Решение некоторых региональных геотермических и термоупругих задач тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.12 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

КРАТКИЙ ОБЗОР ГЕОТЕРМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

ГЛАВА I. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ И ПРИБЛИЖЕННЫЙ МЕТОД ИХ

РЕШЕНИЯ.

§ 1,1. Нахождение регионального температурного распределения в стационарных случаях

§ 1,2, Нахождение региональных термоупругих напряжений

§ 1,3. Разностные аппроксимации граничных задач

ГЛАВА 2. РЕШЕНИЕ ГЕОТЕРМИЧЕСКОЙ И ТЕРМОУПРУГОЙ ЗАДАЧИ ДЛЯ УСЛОВИЙ КАВКАЗСКОГО РЕГИОНА И АКВАТОРИИ ЧЕРНОГО И КАСПИЙСКОГО МОРЕЙ.

§ 2,1. Трехмерная стационарная геотермическая модель

Кавказа.

§ 2.2. Инверсионные слои Кавказа.

§ 2.3. Термоупругие напряжения и формирование некоторых глубинных разломов и очагов землетрясений Кавказа

ШВА 3. ВЫЧИСЛЕНИЕ НЕКОТОРЫХ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТА ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗУПЛОТНЕНИЯ И УПЛОТНЕНИЯ.

§ 3.1. Вычисление гравитационного эффекта термического разуплотнения

§ 3.2. Профильные представления плотностных аномалий термического прогрева

§ 3.3. Вычисление скоростей распространения сейсмических волн для Кавказского региона с учетом тепловой и термоупругой модели

Актуальность проблемы. Научные работы в области геотермии, открывающие пути как для познания термического режима Земли, так и для практического использования внутриземного тепла, проводятся давно, но наибольшее развитие они получили в последнее десятилетие.

Исследование физической природы источников тепла в недрах Земли, изучение механизмов переноса тепла в условиях высоких температур и давлений, определение теплового потока, нахождение геотермического градиента и теплопроводности горных пород, расчет температуры недр, оценка температуры плавления пород в недрах -вот тот далеко не полный перечень проблем, которые определяют круг задач термики Земли.

В современный период широкий размах приобретают региональные исследования теплового потока и поиски связей термических параметров с различными геолого-геофизическими факторами,и особенно, тектоническими структурами. Как правило, сейсмологические, гравиметрические, геотермические, а также и магнитотеллурические данные хорошо согласуются между собой, и причину такой согласованности, очевидно, следует искать в тепловом режиме недр. Эти корреляции позволяют думать, что эндогенные режимы, то есть сочетания тектонических магматических и метаморфических процессов в основном определяются тепловыми условиями в недрах Земли. Такое обобщение имеет не только теоретическое, но и практическое значение, поскольку выяснение и понимание характера процессов, определяющих эти связи, дают возможность осветить механизм и условия образования различных геологических структур. Наконец, общие исследования по термине Земли имеют большое прикладное значение для нефтяной геологии, инженерной гидрогеологии, подземной разведки руд и промышленного использования термальных вод«

Цель работы« Моделирование термического режима Кавказского региона. Вычисление некоторых геофизических полей на основе термической модели региона.

Основные задачи работы. Нахождение распределения температур в слоях мантии и коры Кавказского региона. Исследование влияния термического режима на образование термических напряжений из-за различия в коэффициентах теплового расширения различных формаций. Исследования влияния термического режима на плотноетную характеристику и,соответственно,гравитационные эффекты региона. Вычисление поля скоростей сейсмических волн.

Научная новизна. В имеющихся работах решались лишь одномерные, либо, в лучшем случае, двумерные задачи. В настоящей работе произведено:

1. Расчет трехмерной стационарной модели путем решения уравнений теплопроводности для Кавказского региона.

2. Получены распределения геоизотерм по глубине и карты теплового потока Кавказа.

3. Решена система уравнений теории упругости для определений поля смещений и термоупругих напряжений региона. Получены компоненты вектора смещений И . На основе этих данных вычислены аномальные значения плотностей и соответственные значения гравитационного эффекта от термического расширения.

