УДК 550.383+550.384+551.14
ТОПОГРАФИЧЕСКАЯ НЕОДНОРОДНОСТЬ ГРАНИЦЫ ЯДРО-МАНТИЯ В ЗОНАХ СУБДУКЦИИ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА КИНЕМАТИКУ ИСТОЧНИКОВ ГМПЗ © 2014 г. И. М. Демина
Санкт-Петербургский филиал Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова, РАН г. С.-Петербург e-mail: dim@izmiran.spb.ru Поступила в редакцию 10.09.2012 г.
После доработки 08.04.2013 г.
В данной работе рассмотрена кинематика источника главного магнитного поля Земли (ГМПЗ), локализованного нами ранее вблизи границы ядро—мантия под Карибским регионом. Выбор этого источника обусловлен тем, что, во-первых, его траектория за рассматриваемый 110-ти летний интервал пересекает границу ядро—мантия, а во-вторых, Карибский регион относится к зонам, так называемых, "кладбищ" литосферных плит, и имеется большое количество работ, в которых неоднородности строения нижней мантии в этом регионе исследовались методами сейсмической томографии. Проведенное нами сравнительное исследование неоднородностей строения нижней мантии и траектории источника ГМПЗ говорит в пользу того, что в данном регионе остатки древних литосферных плит не только достигают границы ядро—мантия, но и могут проникать в жидкое ядро на глубину до 300 км. "Кладбища" литосферных плит занимают значительные по размерам области. Если образуемые остатками древних литосферных плит топографические неоднородности границы ядро—мантия достигают по глубине величин порядка нескольких сот километров, то они могут оказывать значительное влияние на кинематику отдельных структурированных течений в жидком ядре, вызывая тем самым наблюдаемые на поверхности Земли изменения пространственной структуры вековых вариаций ГМПЗ.
DOI: 10.7868/S0016794014020072
1. ВВЕДЕНИЕ
Исследование особенностей пространственно-временной структуры вековых вариаций ГМПЗ привлекает внимание большого числа исследователей. Отмеченное в последние десятилетия увеличение скорости перемещения Северного магнитного полюса обострило интерес к возможным причинам, оказывающим влияние на вековой ход ГМПЗ. В данной работе мы предлагаем в качестве одного из механизмов, оказывающих влияние на формирование аномалий векового хода ГМПЗ, воздействие топографических неодно-родностей границы ядро—мантия на кинематику отдельных течений в жидком ядре, в частности, на их перемещение на запад относительно поверхности Земли, получившее в середине прошлого века название "западный дрейф".
Впервые открытое Галлеем [Halley, 1692] это явление было детально проанализировано в работе Булларда и др. [1950], где скорость западного дрейфа недипольной части ГМПЗ была оценена как 0.2° в год. В ряде работ [Bullard et al., 1950; Yukutake, 1962; Malin, 1969; Золотов И.Г., 1977] было высказано предположение о зависимости западного дрейфа от широты. Позднее эта зави-
симость была показана в работе [Jault et al., 1988]. Исследование западного дрейфа проводилось многими авторами разными методами при этом полученные значения скорости дрейфа аномалий ГМПЗ варьировались от 0.733° в западном до 0.08° в восточном направлении [Langel, 1987] Кроме того, было показано, что это явление не носит повсеместный характер, и западный дрейф в большей степени проявляется в Европе и Северной Америке. Для объяснения неоднородности западного дрейфа в работе [Yukutake and Tachinaka, 1969] авторами было предложено разделить поле на неподвижную и дрейфующую части. В дальнейшем, построенные для эпох с 1690 по 1990 на границе ядро—мантия [Bloxham and Jackson, 1992] модели ГМПЗ позволили провести детальный анализ эволюции особенностей поля. Было показано, что не существует однородного вращения на запад поля ядра относительно мантии. В частности, особенности поля в южной части Тихого океана практически не изменяли своего положения с 1690 по 1990 г, в то время как под Атлантикой отчетливо проявляется западный дрейф.
Кроме дрейфа самого поля рассматривалось аналогичное явление в изменении вековых вари-
-180° -90° 0° 90° 180°
Рис. 1. Проекции на поверхность Земли траекторий перемещения источников ГМПЗ, приуроченных по глубине к границе ядро—мантия. Координаты отмечены черным квадратом, размер которого пропорционален эпохе от 1900 до 2010 года.
Тонкая темная линия — границы литосферных плит.
аций (SV) ГМПЗ [Bullard et al., 1950; Yukutake, 1968; Yukutake and Tachinaka, 1968; Langel, 1987; Решетняк, 1996; Zi-Gang Wei and Wen-Yao Xu, 2003]. М.Ю. Решетняком [1996] было показано, что для части фокусов векового хода, наряду с преобладающим западным дрейфом, наблюдается полярный дрейф, причем его скорость в 1.5—2 раза выше соответствующей скорости западного дрейфа. Автором [Решетняк, 1996] было предложено разделение фокусов SV на две группы, отличающихся временем жизни и происхождением.
