sensing of the Earth as to the approach of the search and prospecting demands efforts of their actualization. One of the possible directions could be the application of the numeric geodynamic models to the assessment of remote sensing data including geophysical surveying and results of recognition of aero- space imagery. Shear dislocations of the active continental margins that could be found together with faults of the second order are accompanied by regional magmatism and ore forming processes. Accurate description of that processes and further development of the geodynamic models need formalization of strike-slip kinematics and application of the computer technologies. Dynamics of the forming process and paragenesis of the shear deformations of the transform margins folded belts could be numerically described by the rheological models based on the Stokes equations. Solution of these equations on the plane by the Finite Difference Method (FDM) allows assessment of the deformation amplitude as well as the relative position and the asymmetry of the dislocations between shear faults. Outlining of the interfault extension and contraction could allow more comprehensive interpretation of the geophysical anomalies and analysis of the fracture assemblages, detected on the remote base. Directions of the further development of this description technique are also interpreted for the zone of active interaction between Asian continent and the Pacific plate, where transform regime was acting during the geological history.
numeric modeling
remote sensing
tectonic collocations

Для зоны активного межплитного взаимодействия окраины Восточной Азии в литературе описаны многочисленные крупные сдвиговые структуры различной глубины заложения [1–3], представляющие собой сдвиги режима трансформной континентальной окраины, а также границы крупных блоков земной коры, террейнов и супертеррейнов. При этом детали строения синсдиговых структур и зон, а также особенности их формирования могут опускаться в масштабе рассмотрения. В пределах Сихотэ-Алинского складчатого пояса – протяженной надсубдукционной структуры обрамления Восточной Азии, рассматриваемой в пределах Приморского и Хабаровского краев, располагаются скопления рудного вещества, а также благородных металлов, ассоциированные с гранитоидным магматизмом (Лермонтовское (W), Партизанское (TR, W), Тигриное (Sn, W), Многовершинное (Au-Ag), Салют (Au-Ag) и другие). Численные расчеты полей напряжений участков их локализации интрузий – источников рудного вещества могут способствовать проведению на их основе комплекса стуктурно-парагенетических признаков региональных исторических и минерагенических исследований и создание предпосылок прогноза зон коры, благоприятных для процессов рудогенеза.

Целью настоящего исследования, включающего моделирование тектонопар сдвигов, является формирование представлений об ожидаемых деформациях горных пород в межсдвиговых зонах и их морфологическом выражении на плоскости для дальнейшего использования в технологиях дистанционного зондирования Земли. Дешифрирование космических снимков горно-складчатых областей и интерпретация получаемых тектонических схем в ряде случаев требует рассмотрения кинематики зон сжатия или растяжения, ограниченных системами субпараллельных сдвигов. Численное моделирование может дать сведения о положении и направлении смещения межсдвиговой зоны при различных скоростях и амплитудах перемещения крыльев сдвигов. В то время как имеющиеся традиционные представления о тектонопарах разрывных структур позволяют рассуждать о строении межсдвиговых зон лишь качественно, численные модели предоставляют количественные сведения с возможностью имплементации результатов для конкретной геологической обстановки исследуемой территории.

Материалы и методы исследования

Анализ структурного паттерна территории, полученного при обработке дистанционного космического изображения, требует выяснения его генезиса, главных направлений трещиноватости и роли действующих сил. Для описания региональной тектоники при значительных температурах и давлении, а также длительном времени воздействия уместно говорить о реологическом процессе. В этом случае твердое вещество рассматривается как очень вязкая жидкость, текущая с низкой скоростью в течение длительного времени. В синсдвиговых зонах Сихотэ-Алиня описаны (например, [4]) флюидальные текстуры тектонической брекчии. При этом авторами [4] указывается, что проницаемость породы для рудоносных растворов присутствовала именно на этапе вязкопластического течения субстрата.

Постановка задачи моделирования производится следующим образом. Производная поля деформации u по времени (производная Лагранжа) является вектором скорости смещения (течения) hevir01.wmf таким образом, что

hevir02.wmf (1)

Тензор деформации может быть представлен в виде градиента деформации [5]:

hevir03.wmf (2)

Тензор скорости деформации является производной деформации по времени:

hevir04.wmf (3)

Деформация непрерывной среды является следствием изменений баланса действующих внешних и внутренних сил. Для сопоставления этих сил и вызываемых ими деформаций используются уравнения сохранения импульса непрерывной среды в гравитационном поле, соответственно:

Эйлера:

hevir05.wmf (4)

Лагранжа:

hevir06.wmf (5)

Сохранение импульса жидкости в поле силы тяжести описывается уравнением движения Навье – Стокса:

hevir07.wmf (6)

где σ´ij – девиаторное напряжение, выражающееся как

hevir08.wmf (7)

где η – вязкость среды.

