Термоконвективная трехмерная сферическая модель современной геодинамики Земли: применение в исследовании тектоники и региональной геологии

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

В настоящей статье представлена построенная авторами термоконвективная трехмерная сферическая модель современной геодинамики Земли на основе глобальной модели сейсмической томографии SMEAN2 c плитной реологией на поверхности. Фундаментальный результат состоит в том, что рассчитанная трехмерная модель течений в сферическом мантийном слое приводит к картине горизонтальных движений литосферных плит на поверхности Земли, хорошо согласующейся с современной кинематической моделью тектоники плит, а также с данными спутниковых наблюдений горизонтальных смещений поверхности Земли. Такое соответствие позволяет обоснованно утверждать, что представленная трехмерная модель современных течений вещества для сферической Земли является реальным обобщением концепции тектоники плит, развивающейся на протяжении полувека в рамках кинематической теории с привлечением, в основном, двумерных конвективных моделей мантийных течений, как правило, способных описывать только региональные процессы. В работе рассматриваются приложения модели для объяснения некоторых особенностей региональной геотектоники.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Л. И. Лобковский

Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: baranov@ifz.ru
Россия, Нахимовский просп., 36, Москва, 117218

А. А. Баранов

Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН

Email: baranov@ifz.ru
Россия, ул. Б. Грузинская, 10, Москва, 123995

А. М. Бобров

Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН

Email: baranov@ifz.ru
Россия, ул. Б. Грузинская, 10, Москва, 123995

А. В. Чуваев

Российский технологический университет

Email: baranov@ifz.ru
Россия, просп. Вернадского, 78, Москва, 119454

Список литературы

  1. Баранов А.А., Лобковский Л.И., Бобров А.М. Глобальная геодинамическая модель современной Земли и ее приложение для Антарктиды // ДАН. Науки о Земле. 2023. Т. 512. № 1. С. 100‒105. doi: 10.31857/S2686739723600911
  2. Бобров А.М., Баранов А.А. Структура мантийных течений и поля напряжений в двумерной модели конвекции с неньютоновской реологией // Геология и геофизика. 2014. Т. 55. № 7. С. 1015‒1027. doi: 10.1016/j.rgg.201 .06.001
  3. Бобров А.М., Баранов А.А. Модель мантийной конвекции с неньютоновской реологией и фазовыми переходами: структура течений и поля напряжений // Физика Земли. 2016. № 1. С. 133–148. doi: 10.7868/S0002333716010038
  4. Кирдяшкин А.А., Кирдяшкин А.Г. Влияние скорости движения океанической литосферы на свободно-конвективные течения в астеносфере под срединно-океаническим хребтом // Физика Земли. 2008. № 4. С. 35‒47.
  5. Лаверов Н.П., Лобковский Л.И., Кононов М.В., Добрецов Н.Л., Верниковский В.А., Соколов С.Д., Шипилов Э.В. Геодинамическая модель тектонического развития Арктики в мезозое и кайнозое и проблема внешней границы континентального шельфа России // Геотектоника. 2013. № 1. С. 3–35. doi: 10.7868/S0016853X13010050
  6. Лобковский Л.И., Баранов А.А., Бобров А.М., Чуваев А.В. Глобальная геодинамическая модель современной Земли и ее приложение для Арктического региона // ДАН. Науки о Земле. 2024. Т. 514. № 2. С. 293–299. doi: 10.31857/S2686739724020125
  7. Лобковский Л.И., Габсатаров Ю.В., Алексеев Д.А., Владимирова И.С., Рамазанов М.М., Котелкин В.Д. Геодинамическая модель взаимодействия зоны субдукции с континентальной литосферой в области перехода от Тихого океана к Восточной Азии // Геодинамика и тектонофизика. 2022. Т. 13. № 5. 0675. doi: 10.5800/GT-2022-13-5-0675
