ИСТИНА

Проект направлен на решение фундаментальной проблемы, связанной с эволюцией тектоники плит на разных этапах развития Земли. Основной задачей проекта является сопоставление характера и особенностей континентальной коллизии в докембрии и фанерозое на основе численного моделирования тектонических, термомеханических и петрологических процессов и сравнения полученных результатов со структурными и петрологическими данными по коллизионным орогенам. Новые комплексные согласованные термомеханические и петрологические 2D и 3D модели, основанные на методе конечных разностей с использованием техники маркеров в ячейке, являются уникальным инструментом исследования коллизионных структур, особенно докембрийских в силу отсутствия их современных аналогов. Оригинальная методика моделирования позволяет учитывать термодинамику фазовых превращений при меняющихся физико-химических параметрах, реалистическую вязко-упруго-пластическую реологию горных пород, с высоким разрешением исследовать деформации, включая разломную тектонику, изменение во времени температуры и давления (P-T-t тренды) для различных пород, генерацию и эволюцию расплавов, создавая, таким образом, возможность изучения процесса формирования и роста континентальной коры. Реализация моделей будет произведена с использованием мощнейших отечественных суперкомпьютеров «Чебышев» и «Ломоносов», что позволит успешно реализовать комплексный характер и высокое разрешение моделей, и впервые проследить как изменялись характер, особенности и условия континентальной коллизии на разных этапах развития Земли. Результаты моделирования будут сравниваться со структурными и петрологическими данными на примере раннедокембрийской Беломорской провинции, палеозойского Уральского и мезозойских (Большой Кавказ и Даби-Сулу, Китай) коллизионных орогенов.

На третьем этапе проекта проводилась серия двухмерных численных экспериментов с высоким разрешением на суперкомпьютерном комплексе МГУ, и исследовались модели коллизии для различных геодинамических условий, в которых варьировались такие параметры модели, как мощность континентальной литосферы, температура подошвы континентальной коры и подлитосферной мантии, скорость конвергенции, теплогенерация пород континентальной коры. Были получены следующие главные результаты. Установлено, что температура подлитосферной мантии существенно влияет на стиль коллизионного взаимодействия. В моделях с параметрами, отвечающими современной коллизии (мощность литосферы 140 км, температура 1345°С на ее подошве, скорость конвергенции 3–5 см/год), наблюдается погружение континентальной литосферы с последующие деламинацией. Большой блок континентальной коры отрывается от субдуцирующейся литосферы и быстро поднимается вверх по сдвиговым зонам. При этом происходит сверхбыстрая эксгумация (в течение 0.2–0.4 млн. лет) метаморфических комплексов сверхвысоких давлений (UHPM). В процессе коллизии происходит формирование орогена, которое сопровождается формированием поднятия, образованием разрывных нарушений, надвигов и скучиванием континентальной коры. Полученные результаты подобны особенностям строения и формирования современных коллизионных орогенов (например, при коллизии Индостана и Евразии). Повышение температура подлитосферной мантии приводит к тому, что орогены, которые формируются над горячей мантией, остается горячим, и поэтому реологически значительно ослабленными в течение длительных периодов деформации. В отличие от холодной и жесткой фанерозойской литосферы, ослабленная механически докембрийская литосфера зон коллизии характеризуется распределенными деформациями и низкой степенью эксгумации. В моделях с параметрами, отвечающими докембрийским условиям впервые выявлены особенности конвергенции в зависимость от мощности континентальной литосферы (100 – 200 км). Процесс субдукции заканчивается отрывом слеба. В этом случае, как правило, между континентами образуется не ороген, а крупная магматическая провинция (океаническое плато). При этом не происходит погружения континентальной коры и метаморфических комплексов сверхвысоких давлений (UHPM) не образуются. Для изучения влияния температуры подошвы коры в моделях используется кусочно-непрерывная континентальная геотерма. Температура подошвы коры варьировалась в моделях в диапазоне 500–700оС. При этом впервые выявлено, что повышение этой температуры приводит к понижению прочности нижней коры, что ряде моделей приводит не к отрыву океанического слеба, а к отслоению подкоровой литосферы от коры, с последующим откатом и погружением подкоровой литосферы в мантию. В этом случае расплавленная зона мантии может располагаться под корой, образующийся ороген – широкий и характеризуется низким поверхностным рельефом. Установлено, что изменение стиля коллизии происходит, когда температура в верхней мантии более чем на 100°С, а радиогенная теплогенерация коры более чем в 1.3 раза выше современных значений. Такие значения, согласно современным моделям эволюции Земли, соответствуют условиям раннего докембрия. Было проведено моделирование континентальной коллизии в условиях принудительной конвергенции (т.е. с продолжающей действовать силой заталкивания после полной субдукции океанской литосферы). Результаты моделирования в значительной мере отличаются от описанных выше результатов для самопроизвольной коллизии и являются новыми. В модели с литосферой 160 км и температурой подошвы коры 700оС часть континентальной коры может погружаться и затем быстро всплывать с эксгумацией метаморфических комплексов сверхвысоких давлений (UHPM) на поверхность. При этом может происходить скучивание континентальной коры, в т.ч. поднятие пород не только верхней, но и нижней коры на поверхность. Подобный результат получен впервые. В этой модели воспроизводятся P-T-t тренды, весьма схожие с трендами, полученными по породам палеопротерозойского Гридинского комплекса Беломорского подвижного пояса (Perchuk, Morgunova, 2014). Этот результат является новым и открывает возможные пути для выявления возможных условий формирования метаморфических комплексов высоких и сверхвысоких давлений (HP-UHPM) в разных геодинамических условиях, в том числе соответствующих ранним этапам развития Земли, которые обнаружены в настоящее время На основании петромагнитных исследований выделено два этапа палеопротерозойского перемагничивания эклогитовых комплексов Гридинского дайкового поля Беломорского подвижного пояса. Возможные условия прогрева континентальной коры до высоких температур, достаточных для перемагничивания палеопротерозойских эклогитовых комплексов, выявлены на основании суперкомпьютерного моделирования. Результаты моделирования показывают, что в процессе субдукции, которая предшествует континентальной коллизии, происходит быстрый (~100 тыс. лет) прогрев коры в зоне перехода океан–континент до температуры 500°С на глубине 5–10 км от поверхности. Возможен также повторный разогрев коры зоны в пределах одной фазы коллизионного взаимодействия, без привлечения дополнительных внешних источников подобного прогрева. Таким образом, основным отличием «холодной» фанерозойской и «горячей» докембрийской континентальной коллизии является то, что для последнего типа коллизии (в случае самопроизвольного ее развития) характерно образованием между континентами не орогена, а крупной магматической провинции (океаническое плато). Основным параметром, контролирующим эти различия, является температура подлитосферной мантии. Важными параметрами являются также температура подошвы континентальной коры и радиогенная теплогенерация, повышение которых снижают прочность литосферы и способствуют образованию магматической провинции. В то же время важно, что для принудительной коллизии возможно образование коллизионных орогенов в раннедокембрийских «горячих» условиях, которые в значительной мере схожи с фанерозойскими орогенами, и для которых возможно образование метаморфических комплексов сверхвысоких давлений.