ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2009, № 1, с. 85-93
УДК 550.311
ВЕКТОРЫ УГЛОВЫХ СКОРОСТЕЙ ГЛАВНЫХ ДОМЕНОВ ЕВРАЗИИ В ФАНЕРОЗОЕ И УВЕЛИЧЕНИЕ ПЕРИОДА ВРАЩЕНИЯ ЗЕМЛИ
© 2009 г. В. А. Земцов
Институт геологии КарНЦРАН, г. Петрозаводск zemtsov@krc.karelia.ru Поступила в редакцию 01.07.2008 г.
Современные палеомагнитные исследования и ОРБ-мониторинг показывают, что медленные вращения континентальных плит, а также дифференцированные вращения отдельных доменов внутри них являются важной особенностью геофизики и геодинамики. Эпицентр вращения современной Евразии расположен в Восточных Гималаях. Во втором приближении Евразия не является жесткой плитой, т.к. величины угловых скоростей вращения крупных доменов внутри континента изменяются в несколько раз, возрастая от периферии континента к центральному домену вращения. Палеомагнитные исследования фанерозойских пород древних доменов Евразии подтверждают эту закономерность, а также то, что континенты Северного полушария вращаются, как правило, по часовой стрелке, а Южного - против часовой стрелки, что может быть использовано для однозначного определения полярности полюсов на докембрийских кривых их кажущейся миграции. Большинство древних континентальных доменов современной Евразии на протяжении фанерозоя снизили скорости вращения. Векторы угловых скоростей их вращения в соответствии с приведенной моделью имели составляющую, направленную противоположно вектору угловой скорости собственного вращения Земли. Этот фактор наряду с известным приливным океаническим трением приводил к замедлению скорости вращения мантии Земли в геологическом времени.
Ключевые слова: векторы угловой скорости вращения континента и мантии, деформации. РЛС8: 91.25.Ng
ВВЕДЕНИЕ
Собственное вращение Земли - главнейшее физическое свойство нашей планеты. Ее ротационный режим и форма существенно изменялись в геологической истории [Земцов, 2006; Zemtsov, 2007]. Угловые скорости вращения твердых оболочек Земли: мантии и внутреннего ядра, вероятно, были не постоянны во времени. От начала кембрия до современности земные сутки стали длиннее на 3 ± 1 час [Varga, 1996; Жарков, 2003]. Геофизики связывают этот феномен с постепенным удалением Луны от Земли. Прямые наблюдения увеличения радиуса лунной орбиты, проведенные в рамках программы "Аполлон", дали значение 3.82 ± 0.07 см/год [Dickey et al., 1994; Жарков, 2003]. По оценкам В.Н. Жаркова, в начальный этап формирования литосферы Земли, т.е. 4 млрд лет тому назад ("реперная точка"), скорость увеличения радиуса лунной орбиты была примерно в два раза большей, а сама Луна находилась почти в три раза ближе к Земле, чем сейчас [Жарков, 2000; Жарков, 2003]. Это было бы, конечно, справедливо в рамках гипотезы "ме-гаимпакта", а также с некоторыми допущениями о том, что Луна имела круговую орбиту и что у Земли в то время не было других, более удаленных спутников. Следует отметить, что гипотеза о "гравитационном захвате Луны", пришедшей с
орбиты Меркурия, также имеет право на существование [Malcuit et al., 1989; Malcuit et al., 1992]. К эволюции лунной орбиты можно подойти и с других позиций. Если известны топография океанического дна, положение материков и крупных островов Земли, то можно теоретически оценить диссипацию приливной энергии, обусловленную приливным трением [Марчук, Каган, 1991]. Такое моделирование на основании известных па-леогеодинамических реконструкций [Зоненшайн, Савостин, 1979] было реализовано в ряде работ [Sundermann, Brosche, 1978; Готлиб, Каган, 1988; Ooe, 1989]. Получается, что эта энергия на протяжении фанерозоя изменялась резко, в отличие от прямолинейного увеличения земных суток, подтвержденного палеонтологическими исследованиями разновозрастных ископаемых кораллов, моллюсков и строматолитов. По расчетам разных авторов величины энергии диссипации за счет приливных волн для одних и тех же периодов, в частности для триаса, различаются более чем в 5 раз, поэтому возникают определенные сомнения в надежности этих данных и справедливости такого подхода к проблеме. Кроме того, как отмечает В.Н. Жарков, реальные эффекты должны быть на 25-35% больше за счет вклада других гармоник [Жарков, 2003]. Важно, что факт фане-розойского возрастания периода собственного
вращения Земли, согласно теореме Клеро, обязан был привести к значительному увеличению ее полярного радиуса [Земцов, 2006], т.е. к постепенному перемещению огромных масс из экваториальных областей к полярным, что, вероятно, не только затрагивало литосферу, но и деформировало мантию. Возникает естественный вопрос, как эффект увеличения периода вращения Земли выражался в тектонике. В публикациях [Земцов, 2004; Земцов, 2005; Земцов, 2006; Zemtsov et al., 2006; Zemtsov, 2007] уже сделана оценка влияния собственного вращения Земли на дрифт континентов. По данным GPS-наблюдений оценены угловые скорости вращения отдельных доменов современной Евразии, а на основе палеомагнитных исследований были получены значения угловых скоростей для мезозойских доменов континента и дана упрощенная модель вращения континента на поверхности вращающейся мантии. Сделать такой же анализ для других современных континентов, к сожалению, пока не представляется возможным, т.к. подобные систематические исследования там только начинаются. В частности, локальные сети GPS-станций на территории США сосредоточены в основном в западной части Северной Америки и используются для сейсмического мониторинга. Тем не менее, эти данные, а также результаты интерпретации кривых миграции Северного полюса вращения Земли за последнее столетие позволяют предположить, что этот континент, как и Евразия, вращается по часовой стрелке [Melbourne et al., 2004; Земцов, 2004; Земцов, 2006; Авсюк, Суворова, 2006]. По Антарктиде были получены весьма противоречивые данные [Bouin, Vigny, 2000]. В сложнейших условиях французские ученые получили лишь один надежный вектор, судя по которому можно предположить, что этот огромный материк, по-видимому, вращается против часовой стрелки.
