Обумовленість геологічних процесів варіаціями ротаційного режиму землі (на прикладі в’язко-пружної моделі Землі)

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНА ГІРНИЧА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

УДК 550.311: 551.24

ОБУМОВЛЕНІСТЬ ГЕОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ ВАРІАЦІЯМИ РОТАЦІЙНОГО РЕЖИМУ ЗЕМЛІ

(на прикладі в'язко-пружної моделі Землі)

Спеціальність:

- “Геофізика”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата геологічних наук

Довбнич Михайло Михайлович

Дніпропетровськ 2001

Дисертацією є рукопис

Работа виконана на кафедрі геофізичних методів розвідки

Національної гірничої академії України Міністерства освіти і науки України (м.Дніпропетровськ)

Науковий керівник - чл.кор. НАН України, доктор геол.-мін. наук, професор, професор кафедри геофізичних методів розвідки Національної гірничої академії України Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ) Тяпкін Костянтин Федорович

Офіційні опоненти:

чл.кор. НАН України, доктор геол.-мін. наук, провідний науковий співробітник Інституту геологічних наук НАН України (м. Київ) Паталаха Євген Іванович

доктор геол.-мін. наук, професор, заступник міністра Міністерства екології та природних ресурсів України (м. Київ) Лизун Степан Олексійович

Провідна установа - Інститут геофізики НАН України ім. С.І. Субботіна, відділ тектонофізики (м. Київ)

Захист відбудеться “6”_квітня_2001 р. о _14_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.05 при Національній гірничій академії України Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ, пр.Карла Маркса, 19)

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національній гірничій академії України Міністерства освіти і науки України за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, пр.Карла Маркса, 19

Автореферат розіслан “_28_”_лютого_2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 08.080.05 кандидат геолого-мінералогічних наук, доцент А.Л.Лозовий

АНОТАЦІЯ

ДОВБНИЧ М.М. Обумовленість геологічних процесів варіаціями ротаційного режиму (на прикладі в'язко-пружної моделі Землі).- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата геологічних наук за спеціальністю 04.00.22.- “Геофізика”. Національна гірнича академія України. Дніпропетровськ, 2001.

Дисертація присвячена вивченню впливу варіацій ротаційного режиму Землі на геологічні процеси. Вперше виконане математичне моделювання полів напружень, що виникають у в'язко-пружній тектоносфері при варіаціях ротаційного режиму. Встановлено, що даний фактор, у першу чергу дрейф осі обертання, здатний обумовлювати процеси структуроутворення. Зіставлення результатів моделювання з геолого-геофізичними даними підтверджує зроблені висновки. З позиції дрейфу осі обертання пояснена природа епох тектоно-магматичної активності і трансгресій та регресій великих регіонів Землі.

Ключові слова: ротаційний режим, варіації, напруження, моделювання, тектонічна активність, трансгресії, регресії.

АННОТАЦИЯ

ДОВБНИЧ М.М. Обусловленность геологических процессов вариациями ротационного режима Земли (на примере вязко-упругой модели Земли).- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геологических наук по специальности 04.00.22.- “Геофизика”. Национальная горная академия Украины. Днепропетровск, 2001.

Диссертация посвящена изучению влияния вариаций ротационного режима Земли на геологические процессы. Впервые выполнено математическое моделирование полей напряжений, возникающих в вязко-упругой тектоносфере при вариациях ротационного режима. Алгоритм расчетов базируется на решении задач теории оболочек и преобразовании упругого решения в вязко-упругое с помощью метода аппроксимации Ильюшина. Показано, что за счет процессов релаксации величина напряжений зависит от скорости изменения изучаемых факторов. При этом затухание угловой скорости, фиксируемое палеонтологическими и астрономическими методами, не может создавать в тектоносфере напряжения, необходимые для нарушения ее целостности, то есть протекания процессов структурообразования, в то время как дрейф оси вращения при определенных скоростях перемещения, способен приводить к накоплению в тектоносфере напряжений, достаточных для процессов структурообразования. Сопоставление результатов моделирования с геолого-геофизическими данными подтверждает сделанные выводы. Анализ палеомагнитных данных позволил выявить в геологическом прошлом наличие периодов ускоренного дрейфа полюсов, причем скорости дрейфа в эти периоды близки к скорости, необходимой для протекания процессов структурообразования, полученной при моделировании. Установлено, что таким периодам соответствуют эпохи повышенной тектоно-магматической активности Земли. Определенная цикличность в траектории дрейфа полюсов позволила предположить обусловленность данным фактором периодических трансгрессий и регрессий крупных регионов земной коры, являющихся следствием отставания реакции тектоносферы от реакции гидросферы на деформации фигуры планеты. Анализ кривых трансгрессий и регрессий подтвердил сделанные предположения. Показано, что геологические и геофизические явления подчиняются определенной цикличности, совпадающей с цикличностью астрономических явлений, что свидетельствует о непосредственном влиянии космических процессов на тектогенез Земли.

