CC BY
6РОЛЬ СУБЛИТОСФЕРНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ КОНВЕКЦИИ В ВЫНОСЕ УГЛЕВОДОРОДОВ НА СЕВЕРО-ЗАПАДНОЙ ОКРАИНЕ СИБИРСКОГО КРАТОНА (РОССИЯ)
УДК 550.311
С.В. Гаврилов, д.ф.-м.н., ФГБУН «Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН» (Москва, РФ), gavriiov@ifz.ru А.Л. Харитонов, к.ф.-м.н., ФГБУН «Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН» (Москва, РФ), ahariton@izmiran.ru
Установлены условия возникновения струйных конвективных потоков, восходящих из мантии к поверхности и формирующих топографические поднятия и приуроченные зоны нефте-и газонакопления на северо-западе Сибирского кратона (Россия). Впервые отмечено, что данные сейсмопрофилирования с ядерными взрывами свидетельствуют о субдукции Западной Сибири под Сибирский кратон в позднем мезозое. Об этом же свидетельствует и очередность расположения аномалий рельефа в северо-западной части Сибирского кратона: мегавалы расположены к западу от мегапрогибов, а цепь сводовых поднятий - к востоку от них. В случае формирования этих топографических аномалий на Западно-Сибирской плите и последующего надвига на Сибирский кратон очередность расположения мегавалов, мегапрогибов и цепи сводовых поднятий была бы обратной по отношению к наблюдаемой. Исследована устойчивость сдвигового движения, возникающего под литосферой в зоне столкновения плит. Показано, что пространственное распределение аномалий рельефа, связанных с сублитосферными конвективными течениями в мантии, соответствует средней скорости столкновения Сибирского кратона с Западно-Сибирской плитой 0,06 м/год. Достаточно высокий коэффициент эффективной вязкости в мантийном клине (4,21020 Пас) свидетельствует об отсутствии астеносферы в этом регионе.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: КОНВЕКЦИЯ, МАНТИЙНЫЙ КЛИН, УГОЛ ПОДОДВИГАНИЯ, СКОРОСТЬ ПОДОДВИГАНИЯ, РЕОЛОГИЧЕСКИЙ ПАРАМЕТР МАНТИИ, АНОМАЛИЯ РЕЛЬЕФА, НЕФТЕГАЗОНОСНАЯ ЗОНА.
Сибирский кратон расположен между реками Енисей и Лена и, согласно палеомагнитным данным, испытывал в последние 250 млн лет столкновение с Западно-Сибирской плитой [1]. У зоны столкновения находится островная дуга, состоящая из цепи сводовых поднятий (Ледян-ский, Аянский, Анамский, Юкте-лийский, Сурингдаконский своды), представленная на рис. 1 [2].
У зоны столкновения также находится система мегавалов (Хантайско-Рыбнинский и Курей-ско-Бакланихинский). Мегавалы можно интерпретировать как передовую дугу, возникшую благо -даря термической неустойчивости в мантии. Линии мегавалов и островной дуги разделяет линия топографических депрессий,
состоящая из Нижнетунгусского и Ламско-Хантайского мегапрогибов. В работе [3] упоминается наличие астеносферы под Сибирским кратоном, тогда как согласно сейсмическим данным на профиле «Кратон» астеносферы там нет [4]. Следовательно, коэффициент вязкости под литосферой Сибирского кратона достаточно велик, и роль термической неустойчивости в мантийном клине может быть достаточна для формирования передовой дуги [5]. На рис. 2 приведен сейсмический разрез верхней мантии Сибирского кратона по профилю «Кратон» до глубин кровли переходной зоны мантии (ПЗМ) - около 430 км.
