ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2008, № 11, с. 3-19
УДК 550.311
СЕЙСМИЧЕСКАЯ ТОМОГРАФИЯ И ДРЕЙФ КОНТИНЕНТОВ
© 2008 г. В. П. Трубицын
Институт физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН, г. Москва e-mail: trub@ifz.ru Поступила в редакцию 05.02.2008 г.
Структура мантийных течений современной Земли и дрейф континентов рассчитываются, исходя из данных сейсмической томографии. Приводятся результаты расчета современного движения континентов и их будущего дрейфа на 150 млн. лет вперед. В качестве начального состояния взято современное положение шести континентов и девяти наибольших островов. Современное распределение температуры в мантии рассчитано по данным сейсмической томографии. Данные о трехмерном распределении скоростей сейсмических волн были пересчитаны в распределение плотности, и затем в распределение температуры. Далее численно решалось уравнение Стокса для течений в вязкой мантии с плавающими континентами при заданном начальном распределении температуры. Это позволило определить скорости конвективных течений во всей современной мантии, а также распределение по поверхности для теплового потока Земли. Степень достоверности найденных течений в мантии Земли оценивается сравнением рассчитанных скоростей движения современных континентов и океанической литосферы с данными спутниковых измерений. Далее численно решались эволюционные уравнения конвекции с плавающими континентами. Приводится рассчитанная структура мантийных течений, распределение температуры и положение континентов для момента 150 млн. лет в будущее. Приводимые последовательные изменения расположений континентов во времени показывают, как будет происходить поглощение островов континентами (в частности Японии и Индонезии) и сближение континентов, имеющее тенденцию образования нового суперконтинента в южной полусфере Земли.
PACS: 91.45.Bg
введение
До 60-х годов прошлого века не было известно о принципиальном различии дна океанов и континентов. Океаны рассматривались просто как гигантские впадины земной поверхности, заполненные водой. Исследования дна океанов, проведенные в середине прошлого века, показали, что дно океанов имеет средний возраст 60 млн. лет в отличие от континентов со средним возрастом в 2 млрд. лет [Schubert et al., 2001]. Заметим, что под возрастом понимается время, прошедшее после затвердевания вещества. В вязкой мантии, особенно в магматических камерах, вещество постоянно перемешивается. Поэтому при радиоактивном распаде дочерние элементы рассеиваются. После затвердевания вещества дочерние атомы остаются рядом с материнскими. Поэтому по их количеству можно рассчитать прошедшее с момента затвердевания время.
Далее было обнаружено, что дно океанов движется подобным конвейерным лентам. Плиты океанической литосферы являются верхними частями такой конвейерной ленты. Они образуются при застывании поднимающегося горячего вещества мантии в срединно-океанических хребтах, затем движутся почти горизонтально (с очень небольшим уклоном), утолщаются за счет охлажде-
ния и в старых океанах (типа Тихого) погружаются обратно в мантию в зонах субдукции под континенты на их активных окраинах. После погружения в мантию плиты нагреваются и размягчаются, и их вещество продолжает участвовать в конвективном кругообороте мантии. Поэтому литосферная плита фактически является верхней охлажденной временно затвердевающей частью конвективной ячейки.
При раскрытии океанов поднимающееся горячее вещество мантии примерзает (или приваривается) сначала к расходящимся континентам, а затем примерзает к предыдущей уже затвердевшей порции плиты. В молодых океанах (типа Атлантического) литосфера еще недостаточно тяжела, чтобы оторваться от континентов и погружаться в мантию. Эти окраины континентов называются пассивными. Сами океанические плиты могут раскалываться на отдельные более мелкие плиты, соответствующие своим конвективным ячейкам в мантии.
В классической тектонике плит не делается существенных различий между чисто океаническими плитами и плитами с континентами. Границы между современными плитами только на активных окраинах совпадают с границами континентов, а на пассивных окраинах континенты и дно
океанов составляют одну плиту. Поэтому в тектонике плит континенты рассматриваются лишь как пассивные плавучие включения, вмороженные в океанические плиты.
Такая тектоническая теория способна описать глобальные геологические процессы длительностью только в течение короткого промежутка времени, пока континенты не станут соприкасаться друг с другом. Таким образом, тектоника лито-сферных плит описывает процессы в уже сформировавшихся глобальных мантийных структурах.
