Неустойчивость в системе кора — литосфера — астеносфера с инверсией плотности

Развитие представлений о механизмах формирования наблюдаемой структуры земной коры связанных с процессами в земных недрах (эндогенными процессами) всегда было обусловлено накоплением данных о доступных наблюдениям районах Земли и, в следствие этого, неизбежно отражало специфику этих районов [1−3]. Такая ориентированность характерна и для двух крайних по отношению к горизонтальным движениям тектонических концепций: мобилист-ской — тектоники плит [4−12] и фиксистской — вертикальных движений [13,14].

Фиксистские представления о развитии земной коры были естественны в те времена, когда данные наблюдений о структуре земной коры были известны и касались в основном континентов, а сведения об океаническом дне были относительно скудны. Появление мобилистской гипотезы дрейфа континентов [15] и ее популярность не смогли поколебать главенствующее положение учения о геосинклиналях (тектонически активных, складчатых поясах разделяющих платформенные области), как глобальной концепции в геотектонике, поскольку мобилистская концепция не смогла в полной мере заменить положение геосинклинального учения о развитии земной коры и не дала приемлемого механизма дрейфа континентов [2,3]. И лишь исследования строения океанического дна, установление реологических свойств материала мантии и указывающие на дрейф континентов палеомагнитные и палеоклиматические исследования привели к созданию неомобилизма или новой глобальной тектоники (тектоники плит) [4−12].

Появившись, новая глобальная тектоника довольно быстро стала наиболее поддерживаемой тектонической концепцией в силу простоты предлагаемого ей механизма трактовки довольно сложных геолого-геофизических явлений. Тектоника плит довольно успешно решила ряд тектонических проблем, связанных с океанами. Она стимулировала интенсивное развитие геолого-геофизических методов исследования океанических регионов и тем самым существенно продвинула и поставила на новый уровень науки о Земле. Но несмотря на то, что на основе тектоники плит удалось в общих чертах объяснить самые разнообразные геологические явления до сих пор существует ряд проблем, относящихся в первую очередь к континентальной тектонике, которые не получили полного и последовательного решения в рамках плитовой концепции: например, внутриплитовые деформации и внутриплитовый магматизм. Да и в решении вопросов океанической тектоники тектоника плит сталкивается с рядом трудностей [16]. Кроме этого, до настоящего времени существуют неясности по вопросу механизма приводящего к перемещениям литосферных плит [17].

Наличие нерешенных проблем в тектонике плит и накопление наблюдательных и экспериментальных данных стимулировало и продолжает стимулировать трансформацию основных положений самой концепции и появление и развитие альтернативных подходов к решению тектонических задач.

Все вышесказанное об ориентированности континентального фиксизма и океанической тектоники плит подтверждает необходимость поиска альтернативных механизмов тектонических движений, основанных на общих, действующих при любых условиях, физических законах. При этом, естественно, эти механизмы должны согласовываться с имеющимися данными о земных недрах и учитывать накопленные знания об общей эволюции Земли.

Результаты такого рода исследований представлены, в частности, в работах [18−25]. В [18−20] на основе физических законов рассматривалась схема двухступенчатой конвекции в мантии Земли, причиной которой является дифференциация вещества мантии в районах границы ядро-мантия и астеносферы на тяжелую и легкую компоненты. Гравитационная энергия, выделяющаяся при этом, переходит при вязком течении в тепловую и поставляется в систему литосфера — астеносфера верхней мантии, постоянно поддерживая и воссоздавая частично подплавленный и разуплотненный (относительно вещества литосферы) астеносферный слой. Существование такого разуплотнения приводит к необходимости исследования условий и характера равновесия в системе литосфера — астеносфера с инверсией плотности. Такая задача рассматривалась в [21,22] в рамках модели тяжелого упругого слоя (литосферы) покоящегося на более легкой несжимаемой жидкости (астеносфере). В этих работах было показано, что система упругая литосфера — астеносфера с инверсией плотности обладает неустойчивым равновесием с критическим латеральным размером возмущений, зависящим от упруго-плотностных характеристик. Нетривиальное (с отличными от нуля смещениями) равновесие существует в системе при значениях эффективного модуля сдвига литосферы на несколько порядков меньших чем обычный, сейсмический модуль сдвига монолитного образца. Такой низкий эффективный модуль сдвига литосферы может реализовываться при разбиении литосферы на блоки (тогда модуль сдвига литосферы определяется трением между блоками) и на больших характерных временах движений. Возмущения с размерами, большими критического, неустойчивы и развиваются как тектоно-магма-тические движения. При размерах, меньших критического, имеет место явление тектонических волн с периодом тем большим, чем ближе размер возмущений к критическому [23,24]. Неустойчивое равновесие и критический размер определяются равенством двух противоборствующих сил: архимедовой и упругой.