Ключевые слова: ротационный режим, вариации, напряжения, моделирование, тектоническая активность, трансгрессии, регрессии.

SUMMARY

Dovbnich M.M. Condition of geological processes by variations of the rotational mode of the Earth (on an example of visco-elastic model of the Earth).- Manuscript.

Dissertation for the degree of candidate of geological sciences on speciality 04.00.22.- “Geophysics”. National Mining University of Ukraine. Dnipropetrovsk, 2001.

The dissertation is devoted to study of the influence of variation of the rotational mode on the geological processes. The mathematical modelling of stress fields arising in the visco-elastic tectonosphere at the variation of the rotational mode of the Earth is made for the first time. It is established, that the given factor, first of all the drift of rotation axis is capable to cause the processes of the structural formation. The comparison of the rezults of the modelling with geologic-geophysical data confirms made conclusions. From the position of the drift of rotation axis the nature of epoch of the tectonic-magmatic activity both transgressions and regressions of large regions of the Earth is explained.

Key words: rotational mode, variations, stress, modelling, tectonic activity, transgressions, regressions.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Обертання є однією з найважливіших характеристик нашої планети, що визначає параметри її фігури. В даний час наука має у своєму розпорядженні незаперечні докази наступних фактів:

У минулі геологічні епохи Земля оберталася швидше, ніж у сучасну епоху, і, в результаті місячно-сонячних припливів, вона значно сповільнила своє обертання;

У геологічному минулому мали місце значні переміщення осі обертання в тілі Землі.

Незалежно від причин, що викликають зміну кутової швидкості і дрейф осі обертання, останні будуть приводити до деформацій фігури планети і, як слідство, до накопичення в тектоносфері деякіх напружень. Звично очікувати, що подібні деформації і напруження будуть обумовлювати протікання певних геологічних процесів, що носять загально планетарний характер.

Однією з тектонічних концепцій, що базуються на варіаціях ротаційного режиму, є Нова ротаційна гіпотеза структуроутворення, що розвивається К.Ф.Тяпкіним. Незважаючи на те, що дана гіпотеза успішно використовується як теоретична основа при багатьох геологічних, у першу чергу, тектонічних побудовах, залишаються невирішеними ряд питань, як-то:

- розрахунок поля планетарних напружень, обумовлених дрейфом осі обертання, для випадку в'язко-пружної моделі Землі;

- зіставлення вкладів внесених дрейфом осі і зміною кутової швидкості обертання у поля планетарних напружень, для випадку в'язко-пружної моделі Землі.

Рішення цих питань, у свою чергу, дозволить по новому, більш коректно пояснити природу ряда геотектонічних явищ.

Розрахунок поля напружень для в'язко-пружної моделі Землі - досить складна задача, зв'язана з рядом трудомістких, часом не здійсненних у ручну обчислень. Однак, широке впровадження у природознавство потужної обчислювальної техніки дозволяє у даний час проводити подібні розрахунки. Рішенню цих питань і присвячена дана робота.

Мета роботи: показати ступінь впливу варіацій ротаційного режиму Землі на геологічні процеси для в'язко-пружної моделі Землі.

Для досягнення мети дослідження необхідно було вирішити наступні задачі:

- проаналізувати існуючі на сьогоднішній день геотектонічні гіпотези, що базуються на варіаціях ротаційного режиму Землі; сконструювати загальну схему розрахунків напружень у в'язко-пружній тектоносфері;

- розглянути окремі випадки розрахунку напружень при зміні кутової швидкості обертання і зміні положення осі обертання у тілі Землі;

- із метою зіставлення результатів моделювання з геолого-геофізичними даними, розрахувати і проаналізувати особливості переміщення палеомагнітних полюсів;

- із метою зіставлення результатів моделювання з геолого-геофізичними даними, проаналізувати геологічні явища, загальнопланетарного характеру.

Об'єкт дослідження. Варіації ротаційного режиму Землі.

Предмет дослідження. Геологічні процеси, обумовлені варіаціями ротаційного режиму Землі.

Методи досліджень. Основним методом було математичне моделювання процесу накопичення напружень у в'язко-пружній тектоносфері при деформуванні фігури Землі, яке викликане зміною ротаційного режиму планети.

Допоміжну роль зіграв спектральний аналіз траєкторії і швидкості дрейфу палеомагнітних полюсів, тектонічної активності і трансгресій та регресій великих регіонів Землі.

Основні наукові положення, які захищаються в дисертації:

Переміщення осі обертання в тілі Землі, на відміну від загасання кутової швидкості обертання, при певних швидкостях дрейфу обумовлює процеси структуроутворення.

Періодичні епохи підвищеної тектонічної активності є слідством прискореного дрейфу осі обертання.

Періодичні трансгресії і регресії великих регіонів Землі є слідством відставання реакції тектоносфери від реакції гідросфери на деформації фігури планети, обумовлені дрейфом осі обертання.