Конечно-разностное представление уравнений импульса и неразрывности может быть сформулировано на плоскости без учета гравитационной компоненты [5, Eq. 7.18]:

hevir09.wmf (8)

hevir10.wmf (9)

Уравнения (10)–(11) используются для нахождения значений компонентов скорости вязко-пластичного течения вещества vx и vy методом конечных разностей (МКР) в среде научных и инженерных расчетов и программирования Mathworks Matlab (рис. 1).

hevir1.tif

Рис. 1. Нахождение значений компонента скорости vy для внутренних и граничных узлов МКР в Matlab

Для решения этой задачи на моделируемой плоскости в программу необходимо ввести входные параметры: значения динамической вязкости и плотности вещества (например, отсюда [6, таблица B. 5]), направление, время и амплитуду перемещения по разлому. Для линии разлома на горизонтальной плоскости задаются краевые значения компонентов скорости сдвигового перемещения на крыльях.

Ортогональные компоненты перемещения рассчитываются аналитически:

hevir11.wmf (10)

hevir12.wmf (11)

где α – угол ориентации разлома на плоскости, l – амплитуда смещения по разлому.

Результаты исследования и их обсуждение

Рассматриваемая модель представляет интерес для анализа кинематики зон, сопровождающих параллельные разломы как собственно трансформного, так и субдукционного тектонических режимов, описанных на активных континентальных окраинах. Моделирование двух параллельных равноамплитудных сдвигов, выполненное в Matlab описанным выше способом, позволяет оценить кинематику и распределение напряжений и деформаций на плоскости (рис. 2).

hevir2.tif

Рис. 2. Кинематика модели системы параллельных левосторонних сдвигов: a – vx компонента; б – vy компонента; в – градиент перемещения вещества и формирования зоны косого сдвига; г, д – ортогональные компоненты деформации εxx, εyy; е – сдвиговая компонента деформации εxy (стрелкой показано вероятное простирание трещин растяжения)

Анализ распределения направлений вязкопластического течения вещества позволяет установить зоны S-образных дислокаций в пространстве между сдвигами (рис. 2, в). Показано ортогональное сдвигу простирание трещин растяжения (рис. 2, е).

В своей обзорной работе [7, с. 156] авторы приводят характеристику трещиноватого паттерна левосдвиговой зоны. Для нашей модели можно предположить наличие близкой картины и в приложении к глубинному Центральному Сихотэ-Алинскому разлому – главному сдвигу в осевой части Сихотэ-Алинского складчатого сооружения. Формирование зоны противотечения внутри пространства между параллельными сдвигами приводит к формированию растяжения, сопряженного со сдвигом (транстенсии).

Анализ устойчивости модели проводится изменением исходных значений скорости (амплитуды) перемещений по левому и правому разлому. Для этого задавались значения скорости смещения 25 км и 10 км за 1 млн лет. При моделировании осевая транстенсионная зона смещается в сторону разлома с меньшей скоростью перемещения, вызывая ее асимметрию (рис. 3, a–в). В соответствии с [7], для осевой зоны сдвига характерны диагональные направления трещин сдвига и ортогональные – растяжения (рис. 3, г).

hevir3.tif

Рис. 3. Кинематика и положение межсдвиговой зоны: а–в – асимметрия транстенсионной зоны при различных соотношениях скорости смешения по разломам тектонопары; г – паттерн трещин растяжения (отрыва) и сдвига зоны растяжения; д – роза-диаграмма паттерна трещиноватости, полученная для тестовой площади

Таким образом, в межсдвиговом пространстве субпараллельных левых сдвигов формируется транстенсионная правосдвиговая зона. Правые сдвиги осложняются наличием растяжений, бассейновых структур («pull-apart») и полей трещиноватых, меланжированных и милонитизированных пород, проницаемых для магм и флюидов [7].

Свидетельством наличия режима транстенсионных правосдвиговых зон в структуре Журавлевского террейна Сихотэ-Алинского горно-складчатого пояса могут являться устойчивые в течение геологической истории характерные S-образные паттерны зон сопряжения крупных субпараллельных сдвигов, осложненные многоактным интрузивным магматизмом орогенного этапа [8]. Дешифрирование и учет линеаментов [9] на данном участке показывает характерную картину: главные направления трещиноватости осложняются структурами растяжения и сдвига второго порядка (рис. 3, д). В свою очередь, подтвержденное наличие транстенсионного правосдвигового режима на площади может явиться основанием для прогноза на ней ассоциированных месторождений: скарновых, грейзеновых, жильно-метасоматических и медно-порфировых.

Выводы

Синтез используемой численной модели и технологий обработки дистанционного изображения (включающих линеаментный анализ и построение роз-диаграмм трещиноватости) позволяет описать и интерпретировать наблюдаемую картину сложной зоны дислокаций систем параллельных разломов. Паттерны трещиноватости дистанционного изображения, дополненные данными численного геодинамического моделирования, могут рассматриваться в качестве прогнозно-поискового признака месторождений полезных ископаемых межсдвиговых зон. Компьютерное моделирование тектонопар лево- и правосторонних сдвигов может применяться для описания и прогноза зон транстенсии и транспрессии. Площади межсдвиговой транстенсии (растяжения) исключительно перспективны для выяснения генезиса депрессий осадочных бассейнов и зон внедрения интрузивных тел.