Из сейсмического разреза на рис. 2 видно, что под подошвой литосферы, расположенной, со-
гласно работе [4], на глубине d = 200-250 км, имеется клиновидная зона (между глубинными границами разреза со скоростями сейсмических волн уг = 8,5 км/с и уг = 8,6 км/с), подстилаемая материалом повышенной плотности с сейсмическими скоростями уг > 8,6 км/с. В этой зоне с углом раствора |3 = 5,5°, которую можно рассматривать как мантийный клин, формировалось сдвиговое течение, вызываемое движением Сибирского кратона в западном направлении или эффективной субдукцией нижней границы мантийного клина к востоку. При столь малом угле раствора мантийного клина и большой вязкости его материала в сдвиговом течении велико выделение диссипативного тепла, которое может выноситься
Gavrilov S.V., Doctor of Sciences (Physics and Mathematics), Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences (Moscow, Russian Federation), gavrilov@ifz.ru Kharitonov A.L., Candidate of Sciences (Physics and Mathematics), Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, the Ionosphere and Radio Wave Propagation of the Russian Academy of Sciences (Moscow, Russian Federation), ahariton@izmiran.ru
The role of sub-litospheric thermal convection in hydrocarbons rise at the northwestern margin of the Siberian craton (Russian Federation)
The conditions of convective currents rising from mantle to the surface and forming the topographic uplifts and confined zones of oil and gas accumulation in the northwest of the Siberian craton (Russian Federation) are determined. It is noted for the first time that data of the seismic profiling with nuclear explosions is an evidence of the subduction of the West Siberian plate under the Siberian craton in the Late Mesozoic. The order of the location of the relief anomalies at the northwestern part of the Siberian craton is also the evidence of that: the megaswells are located to the west of the megadepressions, and the chain of arched uplifts is to the east of them. In the case of the formation of these topographic anomalies on the West Siberian plate and the subsequent thrust onto the Siberian craton, the order of the arrangement of megaswells, megadepressions, and the chain of arched uplifts would be inverse to the observed one. The stability of the overthrust motion occurring under the lithosphere in the zone of plate collision is studied. It is shown that the spatial distribution of the relief anomalies associated with sub-lithospheric convective currents in the mantle corresponds to the average velocity of collision of the Siberian craton with the West Siberian plate 0.06 m/year. Quite high effective viscosity coefficient in the mantle wedge (4.2-1020 Pa-s) is an evidence of absence of the asthenosphere in this region.
KEYWORDS: CONVECTION, MANTLE WEDGE, SUBDUCTION ANGLE, SUBDUCTION VELOCITY, MANTLE RHEOLOGY PARAMETER, TOPOGRAPHY ANOMALY, OIL-AND-GAS BEARING ZONE.
вверх механизмом термической конвекции. Считая, что пространственный масштаб конвективных вихрей совпадает с пространственной периодичностью аномалий рельефа и приуроченных к ним нефтегазоносных зон на северо-западной окраине Сибирского кратона, можно оценить скорость субдукции и коэффициент эффективной вязкости мантии.
ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ
В качестве начальной модели термомеханического состояния мантийного клина между подошвой Сибирского кратона и поверхностью субдуцирующей Сибирской плиты, пододвигающейся под углом |3 со скоростью V, можно принять модель, представленную в работе [5]. В рамках этой модели материал мантийного клина считается однородной несжимаемой жидкостью, вязкость которой зависит от температуры и давления, но множитель, описывающий термическую и барическую зависимость вязкости, считается равным его среднему значению. Таким образом, для коэффициента вязко -сти Л также принимается среднее значение. Зависимость вязкости
с.ш.
64»
Ледянский свод
скии свод
Верещз
елиискии свод
¡-Тунгусский мегапрогиб
Вахта
102°
64°
в.д.