Наукова новизна отриманих результатів.

Запропонован спосіб розрахунку планетарних полів напружень у в'язко-пружній тектоносфері, обумовлених варіаціями ротаційного режиму Землі. Спосіб розрахунку грунтується на вивченні процесу накопичення напружень у в'язко-пружній зовнішній оболонці Землі при її деформації, викликаній зміною ротаційного режиму.

Встановлено певну циклічність у траєкторії і зростанні швидкості дрейфу палеомагнітних полюсів у фанерозої.

Одержані з використанням сучасних математичних методів, зокрема спектрального аналізу, кількісні оцінки циклічності тектонічної активності і трансгресій та регресій великих регіонів Землі у фанерозої.

Встановлено, що періодам прискореного дрейфу полюсів відповідають епохи підвищеної тектонічної активності, причому швидкості дрейфу у ці періоди близькі до швидкостей, необхідних для протікання процесів структуроутворення, які отримані в результаті математичного моделювання.

Показана можливість встановлення зв'язку між дрейфом осі обертання і трансгресіями та регресіями великих регіонів Землі.

Наукове значення отриманих результатів.

Отримані в результаті моделювання кількісні характеристики напружень тектоносфери, що виникають при зміні ротаційного режиму, дозволяють стверджувати - варіації ротаційного режиму є однією з причин тектогенезу, ігнорування якої може негативно відобразитися на розумінні природи геотектонічних явищ.

Особистий внесок автора.

Автором дисертаційної роботи розроблений і реалізований спосіб розрахунку планетарних полів напружень, заснований на вивченні деформування в'язко-пружних оболонок, за допомогою якого були вивчені характер розподілу і розмір напружень виникаючих у тектоносфері при зміні швидкості обертання і дрейфі осі обертання. З метою зіставлення результатів моделювання з геолого-геофізичними даними, розраховані і проаналізовані траєкторії і швидкості дрейфу палеомагнітних полюсів. Автором проаналізовані і зіставлені з результатами моделювання ряд геологічних явищ, як-то: періодичні епохи підвищеної тектонічної активності і трансгресії та регресії великих регіонів Землі.

Апробація результатів дисертації.

Основні положення роботи доповідалися на наступних конференціях:

Актуальные проблемы геологии и рационального природопользования. Днепропетровск, 5-7 мая, 1999.

Конференция молодых ученых и специалистов. Геофизика-99. Санкт-Петербург, 9-12 ноября, 1999.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 6 наукових праць, з них 4 статті в провідних фахових виданнях і 2 тези доповідей на конференціях.

Структура й об'єм роботи. Дисертація загальним об'ємом 140 сторінок складається із вступу, трьох розділів, висновків, списку використаних джерел, містить 39 малюнків, 7 таблиць.

Дана робота виконувалася на кафедрі геофізичних методів розвідки Національної гірничої академії України під керівництвом член-кореспондента НАН України, доктора геолого-мінералогічних наук, професора К.Ф.Тяпкіна, якому автор висловлює глибоку і щиру вдячність.

Автор висловлює велику вдячність д.г.н. О.В.Орлинскій, к.г.-м.н. Г.М.Стовас, к.ф.-м.н. О.О.Бобильову, к.ф.-м.н. Е.С.Сінайському, к.ф.-м.н. В.М.Логвинову, к.г.-м.н. В.П.Солдатенко і к.г.-м.н. А.Л.Лозовому за цінні консультації, обговорення та поради.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Розділ 1. Стан проблеми і формулювання задачі дослідження.

Питання про вплив варіацій ротаційного режиму Землі на її тектоніку має більш ніж столітню історію. Історично склалося так, що спочатку був встановлений факт загасання кутової швидкості обертання Землі, обумовлений гальмуючим тертям місячних припливів. А вже значно пізніше, маючи в розпорядженні велику кількість палеомагнітних, палеокліматичних та астрономічних даних було показано, що в геологічній історії мав місце дрейф осі обертання в тілі планети, що до цього вважався дуже сумнівним. Звично, що й у геотектоніці спочатку ряд дослідників вивчали вплив зміни кутової швидкості обертання Землі на геологічні процеси. Вперше це питання було порушено Д.Дарвіним у 1879 р. Пізніше ця тема мала місце у роботах Л.С.Лейбензона і Бема фон Бемерсгейма в 1910 р. Через двадцять років Б.Л.Лічков у ряді статей і монографій знову порушує зацікавленість що до питання про вплив обертання Землі на її тектоніку. Надалі це питання висвітлювалося в роботах М.В.Стоваса, В.А.Цареградського, А.В.Доліцького, Г.Н.Каттерфельда та ін.

