ГЕОТЕКТОНИКА, 2014, № 1, с. 62-76
УДК 551.2:551.14:536.25
СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА СУБДУЦИРУЮЩУЮ ОКЕАНИЧЕСКУЮ ПЛИТУ
© 2014 г. А. А. Кирдяшкин, А. Г. Кирдяшкин
Институт геологии и минералогии СО РАН, 630090, Новосибирск, просп. Ак. Коптюга, д. 3
Поступила в редакцию 18.03.2013 г.
На основе данных экспериментального и теоретического моделирования представлена схема сво-бодноконвективных течений в астеносфере и слое С в зоне субдукции. Описаны основные силы, действующие на океаническую литосферную плиту в субдукционной зоне. Представлены оценки величины горизонтально направленных сил, возникающих вследствие свободной конвекции в астеносфере и перемещающих океаническую литосферную плиту к зоне субдукции: силы трения и силы гравитационного соскальзывания Гхр. Представлена оценка термогравитационной силы Гтг, создающейся вследствие того, что субдуцирующая литосферная плита имеет более низкую среднюю температуру, чем окружающая ее мантия. Оценены величины сил, создающихся вследствие фазовых переходов в субдуцирующей плите. Определено касательное напряжение на контакте субдуцирую-щей плиты с литосферой континента и подстилающей ее верхней мантией. Оценена величина горизонтальной силы, возникающей вследствие различных величин горизонтальных градиентов температуры в верхней мантии слева и справа от субдуцирующей плиты. Представлены результаты экспериментального моделирования влияния встречных астеносферных свободноконвективных течений на процесс субдукции. Эксперименты показывают, что положение нисходящего свободноконвективного течения, и, следовательно, зоны субдукции зависит от отношения тепловых мощностей встречных астеносферных потоков. Приведены оценки сил давления, возникающих вблизи границы 670 км и вызывающих растекание опускного потока субдуцирующей плиты вдоль нее.
Ключевые слова: моделирование, субдукция, литосферная плита, градиент, эксперимент
DOI: 10.7868/S0016853X14010032
ВВЕДЕНИЕ
Определение величины всех основных сил, действующих в зоне субдукции, входит в число ключевых задач геодинамики. В настоящее время разрабатываются подходы к оценке некоторых сил, контролирующих субдукцию, базирующиеся, прежде всего, на численном моделировании и теоретическом анализе процессов взаимодействия плит. Так, оценивается относительная роль отрицательной плавучести субдуцирующего слэ-ба и силы, создающейся вследствие утолщения океанической литосферы [39]. Рассматривается относительная роль силы втягивания слэба (англ. slab pull) и силы трения, действующей на подошву плиты со стороны мантийного течения, задающегося плитой [26, 27], представлена связь силы втягивания и сейсмических параметров для различных слэбов [20]. В исследованиях сейсмического режима субдукционных зон, его связи с их строением и динамикой важную роль играет численное моделирование процессов, приводящих к возникновению землетрясений в зоне субдукции, основанное на клавишной модели теконики плит [8-10].
Оценена диссипация энергии погружающегося слэба вследствие сопротивления надвигающейся плиты и окружающей мантии движению слэба, а также изгибания и растяжения слэба для "свободной" субдукции, управляемой только от-
рицательной плавучестью погружающейся плиты [24]. Получены различные субдукционные режимы для разных соотношений прочности слэбов и их плавучести [47]. С использованием численных моделей исследуется влияние различных граничных условий ("фиксированная" или "свободная" субдуцирующая плита, заданная скорость плиты, ее ширина, влияние надвигающейся плиты) на процесс субдукции [25, 48, 49].
В лабораторном моделировании погружения плит в мантию в качестве основного управляющего механизма субдукции часто рассматривается отрицательная плавучесть погружающегося слэба. Плотная высоковязкая пластина погружается в менее плотную и менее вязкую жидкость за счет разности плотностей "субдуцирующей плиты" и "окружающей мантии" [18, 31, 36, 38, 44]. Значительная роль принадлежит модельным экспериментам, в которых, кроме силы отрицательной плавучести, действует сила, приложенная к торцу субдуцирующей пластины [23, 32, 43]. Вводится надвигающаяся плита (свободная, фиксированная или толкаемая поршнем) [30, 32, 35].
В недавних экспериментах представлена связь скорости субдукции с геометрией слэба и режимом миграции шарнира субдуцирующей плиты, влияние отношения вязкостей плиты и окружающей мантии на радиус изгиба плиты [43, 44]. Выявлена взаимосвязь процесса субдукции и режи-
мов движения надвигающейся плиты [32, 35]. Кроме того, рассмотрено взаимодействие хребта, параллельного желобу, с зоной субдукции [33] и погружение обломка континентального материала на океанической плите [19].