  8. Лобковский Л.И., Соколов С.Д., Сорохтин Н.О., Кононов М.В. Двухъярусная субдукция в верхней мантии как механизм эволюции литосферы Восточной Арктики в поздней юре–раннем мелу // ДАН. Науки о Земле. 2021. Т. 2. № 500. С. 123–130. doi: 10.31857/S2686739721100108
  9. Лобковский Л.И. Тектоника деформируемых литосферных плит и модель региональной геодинамики применительно к Арктике и Северо-Восточной Азии // Геология и геофизика. 2016. Т. 57. № 3. С. 476–495. doi: 10.15372/GiG20160302
  10. Лобковский Л.И., Шипилов Э.В., Кононов М.В. Геодинамическая модель верхнемантийной конвекции и преобразования литосферы Арктики в мезозое и кайнозое // Физика Земли. 2013. № 6. С. 20–38.
  11. Соколов С.Д., Лобковский Л.И., Верниковский В.А., Тучкова М.И., Сорохтин Н.О., Кононов М.В. Тектоника и геодинамика Восточной Арктики в мезозое // Геология и геофизика. 2022. Т. 63. № 4. 3890409. doi: 10.15372/GiG2021188
  12. Соколов С.Ю. Атлантико-Арктическая рифтовая система: подход к геодинамическому описанию по данным сейсмической томографии и сейсмичности // Вестн. КРАУНЦ. Сер.: Науки о Земле. 2017. Вып. 36. № 4. С. 79‒88.
  13. Соколов С.Ю., Трифонов В.Г. Роль астеносферы в перемещении и деформации литосферы (эфиопско‒афарский суперплюм и альпийско‒гималайский пояс) // Геотектоника. 2012. № 3. С. 3–17.
  14. Трифонов В.Г., Зеленин Е.А., Соколов С.Ю., Бачманов Д.М. Активная тектоника Центральной Азии // Геотектоника. 2021. № 3. С. 60‒77. doi: 10.31857/S0016853X21030097
  15. Трифонов В.Г., Соколов С.Ю. Строение мантии и тектоническая зональность центральной части Альпийско-Гималайского пояса // Геодинамика и тектонофизика. 2018. Т. 9. № 4. С. 1127–1145. doi: 10.5800/GT-2018-9-4-0386
  16. Трифонов В.Г., Соколов С.Ю. Пoдлитосферные течения в мантии // Геотектоника. 2017. № 6. C. 3–17. doi: 10.7868/S0016853X1706008X
  17. Трифонов В.Г., Соколов С.Ю. На пути к постплейт-тектонике // Вестн. РАН. 2015. Т. 85. № 7. C. 605–615.
  18. Трубицын В.П., Баранов А.А., Харыбин Е.В. Численные модели субдукции океанической коры c базальтовыми плато // Физика Земли. 2007. № 7. C. 3‒10.
  19. Филатова Н.И., Хаин В.Е. Структуры Центральной Арктики и их связь с Арктическим плюмом // Геотектоника. 2009. № 6. C. 24‒51.
  20. Хаин В.Е., Филатова Н.И., Полякова И.Д. Тектоника, геодинамика и перспективы нефтегазоносности Восточно-Арктических морей и их континентального обрамления. ‒ Под ред. Ю.О. Гаврилова, М.Г. Леонова ‒ М.: Наука, 2009. 227 с.
  21. Чуваев А.В., Баранов А.А., Бобров А.М. Численное моделирование конвекции в мантии Земли с использованием облачных технологий // Вычислительные технологии. 2020. Т. 25. № 2. C. 103‒117. doi: 10.25743/ICT.2020.25.2.009
  22. Altamimi Z., Métivier L., Rebischung P., Rouby H., Collilieux X. ITRF2014 plate motion model // Geophys. J. Int. 2017. Vol. 209. No. 3. P. 1906‒1912. doi: 10.1093/gji/ggx136
  23. Aplonov S.V. An aborted Triassic ocean in West Siberia // Tectonics. 1988. Vol. 7. P. 1103–1122.
  24. Aplonov S.V. The tectonic evolution of West Siberia: an attempt at a geophysical analysis // Tectonophysics. 1995. Vol. 245. P. 61–84.
  25. Baranov A., Tenzer R., Ghomsi F. A new Moho map of the African continent from seismic, topographic, and tectonic data // Gondwana Research. 2023. Vol. 124. P. 218–245. doi: 10.1016/j.gr.2023.06.019
  26. Becker T., O’Connell R. Predicting plate velocities with mantle circulation models // Geohem. Geophys. Geosyst. 2001. Vol. 2. doi: 10.1029/2001GC000171
  27. Becker T. On the effect of temperature and strain-rate dependent viscosity on global mantle flow, net rotation and plate-driving forces // Geophys. J. Int. 2006. Vol. 167. P. 943–957. doi: 10.1111/j.1365-246X.2006.03172.x