Вплив зміни положення осі обертання на тектоніку Землі було вперше розглянуто в роботі Квірінга, де простережується думка, що саме цей фактор є причиною тектонічних процесів. Г.Д.Хізанашвілі бачив у явищі дрейфу осі обертання причину трансгресій і регресій, що мали місце в геологічному минулому. У своїх роботах А.В.Солнцев пов'язує сучасну тектонічну активність із переміщенням географічних полюсів по поверхні Землі. А.Шейдеггер вказує на те, що зміна положення осі обертання може викликати розтріскування земної кори. Вищезгаданий А.В.Доліцький також припускає переміщення осі обертання, однак накопичення напружень він пов'язує з загасанням кутової швидкості обертання, а дрейф осі обертання викликає, відповідно до його уявлень, лише зміщення поля напружень. І нарешті, в даний час переміщення осі обертання в тілі Землі покладено в основу Нової ротаційної гіпотези структуроутворення, що розвивається К.Ф.Тяпкіним і яка успішно використовується при різних тектонічних побудовах.

Аналіз гіпотез, що базуються на варіаціях ротаційного режиму Землі, дозволяє зробити наступні висновки. Незважаючи на досить велику кількість досліджень, присвячених впливу варіацій ротаційного режиму Землі на її тектоніку, дотепер залишається відкритим питання про співвідношення напружень, що виникають у зовнішній оболонці Землі при дрейфі осі і загасанні швидкості обертання планети. І як слідство - ступінь впливу кожного з факторів на тектонічні процеси.

Якщо для випадку загасання швидкості обертання є розрахунки, що дозволяють одержати кількісну оцінку розміру і характер розподілу напружень, що виникають при цьому, то для випадку дрейфу осі обертання є лише якісні побудови, що не дозволяють повною мірою проаналізувати поля напружень, обумовлені цим фактором. Більш того всі наявні розрахунки виконувалися попередніми дослідниками в рамках ідеально пружних моделей. Однак, на сьогоднішній день навряд чи в кого викликає сумнів те, що механічне поводження Землі і її верхньої оболонки, зокрема, набагато більш складніше ніж поводження ідеально пружного тіла, особливо якщо час дії навантажень великий. Цей факт так само необхідно враховувати при моделюванні.

Результати моделювання, безумовно, потребують перевірки. Один із можливих шляхів перевірки полягає в зіставленні висновків, отриманих при моделюванні з геологічними процесами, що мали місце. Це, у свою чергу, дозволить поряд із перевіркою розрахунків, дати пояснення природи даних процесів із позиції досліджуваного явища.

Розділ 2. Методика і результати розрахунку полів напружень, обумовлених варіаціями ротаційного режиму Землі.

Рішення питання про розрахунок напружень тісно пов'язано з вибором механічної моделі верхньої оболонки Землі. У нашому випадку було прийнято, що зовнішня оболонка у випадку довгоперіодних геотектонічних процесів відповідає умовам тіла Максвелла з в'язкістю - 10²⁴ Па*с, модуль Юнга - 1,7*10¹¹ Па, коефіцієнт Пуассона- 0,25, тривкість оболонки - 10⁷ Па.

Передбачалося, що при зміні ротаційного режиму Земля настільки швидко змінює свою фігуру, що вісь обертання завжди збігається з меншою віссю земного еліпсоїда, крім того, фігура Землі відповідає фігурі рівноваги обертаючоїся неоднорідної рідини.

Беручи до уваги сказане вище, відповідно до безмоментної теорії тонких оболонок, з урахуванням методу апроксимації Іллюшіна для рішення в'язко-пружних задач, напруження у в'язко-пружній деформованій оболонці можна обчислити, використовуючі рівняння:

(1)

де - нормальні меридіональні і широтні напруження; -дотична напруженьа; - відносні подовження елемента дуги меридіана, паралелі і зрушення; - функція релаксації і функція зв'язної повзучості, - модуль об'ємного стиснення, - час.

В дисертації наведено, що в першому наближенні форма деформованої оболонки визначається нормальними переміщеннями точок, що належать їй, у випадку сферичної оболонки або оболонки у формі еліпсоїда обертання з малим стисненням - радіальними переміщеннями.

У цьому випадку, розміри можна визначити за наступними співвідношеннями:

(2)

де , і , - параметри Ламе поверхні оболонки до і після її деформації, - одиничні вектори, дотичні до меридіана і паралелі після деформації.

Параметри Ламе та одиничні вектори можна визначити наступним способом:

(3)

де - радіус-вектор поверхні оболонки до і після деформації.

Зупинимося докладніше на окремих випадках цієї задачі.

1. Випадок зміни кутової швидкості обертання Землі.

У даному випадку

,

, (4)

де - напівосі земних еліпсоїдів до і після деформації.

У свою чергу напівосі зв'язані зі стисненням, у припущенні інваріантості об'єму планети, наступними співвідношеннями:

(5)

де - об'єм планети, - стиснення земних еліпсоїдів до і після деформації.

Цілком очевидно, що встає питання про зв'язок між стисненям земного еліпсоїда з кутовою швидкістю обертання планети.

