ГОРДІЄНКО В.В. Розподіл питомої пружної енергоємності та в’язкості в тектоносфері України

https://doi.org/10.15407/gpimo2025.02.023

В.В. Гордієнко, докт. геол.-мін. наук, проф., гол. наук. співроб.
e-mail: gordienkovadim39@gmail.com
Scopus author Id = 7102473958
ORCID 0000-0001-9430-7801

Інститут геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України
просп. Палладіна, 32, Київ, 03680, Україна

РОЗПОДІЛ ПИТОМОЇ ПРУЖНОЇ ЕНЕРГОЄМНОСТІ ТА В’ЯЗКОСТІ В ТЕКТОНОСФЕРІ УКРАЇНИ

Наведено виклад процесу побудови та опис результатів розподілу у тектоносфері України питомої потенційної пружної енергії (W) та динамічної в’язкості (h). Ці характеристики дають інформацію про накопичення напруги при зсувних деформаціях та реакції на прикладені напруги різної природи. Відповідні розрахунки стали можливими після створення за участю автора тривимірних моделей температури, швидкості поздовжніх сейсмічних хвиль та густини у корі та верхній мантії України на глибинах 25 км — 400 км. Така задача була розв’язана вперше. Методичною основою визначення всіх перелічених параметрів є схема глибинних процесів у тектоносфері, що враховує, перш за все, результати тепломасоперенесення при сучасній активізації. Вони накладаються на моделі платформи (крім території Східно-Європейської платформи до неї зараховано і Донбас), альпійської геосинкліналі Карпат та герцинсько-кимерійської геосинкліналі Скіфської плити.

Вихідні дані були доповнені для розрахунку W інформацією про міцність речовини тектоносфери в залежності від температури. Було розглянуто умови утворення розривів та виникнення землетрусів. Достатній вплив чинить підняття блоків кори та підкорової мантії за рахунок перегріву. На межах блоків з різними швидкостями підйому та сповзання мас порід під нахилом виникають сейсмогенні переміщення. Це помітно і на платформних територіях із сучасною активізацією, наприклад, у Дніпровсько-Донецькій западині. Для визначення h використано експериментальні та розрахункові результати, що дали змогу врахувати склад порід, розмір кристалів, температуру, загальний тиск, розплав та флюїди, швидкості деформацій, вібрації тощо. Це дозволило сформувати фоновий розподіл в’язкості у тектоносфері неактивізованої платформи. Враховуючи аномальні температури вдалося визначити відхилення від фону на різних глибинах під активними регіонами. Досить складною виявилася побудова розподілу параметра за допомогою ізоліній. Загалом, слід визнати, що отримана картина відображає, перш за все, реальний стан справ у вивченні в’язкості порід тектоносфери. Вона цілком може помітно змінитися у майбутньому.

Ключові слова: питома потенційна пружна енергія, сучасна активізація, сейсмічність, динамічна в’язкість порід.

1. Аренс Т. Состояние минералов мантии. Верхняя мантия. Москва: Мир, 1975. c. 81—103.

2. Вербицкий С.Т. Пронишин. Р.С., Пронишин В.И. и др. Сейсмичность Карпат в 2019 году. Ученые записки КФУ им. В.И. Вернадского. 2020. 4. С. 86—143.

3. Верховцев В. Новітні вертикальні рухи земної кори території України, їх взаємовідношення з лінійними та кільцевими структурами. Енергетика Землі, її геолого- екологічні прояви, науково-практичне використання. Київ: КДУ, 2006. C. 129—137.

4. Гзовский М.В. Основы тектонофизики. Москва: Наука, 1975. C. 536 с.

5. Глушко В.В. Западные и Восточные Карпаты. Литосфера Центральной и Восточной Европы. Молодые платформы и альпийские складчатые пояса. Киев: Наук. думка, 1994. C. 24—94.

6. Гордиенко В.В. Тепловые аномалии геосинклиналей. Киев: Наук. думка, 1975. 142 с.

7. Гордиенко В.В. Глубинные процессы в тектоносфере Земли. Киев: ИГФ НАНУ, 1998. 85 с.

