Reologiczny model litosfery w strefie szwu transeuropejskiego (TESZ) wzdłuż profilu sejsmicznego LT–7 (NW Polska - SE Niemcy)

Abstract

Modelowanie reologii litosfery przeprowadzono wzdłuż przekroju sejsmicznego LT–7. Przecina on w poprzek strefę szwu transeuropejskiego (TESZ), cechującą się znaczną oboczną zmiennością struktury skorupy ziemskiej oraz reżimu termicznego. W zależności od warunków fizycznych oraz składu mineralnego deformowanego ośrodka skalnego, przypisywano mu styl deformacji kruchy lub podatny. Przyjęto, że wielkość naprężeń dyferencjalnych w warstwach kruchych ograniczona jest tarciem na powierzchniach uskoków, natomiast w warstwach podatnych oporem pełźnięcia dyslokacyjnego sieci krystalicznej. Jako dane do przeprowadzonych analiz wykorzystano sejsmiczny model prędkościowy wzdłuż refrakcyjnego przekroju LT–7, rozkład gęstości powierzchniowego strumienia cieplnego wzdłuż przekroju, a także, przez analogię do obszarów sąsiednich, miąższość mechanicznej litosfery oraz produkcję ciepła radiogenicznego. Dla pozostałych parametrów modelowania przyjęto wartości standardowe z literatury. Poszczególnym warstwom modelu sejsmicznego przypisano zgeneralizowany skład mineralny oraz stałe materiałowe, charakteryzujące deformacje podatne. W pierwszej kolejności wykonano profile temperaturowe litosfery, które następnie wykorzystano w modelach reologicznych. Jednowymiarowe modelowanie dla każdego profilu przeprowadzono dla wariantów zmiennych parametrów termicznych, zmierzając do uzyskania płynności zmian strumienia cieplnego z płaszcza i miąższości termicznej litosfery między profilami. Wyliczone wartości strumienia cieplnego z płaszcza są zmienne od 20 mW/m2 na kartonie wschodnioeuropejskim, przez 20–35 mW/m2 w strefie TESZ (z maksymalnymi wartościami w jej SW części), do 25–30 mW/m2 na platformie waryscyjskiej w Niemczech. Miąższość termicznej litosfery w poszczególnych, powyżej wymienionych strefach, wyniosła odpowiednio: 170–200 km, 90–160 km oraz 110–140 km. Główną cechą analizowanego profilu reologicznego, jest osłabienie litosfery w jego centralnej części, tj. na skraju platformy paleozoicznej i w sąsiadującej z nią części TESZ. Strefa tego osłabienia pokrywa się z obszarem podwyższonego strumienia cieplnego. W jej obrębie niemal zanika wytrzymałość górnego płaszcza. Wzdłuż całej pozakratonicznej części profilu, w obrębie środkowej i dolnej skorupy wyraźne zaznacza się strefa osłabienia, stanowiąca warstwę o miąższości ok. 20 km. Osłabienie to powoduje mechaniczne rozdzielenie górnej skorupy i górnego płaszcza. Jedynie na kratonie wschodnioeuropejskim poszczególne warstwy litosfery są mechanicznie spojone ze sobą. Obliczona całkowita wytrzymałość litosfery w kontrakcji zmienia się od 30–50 ×1012 N/m na kartonie wschodnioeuropejskim, przez 15–25 ×1012 N/m w strefie TTZ oraz poniżej 5 ×1012 N/m w SW części strefy TESZ, do 5–15 ×1012 N/m w na platformie waryscyjskiej. Analiza wrażliwości modelu wykazała, że zmienność parametrów termicznych w realistycznych granicach ma znaczny wpływ na wytrzymałość litosfery, lecz nie rzutuje na jej generalne rozwarstwienie reologiczne. Dodatkowo stwierdzono, że niezależne określenie miąższości mechanicznej litosfery jest podstawowym warunkiem sporządzenia wiarygodnego modelu reologicznego dla omawianego obszaru. RHEOLOGICAL STRUCTURE OF THE TRANS-EUROPEAN SUTURE ZONE ALONG LT–7 DEEP SEISMIC PROFILE (NW POLAND AND SE GERMANY) Summary The present study concerns rheological structure of the Trans-European Suture Zone (TESZ) and neighbouring tectonic units in Poland and SE Germany, along the LT–7 deep seismic sounding (DSS) profile. The SW–NE trending transect, 560 km in length, crosses the Variscan platform (VP— without its TESZ segment), part of the TESZ composed of external Variscan orogen and its foreland (VSZ — Variscan Suture zone), the Teisseire–Tornquist Zone (TTZ), and terminates on the western slope of the East European Craton (EEC; fig. 1). Both complex crustal structure and significant lateral changes in surface heat flow along the LT–7 profile make it an attractive object for study of the rheological differentiation of lithosphere. 