Для фігури обертаючоїся неоднорідної рідини стиснення із точністю до малих першого порядку можна визначити за допомогою рівняння:

(6)

де -динамічне стиснення фігури рівноваги, - відношення відцентрової сили на екваторі до сили ваги для випадку сферичної Землі.

Розмір визначається виразом:

де - кутова швидкість обертання, - радіус сфери, об'єм якої дорівнює об'єму земного еліпсоїда, - маса Землі, - гравітаційна постійна.

З астрономічних даних нам відомо динамічне стиснення Землі в даний час, також нам відоме стиснення сучасної фігури Землі , її масу, радіус рівновеликої її сфери і швидкість її обертання.

У зв'язку з вище сказаним, із рівняння (6), стиснення фігури рівноваги для будь-якої швидкості обертання буде визначатися виразом:

,

.

Вирахувавши стиснення , із (4)-(5) можна визначити радіуси-вектори деформованого земного еліпсоїда і, скориставшись алгоритмом (1)-(3), розрахувати напруження в оболонці.

Моделювання полів напружень, обумовлених загасанням швидкості обертання Землі було виконано для трьох еліпсоїдів: “палеозойського” =1/225.1, “мезозойського”=1/266.6, “кайнозойського” =1/289.8. Подовження доби було прийнято рівним 210^-5 с/рік.

У випадку зміни швидкості обертання, у верхній оболонці будуть мати місце приблизно рівні меридіональні і широтні напруження, тангенціальні напруження будуть рівні нулю. Як показують розрахунки при загасанні швидкості обертання у верхній оболонці планети виникає три зони: два розтягання (+90⁰ +35⁰, -90⁰-35⁰) і одна стиснення (-35⁰+35⁰). При цьому максимальні напруження , що розтягують , будуть на полюсах, а стискальні - на екваторі. тектоносфера земля палеомагнітний полюс

При прийнятому загасанні кутової швидкості процес накопичення напружень продовжується до 1 млн. років, після чого напруження не збільшуються, створюючи в оболонці постійне в часі поле напружень. Як показують розрахунки, при подовженні доби на 210^-5 с/рік, напруження, достатні для процесів структуроутворення ( 10⁷Па), накопичитися в оболонці не зможуть через процеси релаксації. Виникнення таких за розміром напружень було б можливим, якщо збільшення довжини доби було б, принаймні в 55-60 разів більше прийнятої. Однак, об'єктивних причин вважати, що такі варіації швидкості обертання мали місце в історії Землі немає. Початкове стиснення еліпсоїда, як ми бачимо, також не робить істотного впливу на процес накопичення напружень.

2. Випадок дрейфу осі обертання.

У випадку дрейфу осі обертання

(7)

Підставляючи (7) у (1)-(3) можна розрахувати напруження.

Розрахунки полів напружень проводилися для чотирьох земних еліпсоїдів: сучасного (еліпсоїд Красовського), “палеозойського” =1/225.1, “мезозойського” =1/266.6, “кайнозойського” =1/289.8.

Аналіз результатів розрахунків дозволяє стверджувати наступне.

При дрейфі осі обертання в меридіональній площині в двох квадрантах верхньої оболонки планети виникають зони стиснення, а в двох інших - розтягання. Обчислення показали, що дотичні напруження в нашому випадку виявилися на два порядки менше меридіональних і широтних напружень.

На процес накопичення напружень у верхній оболонці планети істотний вплив, поряд із кутовим переміщенням осі обертання в тілі Землі, робить швидкість переміщення. Якщо прийняти, що процеси структуроутворення протікають при напруженьах 10⁷ Па, то буде мати місце діапазон швидкостей дрейфу, при якіх напруження в оболонці ніколи не досягнуть цієї величини (для еліпсоїда Красовського при швидкості дрейфу 1.8 град./млн. років).

Для сучасного еліпсоїда при таких швидкостях дрейфу напруження досягнут розміру 10⁷ Па при кутовому переміщенні осі обертання Землі приблизно на 1⁰ у площині меридіана. При цьому, палеомагнітні дані свідчать, що такі швидкості дрейфу мали місце.

Зміна стиснення земного еліпсоїда, обумовлена загасанням швидкості обертання, значно впливає на процес накопичення напружень в оболонці. Якісний характер розподілу напружень залишається незмінним (у двох квадрантах - зони стиснення, у двох - розтягання). Однак, величини швидкостей дрейфу і кутових переміщень, необхідних для накопичення напружень 10⁷ Па, істотно відрізняються від цих же величин для сучасного земного еліпсоїда - із збільшенням стиснення зменшується швидкість дрейфу, що необхідна для протікання процесів структуроутворення.

Таким чином, можна говорити про те, що напруження, обумовлені дрейфом осі обертання на багато більше напружень, що виникають при зміні швидкості обертання, і що зміну швидкості обертання навряд чи можна вважати фактором, що робить істотний вплив на процеси структуроутворення.