Рис. 1. Аномалии рельефа поверхности Земли в северо-западной части Сибирского кратона [2]
Fig. 1. Anomalies in the relief of the Earth's surface in the northwestern part of the Siberian craton [2]
Западно-Сибирская плита 3 West Siberian plate
Сибирский крагон Siberian craton
п
50
100
2С F 150
го" JXL 200
s taro 250
£ 300
350
400
450
1000 2000 Расстояние, км Distance, km
Рис. 2. Сейсмический разрез земной коры (М - граница Мохоровичича) и верхней мантии (Т - граница ПЗМ) в зоне Сибирского кратона, вдоль профиля сейсмопрофилирования «Кратон»; р - угол наклона мантийного палеосубдукционного клина под Сибирский кратон [5]
Fig. 2. Seismic section of the Earth's crust (M - the Moho boundary) and upper mantle (T - boundary of the transition zone of mantle) in the zone of the Siberian craton, along the seismic profile «Kraton»; p is the angle of inclination of the mantle paleosubduction wedge beneath the Siberian oraton [5]
от температуры и давления учитывается усредненно. Температура, не возмущенная конвективной неустойчивостью, определяется с учетом диссипативного нагрева и адвекции тепла в мантийном клине. Стационарное распределение абсолютной температуры T рассчитывается, как и в работе [5], численно в приближении Бус-синеска при бесконечном числе Прандтля. Результат расчета показывает, что температура достигает максимального значения T
max
вблизи поверхности субдуцирую-щей литосферы. Применительно к субдукции Западно-Сибирской плиты под Сибирский кратон при малом угле субдукции (3 величина T может быть с достаточной
max "
точностью аппроксимирована следующими аналитическими формулами, учитывающими адвекцию тепла в мантийном клине:
1 (1)
^гпах Та
F +
GVx
где Тт = 1,5103 К - температура субсолидуса; т| - динамическая вязкость, Пас; к = 4 Вт/мК - коэффициент теплопроводности; х - расстояние по горизонтали от острия мантийного клина, м;
нагревом.Конвективная неустойчивость также отчасти связана с зависимостью коэффициента вязкости от температуры. В работе [5] было показано, что инкремент у термической и конвективной неустойчивости в виде валов переменной толщины, ориентированных вдоль субдукции, является плавно меняющейся функцией горизонтальной координаты пространства х вдоль профиля и определяется формулой:
(о - сьу
2 ардхЧ'к2
у х*рс Т +ц(х1к2 + ^2)2 +
ZjU'kfD
)tk2 + X2
•Ъ (3)
X = к/(зср) = 10-6 м2/с - коэффициент температуропроводности; р = 3,3103 кг/м3 - плотность горных пород; ср = 1,2103 Дж/кгК - удель -ная теплоемкость при постоянном давлении; безразмерные функции Г и в при 4° < р < 7° имеют вид:
F = 8,6293р + 1,5214; G = 5,113910-3р - 0,00773410-3. (2)
Формулы (1) - (2) с точностью 1-2 % аппроксимируют температуру в мантийном клине, определенную численно. При их выводе предполагается, что границы мантийного клина изотермичны и их температура равна температуре субсолидуса Tm. Например, согласно (1) - (2) при т| = 1020 Пас; Р = 6°; V = 0,05 м/год; х = 400103 м; F = 2,425; G = 5,27810-4; F+GVx/% = = 4,114; (T - T ) = 102 K.
' ' v max m'
В работе [5] построенная термомеханическая модель мантийного клина исследовалась на термическую и конвективную неустойчивость. Первая возникает из-за зависимости коэффициента вязкости от температуры. Зависимость учитывается усредненно при расчете невозмущенной термомеханической модели мантийного клина с диссипативным
где £ = (E* + PV*)/(RT) - среднее значение показателя степени
в экспоненциальной зависимости вязкости от температуры; E* и V - энергия и объем активации; R - универсальная газовая посто -янная; константы D = cos р - sin р)/ /@2 - sin2 р) и C = -(Vp sin р)/032 - sin2 р) -соответствуют условиям прилипания материала мантийного клина к литосферным плитам; t = tgP;
T = (Tmax + TJ/2 - средняя температура в вертикальном сечении; а = 310-5 - коэффициент теплового расширения, К-1; g - ускорение силы тяжести; T = (T - T )/t;
v max m' 7
ky - волновое число, соответствующее пространственному периоду 2jt/ky восходящих конвективных течений в мантийном клине (ось y направлена по горизонтали, поперек направления субдукции литосферной плиты); X = я/tgP; U' = Dpnp-cosp + р) - (Cs¡n2p)]/tgp.
