ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2007, том 413, № 3, с. 372-374
=ГЕОЛОГИЯ
УДК 550.34 + 550.24
ЭНЕРГИЯ ТЕКТОНИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ВИХРЕВЫЕ ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ
© 2007 г. А. В. Викулин, Т. Ю. Тверитинова
Представлено академиком Е.Е. Милановским 26.04.2006 г. Поступило 27.04.2006 г.
В настоящее время не вызывает сомнений как существование эффектов пульсаций [1] и тектонических перестроек [2] планеты, "генерирующих" зоны сжатия, растяжения и сдвига, так и их взаимосвязь с вращением Земли [3]. Для количественного описания такого рода тектонических эффектов в рамках волновых концепций необходимо разработать соответствующую ротацион-но-упругую модель геофизической среды.
Представления о геофизической среде как "неклассической нелинейной" блоковой среде [4-6] в последнее время стали общепринятыми [7]. Имеющиеся данные прямо указывают на вращательный, крутильный и вихревой характер движения блоков, плит и других геологических структур планеты [8]. Важно, что многие геологи и геофизики как непосредственно работающие с материалом исследователи отмечают "самостоятельный", "собственный", "с ненулевыми дивергенциями и вихрями" и упругий характер таких движений, которые прямо связаны с вращением планеты [9]. Для геофизических вращающихся сред установлено существование нового типа упругих ротационных волн с характерной скоростью 1 см/с и показано, что такими волнами по сути являются тектонические волны [10, 11].
Рассмотрение строения границ литосферных плит как зон сдвиговых деформаций в свете волновой тектонической концепции привело к формулировке гипотезы о правозакрученном планетарном вихре. В рамках гипотезы именно такой полярный вихрь планетарного масштаба и должен вызывать наблюдаемое левостороннее кручение ансамбля всех литосферных плит [8, 9].
Оценим энергию тектонического процесса в рамках концепции геофизической среды.
Институт вулканологии и сейсмологии Дальневосточного отделения Российской Академии наук, Петропавловск-Камчатский Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Энергия тектонического процесса, очевидно, определяется (массами) размерами Ь плит (и блоков) и скоростями V их движения. Из самых общих соображений следует, что существование зависимости Ь(Р) является принципиальным моментом, по сути определяющим физику механизма перемещения тектонических плит вдоль поверхности Земли. Действительно, в случае существования зависимости между такими (вообще говоря, векторными) величинами, однозначно определяющими величины энергий движущихся плит, появляются все основания для предположения о мо-ментной природе тектонического процесса, протекающего на вращающейся планете.
В такой плоскости вопрос об энергии тектонического процесса ранее не ставился. Однако в неявном виде анализ особенностей проявления тектонической энергии проводился. Действительно, во-первых, в настоящий момент вопрос о существовании зависимости Ь(Р) является проблематичным: имеются аргументы как против, так и за [8, 9]. Во-вторых, аргументом в пользу моментной природы тектонического процесса на Земле, на наш взгляд, является установленная корреляция между "средним полярным расстоянием плит" и скоростями субдукции и спрединга [8, 9, 12].
Анализ имеющихся в нашем распоряжении данных о размерах плит и скоростях их движения вдоль границ за последние 150-165 млн. лет позволил получить следующие результаты [8, 9]. Во-первых, по совокупности имеющихся в нашем распоряжении данных (Ы = 61) о протяженностях зон и скоростях (субдукции, рифтинга и спрединга) статистически значимая зависимость Ь(У) не выявляется: поле экспериментальных точек на плоскости с осями Ь-Р в диапазонах размеров плит 650 < Ь [км] < 18000 и скоростей их движения 5 < V [мм/год] < 112 равномерно заполняет площадку примерно круговой формы (рис. 1а). Во-вторых, анализ только данных о скоростях рифтинга и спрединга (РС-данные), представленных на рис. 16, N = 29, позволяет достаточно уверенно
ЭНЕРГИЯ ТЕКТОНИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
373
выявить следующую статистически значимую зависимость:
^ Ь1 [ км ](± 0.33) = = (0.43 ± 0.15)^ У1 [мм/год] + (3.17 ± 0.26). (1)
В-третьих, по достаточно представительным совокупностям РС-данных, представленных данными в пределах меньших по продолжительности интервалов 20 (5-33) млн. лет (которые удалось определить авторам по номерам магнитных аномалий [8, 9], N = 21), определяются близкие друг другу зависимости:
^ Ь2 [ км ](±0.3) = = (0.7 ± 0.3) ^ У2 [мм/год] + (2.9 ± 0.5). (2)
В-четвертых, статистически значимая зависимость ^ Ь (^ У) только для "субдукционных" (С) данных ^ = 32) не выявляется. Определение зависимостей ^ Ь (^ У) проводилось методом наименьших квадратов.
Проведенный анализ данных о протяженно-стях рифтинг-спрединговых зон и скоростях движения границ плит в их пределах указывает на существование двух механизмов с характерными временами около 150 (144-165) млн. лет для (1) и примерно 20 (5-33) млн. лет для (2).
Отметим, что корреляционная зависимость ^ Ь - ^ У, близкая соотношению (2), получена в [12] для процессов как спрединга, так и субдук-ции. Форма (вытянутость) и минимаксные значения субдукционной (рис. 1в) и рифтинг-спредин-говой (рис. 16) областей расположения исходных точек являются близкими. Отличаются эти области разными плотностями точек: РС-данные распределены по всей области достаточно равномерно, в то время как С-данные с большей плотностью сосредоточены в области предельно больших значений протяженностей зон. Представляется, что участки зон субдукции малой (1000-2000 км и менее) протяженности исследованы недостаточно полно, в результате чего для них имеет место искусственный дефицит данных. Другими словами, проведенный в настоящей работе анализ и данные, полученные другими исследователями, на наш взгляд, показывают, что выявленные в работе два механизма являются характерными для тектонического процесса вообще, включая и процесс субдукции.