При численном моделировании мантийные течения зачастую рассчитываются на основе скоростей движения литосферных плит [21, 22, 29]. Однако в работах [2, 4, 7, 28] показано, что крупномасштабные течения в астеносфере — это сво-бодноконвективные течения, создающиеся под действием горизонтального градиента температуры. Мелкомасштабное валиковое течение возникает вследствие охлаждения астеносферного конвективного потока литосферной плитой: у охлаждающей кровли астеносферы создается неустойчивая температурная стратификация. На основании геологических, геофизических и петрологических данных в вышеуказанных работах построена теплофизическая модель астеносферы под средин-но-океаническим хребтом (СОХ). Она представляет собой горизонтальный слой, нагреваемый снизу (в окрестности оси СОХ) и охлаждаемый на кровле (границе литосфера—астеносфера); подошва слоя — адиабатическая. Вблизи охлаждаемой кровли астеносферы существует валиковое течение; оси валиков расположены по направлению крупномасштабного течения.
В настоящее время одной из основных задач геодинамики является определение всей системы сил, действующих в зоне субдукции, с учетом сво-бодноконвективных течений в верхней мантии (астеносфере и слое С) и с учетом сил, возникающих вследствие фазовых переходов в коровом слое субдуцирующей плиты и на верхней границе слоя С (переходной зоны мантии).
В нашей статье рассматриваются свободно-конвективные течения в верхней мантии, обусловленные горизонтальными градиентами температуры. Эти течения существенно влияют на динамику зоны субдукции, поскольку контролируют величину сил, транспортирующих океаническую литосферу к зоне субдукции. Сначала представлена схема свободноконвективных течений в астеносфере и слое С при наличии зоны субдукции. Затем с учетом верхнемантийных сво-бодноконвективных течений получены оценки основных сил, действующих на субдуцирующую океаническую плиту. Далее представлены результаты экспериментального моделирования влияния встречных свободноконвективных течений в астеносфере на процесс формирования зоны суб-дукции и ее устойчивость. Наконец, сделаны оценки величины противоположно направленных сил давления вблизи границы 670 км, вызывающих растекание нисходящего течения погружающейся плиты от лобовой точки вдоль этой границы.
СИЛЫ, ДВИЖУЩИЕ ОКЕАНИЧЕСКУЮ ЛИТОСФЕРНУЮ ПЛИТУ
Представим основные силы, действующие на океаническую литосферную плиту в зоне субдукции. Движение плиты происходит под действием следующих сил (рис. 1):
1. Fa — сила трения, приложенная к литосферной плите у ее подошвы вследствие свободнокон-вективного течения в астеносфере; она направлена по направлению конвективного течения.
2. FXp — сила, вызванная возвышением хребта, которое создает избыточное давление, приводящее к сталкиванию литосферной плиты от оси хребта. В англоязычных работах по субдукции, эта сила называется силой сталкивания с хребта [13, 46]. Эту силу можно представить как гравитационное соскальзывание.
3. FJT— термогравитационная массовая сила, обусловленная тем, что субдуцирующая лито-сферная плита имеет более низкую среднюю температуру, чем окружающая ее мантия. В англоязычных работах результирующая массовая сила, действующая на литосферную плиту вследствие ее отрицательной плавучести, называется силой втягивания слэба [45, 46].
4. ^фп — сила, действующая на погружающуюся литосферную плиту, возникающая вследствие подъема фазовой границы между оливином и вад-слеитом [13].
5. F3 — сила, возникающая из-за увеличения плотности корового слоя погружающейся плиты, вследствие фазового перехода, приводящего к образованию эклогита. Направление сил ^тг, /фп и F3 совпадает с направлением вектора гравитационного ускорения.
6. FT — сила, возникающая вследствие вязкого трения между субдуцирующей плитой и континентом или островной дугой и между плитой и окружающей мантией; направление этой силы противоположно направлению вектора скорости движения плиты.
7. ^гор — сила, возникающая вследствие различной величины горизонтального градиента температуры в верхней мантии слева и справа от субдуцирующей плиты, т.е. на океаническом и континентальном крыле субдукционной зоны. Она представляет собой векторную сумму сил давления слева (/гор1) и справа (/гор2) от плиты при У = COnSt; /Тор = + /Тор2.
8. ^гран — сила, возникающая у границы верхней и нижней мантии (границы 670 км) и вызывающая растекание опускного потока субдуцирую-щей плиты вдоль нее.
ГОРИЗОНТАЛЬНО НАПРАВЛЕННЫЕ СИЛЫ
Сила трения на подошве океанической литосферы. В работе [5] найдены профили скорости сво-бодноконвективного течения и(у) в астеносфере
Аккреционный клин
Ухр(х) УхрЫ
Рис. 1. Схема свободноконвективных течений в астеносфере и в слое С и основные силы в зоне субдукции. Показано течение в вязком аккреционном клине, косой штриховкой обозначен коровый слой субдуцирующей плиты, а также выделен вязкий слой, представляющий собой верхнюю часть корового слоя [2]. Схемы течений на океаническом и континентальном крыльях зоны субдукции, а также силы, действующие в субдукционной зоне, представлены по данным экспериментального и теоретического моделирования [2, 4—7] и по результатам лабораторного моделирования свободноконвективных течений в слое вязкой жидкости, представленным в настоящей статье; ут;п — координата, соответствующая минимальной температуре субдуцирующей плиты. Остальные обозначения указаны в тексте
под СОХ для случа
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.