МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОГЕНЕРАЦИИ ПРИ ТРЕНИИ И ВЯЗКОПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА ПРИМЕРЕ ПРИЕНИСЕЙСКОЙ СДВИГОВОЙ ЗОНЫ (ВОСТОЧНАЯ СИБИРЬ)

В зонах дислокационного неопротерозойского метаморфизма Приенисейской региональной сдвиговой зоны (ПРСЗ) (Восточная Сибирь) геотермобарометрическими методами зафиксированы отклонения РТ-параметров от фоновых значений, соответствующих литостатическому давлению и стандартной палеогеотерме, характерной для соседних блоков коры Енисейского кряжа. Для объяснения причин значительных отклонений условий метаморфизма при сдвиге и коллизии нами разработаны 3D и 2D термомеханические численные модели. В работе представлены результаты двух- и трехмерного моделирования диссипативного нагрева при трении и вязкопластических деформациях. Результаты моделирования сравниваются с геологическими данными о степени метаморфизма и масштабе деформаций ПРСЗ. Детально рассматривается вопрос о соотношении величины тепловыделения при трении на контакте блоков сдвиговых разломов либо при вязких деформациях в реологически расслоенной зоне тектонического течения и бластомилонитизации. Получены оценки величины диссипативного нагрева при типичных параметрах сдвиговых зон, а также с учетом наличия расплава. Модель вязкого деформирования сдвиговой зоны конечной ширины в неоднородной по реологии и составу коре предсказывает диссипативный нагрев на 200–310 °С при скорости деформации 2–4 см/год. Модель обдукции тектонической пластины со скоростью надвигания 5 см/год дает оценки нагрева пород при трении на контакте блоков не более 130–190 °С. Характерное время установления стационарного режима диссипативного нагрева в режиме сдвига составляет 6–8 млн лет. Для метаморфических комплексов ПРСЗ диссипативный нагрев мог являться тепловым источником метаморфизма и мигматизации, однако условия формирования крупных гранитных интрузий не достигались.

1. ANSYS Fluent Theory Guide, 2013. Release 15.0. ANSYS Inc., USA, 779 p.

2. Aydin O., 2005. Effects of Viscous Dissipation on the Heat Transfer in Forced Pipe Flow. Part 1: Both Hydrodynamically and Thermally Fully Developed Flow. Energy Conversion and Management 46 (5), 757–769. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2004.05.004.

3. Barr T.D., Dahlen F.A., 1989. Brittle Frictional Mountain Building: 2. Thermal Structure and Heat Budget. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 94 (В4), 3923–3947. https://doi.org/10.1029/JB094iB04p03923.

4. Bea F., 2012. The Sources of Energy for Crustal Melting and the Geochemistry of Heat-Producing Elements. Lithos 153, 278–291. https://doi.org/10.1016/j.lithos.2012.01.017.

5. Bird P., Kong X., 1994. Computer Simulations of California Tectonics Confirm Very Low Strength of Major Faults. Geological Society of America Bulletin 106 (2), 159–174. https://doi.org/10.1130/0016-7606(1994)106<0159:CSOCTC>2.3.CO;2.

6. Burg J.-P., Gerya T.V., 2005. The Role of Viscous Heating in Barrovian Metamorphism: Thermomechanical Models and Application to the Lepontine Dome in the Central Alps. Journal Metamorphic Geology 23 (2), 75–95. https://doi.org/10.1111/j.1525-1314.2005.00563.x.

7. Burov E.B., 2011. Rheology and Strength of the Lithosphere. Marine and Petroleum Geology 28 (8), 1402–1443. https://doi.org/10.1016/j.marpetgeo.2011.05.008.

8. Byerlee J., 1978. Friction of Rocks. Pure and Applied Geophysics Volume 116, 615–626. https://doi.org/10.1007/BF00876528.