Опираясь на решение модельной задачи о равновесии тяжелой упругой литосферы лежащей на более легкой астеносфере в [22] был предложен механизм тектонических движений основанный на деформировании литосферы при развитии гравитационной неустойчивости в системе литосфера — астеносфера с инверсией плотности. Развитие неустойчивости приводит к преобразованию вертикальных глубинных движений в горизонтальные поверхностные [22]. Этот механизм охватывает на единой физической основе ситуации, характерные как для океанов (тонкая жесткая литосфера с движением плит как целое), так и для континентов (толстая менее жесткая литосфера с более контрастным движением блоков). При этом в отличие от классической тектоники плит учитываются деформация литосферы и ее тектоническая расслоенность. Предельные случаи рассматриваемой в [22] модели (приближение тонкой пластины и приближение толстого слоя) проявляют черты характерные для двух главных геологических концепций: океанической тектоники плит и континентальных вертикальных движений.

Модельная задача в [22] решалась для однородного литосферного слоя. Наличие коры с плотностью в среднем меньшей, чем остальная часть литосферы, принципиально усложняет ситуацию в верхней части литосферы. Возможная картина равновесия в системе литосфера (с выделением более легкой коры) — астеносфера с инверсией плотности на качественном уровне рассматривалась в [25]. При этом использовалось условие изостазии с уровнем компенсации в астеносфере, приближенно выполняющееся для возмущений имеющих достаточно большие, по сравнению с толщиной литосферы, латеральные размеры.

Настоящая работа посвящена исследованию более сложной чем в [22] модели, а именно, двойному упругому слою (кора — мантийная литосфера) покоящемуся на несжимаемой жидкости (астеносфере), а также развитию и обобщению некоторых следствий рассмотренной в [22] модели. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Рассмотренный в настоящей работе механизм тектонических движений основан на действии гравитационных сил приводящих к деформациям литосферы в процессе развития гравитационной неустойчивости в системе литосфера-астеносфера с инверсией плотности. Имея такую универсальную основу, рассматриваемый механизм в достаточной степени применим как к квазилинейным структурам [22,25,81,82,84], так и к круговым [25,84,97]. Формальное построение модели использует результаты решения модельной задачи о равновесии тяжелого упругого слоя (литосферы) лежащего на более легкой несжимаемой жидкости (астеносфере). В случае выделения в литосфере коры с плотностью меньшей чем плотность мантийной литосферы решается задача о равновесии двойного упругого слоя (кора и мантийная литосфера) лежащего на несжимаемой жидкости (астеносфере). При этом под инверсией плотности понимается превышение плотности подошвы мантийной литосферы над плотностью астеносферы. Решения модельной задачи о равновесии в случае линейной симметрии (квазилинейные структуры) и цилиндрической (круговые структуры) дают одинаковые условия равновесия, а для смещений и напряжений и одинаковую зависимость от вертикальной координаты, но разные зависимости от латеральной координаты. На основе решения задачи о равновесии можно судить об основных тенденциях развития неустойчивости, ввиду медленности протекающих процессов.

Нетривиальное (с отличными от нуля смещениями) равновесие в системе упругая литосфера (однородная или с подразделением на кору и мантийную литосферу) — жидкая астеносфера при наличии инверсии плотности возможно при равенстве упругих и гравитационных архимедовых сил лишь для возмущений с определенными (критическими) латеральными размерами, определяемыми уп-руго-плотностными параметрами системы, и лишь тогда, когда эффективный модуль сдвига литосферы на несколько порядков меньше чем модуль сдвига монолитного образца [22]. Возможность существования такого низкого эффективного модуля сдвига литосферы подтверждается наблюдениями в молодых горных районах [94−96].

Нетривиальное равновесие оказывается неустойчивым и является порогом бифуркации в поведении системы литосфера — астеносфера с инверсией плотности. Возмущения с латеральными размерами больше критического (при превышении архимедовых сил над упругими) развиваются как неустойчивые. Лабораторное моделирование [96] качественно и количественно (относительно латеральных размеров возмущений) подтверждает выводы теории [22,23] о начальном этапе развития неустойчивости. Если же система находится в устойчивой области (когда упругие силы превышают архимедовы) вблизи неустойчивого равновесия, возможны медленные волновые движения литосферы (тектонические волны) с периодом тем большим, чем ближе состояние системы к порогу неустойчивости [23,24,94,95]. Дальнейшее обобщение этих результатов привело к выявлению универсального предвестника катастроф для систем, обладающих положением неустойчивого равновесия [23,107].