Каждая плита остается на поверхности в среднем 60 млн. лет, а затем, становясь тяжелой, неизбежно погружается обратно в мантию. Легкие континенты остаются на поверхности, плавая на мантии миллиарды лет (они, конечно, могут деформироваться, раскалываться, объединяться, срастаться и эродировать, т.е. могут считаться твердыми только приближенно на протяжении того времени, когда их деформация меньше горизонтального перемещения). За время дрейфа континента в течение млрд. лет к нему примерзают и отрываются разные океанические плиты много раз. Поэтому для описания геологических процессов большой длительности стала развиваться модель континентов, плавающих на конвективной мантии среди океанических плит [Трубицын, 2000; 2005].
Существующая теория литосферных является пока только кинематической. Она позволяет описывать процессы в уже существующей системе океанических плит без расчета процессов раскола литосферы на отдельные плиты. Полная теория континентов, плавающих на мантии среди океанических плит, в пределе малой шкалы времени должна будет переходить в динамическую теорию литосферных океанических плит, а в пределе длительной шкалы времени должна переходить в теорию континентов, свободно плавающих на мантии. Чтобы построить такую полную теорию можно начать или с построения динамической теории океанических плит без континентов, или с построения теории дрейфа континентов без плит. С точки зрения тектоники плит многим представлялось, что плиты движут континентами. Поэтому стала интенсивно развиваться динамическая теория плит, см., например [Tackley, 2000; Schubert et al., 2001]. Однако в связи с большими трудностями до настоящего времени пока не построено динамической теории мантийной конвекции с литосферными плитами даже без континентов. В работах [Трубицын, 2000; 2005] развивалась точка зрения, что континенты играют более важную роль в глобальной геодинамике. Поэтому в развиваемой теории дрейфа континентов пока рассматривается именно тот предельный случай плавания континентов на мантии, океаническая литосфера которой представляет
более вязкую область мантии, но не разбитую трансформными разломами на отдельные плиты.
Может возникнуть вопрос, что нового дает введение модели плавающих континентов. О дрейфе континентов писал еще Вегенер сто лет тому назад. Однако до последнего времени не было известно, как рассчитать силы, действующие на континент со стороны мантии, и силы, действующие между сталкивающимися континентами, и соответственно не было полной системы дифференциальных уравнений для количественного описания движения континентов и эволюции конвекции в мантии. Континенты движутся благодаря вязкому сцеплению с мантийными течениями. При этом, как оказалось, континенты обратно влияют на мантию и могут даже приводить к кардинально перестройкам структуры конвекции. Благодаря механическому сцеплению скорости мантийных течений во всех точках на подошве континента и на его торцах равны скорости континента. Благодаря тепловому взаимодействию температура и тепловой поток в мантии и в континенте также должны быть равны. Но тепло через континенты передается только кондуктивно, а в мантии конвекция убыстряет вынос тепла в 10-30 раз. Поэтому под малоподвижным большим континентом всегда накапливается тепло. В результате вещество становится легче и под таким континентом возникает горячий восходящий мантийный поток, который может приподнимать и сбрасывать с себя континент. Тогда континент может затягиваться на соседний холодный нисходящий мантийный поток, но под ним опять накапливается тепло. В результате возникает постоянное движение континентов и перестройка мантийных течений. Континенты играют роль подвижных тепловых клапанов, управляющих мантийной конвекцией и тектоникой литосферных плит [Трубицын, 2000; 2005]. Для количественного описания всех этих взаимодействий в работе [Трубицын, 2000] получена система связанных дифференциальных уравнений, дополняющая и обобщающая известные уравнения конвекции уравнениями для поступательного и вращательного движения континентов. Эти уравнения фактически являются законами переноса энергии, массы и импульса в применении к конкретной системе конвективная мантия - плавающие континенты.
Численное решение уравнений конвекции с континентами показало, что многие глобальные геологические процессы, которые ранее рассматривались как результат хаоса мантийной конвекции, являются закономерными решениями уравнений конвекции. Движение планет, ранее казавшееся сложным и запутанным, подчиняется простым законам механики. Так и дрейф континентов с мантийными перестройками, несмотря на их сложность, не определяется целиком хаосом мантийной конвекции, а подчиняется закономерно-
стям, соответствующим законам переноса энергии, массы и импульса.
Точка зрения о том, что плиты играют более важную роль в глобальных геодинамических процессах, не учитывала особенности движения ли-тосферных плит. Обычно считается, что жесткие плиты должны сильно препятствовать сближению континентов. Но если это было бы так, то как бы могли сближаться континенты при образовании суперконтинентов. Океанические плиты лишь незначительно препятствуют движению континентов. В отличие от легких сталкивающихся континентов, тяжелые океанические плиты при столкновении не образуют гор, т.к. одна из плит начитает пододвигаться под другую. Это является причиной того, развиваемая теория мантийной конвекции с плавающими континентами даже в упрощенном варианте,
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.