9. Чиков Б.М., Зиновьев С.В., Подцибастенкова Е.А. Морфологические типы структур течения в бластомилонитах Иртышской зоны смятия // Геология и геофизика. 1988. Т. 8. С. 11–14.

10. Cordonnier B., Schmalholz S.M., Hess K.-U., Dingwell D.B., 2012. Viscous Heating in Silicate Melts: An Experimental and Numerical Comparison. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 117 (B2). https://doi.org/10.1029/2010JB007982.

11. Hansen F.D., Carter N.L., 1982. Creep of Selected Crustal Rocks at 1000 MPa. American Geophysical Union 63, p. 437.

12. Hе J., Lu Sh., Wang X., 2009. Mechanical Relation between Crustal Rheology, Effective Fault Friction, and Strike-Slip Partitioning among the Xiaojiang Fault System, Southeastern Tibet. Journal of Asian Earth Sciences 34 (3), 363–375. https://doi.org/10.1016/j.jseaes.2008.06.003.

13. Hobbs B.E., Ord A., Regenauer-Lieb K., 2011. The Thermodynamics of Deformed Metamorphic Rocks: A Review. Journal of Structural Geology 33 (5), 758–818. https://doi.org/10.1016/j.jsg.2011.01.013.

14. Hughes A., Kendrick J.E., Lamur A., Wadsworth F.B., Wallace P.A., Di Toro G., Lavallée Y., 2020. Frictional Behaviour, Wear and Comminution of Synthetic Porous Geomaterials. Frontiers in Earth Science 8, 562548. https://doi.org/10.3389/feart.2020.562548.

15. Izokh A.E., Tran T.H., Polyakov G.V., Ngo T.P., Tran Tuan Anh, Travin A.V., 2004. Syn-Kinematic Ultramafic-Mafic Magmatism in the Red River Shear Zone. Journal of Geology. Series B (23), 26–41.

16. Kelsey D.E., Hand M., 2015. On Ultrahigh Temperature Crustal Metamorphism: Phase Equilibria, Trace Element Thermometry, Bulk Composition, Heat Sources, Timescales and Tectonic Settings. Geoscience Frontiers 6 (3), 311–356. https://doi.org/10.1016/j.gsf.2014.09.006.

17. Коробейников С.Н. Нелинейное деформирование твердых тел. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2000. 262 с.

18. Korobeynikov S.N., Reverdatto V.V., Polyanskii O.P., Sverdlova V.G., Babichev A.V., 2009. Computer Simulation of Underthrusting and Subduction due to Collision of Slabs. Numerical Analysis and Applications 2, 58–73. https://doi.org/10.1134/S1995423909010066.

19. Korobeynikov S.N., Reverdatto V.V., Polyanskii O.P., Sverdlova V.G., Babichev A.V., 2011. Influence of the Choice of a Rheological Law on Computer Simulation Results of Slab Subduction. Numerical Analysis and Applications 4, 56–70. https://doi.org/10.1134/S199542391101006X.

20. Kozlov P.S., Filippov Y.F., Likhanov I.I., Nozhkin A.D., 2020. Geodynamic Model of the Neoproterozoic Evolution of the Yenisei Paleosubduction Zone (Western Margin of the Siberian Craton), Russia. Geotectonics 54 (1), 54–67. https://doi.org/10.1134/S0016852120010069.

21. Kozlov P.S., Likhanov I.I., Reverdatto V.V., Zinoviev S.V., 2012. Tectonometamorphic Evolution of the Garevka Polymetamorphic Complex (Yenisei Ridge). Russian Geology and Geophysics 53 (11), 1133–1149. https://doi.org/10.1016/j.rgg.2012.09.002.

22. Leloup P., Ricard Y., Battaglia J., Lacassin R., 1999. Shear Heating in Continental Strike-Slip Shear Zones: Model and Field Examples. Geophysical Journal International 136 (1), 19–40. https://doi.org/10.1046/j.1365-246X.1999.00683.x.

