ЛИТОСФЕРА И АСТЕНОСФЕРА

Прочность литосферы

Для модели тектоники плит весьма существенными являются реологические свойства оболочек Земли. В геодинамике в качестве обобщенной реологической характеристики литосферы обычно используется эффективная (обобщенная) прочность. В настоящее время принято следующее распределение эффективной обобщенной прочности литосферы с глубиной (Byerlie, 1968; Ranalli, Murphy, 1987). При относительно низких температурах и давлениях происходит хрупкое разрушение пород, которое может быть описано экспериментальным законом кулоновского типа, учитывающим также скольжение вдоль существующих поверхностей разрывов (так называемый закон Бирли):

где о₃ — максимальное и минимальное нормальные напряжения; р — плотность; g — ускорение; г — глубина; ф — отношение поро- вого давления флюида к литостатическому давлению; р — параметр, определяемый типом разлома. Важно отметить, что согласно (8.1) прочность среды на хрупкое разрушение не зависит от температуры.

При более высоких температурах (начиная примерно с половины температуры плавления) происходит переход к механизму пластических деформаций и криповой ползучести. Экспериментальный закон крипового течения для большинства пород коры имеет вид (2.33)

Поскольку криповая прочность по определению зависит от вещества (параметры Лип), скорости деформаций и температуры, для расчета необходимо задать строение и состав литосферы, некоторой характерной величиной скорости деформации ё (обычно 1(П¹⁵-1(П¹⁴ 1/с) и конкретными зависимостями температуры от глубины (геотермами). Величины параметров, входящих в реологические соотношения, получены из результатов лабораторных экспериментов и экстраполяции их на условия, соответствующие литосфере.

При построении реологических профилей (кривых прочности) задают структуру коры, состоящей из слоев с определенной литологией, которая задает значения вещественных параметров в законах (8.1) и (2.33). Характер поведения среды для каждого слоя на определенной глубине определяется тем, какой из двух механизмов (хрупкий или пластичный) дает меньшую величину предела прочности. Переход от одного режима к другому определяется равенством сдвиговой прочности в хрупком и пластическом режимах. Поскольку криповый предел прочности зависит от температуры и скорости деформации, то для построения реологических кривых для литосферы необходимо также задаться конкретными геотермами и режимом нагружения (сжатие или растяжение, скорости деформации). На рис. 8.5 приведены типичные профили обобщенной прочности модельной литосферы, которая состоит из верхней «гранитной» (толщиной около 15 км), нижней «базитовой» коры (25 км) и подстилающей оливиновой мантии. На рис. 8.5 показаны кривые прочности, соответствующие различным тепловым режимам: с тепловым потоком 45 и 60 мВт/м², а также геотермы для этих случаев.

На рис. 8.6 представлена зависимость кривой прочности от скорости деформации, видно, что вариации этого параметра могут приводить к проявлению разного числа слоев. Кроме того, прочность на растяжение значительно меньше, чем прочность на сжатие.

Реологический профиль, построенный для океанической литосферы, обладает теми же характерными особенностями: выделяется достаточно выраженный минимум, приходящийся на нижнюю пластичную серпентиновую кору (Лобковский, 1988).

Рис. 8.5. Модельные профили обобщенной прочности континентальной литосферы для различных тепловых режимов:

I — кора (с разделением на верхнюю и нижнюю), II — подкоровая упругая литосфера, III — неупругая литосфера; 1 — кривая прочности, 2 — геотерма для режима с тепловым потоком 45 мВт/м², 3 — кривая прочности, 4 — геотерма для режима с

тепловым потоком 60 мВт/м²