4. Построены карты вертикальных и горизонтальных смещений. Предлагается механизм возникновения некоторых разломных структур Кавказского региона.

Практическая ценность. Работа позволяет глубже проникнуть в механизм процессов взаимосвязи геофизических полей и глубинного строения Кавказа, а также наметить участки аномально высоких температур и теплового потока с целью дальнейшего использования их термоэнергетических ресурсов в народном хозяйстве.

Реализация результатов работы. Рекомендации и комплекс карт под общим названием "Трехмерные геотермические и термоупругие модели и их использование с целью прогноза зон разломов и выявления механизмов землетрясений территории Армении" приняты к внедрению в Институте геофизики и инженерной сейсмологии АН Арм.ССР. Эти карты и рекомендации позволяют выделить зоны коровых инверсий, проявляющихся в виде волноводов, слоев повышенной электропроводности, зон аномальных термоупругих напряжений, способствующих возникновению областей разломной тектоники, повышенной сейсмоак-тивности, термоплотностных аномалий и др. Намечены мероприятия по дальнейшей реализации рекомендаций.

Фактический материал. В основу работы положены теоретические исследования автора, проведенные при выполнении плановых работ в ИГ АН ГССР, сейсмические и гравитационные данные, а также результаты геотермических и теплофизических исследований, проведенных в ИГ АН ГССР, а также обширный литературный и фондовый материал.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на координационном совещании Кавказской секции по проблеме 0.50.01 "Осуществить комплексное изучение глубинного строения земной коры с глубокими и сверхглубокими скважинами и геолого-геофизическими методами и определить перспективы нефтегазонности и рудоносности основных регионов страны", состоявшегося в г.Сухуми 20-21 мая 1983 г.; на Всесоюзном геотермическом совещании "Геотермические исследования в Средней Азии и Казахстане", в г.Ашхабаде 3-4 октября 1983 г.; на Всесоюзной конференции "Проблемы геологии и минеральных ресурсов Большого Кавказа" (Москва, 12-16 марта 1984г.); на XIX Генеральной Ассамблее Европейской сейсмологической Комиссии (Е5И-), (Москва, 2-7 октября 1984 г.); на Всесоюзной геофизической школе (ВПИ)"Физические свойства вещества и процессы в недрах Земли", Звенигород, 8-12 октября 1984 г., а также на семинарах ИГ АН ГССР.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 5 печатных работах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения; содержит текст на 106 страницах, 35 рисунков, 9 таблиц, списка литературы из 75 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предлагается трехмерная стационарная геотермическая модель Кавказа и акваторий Черного и Каспийского морей, на основании которой расчитаны: а) распределение температур на поверхностях гранита, бальзата и внутри этих слоев, а также на поверхности Мохо, 70 и 140 км глубинах; б) глубины залегания изотерм от 100° до 1200°С; в) геотермы для некоторых областей Кавказа и акваторий Черного и Каспийского морей; г) карты теплового потока на поверхностях Земли и Мохо.

2. Расчитанный по модели тепловой поток на поверхности Земли достаточно хорошо коррелирует с экспериментальными данными в областях акваторий морей и Рионо-Нуринской депрессии и занижен в областях Большого и Малого Кавказа. Это объясняется наличием молодого вулканизма в этих областях, не учитываемого в расчетах в стационарном приближении.

3. На основе расчетной и экспериментальной карт выделены аномалии тепловой поток, что позволяет в дальнейшем расчитать энергетику вулканических областей как для построения нестационарных моделей, так и для использования тепловой энергии в народном хозяйстве.

4. Расчитанный тепловой поток на поверхности Мохо обнаруживает перепады лишь в пределах 15$, тогда как без учета трехмерности перепад получается почти в 100%.

5. Вьщелен слой частичного плавления, построены карты его глубины залегания и мощности. Делается вывод о его связи с молодым вулканизмом как источником его питания.

6. Расчитана трехмерная модель термоупругих напряжений и смещений (как вертикальных, так и горизонтальных) изучаемого региона на нескольких глубинных срезах.