23. Likhanov I.I., Nozhkin A.D., Savko K.A., 2018. Accretionary Tectonics of Rock Complexes in the Western Margin of the Siberian Craton. Geotectonics 52, 22–44. https://doi.org/10.1134/S0016852118010107.

24. Likhanov I.I., Santosh M., 2019. A-Type Granites in the Western Margin of the Siberian Craton: Implications for Breakup of the Precambrian Supercontinents Columbia/Nuna and Rodinia. Precambrian Research 328, 128–145. https://doi.org/10.1016/j.precamres.2019.04.018.

25. Likhanov I.I., Savko K.A., 2019. First Data on the Nature and Age of the Protolith of High-Pressure Tectonites of Yenisei Ridge: A Link to the Early Stage of Formation of the Paleoasian Ocean. Doklady Earth Sciences 484 (6), 739–744. https://doi.org/10.31857/S0869-56524846739-744.

26. Likhanov I.I., Zinoviev S.V., Kozlov P.S., 2021. Blastomylonite Complexes of the Western Yenisei Ridge (Eastern Siberia, Russia): Geological Position, Metamorphic Evolution and Geodynamic Models. Geotectonics 55, 36–57. https://doi.org/10.1134/S0016852121010076.

27. Lockner D.A., Okubo P.G., 1983. Measurements of Frictional Heating in Granite. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 88, 4313–4320. https://doi.org/10.1029/JB088iB05p04313.

28. Mako C.A., Caddick M.J., 2018. Quantifying Magnitudes of Shear Heating in Metamorphic Systems. Tectonophysics 744, 499–517. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2018.07.003.

29. Mori H., Wallis S., Fujimoto K., Shigematsu N., 2015. Recognition of Shear Heating on a Long-Lived Major Fault Using Raman Carbonaceous Material Thermometry: Implications for Strength and Displacement History of the MTL, SW Japan. Island Arc 24 (4), 425–446. https://doi.org/10.1111/iar.12129.

30. Nabelek P.I., Whittington A.G., Hofmeister A.M., 2010. Strain Heating as a Mechanism for Partial Melting and Ultrahigh Temperature Metamorphism in Convergent Orogens: Implications of Temperature‐Dependent Thermal Diffusivity and Rheology. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 115 (B12). https://doi.org/10.1029/2010JB007727.

31. Polyansky O.P., Kargopolov S.A., Babichev A.V., Reverdatto V.V., 2019a. High-Grade Metamorphism and Anatexis in the Teletskoe–Chulyshman Belt (Gorny Altai): U–Pb Geochronology, P–T Estimates, and Thermal Tectonic Model. Russian Geology and Geophysics 60 (12), 1425–1443. https://doi.org/10.15372/RGG2019108.

32. Полянский О.П., Каргополов С.А., Изох А.Е., Семенов А.Н., Бабичев А.В., Василевский А.Н. Роль магматических источников тепла при формировании регионального и контактовых метаморфических ареалов Западного Сангилена (Тува) // Геодинамика и тектонофизика. 2019. Т. 10. № 2. С. 309–323. https://doi.org/10.5800/GT-2019-10-2-0416.

33. Polyansky O.P., Korobeinikov S.N., Babichev A.V., Reverdatto V.V., Sverdlova V.G., 2014. Numerical Modeling of Mantle Diapirism as a Cause of Intracontinental Rifting. Izvestiya. Physics of the Solid Earth 50, 839–852. https://doi.org/10.1134/S1069351314060056.

34. Постельников Е.С. Геосинклинальное развитие Енисейского кряжа в позднем докембрии // Труды ГИН АН СССР. М.: Наука, 1980. Вып. 341. 70 с.

35. Raleigh C.B., Kirby S.H., Carter N.L., Avé Lallemant H.G., 1971. Slip and the Clinoenstatite Transformation as Competing Rate Processes in Enstatite. Journal of Geophysical Research 76 (17), 4011–4022. https://doi.org/10.1029/JB076i017p04011.