Первое слагаемое в формуле (3) не зависит от ky и описывает термическую неустойчивость, возникающую из-за зависимости коэффициента вязкости от температуры и существенную на малых расстояниях x от желоба, в который погружается субдуцирующая литосферная плита. Остальные слагаемые в (3) соответствуют конвективной неустойчивости, вызываемой вертикальным пе-
у, xIO^'c"1 8,10
8,05
7,95
7,90
7,05
400
600
Расстояние, км Distance, km
1000
Рис. 3. Инкремент термической и конвективной неустойчивости у в мантии как функция горизонтального расстояния x в северо-западной части Сибирского кратона: FA - передовая дуга, IA - островная дуга, D - зона депрессий, разделяющих передовую и островную дуги [5]
Fig. 3. Increment of thermal and convective instability у in the mantle as a function of the horizontal distance x in the northwestern part of the Siberian craton: FA -the forward arc, IA - the island arc, D - the zone of depressions separating the frontal and island arcs [5]
репадом температуры (7"max - TJ в мантийном клине.
Неизвестными величинами, характеризующими эффективную субдукцию литосферы Западно-Сибирской плиты под Сибирский кратон, являются скорость пододвигания V и угол субдукции ß. Согласно результатам [6], относящимся к профилю «Кратон», пересекающему рассматриваемый регион, в верхней мантии под Сибирским кратоном имеется наклонная аномалия плотности, уходящая в глубину перпендикулярно к р. Енисей под углом примерно 5,5°. Если интерпретировать эту плотностную аномалию как остаточный фрагмент Западно-Сибирской плиты,субдуцировавшей под Сибирский кратон в мезозое, то можно принять для угла субдукции оценку ß ~ 5,5°. Для энергии и объема активации примем, как в [7, 8], E* = 500 кДж/моль, V* = 810-6 м3/моль и среднее значение £ = 40. Авторы работы [1], исходя из траектории кажущегося движения палеомагнитного полюса, утверждают, что Сибирский кратон в юрский период испытывал дрейф с максимальной скоростью V = 0,10-0,12 м/год, с поворотом по часовой стрелке с угловой скоростью до 2,5° за 1 млн лет, а к рубежу юрского и мелового периодов эволюционного развития тектонических процессов на Земле кратон до -стиг своих современных координат и далее испытывал только вращение по часовой стрелке со скоростью не более 0,5-1,0° за 1 млн лет. Из [1] следует, что в течение последних 120 млн лет скорость столкновения V Сибирского кратона с Западно-Сибирской плитой была примерно 0,01 м/год, и как показывают расчеты настоящей работы, наилучшее согласие с распределением аномалий рельефа и нефтегазоносных зон на северо-западной окраине Сибирского кратона обеспечивают средняя скорость столкновения около 0,06 м/год и средний угол пододвигания Западно-Сибирской плиты под Сибирский кратон ß ~ 6°.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 3 показан инкремент термической и конвективной неустойчивости у как функция горизонтального расстояния x, рассчитанный согласно (3) при р ~ 6°, скорости субдукции V = 0,06 м/год, 2тг/к = 230 км, т| = 4,2 1020 Пас
y > I >
и ранее приведенных прочих параметрах мантии.