8. Гордиенко В.В. Процессы в тектоносфере Земли. (Адвекционно-полиморфная гипотеза). Saarbrhcken: LAP, 2012. 256 c.

9. Гордиенко В.В., Гордиенко И.В., Завгородняя О.В. и др. Украинский щит (геофизика, глубинные процессы). Киев: Корвін пресс, 2005. 210 с.

10. Гордиенко В.В., Усенко О.В. О геолого-геофизических критериях глубин магматических очагов в верхней мантии. Геофиз. журнал. 2007. 4. С. 31—38.

11. Гордиенко В.В., Гордиенко И.В., Завгородняя О.В. и др. Днепровско-Донецкая впадина (геофизика, глубинные процессы). Киев: Корвін пресс, 2006. 142 с.

12. Гутерман В.Г. Механизмы тектоногенеза. Киев: Наук. думка, 1987. 172 с.

13. Дослідження сучасної геодинаміки Українських Карпат. Ред. В.І. Старостенко. Київ: Наук. думка, 2005. 256 с.

14. Коваленко В.И., Наумов В.Б., Гирнис А.В. и др. Оценка средних содержаний H2O, Cl, F, S в деплетированной мантии на основе составов расплавленных включений и закалочных стекол срединно-океанических хребтов. Геохимия. 2006. 3. С. 243—266.

15. Крылов С.В., Дучков А.Д. Глубинное деформационно-прочностное районирование земной коры. Геология и геофизика. 1996. 9. С. 56—65.

16. Надежка Л.И., Геншафт Ю.С., Салтыковский А.Я. и др. Некоторые глубинные неоднородности литосферы и современная сейсмичность Воронежского кристаллического массива. Мат. XIV конф. «Связь поверхностных структур коры с глубинными». Апатиты: КФ РАН, 2008. С. 70—73.

17. Назаревич Л.С. Характеристики сейсмічності і сейсмотектонічного процесу в зонах Карпатського регіону. Дис. …канд. геол. наук. Київ: ІГФ. 2006. 220 с.

18. Обуэн Ж. Геосинклинали. Москва: Мир, 1967. 304 с.

19. Павленкова Н.И. Особенности различных подходов к интерпретации данных непрерывного профилирования. Сейсмические модели литосферы основных геоструктур на территории СССР, Москва: Наука, 1980. С. 29—40.

20. Павленкова Н.И., Баранова Е.П. Днепровско-Донецкая впадина. Сейсмические модели литосферы основных геоструктур на территории СССР. Москва: Наука, 1980. С. 82—86.

21. Персиков Э.С. Вязкость магматических расплавов. Москва: Наука, 1984. 160 с.

22. Перчук Л.Л. Геотермобарометрия и перемещение кристаллических пород в коре и верхней мантии Земли. Соросовский образовательный журнал. 1997. 7. С. 64—72.

23. Петрофизика. Ред. Н.Б. Дортман. Москва: Недра, 1992. 391 с.

24. Полухин П.И. Физические основы пластической деформации. М.: Наука, 1982. 584 с.

25. Савко А.Д., Надёжка Л.И., Шевырёв Л.Т. Новые данные о флюидной и сейсмической активности Воронежской антеклизы. Дегазация Земли: геодинамика, геофлюиды, нефть, газ и их парагенезы. Москва: ГЕОС, 2008. С. 439—441.

26. Сафронов О.Н. Сейсмические условия и сейсмическая опасность платформенной части Украины. Дис. …канд. геол. наук. Симферополь. 135 с.

27. Справочник физических констант горных пород. Ред. С. Кларк. Москва: Мир, 1969. 478 с.

28. Теркот Д., Шуберт Дж. Геодинамика. Геологические приложения физики сплошных сред. Т. 2. Москва: Мир, 1985. 730 с.

29. Физические свойства минералов и горных пород при высоких термодинамических параметрах. Ред. М. П. Воларович. Москва: Недра, 1988. 255 с.