Построены карты критерия хрупкого разрушения (критерия Фон Мизеса), что позволило ввделить зоны повышенного его значения, хорошо коррелирующие с некоторыми известными зонами глубинных разломов, на основании чего высказывается предположение о термоупругой природе некоторых разломов Кавказа и акваторий Черного и Каспийского морей и их обрамления и некоторых очаговых зон землетрясений.

7. На основе данных о термоупругих напряжениях были построены карты "термоплотностных" аномалий на нескольких глубинных срезах: а) показано, что до поверхности Мохо хотя и наблюдаются аномалии плотности как по глубине, так и по латерали, тем не менее они носят мозаичный характер по величине и по знаку.

8. На основе данных о термоупругих напряжениях в исследуемом регионе построены карты \/Р , \/5 для нескольких глубинных срезов термической модели.

1. Тихонов А.Н. О влиянии радиоактивного распада на температуру земной коры. Изв. АН СССР, сер.географ, и геофиз. 1937, № 3, с. 431-458.

2. Любимова Е.А. О нагревании земных недр в процессе образования Земли. Изв. АН СССР, серия геофизическая, 1955, № 5, с.416-424.

3. Любимова Е.А. О термической истории Земли и ее геофизических последствиях. Доклады АН СССР. 1956, т. 107, № I, с.55-58.

4. Любимова Е.А. О роли лучистого теплообмена в тепловом режиме Земли. Изв. АН СССР, сер. геофизическая, 1957, № 5, с. 673-676.

5. Любимова Е.А. О температурном градиенте в верхних слоях Земли и возможности объяснения слоя пониженных скоростей. Изв. АН СССР, сер. геофизическая, 1959, № 12, с. 1861-1863.

6. Любимова Е.А. Термина Земли и Луны. М., Наука, 1968, 278 с.

7. Буачидзе Г.И., Шаоршадзе М.П. Геотермические условия западной Грузии. В кн.: Геотермия, отчеты по геотермическим исследованиям в СССР за 1971-1972 гг. М., 1974, вып.1, с. 37-39.

8. Глубинный тепловой поток Европейской части СССР. Киев, изд-во Наукова Думка, 1977.

9. Гордиенко В.В. Тепловые аномалии геосинклиналей. Киев, изд-во Наукова Думка, 1975, 144 с. с ил.

10. Гордиенко В.В., Кутас Р.И. Радиоактивная теплогенерация в горных породах на территории Украины и некоторых других районов. Киев, Геофизический сборник АН УССР, 1972, вып.49, с.42-50.

11. Кутас Р.И., Гордиенко В.В. Тепловое поле УССР. Киев, изд-во Наукова Думка, 1971, 140 с. с ил.

12. Цутас Р.И. Поле тепловых потоков и термическая модель земной коры. Киев, изд-во Наукова Думка, 1978, 146 с.

13. Об использовании данных геотермики при интерпретации материалов глубинного сейсмозондирования. Геофизический сборник АН УССР, 1971, вып. 39, с. 90-95. Чекунов A.B., Кутас Р.И., Гордиенко В.В., Гейко B.C.

14. Кутас Р.И. Распределение температур в земной коре на территории УССР. Геофизический сборник АН УССР, 1976, вып.70, с.86-94.

15. Чихрадзе Ш.Г. Геотермия Колхидской низменности. М. Наука, 1972.

16. Берч Ф., Шерер Д., Спайсер Т. Справочник для геологов по физическим константам. М. Иностранная литература, 1949.

17. Электрические и магнитные свойства горных пород при повышенных температурах и давлениях. Тбилиси, Мецниереба, 1979. Авторы: Сакварелидзе Е., Чанишвили 3. и др.

18. Магницкий В.А. Внутреннее строение и физика Земли. М. Недра, 1965, 378 с.

19. Бурьянов В.Б., Гордиенко В.В., Павленкова Н.И. Комплексная геофизическая модель юго Европейской части СССР. В кн.: Гравитационная модель коры и верхней мантии Земли. Изд-во Наукова Думка, 1979, Киев, с. 137-148.

20. Буачидзе И.М., Буачидзе Г.И., Годердзишвили H.A., Мхеидзе B.C., Шаоршадзе М.П. Геотермические условия и термальные воды Грузии. Тб. Сабчота Сакартвело, 1980.