При принятом значении вязкости максимумы у, отмеченные стрелками FA и IA, соответствуют расположению передовой дуги (FA - frontal arc) и островной дуги (IA - island arc), а минимум у, отмеченный стрелкой D, соответствует расположению депрессии, разделяющей передовую и островную дуги. Поскольку инкремент у при x —у 0 неограниченно возрастает и метод последовательных приближений, используемый при выводе формулы (3), теряет силу, максимум у при малых значениях x принимается приблизительно равным второму максимуму, отвечающему конвективной неустойчивости при больших расстояниях x. В рассмат-
риваемом регионе передовая дуга состоит из Хантайско-Рыбнинского и Курейско-Бакланихинского ме-гавалов,островную дугу составляют Ледянский, Аянский, Анамский, Юктелийский и Сурингдаконский своды, а депрессия включает Нижнетунгусский и Ламско-Хантайский мегапрогибы. Максимум у при малых расстояниях х соответствует первому слагаемому в формуле (3) (термической неустойчивости, связанной с температурной зависимостью вязкости) и отвечает передовой дуге, представляющей собой своеобразную «стену», вытянутую в меридиональном направлении. Второй максимум у, расположенный при больших значениях х, описывает конвективную неустойчивость, порождающую периодические изменения (аномалии) рельефа поверхности Земли (и приуроченные к поднятиям рельефа нефтегазоносные зоны) с пространственным периодом (2п/ку) = 230 км. Следует отметить, что вид кривой у(х), имеющей два максимума, определяется вели-
чиной т] среднего коэффициента вязкости. При значениях г|, существенно меньших принятого, термическая неустойчивость играет роль при малых значениях х, а максимум кривой у(х), соответствующий конвективной неустойчивости, расположен при существенно больших значениях х, так что расстояние между D и 1А на рис. 3 становится намного больше наблюдаемого. Напротив, при больших значениях т] роль термической неустойчивости доминирует, и у(х) становится монотонно убывающей функцией, имеющей максимум лишь при х —» 0. В силу этого оценку г| = 4,21020 Пас можно считать достаточно точной и вполне соответствующей данным [4] об отсутствии астеносферы в рассматриваемом регионе. Полученные результаты расчетов, проведенных авторами, показывают,
что на западной границе Сибирского кратона под валообразными и куполообразными (сводовыми) структурами рельефа поверхности Земли должна возникать субвертикальная миграция углеводородов за счет восходящих конвективных потоков в мантийном клине, приводящая к образованию месторождений нефти и газа. Это согласуется с теоретическими положениями нефтегазовой геологии и геохимии, представленными в работах [9-11]. Наличие таких нефтегазовых месторождений в этом районе Восточной Сибири также подтверждено проведенными геолого-геофизическими исследованиями и разведочным бурением.
ВЫВОДЫ
Характерный пространственный период расположения восходящих конвективных потоков,
полученных в модели конвективной неустойчивости, положение и протяженность полученной в рамках модели депрессии, отделяющей островную цепь от передовой дуги, хорошо согласуются с пространственным периодом расположения сводовых поднятий и приуроченных к ним нефтегазоносных зон, а также с положением и шириной зоны мегапрогибов на северо-западной окраине Сибирского кратона. Модельная скорость столкновения Сибирского кратона с Западно-Сибирской плитой в мезозое (0,06 м/год) и средний коэффициент вязкости горных пород под литосферой (ц < 4,2 1020 Па с) согласуются с данными сейсмопро-филирования в Западной Сибири и палеомагнитными данными о движении Сибирского кратона в мезозое. ■
ЛИТЕРАТУРА
1. Метелкин Д.В., Верниковский В.А., Казанский А.Ю. Тектоническая эволюция Сибирского палеоконтинента от неопротерозоя до позднего мезозоя: палеомагнитная запись и реконструкции // Геология и геофизика. 2012. Т. 53. № 7. С. 883-899.
2. Геология нефти и газа Сибирской платформы. М.: Недра, 1981. 532 с.
3. Верниковский В.А., Казанский А.Ю., Матушкин Н.Ю. и др. Геодинамическая эволюция складчатого обрамления и западная граница Сибирского кратона в неопротерозое: геолого-структурные, седиментологические, геохронологические и палеомагнитные данные // Геология
и геофизика. 2009. Т. 50. № 4. С. 502-519.
4. Павленкова Н.И. Реологические свойства верхней мантии Северной Евразии и природа региональных границ по данным сверхдлинных сейсмических профилей // Геология и геофизика. 2011. Т. 52. № 9. С. 1287-1301.
5. Гаврилов С.В. Исследование механизма образования островных дуг и задугового раздвигания литосферы // Геофизические исследования. 2014. Т. 15. № 4. С. 35-43.
6. Павленкова Н.И., Павленкова Г.А. Строение земной коры и верхней мантии Северной Евразии по данным сейсмического профилирования с ядерными взрывами. М.: ГЕОКАРТ, ГЕОС, 2014. 192 с.