30. Юханян A.K., Геншафт Ю.С. Экспериментальное изучение плавления ксенолитов из лав Гегамского нагорья в условиях базальтового слоя земной коры. Изв. АН АрмССР. 1985. № 1. С. 39—44.

31. Яновская Т.Б. Основы сейсмологии. СПб.: ВВМ, 2006. 288 с.

32. Ashby, M., Verall, R. Micromechanisms of flow and fracture and their relevance to the rheology of the upper mantle Phil. Trans. R. Soc. Lond. 1977. Vol. 288A. P. 59—95.

33. Barnhoorn, A., van der Wal, W., Drurya, M. Upper mantle viscosity and lithospheric thickness under Iceland Journal of Geodynamics. 2011. Vol. 52 (3—4). P. 260—270. https://doi.org/10.1016/j.jog.2011.01.002

34. Bhrgmann, R., Dresen, G. Rheology of the Lower Crust and Upper Mantle: Evidence from Rock Mechanics, Geodesy and Field Observations. Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 2008. Vol. 36. P. 531—567. https://doi.org/10.1146/annurev.earth.36.031207.124326

35. Chen, S, Hiraga, K, Kohlstedt, D. Water weakening of clinopyroxene in the dislocation creep regime. J. Geophys. Res. 2006. Vol. 111: B08203. http://dx.doi.org/10.1029/2005JB003885

36. Chen, X., Lin, C., Shi, L. Rheology of the lower crust beneath the northern part of North China: Inferences from lower crustal xenoliths from Hannuoba basalts, Hebei Province, China. Science in China Series D: Earth Sciences. 2007. Vol. 50 (8). P. 1128—1141.

37. Dimanov, A, Dresen, G. Rheology of synthetic anorthite-diopside aggregates: implications for ductile shear zones. J. Geophys. Res. 2005. Vol. 110: B07203. https://doi.org/10.1029/2004JB003431

38. Dimanov, A, Wirth, R, Dresen, G. The effect of melt distribution on the rheology of plagioclase rocks. Tectonophysics. 2000. Vol. 328. P. 307—327.

39. Encyclopedia of Geology. Ed.: Selley, R., Cocks, L., Plimer, I. Elsevier Academic Press., 2005 Vol. I—V.

40. Freed, A., Birgmann, R., Calais, E., et al. Implications of deformation following the 2002 Denali, Alaska, earthquake for postseismic relaxation processes and lithospheric rheology. J. Geophys. Res. 2006 111: B08203. http://dx.doi.org/10.1029/2005JB003894

41. Gerya, T.V., Yuen, D.A. Robust Characteristics Method for Modeling Multiphase Visco-ElastoPlastic Thermo-Mechanical Problems. Physics of the Earth and Planetary Interiors. 2007. Vol. 163. P. 83—105.

42. Gordienko, V. About geological theory. Geofizicheskiy Zhurnal. 2022. № 2. P. 68—92. https://doi.org/10.24028/gj.v44i2.256266

43. Gordienko, V.V., Gordienko, I.V. Temperature distribution in the crust and upper mantle of Ukraine. Geodynamics. 2023. № 1. P. 47—56. https://doi.org/10.23939/jgd2023.01.047

44. Gordienko, V.V., Gordienko, L.Ya. The P-velocity models of continental tectonosphere (territory of Ukraine). NCGT Journal. 2024. № 2. P. 172—187.

45. Hack, A., Thompson, A. Density and Viscosity of Hydrous Magmas and Related Fluids and their Role in Subduction Zone Processes. Journal of Pttrology. 2011. Vol. 52, Iss. 7—8. P. 1333—1362. https://doi.org/10.1093/petrology/egq048

46. Heidbach, O., Ledermann, P., Kurfe, D. et al. Attached or not attached: slab dynamics beneath Vrancea, Romania. Papers International Symposium on Strong Vrancea Earthquakes and Risk Mitigation. Bucharest. 2007. P. 3—20.