21. Бурьянов В.Б., Гордиенко В.В. Плотностная модель литосферы Карпат. В кн.: Гравитационная модель земной коры и верхней мантии Земли. Изд-во Наукова Думка, 1977, Киев.

22. Чихрадзе Ш.Г. Некоторые результаты геотермических исследований в Колхидской низменности. Тезисы докладов на втором совещании по геотермическим исследованиям в СССР, изд-во Наука, М. ,1964.

23. Чихрадзе Ш.Г. К вопросу о распределении геотермического градиента в осадочных породах в Колхидской низменности. Х1У научная конференция аспирантов и младших научных работников АН ГССР, изд-во Мецниереба. Тбилиси, 1964.

24. Кикнадзе Д.А. Определение тепловых свойств горных пород. Труды Института геофизики АН ГССР, т. XIX, I960.

25. Кикнадзе Д.А., Чихрадзе Ш.Г. 0 тепловых свойствах осадочных пород Колхидской низменности. Сообщ. АН ГССР, т.ХХПУ, № 2, 1964.

26. Гугунава Г.Е., Кикнадзе Д.А. Об интерпретации геотермического поля Кавказа. Сообщ. АН ГССР, т.105, № I, 1982г.

27. R ieman U)efcar 3)ie partie Lté, Dî^e.renticiEcjiee.chungen oler mate mat ¡ócber pK^sîiC В, <900

28. Корытникова H.H. Влияние водных бассейнов на тепловой режим прилегающих участков Земной коры. Изд-во АН СССР, сер. географическая и геофизическая, № I, 1940.

29. Белоусов В.В. Комплексные исследования земной коры и верхней мантии. Вестник АН СССР, № 3, НО, 1982.30. 0 развитии геотермических исследований. Вестник АН СССР, № 2, 1982.

30. PoL¿q»c H. M-, Chapme™ Ю-S-Ohthe regional variations oj- the beat j£ocj, ^eotkerms and £ttKospberuo thickness- Tec-tonoplvysics 3S, 60, 1977

31. Artd&rSOh 0. -The temperature pro-J-iEe oj- tke, upper, bia-wte-e, Зоцг. G-eopK. Res 85, 7003, WO

32. A^aici M, А к i m ot о 5. £arH Ptahetarj1.teriors , Í9, 4977.

33. Алексидзе M.A., Гугунава Г.Е., Пертая К.В. Расчет термоупругих напряжений для одной физической модели. Геофизические поля и строение земной коры и верхней мантии территории Грузии. Изд-во Мецниереба, 1978.

34. Ботт М. Внутреннее строение Земли. Мир, М., 1974.

35. Перчук Л.П., Рябчиков И.Д. Фазовые соответствия в минеральных системах. Недра, М., 1976.

36. Macjhi-bsld^ V А- — Grfco-tKc-rmaC ^raoliehts and tempe ra-tu res ih t Ke mantee and tbe, pro^cm o^- J-u-sion. Ceo. R7GJ97I

37. Справочник физических констант горных пород. Под редакцией С.Кларка. М., 1969.

38. Сакварелидзе Е.А. Теплофизические свойства горных пород в интервале температур 20-500°С. Сб. Тепловые потоки из коры и верхней мантии Земли, № 12, 1973.

39. Цусхелишвили Н.И. Некоторые основные задачи математической теории упругости. Изд-во АН СССР, М., 1935. Ленинград.

40. Картвелишвили K.M. Планетарная плотностная модель и нормальное гравитационное поле Земли. Изд. Наука, М., 1982.

41. Саусвелл Р.В. Введение в теорию упругости. Изд-во Иностранной литературы, М., 1948.

42. Вазов В., Форсайт Дж. Разностные методы решения дифференциальных уравнений в частных производных и теория аппроксимации в численном анализе. М., Мир, 1974.

43. ВиасЬаЛ^е G-. —Temperature 3)isiribâtions in the-barths crust o-j- the, Western Cucouses and tKe sea. — V, Ber£m Neui 3o r. 4973.

44. Гугунава Г.Е. Геология и геофизика. СО АН СССР, 10, 1969.

45. Агакулиев З.Г., Аширов Т., Дубровский В.Г. и др. Изв. АН ТССР, Сер. Физ.-техн. и геологических наук. № I, 1973.