Розділ 3. Зіставлення результатів моделювання з геолого-геофізичними даними.

Отримані в ході математичного моделювання висновки вимагають зіставлення з наявними геологічними і геофізичними даними.

Основний висновок, отриманий при моделюванні, полягає в тому, що в результаті дрейфу осі обертання напруження, які необхідні для протікання процесів структуроутворення, можуть накопичитися в тектоносфері лише в тому випадку, якщо швидкість дрейфу буде більше деякого значення. Отже, періодам підвищеної швидкості переміщення полюсів повинні відповідати епохи тектонічної активності Землі.

Іншим, не менш цікавим геологічним процесом, що тісно пов'язаний із варіаціями ротаційного режиму Землі, насамперед із дрейфом осі обертання, є трансгресії і регресії великих регіонів Землі.

Таким чином, зіставлення геологічних процесів із результатами моделювання тісно пов'язано з даними про переміщення осі обертання в тілі планети. На сьогоднішній день більш-менш достовірну інформацію про траєкторію дрейфу полюсів у геологічному минулому можна одержати з палеомагнітних даних. Спеціальні дослідження показують, що для інтервалів часу порядка 10⁴ років середнє положення магнітного полюса збігається з положенням географічного.

Як вихідні дані, при палеомагнітних побудовах використовувалися палеомагнітні полюси з бази даних Global Paleomagnetic Database, наявної в мережі Internet, дана база даних містить 8250 визначень палеомагнітних полюсів, визначених у різних регіонах земної кулі.

Аналіз траєкторії дрейфу палеомагнітних полюсів у фанерозої був виконаний для наступних регіонів Землі: Східно-Европейської, Сибірської, Півнично-Американської, Південно-Американської, Африканської, Индостанської та Австралійської платформ.

Такий вибір був не випадковим. Як показують дослідження виконані А.Я.Кравчинським, палеомагнітні полюси, розраховані по слабко дислокованих породах вулканогенно-осадового чохла древніх платформ, розташовуються набагато більш компактно, ніж полюса визначені за зразками із складчастих областей.

Результати розрахунку дозволили зробити наступні висновки.

Практично для всіх регіонів характерні три глобальних періоди зростання швидкості дрейфу:

- для Східно-Европейської платформи: 500-340, 250-150, 20-0 млн. років тому;

- для Сибірської платформи: 480-340, 250-150, 30-0 млн. років тому;

- для Африканської платформи: 500-340, 260-220 млн. років тому;

- для Індостанської платформи: 300-150; 60-0 млн. років тому;

- для Північно-Американської платформи: 510-370, 270-120, 80-0 млн. років тому;

- для Південо-Американської платформи: 510-400, 300-170, 80-0 млн. років тому;

- для Австралійської платформи: 510-340, 310-240, 80-0 млн. років тому;

При цьому усередині цих інтервалів також відзначаються зростання і зниження швидкості дрейфу.

Припускаючи єдину природу зростання і зниження швидкості дрейфу для різних регіонів, нами була розрахована осереднена крива швидкості для перелічених вище платформ, що на наш погляд у більшій мірі позбавлена від перешкоджаючих факторів. На осередненій кривій збереглася тенденція розподілу швидкості дрейфу в часі, що і на кожної кривої окремо (наявність трьох глобальних періодів зростання швидкості: 520-340, 300-140, 85-0 млн. років тому), однак по ній із більшою об'єктивністю можна виділити більш дрібні періоди підвищення швидкості, як-от: 520-475, 455-405, 385-345, 270-220, 190-140, 85-0 млн. років тому. Швидкість дрейфу в ці періоди досягає перших градусів в млн.років.

Для більш детального аналізу був розрахований амплітудний спектр осередненої кривої. На спектрі виділяються два основних максимуми для гармонік із періодом 200 млн.років і 90 млн.років. Таким чином, у геологічному минулому мали місце періоди підвищення швидкості дрейфу палеомагнітних полюсів, причому їхній прояв має цілком певну циклічність.

Подібна закономірність може бути пояснена з наступних позицій: якщо представити траєкторію дрейфу полюсів як суму поступального руху і циклічного руху різних порядків (із періодами 180-200, 90, 45 млн.років і т.д.), то періоди підвищеної швидкості дрейфу будуть відповідати періодам, коли напрямок циклічного руху буде збігатися з напрямком поступального руху полюсів.

Звично очікувати, якщо дане припущення справедливе, тоді на кривих дрейфу палеомагнітних полюсів будуть відзначатися коливання широт і довгот положення палеомагнітних полюсів із періодами рівними періодам циклічного руху. Розрахунок і аналіз амплітудних спектрів кривих зміни широт і довгот підтверджують зроблене припущення.

Як відзначалося вище у фанерозої відзначається ряд періодів, для якіх характерна підвищена швидкість дрейфу палеомагнітних полюсів. Відповідно до результатів моделювання таким періодам повинні відповідати епохи підвищеної тектоно-магматической активності.