47. Hirth, G, Kohlstedt, D. Rheology of the upper mantle and the mantle wedge: A view from the experimentalists. Inside the Subduction Factory. Am. Geophys. Soc, Washington, DC. 2003. Vol. 138. P. 83—105. https://doi.org/10.1029/138GM06

48. Husson, D., Edwards, P., Johnson, S. et all. Crustal structure of the Peru-Chili trench: 80—120S Latitude. The geophysics of Pacific Ocean basin and its margin. 1976. Vol. 19. P. 71—85. https://doi.org/10.1029/GM019p0071

49. Irifune, T. An experimental investigation of the pyroxene-garnet transformation in a pyrolite composition and its bearing on the construction of the mantle. Phys. Earth and Pl. Inter. 1987. Vol. 45, P. 324—336. https://doi.org/10.1016/0031-9201(87)90040-9

50. Kenner, S., Segall, P. Lower crustal structure in northern California: implications from strain-rate variations following the 1906 San Francisco earthquake. J. Geophys. Res. 2003. Vol. 108. P. 2011—2023. https://doi.org/10.1029/2001JB000189

51. Levin, V., Kim, W., Menke, W. Seismic velositiesin shallow crust of western New England and northern New York. Вull. Seis. Soc. Of Am. 1996. Vol. 85, № 1. P. 207—219.

52. Peltonen, P., Kinnunen, K., Huhma, H. Petrology of two diamondiferous eclogite xenoliths from the Laqhtojoki kimberlite pipe, eastern Finland. Lithos. 2002. Vol. 63, iss. 3—4. P. 151—164. https://doi.org/10.1016/S0024-4937(02)00119-6

53. Sacek, V., Ussami, N. Upper mantle viscosity and dynamic subsidence of curved continental margins. Nature Communications 4. 2013. Article number: 2036. https://doi.org/10.1038/ncomms3036

54. Schmeling, H. Partial melting and melt segregation in a convecting mantle. Physics and Chemistry of Partially Molten Rocks. Dordrecht: Kluwer Academic Publisher, 2000. P. 1—25. https://doi.org/10.1007/978-94-011-4016-4-5

55. Scoppola, B., Boccaletti, D. Bevis M. et al. The Westward Drift of the Lithosphere: A rotational drag? Geological Society of America Bulletin. 2006, January/February. P. 199—209.

56. Sobolev, S., Zeyen, H., Stoll, G. et al. Upper mantle temperatures from teleseismic tomography of French Massif Central. Earth Planet. Sci. Lett., 1996. Vol. 139 Iss. 1—2. P. 147—163. https://doi.org/10.1016/0012-821x(95)00238-8

57. Syono, Y., Manghnani, M. Rheological Structure of a Subduction Zone: Application of High P-T Viscous and Anelastic Properties of Mantle Rocks. Tokyo: TERRAPUB, 1992. https://doi.org/10.1029/GM067p0263

58. Tackley, P., Ammann, M., Brodholt, J. et al. Mantle Dynamics in Super-Earths: Post-Perovskite Rheology and Self-Regulation of Viscosity. Icarus. 2013. V. 225, Iss. 1. Р. 50—61. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2013.03.013

59. Twiss R. Theory and applicability, of a recrystallized grain size paleopiezometer. Pure Appl. Geophys. 1977. Vol. 115. P. 227—244. https://doi.org/10.1007/BF01637105

60. Van der Wal, D., Chopra, P., Drury, M. et al. Relationships between dynamically recrystallized grain size and deformation conditions in experimentally deformed olivine rocks. Geophys. Res. Lett. 1993. Vol. 20. P. 1479—1482.

61. Wang, K. Elastic and viscoelastic models of crustal deformation in subduction earthquake cycles. The Seismogenic Zone of Subduction Thrust Faults, New York: Columbia Univ. Press, 2007. P. 540—575. https://doi.org/10.7312/dixo13866-017

62. Watson, S., McKenze, D. Melt Generation by Plumes: A Study of Havaiian Volcanism. Journal of Pettrology. 1990. Vol. 32, iss. 3. P. 501—537. https://doi.org/10.1093/petrology/32.3.501

63. Wilks, K.R., Carter, N.L. Rheology of some continental lower crustal rocks. Tectonophysics. 1990. 182. P. 57—77.