1–D temperature and rheological modelling was performed for 10 sites located along the LT–7 profile. The most important and best-constrained input data are seismic wave velocity structure (fig. 2) and surface heat flow density (fig. 3). A simplified petrological model (fig. 4) based on P–wave velocity differentiation has been founded on a concept of quartz/diorite/diabase/pyroxenite/olivine layering of the lithosphere. Lithosphere temperature profiles for each site were derived by analytical solutions of Fourier’s law, applied to two layer crust model with the mantle being infinite half-space. For analysed sites, for each petrological defined layer constant value of radioactive heat production and thermal conductivity were assumed (fig. 4). For calculations of strength envelopes, Byerlee’s frictional law, for brittle layers and powerlaw creep for ductile layers were used. An assumption of wet rheology was generally applied. In order to narrow the range of possible solutions, the rheological models were to fulfill three principal conditions: (1) Thickness of thermal lithosphere should laterally vary from 70 km to 200 km (constrained by extrapolated seismological data). (2) Mantle heat flow and lithospheric thickness should change smoothly from site to site. (3) Cumulative strength of the lithosphere for the strain rate 10–16 s–1 should always be higher than 2 1012 N/m (neotectonic quiescent of the analysed area indicates that the lithosphere sustains plate boundary forces). In spite of poor control on some input data and no restrictive principal conditions, possible solutions of the model fall into a narrow range of options. Performed modelling allowed to estimate cumulative lithospheric strength along the profile (fig. 5a), which changes of more than an order of magnitude from 30–50 *1012 N/m at the edge of the EEC, through 15–25 1012 N/m in the TTZ and less then 5 1012 N/m in the VSZ, to 5–15 *1012 N/m in the VP. Calculated mantle heat flow (fig. 5b) varies in a range from 20 mW/m2 in the EEC, through 20–35 mW/m2 in the TESZ (with maximum values at its SW boundary), to 25–30 mW/m2 in the VP. For the same segments of the profile thickness of thermal lithosphere estimated on 170–200 km, 90–160 km and 110–140 km (fig. 5c), respectively. Additionally, thermal modelling led also to some constraints on the radioactive heat production in the upper crust. The first-order feature of the obtained rheological section (fig. 5c) is that the transition zone from the VSZ to the VP is extremely weak. As evidenced from coincidence with high surface and mantle heat flow, observed mechanical weakening is thermally controlled. The second significant outcome of the model is the existence of rheological layering of the lithosphere. Apart of the EEC, only two strong layers were recognised, namely uppermost crust and uppermost mantle. These layers are separated by extremely weak lower crust, more than 20 km thick. For the lithosphere of the EEC three or four strong layers were recognised. Some of them might be mechanically welded to each other. Sensitivity of the rheological model to variability of radioactive heat production and surface heat flow has been also examined (fig. 6). Changes of these parameters in realistic range lead to significant differences in the shape of strength envelopes and thickness of thermal lithosphere. This leads to the conclusion, that any independent control on lithospheric thickness would be crucial for improving quality of rheological model.