7. Gavrilov S.V., Kharitonov A.L. On the Thermal Convection under the Timan-Pechora Plate in the Case of Flat Subduction of the Russian Plate at the Paleozoic: a Comparison of Newtonian and Non-Newtonian Rheologies // Modern Science. 2017. № 10. P. 213-219.
8. Gerya T. Future Directions in Subduction Modeling // Journal of Geodynamics. 2011. V. 52. № 5. P. 344-378.
9. Тимурзиев А.И. Современное состояние методологии и практики поисков нефти // Дегазация Земли и генезис нефтегазовых месторождений (к 100-летию со дня рождения академика П.Н. Кропоткина). М.: ГЕОС, 2011. С. 456-476.
10. Валяев Б.М. Нетрадиционные ресурсы и скопления углеводородов: особенности процессов нефтегазонакопления // Дегазация Земли и генезис нефтегазовых месторождений (к 100-летию со дня рождения академика П.Н. Кропоткина). М.: ГЕОС, 2011. С. 390-404.
11. Сейфуль-Мулюков Р.Б. Нефть и газ: глубинная природа и ее прикладное значение. М.: Торус Пресс, 2012. 216 с.
REFERENCES
1. Metelkin D.V., Vernikovsky V.A., Kazansky A.Yu. Tectonic Evolution of the Siberian Paleocontinent from the Neoproterozoic to the Late Mesozoic: Paleomagnetic Record and Reconstruction. Russian Geology and Geophysics, 2012, Vol. 53, No. 7, P. 675-688.
2. Geology of Oil and Gas of the Siberian Platform. Moscow, Nedra, 1981, 532 p. (In Russian)
3. Vernikovsky V.A., Kazansky A.Yu., Matushkin N.Yu., et al. The Geodynamic Evolution of the Folded Framing and the Western Margin of the Siberian Craton in the Neoproterozoic: Geological, Structural, Sedimentological, Geochronological, and Paleomagnetic Data. Russian Geology and Geophysics, 2009, Vol. 50, No. 4, P. 380-393.
4. Pavlenkova N.I. Rheological Properties of the Upper Mantle of Northern Eurasia and Nature of Regional Boundaries According to the Data of LongRange Seismic Profiles. Russian Geology and Geophysics, 2011, Vol. 52, No. 9, P. 1016-1027.
5. Gavrilov S.V. Investigation of the Mechanism of Island Arc Formation and the Back-Arc Spreading of the Lithosphere. Geofizicheskie issledovaniya = Geophysical Research, 2014, Vol. 15, P. 35-43. (In Russian)
6. Pavlenkova N.I., Pavlenkova G.A. The Earth's Crust and Upper Mantle Structure of the Northern Eurasia from the Seismic Profiling with Nuclear Explosions. Moscow, GEOKART, GEOS, 2014, 192 p. (In Russian)
7. Gavrilov S.V., Kharitonov A.L. On the Thermal Convection under the Timan-Pechora Plate in the Case of Flat Subduction of the Russian Plate at the Paleozoic: a Comparison of Newtonian and Non-Newtonian Rheologies. Modern Science, 2017, No. 10, P. 213-219.
8. Gerya T. Future Directions in Subduction Modeling. Journal of Geodynamics, 2011, V. 52, No. 5, P. 344-378.
9. Timurziev A.I. The Modern State of Methodology and Practice of Oil Searches. Degassing of the Earth and Genesis of Oil and Gas Fields (to the 100th Anniversary from the Birthday of Academician P.N. Kropotkin). Moscow, GEOS, 2011, P. 456-476. (In Russian)
10. Valyaev B.M. Nonconventional Resources and Hydrocarbon Accumulations: Peculiarities of the Processes of Hydrocarbons Accumulation. Degassing of the Earth and Genesis of Oil and Gas Fields (to the 100th Anniversary from the Birthday of Academician P.N. Kropotkin). Moscow, GEOS, 2011,
P. 390-404. (In Russian)
11. Seyful-Mulyukov R.B. Petroleum and Gas: Deep Nature and Its Applicability. Moscow, Torus Press, 2012, 216 p. (In Russian)