В последние годы получены новые палеомаг-нитные данные [Лубнина и др., 2007; Родионов и др., 2007; Kazansky et al., 2005] по палеозойским континентам будущей Евразии (Балтике, Сибири). Несмотря на то, что данных по древней Сибири явно недостаточно, а кроме того, существуют серьезные проблемы с определением абсолютного возраста тектонических событий, можно попытаться оценить угловые скорости вращений древних континентов в зависимости от их географического положения, провести анализ изменения скоростей в геологическом времени, усовершенствовать методику расчета угловой скорости и предшествующие модельные представления. Все эти вопросы в краткой форме обсуждались в ряде конференций [Zemtsov, 2008a; Zemtsov, 2008b] и имеют непосредственное отношение не только к эволюции литосферы, но и преобразованию глубинных разделов нашей планеты и ее энергетике.
GPS-ДАННЫЕ И МОДЕЛЬ ПЕРВОГО ПРИБЛИЖЕНИЯ
Вектор мгновенной угловой скорости вращения (w) является главной характеристикой вращающейся плиты. Если плита жесткая, то модуль вектора w будет неизменным в любой момент времени (t) и в любой точке плиты, причем вектор направлен вдоль оси вращения плиты по правилу правого винта. Однако центр вращения континента не является точкой, как предполагал В.И. Уткин [Уткин, 2002]. Центральный блок вращения современной Евразии (EHS - the Eastern Himalayas Sintaxis) расположен в Восточных Гималаях, имея координаты E98°N31° ± 4° [Земцов, 2005; 2006; Zemtsov, et al., 2006]. Он отмечается в геоморфологии региона, об-рамляясь с востока изгибом р. Литанхэ, русло которой в верхнем течении имеет форму запятой, а также четкую кольцевую границу, пересекающую известные геологические структуры [Yuping et al., 2004; Zhiliang et al., 2004]. Однако авторы этих детальных GPS-исследований, проведенных в последние десятилетия в Восточном Тибете, ограничились лишь рассмотрением поля линейных скоростей и сделали только качественные выводы о наиболее быстром вращении "EHS-кольца" по сравнению с его "юбкой". Они так и не поняли, что EHS-блок является центральным, наиболее быстро вращающимся блоком всей современной Евразии. Ниже в табл. 1 приведены отдельные наиболее важные векторы линейных скоростей, полученные в Тибете и его окрестностях по данным [Yuping et al., 2004]. Лишь точка "CSD", неясно почему, имеет очень малое горизонтальное смещение. Она наиболее близка к очагу последнего разрушительного землетрясения на юго-западе Китая.
Степень упругости (пластичности) Евро-Азиатской плиты в разных точках ее поверхности можно оценить, рассчитывая модули векторов w из векторного произведения:
V = ш х r, (1)
где V - вектор линейной скорости в GPS-точке, а r - радиус-вектор, равный кратчайшему расстоянию от интересующей GPS-точки до оси вращения плиты, т.е. расположенный на перпендикуляре к оси вращения (рис. 1). Положение оси вращения континента точно не определено, поэтому при оценках w можно использовать координаты центра EHS-блока. При r < 1200 км сферичность Земли практически не сказывается на результат определения модуля w. В таком случае r можно вычислить, используя координаты точек и программу Эда Вильямса Aviation Formulary V1.42 (см: http://williams.best.vwh.net), которая дает дуговое расстояние между GPS-точкой и осью вращения с относительной ошибкой менее 1%. При больших дуговых расстояниях ошибка в определении r возрастает нелинейно. Например, при центральном угле 45° дуговое расстояние на поверх-
Таблица
Точки GPS-станций Долгота (град) Широта (град) Линейная скорость (мм/год) Азимут движения (град)
Лхаса (LHS) 91.1 29.66 26.75 ± 1.27 45.61
GLM-1 94.8 36.2 16.65 ± 1.90 49.77
XRH-1 98.2 36.43 12.27 ± 1.57 50.81
CSD 99.08 40.28 2.76 ± 1.45 78.53
OLZ-3 98.43 25.04 10.0 212
Бангалоре (IISC) 77.6 13.1 41.68 ± 2.21 26.18
ности Земли равно 5000 км, а величина r = 4500 км, т.е. ошибка будет около 10%. Результат определения модуля w получится заниженным. Можно ввести необходимую поправку, пользуясь таблицей элементов сегмента круга, приведенной в справочнике по математике [Бронштейн, Семендяев, 1964].
Оценки w для различных доменов
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.