Аналіз розвитку основних геосинклінальних областей Землі у фанерозої дозволив виділити в геологічному минулому ряд періодів підвищеної тектонічної активності. Спільний розгляд отриманих результатів із даними палеомагнітних досліджень і результатами моделювання дозволив зробити наступні висновки.

1. У фанерозої на фоні тектонічних процесів, які відбувалися беззупинно, відзначаються періоди більш високої тектонічної активності. Так у фанерозої виділяються три “головні” епохи тектогенеза відповідні закінченням трьох геотектонічних циклів: каледонського, герцинського та альпійського:

а) верхній ордовік - нижній девон ( 460-400 млн.років тому);

б) пермь - перша половина тріаса ( 290-235 млн.років тому);

в) палеоген - четвертинний час ( 65-0 млн.років тому).

Інтервал між максимумами якіх складає 180-200 млн.років.

Поряд із переліченими вище епохами, у фанерозої мали місце періоди підвищеної тектонічної активності меншої інтенсивності:

а) середній кембрій- нижній ордовік ( 518-470 млн.років тому);

б) нижній карбон ( 363-323 млн.років тому);

в) друга половина юри - початок крейди ( 170-120 млн.років тому).

Інтервали між максимумами якіх і максимумами “головних” епох 90 млн.років.

Таким чином, інтенсивність тектонічної активності у фанерозої можна уявити у вигляді гармоніки з періодом 180-200 млн.років, на яку накладена гармоніка з періодом 90 млн.років меншої амплітуди. Дане припущення підтверджується аналізом амплітудного спектра кривої інтенсивності складкоутворення, побудованої В.Е.Хаіним.

При зіставленні кривої швидкості дрейфу палеомагнітних полюсів і її амплітудного спектра з геотектонічними процесами минулого, стає очевидним, що періодам підвищення швидкості дрейфу відповідають періоди активізації тектонічних процесів. Причому швидкості дрейфу в максимумах кривої, якім відповідають періоди тектонічної активності, досить близькі до швидкостей дрейфу, необхідної для структуроутворення, отриманої при моделюванні.

2. У періоди тектонічної активності, що відзначаються для фанерозоя, для територій, що знаходяться на значних відстанях одна від одної інтенсивність тектонічних процесів була різною. У одних областях ці прояви були дуже сильними, в інших менш сильними, у третіх - їх не було взагалі.

Подібні факти також знаходять своє пояснення з позиції дрейфу осі обертання. Як показують результати моделювання, періодам підвищеної швидкості дрейфу повинні відповідати періоди підвищеної тектонічної активності, однак приймаючи до уваги характер планетарного поля напружень, що виникає при дрейфі осі обертання стає очевидним, що на Землі будуть мати місце області з різною тектонічною активністю.

Як відзначалося вище, дрейф осі обертання буде обумовлювати трансгресії і регресії великих регіонів земної поверхні. Це пов'язано з деякім відставанням реакції тектоносфери від реакції гидросфери на деформації фігури Землі, що обумовлені дрейфом осі обертання. З цих позицій, враховуючі результати моделювання та палеомагнітні дані, трансгресії і регресії повинні задовольняти наступним вимогам:

а. для будь-якого регіону Землі трансгресії і регресії повинні підлягати певній і однаковій циклічності, у зв'язку з петлеподібною траєкторією дрейфу полюсів;

б. криві трансгресій і регресій для віддалених один від одного регіонів можут бути у “протифазі”, тобто регресії в одному регіоні можут відповідати трансгресія в іншому;

в. областям, підвладним регресії повинні відповідати зони стиснення тектоносфери, і навпаки, областям трансгресії - зони розтягання.

Для підтвердження перших двох вимог аналізувалися криві трансгресій і регресій, які побудовані А.Л.Яншіним. Були розраховані і проаналізовані амплітудні спектри даних кривих.

На амплітудних спектрах для всіх кривих відзначається максимум спектральної щільності для гармонік із періодом близьким до 200 млн.років. Отже, перша вимога про періодичність трансгресій і регресій досить добре підтверджується реальним геологічним матеріалом.

Крім того, криві, побудовані А.Л.Яншіним, виявляють цілком різний хід трансгресій і регресій у різних частинах нашої планети. Отже, друга вимога також підтверджується фактичними даними.

Для перевірки третьої вимоги знову аналізувалася історія розвитку геосинклінальних поясів. З позиції розвитку геосинкліналей даний висновок означає, що, власне, геосинклінальному етапу розвитку рухливих областей (режим розтягання) буде відповідати трансгресія як геосинклінальної області, так і на сусідніх платформах і навпаки, орогенному етапу розвитку (режим стиснення) буде відповідати підняття геосинклиналі і сусідніх платформ над рівнем моря, тобто регресія. В даний час цей факт підтримує більшість дослідників.