36. Rosen O.M., Condie K.C., Natapov L.M., Nozhkin A.D., 1994. Archean and Early Protezoic Evolution of the Siberian Craton: A Preliminary Assessment. Archean Crustal Evolution. Developments in Precambrian Geology 11, 411–459. https://doi.org/10.1016/S0166-2635(08)70228-7.

37. Сальников А.С. Сейсмологическое строение земной коры платформенных и складчатых областей Сибири по данным региональных сейсмических исследований преломленными волнами. Новосибирск: Изд-во СНИИГГиМС, 2009. 131 с.

38. Schmeling H., Marquart G., Weinberg R., Wallner H., 2019. Modelling Melting and Melt Segregation by Two-Phase Flow: New Insights into the Dynamics of Magmatic Systems in the Continental Crust. Geophysical Journal International 217 (1), 422–450. https://doi.org/10.1093/gji/ggz029.

39. Semenov A.N., Polyansky O.P., 2017. Numerical Modeling of the Mechanisms of Magma Mingling and Mixing: A Case Study of the Formation of Complex Intrusions. Russian Geology and Geophysics 58 (11), 1317–1332. https://doi.org/10.1016/j.rgg.2017.11.001.

40. Sibson R.H., 1977. Fault Rocks and Fault Mechanism. Journal of the Geological Society 133, 191–213. https://doi.org/10.1144/gsjgs.133.3.0191.

41. Метаморфизм и тектоника: Учебное пособие / Ред. Е.В. Скляров. М.: Интермет Инжиниринг, 2001. 216 с.

42. Strehlau J., Meissner R., 1982. Limits of Stresses in Continental Crusts and Their Relation to the Depth-Frequency Distribution of Shallow Earthquakes. Tectonics 1 (1), 73–89. https://doi.org/10.1029/TC001i001p00073.

43. Strong D.F., Hanmer S.K., 1981. The Leucogranites of Southern Brittany: Origin by Faulting, Frictional Heating, Fluid Flux and Fractional Melting. The Canadian Mineralogist 19 (1), 163–176.

44. Сурков В.С., Коробейников В.П., Крылов С.В., Гришин М.П., Краевский Б.Г., Ларичев А.И. Геодинамические и седиментационные условия формирования рифейских нефтегазоносных комплексов на западной окраине Сибирского палеоконтинента // Геология и геофизика. 1996. Т. 37. № 8. С. 154‒165.

45. Thompson A.B., 1982. Dehydration Melting of Pelitic Rocks and the Generation of H2O-Undersaturated Granitic Liquids. American Journal of Science 282, 1567–1595. https://doi.org/10.2475/ajs.282.10.1567.

46. Vernikovskaya A.E., Vernikovsky V.A., Matushkin N.Yu., Polyansky O.P., Travin A.V., 2009. Thermochronological Models for the Evolution of A-Type Leucogranites in the Neoproterozoic Collisional Orogen of the Yenisei Ridge. Russian Geology and Geophysics 50 (5), 438–452. https://doi.org/10.1016/j.rgg.2009.04.002.

47. Vernikovsky V.A., Vernikovskaya A.E., Kotov A.B., Sal’nikova E.B., Kovach V.P., 2003. Neoproterozoic Accretionary and Collisional Events on the Western Margin of the Siberian Craton: New Geological and Geochronological Evidence from the Yenisey Ridge. Tectonophysics 375 (1–4), 147–168. https://doi.org/10.1016/S0040-1951(03)00337-8.

48. Vernikovsky V.A., Vernikovskaya A.E., Matushkin N.Y., Polyansky O.P., Laevsky Y.M., Voronin K.V., 2011. A Tectonothermal Model for the Formation of an Orogen at the Postcollisional Stage (by the Example of the Yenisei Ridge, Eastern Siberia). Russian Geology and Geophysics 52 (1), 24–39. https://doi.org/10.1016/j.rgg.2010.12.003.