Решение задачи о равновесии двойного упругого слоя (литосфера разделенная на кору и мантийную литосферу, каждая со своими упруго-плотностны-ми параметрами) лежащего на жидкости (астеносфере) при наличии инверсии плотности позволяет сделать выводы, которые по принципиальным моментам совпадают с выводами сделанными ранее на основе решения аналогичной задачи для однородной литосферы [22]. В тоже время выделение в литосфере коры с плотностью меньшей чем мантийная литосфера делает модель более адекватной, позволяя отыскивать и выявлять новые явления.

Решение рассматриваемой задачи для двухслойной литосферы управляется безразмерным параметром (как и для однородной литосферы) характеризующим отношение гравитационных архимедовых и упругих сил. При увеличении д (уменьшении эффективного модуля сдвига ^ литосферы) от критического значения (<�з,=2ро/6р для однородной литосферы [22]), когда становится возможным существование нетривиального равновесия, обратная приведенная к толщине литосферного слоя равновесная длина возмущения %=2%Н/А изменяется в соответствии с кривой равновесия уХФ зависящей также от ряда других определяющих параметров. В отличии от однородной литосферы, когда для каждого значения ц возможно лишь одно значение х, для двухслойной литосферы в случае склеености коры и мантийной литосферы возможна ситуация, когда одному значению q соответствует два значения т. е. при одних и тех же значениях определяющих параметров возможно нетривиальное равновесие с двумя различными латеральными размерами возмущений.

Вне зависимости от подразделения литосферы на слои, вертикальные смещения литосферы на границе литосфера — астеносфера значительно (в случае однородной литосферы в р/бр раз [22]) превосходят вертикальные смещения на дневной поверхности, в то же время на дневной поверхности горизонтальные смещения в основном превосходят вертикальные. Благодаря такой принципиальной неоднородности деформации и возникает самосогласованная, в рамках поставленной задачи движущая сила поверхностных горизонтальных тектонических движений литосферы за счет глубинных вертикальных [22,82], т. е. решается проблема горизонтальных движущих тектонических сил.

Характер деформаций литосферы (однородной или разделенной на кору и мантийную литосферу) для возмущений с большими латеральными размерами (при х<1) свойственен океанической тектонике плит (горизонтальные смещения на верхней и нижней поверхности литосферы отличаются слабо, т. е. литосфера смещается практически как целое). При увеличении (с уменьшением эффективного модуля сдвига литосферы), когда латеральный размер равновесных возмущений соизмерим с толщиной литосферы, деформации литосферы становятся более контрастными, вплоть до изменения по толщине литосферы знаков как горизонтальных, так и вертикальных (для двухслойной литосферы) смещений, что характерно для континентальной тектоники. Таким образом, рассматриваемая модель при различных значениях безразмерного параметра q проявляет черты присущие как океанической, так и континентальной тектонике.

Если латеральные размеры возмущений сравнимы с толщиной литосферы, в области перегиба рельефа литосферы по ее толщине возникает градиент горизонтальных смещений тем больший, чем меньше размеры возмущений. При этом максимальные скалывающие напряжения концентрируются вблизи нижней границы литосферы и в коре у границы Мохо (когда кора и мантийная литосфера склеены).

Картина напряженного состояния литосферы в областях поднятий и опусканий для литосферы разделенной на кору и литосферную мантию оказывается существенно более разнообразной, чем для однородной литосферы [22] и может меняться при изменении q и других определяющих параметров.

Решение модельной задачи для двухслойной литосферы при больших латеральных размерах возмущений (при согласуется с обобщенным условием изостазии с уровнем компенсации в астеносфере [25,83].

Научная новизна диссертационной работы заключается в решении модельной задачи о равновесии двойного упругого слоя (кора и мантийная литосфера) лежащего на несжимаемой жидкости (астеносфере) при наличии инверсии плотности между мантийной литосферой и астеносферой. Рассматриваются два типа условий на границе Мохо: кора склеена с мантийной литосферой и кора свободно скользит по мантийной литосфере. В рамках решения этой задачи получены условия существования нетривиального равновесия и аналитические выражения для смещений и напряжений в литосфере.

Результаты решения рассматриваемой модельной задачи могут быть использованы при анализе конкретных reo динамических ситуаций. В этом заключается научная и практическая ценность полученных в работе результатов.