46. Чернявский Г.А., Яникян В.О., Мириджанян Р.Т. Изв. АН Арм.ССР. Науки о Земле, т.33, № 6, 1980.

47. Григорян Д.С., Шахназарян М.С. В сборнике: Земная кора Кавказа, Изд. Наука, M., 1984.

48. Диасамидзе Ш.П., Иоселиани М.С., Радкабов М.М. Сообщения АН ГССР, т. 97, № I, 1980.

49. Павленкова Н.И. В сб. Сейсмические модели литосферы основных геоструктур СССР, Наука, М,, 1980.

50. ГУгунава Г.Е. К вопросу взаимосвязи некоторых геофизических полей и глубинного строения Кавказа. В сб. Земная кора Кавказа, Изд. Наука, 1984.

51. Николаевский В.Н. В сб. Механика. Новое в зарубежной науке. 28. Дне.Райе. Механика очага землетрясений. Изд. Мир, М. ,1982.

52. Челидзе Т.Л. В сб. Земная кора Кавказа. Изд. Наука, М., 1984.

53. Мейсел Б., Бетчер А. Плавление водосодержащей мантии. Изд. Мир, 1978.

54. Лебедев Е.Б., Хитаров Н.И. Физические свойства магматических расплавов. Изд. Наука, М., 1979.

55. Тулиани Л,И. Напряженное состояние и толщина литосферы в Кавказском регионе. Автореферат канд.дисс. ИФЗ, М., 1975.

56. Варламов Д.А., Коннов Ю.К., Фельдман И.С. В сб. Исследование теплового и геоэлектрического полей СССР. Изд. Наука, МГГ,1975.

57. Петров Р.П. и др. Петрографический словарь. М. Недра, 1981.

58. Алексидзе М.А., Буачидзе Г.И., Кирия Д.К. и др. Трехмерная стационарная геотермическая модель Кавказа. Сообщения АН ГССР, т.Ш, № 3, 1983.

59. Алексидзе М.А., Гугунава Г.Е., Кирия Д.К., Челидзе Т.Л., Буачидзе Г.И. Трехмерная геотермическая модель Кавказа. Тезисы докладов Всесоюзн.совещ. Геотермические исследования в Средней Азии и Казахстане. Ашхабад, 1983.

60. Алексидзе М.А., Гугунава Т.Е., Кирия Д.К., Челидзе ТЛ. Тепловая модель, коровые инверсионные слои и молодой вулканизм Кавказа. Сообщения АН ГССР, т. 116, № 2, 1984.

61. Новицкий В. Теория упругости. Мир, М., 1975.

62. Алексидзе М.А. Решение граничных задач методом разложения по неортогональным функциям. Изд. Наука, М, 1978.

63. Алексидзе М.А., Месхия В.Ш. Упругие гравитационные напряжения в моделях Земли. Сообщения АН ГССР, т. 74, № 3, 1974.

64. Кирия Д.К. Вычисление плотностных аномалий, обусловленных термическим прогревом. Тезисы докладов Всееоюзн. молод, конф. Тбилиси, 1984.

65. Алексидзе М.А., Кирия Д.К. и др. Термоупругие напряжения и формирование некоторых глубинных разломов Кавказа. Сообщения АН ГССР, т. 116, № 2, 1984.

66. Алексидзе М.А., Кирия Д.К. Вычисление гравитационного эффекта термического разуплотнения. Киев, Изд. Наукова Думка (в печати).

67. Щулая Т.В. Машинно-табличный метод решения прямых задач гравиметрии при региональной интерпретации. Сообщ. АН ГССР, т.112, № 3, 1983.

68. Воларович М.П., Волынец Л.Н., Левшин А.Л. Вещественный состав Земной коры и верхней мантии по данным ГСЗ в центральной Туркмении и лабораторным измерениям при высоких термодинамических параметрах. Сообщ, АН СССР. Физика Земли, № 6, 1980.

69. Лебедев Т.С., Корчин В.А. Упругие свойства горных пород в различных термодинамических режимах Земной коры (по экспериментальным данным). М., 1978.