Іншим геологічним явищем, що підтвержує спряженість регресій із зонами стисннення і трансгресій із зонами розтягання є розвиток соляних структур. Соляні структури є свого роду індикаторами напруженого стану геологічного середовища, їхнє формування і ріст тісно пов'язані зі стискальними напруженьами. В одній із робіт М.В.Чирвинська відзначає, що періодам інтенсивного росту соляних структур у Дніпрово-Донецькій западині (режим стиснення) відповідають регресії моря.

З усього вищевикладеного можна зробити висновок, що дрейф осі обертання є однією з “рушійних сил”, що викликають ряд геологічних процесів, таких як тектонічні активізації, трансгресії і регресії великих регіонів Землі, і з позиції цього фактора можливе пояснення даних геологічних явищ і їхнього зв'язку.

ВИСНОВКИ

Дисертація - закінчена науково-дослідницька робота, у якій розглянуто вплив варіацій ротаційного режиму Землі на геологічні процеси (на прикладі епох підвищеної тектонічної активності і трансгресій і регресій великих регіонів Землі).

В результаті виконаних досліджень був розроблений і реалізований спосіб розрахунку планетарних полів напружень у в'язко-пружній тектоносфері, обумовлених варіаціями ротаційного режиму Землі. Спосіб грунтується на рішенні рівнянь теорії оболонок, із наступним перетворенням пружного рішення у в'язко-пружне за допомогою методу апроксимації Іллюшіна. Отримані, в результаті моделювання, висновки підтверджуються геолого-геофізичними даними.

Основним результатом проведених досліджень є модельні поля напружень, обумовлені загасанням кутової швидкості обертання і переміщенням осі обертання в тілі Землі. Показано, що за рахунок процесів релаксації розмір напружень залежить від швидкості зміни досліджуваних факторів. При цьому загасання кутової швидкості, що фіксується палеонтологічними і астрономічними методами, не може створювати в тектоносфері напруження, необхідної для порушення її цілісності, тобто протікання процесів структуроутворення, у той час як дрейф осі обертання при певних швидкостях переміщення, здатний приводити до накопичення в тектоносфері напружень, достатніх для процесів структуроутворення.

Проведені в роботі розрахунки траєкторії дрейфу палеомагнітних полюсів і ритмів швидкості дрейфу, свідчать про наявність у геологічній історії Землі періодів, швидкість дрейфу в якіх достатня для протікання процесів структуроутворення.

Аналіз геологічного розвитку геосинклінальних областей дозволяє констатувати наявність у геологічному минулому епох підвищеної тектонічної активності, характерних для всієї земної кулі, але які мають різний ступінь прояву для різних регіонів Землі. Встановлено, що хронологічні межі даних епох відповідають періодам підвищеної швидкості дрейфу полюсів. Це дозволило пояснити природу епох підвищеної тектонічної активності з позиції Нової ротаційної гіпотези структуроутворення, з урахуванням результатів моделювання.

Певна циклічність у траєкторії дрейфу полюсів дозволила припустити обумовленість періодичних трансгресій і регресій великих регіонів земної кори цім фактором. Аналіз кривих трансгресій і регресій підтвердив припущення, зроблені з позиції Нової ротаційної гіпотези структуроутворення, з урахуванням результатів моделювання, що до їхньої природи.

Не менш важливим результатом є те, що циклічність траєкторії, періоди підвищення швидкості дрейфу полюсів і обумовлені ними епохи тектонічної активності, a також трансгресії і регресії підпорядковуються певній циклічності, яка збігається з циклічністю астрономічних явищ. Це у свою чергу свідчить про безпосередній вплив космічних процесів на тектогенез Землі.

СПИСОК ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗДОБУВАЧЕМ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Довбнич М.М. К вопросу о моделировании горно-геологических процессов в рамках вязко-упругих моделей // Науковий вісник НГАУ.- 1999.- № 5.- с. 84-86.

2. Довбнич М.М. О возможной причине эпох тектонической активности в истории Земли // Науковий вісник НГАУ.-2000.- № 3.- с. 69-71.

Довбнич М.М. Соотношение напряжений, обусловленных дрейфом оси и изменением скорости вращения Земли // Науковий вісник НГАУ.-2000.- № 5.- с.59-62.

Довбнич М.М. Влияние скорости дрейфа географических полюсов на процесс накопления напряжений в верхней оболочке Земли (результаты моделирования) // Доповіді АН Украіни.- 2000.- №10.- с. 126-129.

Довбнич М.М. Поля напряжений верхней оболочки Земли, обусловленные дрейфом географических полюсов (результаты моделирования) // Тез. докл. Междунар. конф. молодых ученых и специалистов “Геофизика-99” (Петродворец 9-12 ноября1999г.).- Санкт-Петербург.- 1999.- с. 36.

Довбнич М.М. Напряженное состояние верхней оболочки Земли, вызванное изменением ротационного режима // Сб. научн. трудов НГА Украины.- Т.3, № 6.- с. 29-34.

Размещено на Allbest.ru

...