Вместо дрейфа поля или SV в работе [Holme and Whaler, 2001] были рассмотрены устойчивые течения, локализованные в жидком ядре. Для этих течений предполагалась возможность дрейфа с изменяющейся скоростью и поворот относительно мантии. В грубом приближении для них был получен западный дрейф 0.2° в год. Для более сложных течений было получено два решения: одно с западным дрейфом, а другое — с восточным. Соответствующие скорости дрейфа при этом возрастали максимально до 0.9° в год.
В предположении существования в жидком ядре устойчивых образований разной природы нами была построена модель источников ГМПЗ. Чтобы локализовать источники, в качестве которых нами были предложены крупные конвектив-
ные ячейки и разного размера вихри [Demina et al., 2004, 2004a], мы аппроксимировали их диполями, однозначно описываемыми 6-ю параметрами. В качестве исходных данных было использовано пространственное распределение трех компонент (X, Y, Z) ГМПЗ, вычисленное по коэффициентам IGRF для периода 1900—2010 гг. Модель строилась независимо для каждой эпохи методом последовательного выделения отдельных источников с последующим уточнением их параметров. Подробно свойства источников и метод построения модели описаны в работах [Демина и Фарафонова, 2004; Демина и др., 2006]. В результате был получен набор источников, для большинства которых получены временные ряды параметров длиною в 110 лет с шагом в 5 лет. Это позволило сопоставить изменение пространственной структуры SV c изменением параметров отдельных источников [Демина и др., 2008, 2008а]. Было показано, что большая часть фокусов SV представляет собой интегральный результат изменения параметров нескольких источников. В тоже время формирование и распад локальных короткоживущих фокусов SV могут быть объяснены изменением параметров отдельных источников, причем величина магнитного момента этих источников на 2—3 порядка меньше, чем то же главного диполя.
Изменение параметров диполей во времени носит индивидуальный характер. На рисунке 1 показаны проекции на поверхность Земли траекторий только тех источников, которые по глубине локализованы вблизи границы ядро—мантия. Координаты источников для каждой эпохи помечены серыми квадратами, размер которых возрастают от 1900 к 2010 году. Можно видеть, что траектории большинства источников имеют сложную, трудно объяснимую форму. Можно предположить, что это связано с недостатками метода выделения отдельных источников и возникающими при этом ошибками. Однако отчетливо виден ряд источников, траекторию которых, при всех различиях, можно охарактеризовать как западный дрейф. Координаты этих источников показаны черным цветом. Среди последних есть источник, перемещение которого происходило по сложной траектории (на рис. 1 траектория выделена прямоугольником). Кроме того, его траектория пересекает зону, характеризующуюся сложной тектонической структурой. (Границы литосферных плит показаны на рис. 1 черной сплошной линией). И, что особенно важно для цели нашего исследования, имеется большое число работ по изучению строения как верхней, так и нижней мантии под этим регионом методами сейсмической томографии. Предполагается, что получаемые этими методами аномалии S- и Р-волн обусловлены температурными неоднородностями мантии, что, в свои очередь, может быть интерпретировано, как неоднородности плотности [Karato, 1993].
В работе [Garnero and Lay, 2003] приводятся результаты исследования Карибского региона и Центральной Америки. Авторы этой работы обнаружили присутствие высокоскоростной аномалии в самых нижних слоях мантии и связывают полученные плотностные неоднородности с поглощением древней океанической литосферы, используя образное выражение — "кладбище" ли-тосферных плит. В работе [Tomas and Lay, 2004] также был исследован регион под Карибами. Под плитой Кокос обнаружена регионально вытянутая область повышенных скоростей на глубинах от 100 до 150 км выше границы ядро—мантия.
Наиболее подробное исследование глубинного строения мантии в регионе, ближайшем к траектории движения рассматриваемого источника ГМПЗ (рис. 1), приведено в работе [Hutko et al., 2006]. Авторами была обнаружена область с повышенными скоростями сейсмических волн и, следовательно, с повышенной плотностью и пониженной температурой, которую они интерпретировали как "сминающийся" столб холодной плиты, достигающий границы ядро—мантия.
Сложность траектории выделенного нами источника ГМПЗ, наличие неоднородностей повышенной плотности в нижней мантии в регионе,
пересекаемом траекторией источника, и тектоническая история района — все это вместе взятое и обусловило выбор именно этого источника для проверки нашей гипотезы о влиянии неоднород-ностей плотности нижней мантии и топографии границы ядро—мантия на кинематику источников ГМПЗ.
2. ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ИСТОЧНИКА С ВЫРАЖЕННЫМ ЗАПАДНЫМ ДРЕЙФОМ
Траектория источника, выбранного нами для сравнения, выделена на рис. 1 прямоугольником. Этот источник по величине магнитного момента на два порядка меньше, чем источник, определяющий дипольную составляющую ГМПЗ [Демина и др., 2008]. Отчетливо видна генеральная тенденция перемещения источника в западном направлении. Прежде всего, уточним, что, говоря о перемещении диполя, на самом деле мы имеем в виду изменение взаимного расположения источника и точки наблюдения на поверх
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.