Для определения тектонической энергии движущейся плиты будем полагать, что ее кинетическая энергия равна Е = тУ2, где т - рЬа - масса
плиты, р - ее объемная (а = 3), площадная (а = 2) или линейная (а = 1) плотность. Тогда, дифференцируя выражение для энергии, заменяя в полученном дифференциальном уравнении dЬ через dУ,
^ L [км]
4.5 г
4.0
3.5
3.0
2.5 4.5
4.0
3.5
3.0
2.5 4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
(а)
(в)
♦ ♦ ♦ ♦
- * V»
0
23 ^ V [мм/год]
Рис. 1. Данные, характеризующие зависимость ^ Ь (^ У) между протяженностями плит Ь и скоростями их движения У по [8]. а - скорости субдукции, рифтинга и спрединга N = 61); б - скорость рифтинга и спрединга N = 29); в - скорости субдукции N = 32).
определяемое из соотношений ^ Ь - в ^ У, и интегрируя полученное соотношение, для величины энергии движущейся со скоростью У плиты протяженностью Ь получим выражение Е/Е0 = (У/У0)2 + аР или
Е - У
2 + ар
(3)
где р - 0.45 ± 0.13 для механизма, описываемого соотношением (1), и Р - 0.7 ± 0.3 для (2); Е0 =
= 2 р Ьа У2, Ь0 и У0 - энергия, протяженность плиты и скорость движения ее границы в момент начала процесса.
Из соотношений (1)-(3) видно, что зависимости для энергий плит от величин их скоростей движения для каждого из механизмов существенно различаются. Действительно, в предельных случаях для механизмов (2), когда Ртах - 1 при атах - 2.5 (2 < а < 3, например, при малых временах имеем
1
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 413 № 3 2007
374
ВИКУЛИН, ТВЕРИТИНОВА
зарождение плиты), и (1), когда - 0.3 при ат1п - 1 (например, при больших временах размер плиты увеличивается практически в одном направлении), соответственно получаем
Е - VI (4)
Е2 - V5. (5)
Видим, что полученные нами "плитовые тектонические" соотношения (1)-(2) и (5)-(4) близки соответствующим волновым солитонным и экситон-ным решениям ротационной сейсмотектонической задачи [10, 11]. Как видим, тектонический процесс в рамках ротационно-упругой модели [8-11] имеет своеобразные корпускулярно-волновые свойства, что позволяет сейсмотектонические блоки и тектонические плиты планеты рассматривать как взаимосвязанные структуры. Результатом их взаимодействия и являются ротационно-упругие сейсмотектонические солитоны и экситоны, которые в совокупности представляют собой самосогласованное тектоническое волновое поле (по [13]: "самоорганизация... с ненулевыми дивергенциями и вихрями"). Новая глобальная тектоника в рамках таких представлений по сути является "корпускулярной" без учета вращения планеты составляющей тектонического процесса.
Примечательно, что в науках о Земле стремительное за последние 10 лет увеличение интереса к проблеме вращательных структур [8, 9, 14] (т.е. переход от "линейки" к "циркулю") происходит на фоне "неуспехов" Новой глобальной тектоники [14, 15]. Как видим, имеет место очевидный процесс поиска новой тектонической парадигмы, в основу которой могут быть положены представления описанной в работе ротационно-упругой тектонической модели [7-10].
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта НШ-5280.2006.5.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Милановский Е.Е. // Геотектоника. 1995. № 5. С. 3-24.
2. Тверитинов Ю.И, Тверитинова Т.Ю. // Вестн. КРАУНЦ. Сер. наук о Земле. 2006. № 1(7). С. 67-94. http://www.kscnet.ru/kraesc/2006/2006_7/2006_7.html
3. Хаин В.Е,Ломизе М.Г. Геодинамика с основами геотектоники. М.: Кн. дом "Университет", 2005. 560 с.
4. Пейве A.B. // Изв. АН СССР. Сер. геол. 1961. № 3. С. 36-54.
5. Садовский М.А. // Българско геофизично списание. 1985. Т. 12. № 2. с. 3-10.
6. Островский Л.А. В сб.: Нелинейные волны, 2004. Нижний Новгород: ИПФ РАН, 2005. С. 109-124.
7. Голъдин С В. В сб.: Проблемы геофизики XXI века. М.: Наука, 2003. Кн. 1. С. 17-36.
8. Вихри в геологических процессах / Под ред. А.В. Ви-кулина. Петропавловск-Камчатский: КГПУ, 2004. 297 с. www.kscnet.ru/ivs/publication/whilwinds/kniga_ 2.htm
9. Тверитинова Т.Ю, Викулин A.B. // Вестн. КРАУНЦ. Сер. наук о Земле. 2005. № 5. С. 59-77. www.kscnet.ru/kraesc/2005/2005_5/2005_5/html
10. Викулин A.B. // ДАН. 1990. Т. 310. № 4. С. 621-824.
11. Викулин A.B. Физика волнового сейсмического процесса. Петропавловск-Камчатский: Камчат. гос. пед. ун-т, 2003. 1
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.