  28. Begg G., Griffin W., Natapov L., O’Reilly S., Grand S., O’Neill C., Hronsky J., Poudjom Y., Swain D., Deen T., Bowden P. The lithospheric architecture of Africa: seismic tomography, mantle petrology, and tectonic evolution // Geosphere. 2009. Vol. 5. P. 23–50.
  29. Bercovoci D., Ricard Y., Schubert G. A two-phase model for compaction and damage: Application to shear localization and plate boundary formation // J. Geophys. Res. 2001. Vol. 106. P. 8921‒8939.
  30. Bobrov A., Baranov A., Tenzer R. Evolution of stress fields during the supercontinent cycle // Geodes. Geodynam. 2022. Vol. 13. P. 363‒375. doi: 10.1016/j.geog.2022.01.004
  31. Bobrov A.M., Baranov A.A. Thermochemical mantle convection with drifting deformable continents: Main features of supercontinent cycle // Pure and Applied Geophysics. 2019. Vol. 176. No. 8. P. 3545–3565. doi: 10.1007/s00024-019-02164-w
  32. Bobrov A.M., Baranov A.A. Modeling of moving deformable continents by active tracers: Closing and opening of oceans, recirculation of oceanic crust // Geodynamics and Tectonophysics. 2018. Vol. 9. No. 1. P. 287–307. doi: 10.5800/GT-2018-9-1-0349
  33. Jackson M., Konter J., Becker T. Primordial helium entrained by the hottest mantle plumes // Nature. 2017. Vol. 542. P. 340–343. doi: 10.1038/nature21023
  34. Geyer A., Di Roberto A., Smellie J.L., van Wyk de Vries M., Panter K.S., Martin A.P., Cooper J.R., Young D., Pompilio M., Kyle P.R., Blankenship D. Volcanism in Antarctica: An assessment of the present state of research and future directions // J. Volcanol. Geotherm. Res. 2023. Vol. 444. Art. 107941. doi: 10.1016/j.jvolgeores.2023.107941
  35. Gurnis M. Large-scale mantle convection and aggregation and dispersal of supercontinents // Nature. 1988. Vol. 332. P. 696‒699.
  36. Lee C.K., Han S.C., Steinberger B. Influence of variable uncertainties in seismic tomography models on constraining mantle viscosity from geoid observations // Phys. Earth and Planet. Interiors. 2011. Vol. 184. No. 1‒2. P. 51–62. doi: 10.1016/j.pepi.2010.10.012
  37. Lobkovsky L., Kotelkin V. The history of supercontinents and oceans from the standpoint of thermochemical mantle convection // Precambrian Research. 2015. Vol. 259. P. 262‒277. doi: 10.1016/j.precamres.2015.01.005
  38. Maruyama S., Santosh M., Zhao D. Superplume, supercontinent, and post-perovskite: Mantle dynamics and anti-plate tectonics on the Core-Mantle Boundary // Gondwana Research. 2007. Vol. 11. P. 7–37. doi: 10.1016/j.gr.2006.06.003
  39. McNamara A.K., van Keken P.E., and Karato S.I. Development of finite strain in the convecting lower mantle and its implications for seismic anisotropy // J. Geophys. Res. 2003. Vol. 108. No. B5. Art. 2230. doi: 10.1029/2002JB001970
  40. Megnin C., Romanowicz B. The shear velocity structure of the mantle from the inversion of body, surface, and higher modes waveforms // Geophys. J. Int. 2000. Vol. 143. P. 709–728.
  41. McNamara A.K., Zhong S. Thermochemical structures within a spherical mantle: Superplumes or piles? // J. Geophys. Res. 2004. Vol. 109. No. B7. P. 1–14. doi: 10.1029/2003JB002847
  42. Paulson A., Zhong S., Wahr J. Modelling post-glacial rebound with lateral viscosity variations // Geophys. J. Int. 2005. Vol. 163. P. 357–371. doi: 10.1111/j.1365-246X.2005.02645.x
  43. Phillips B., Bunge P. Heterogeneity and time dependence in 3D spherical mantle convection models with continental drift // Earth Planet. Sci. Lett. 2005. Vol. 233. P. 121‒135. doi: 10.1016/j.epsl.2005.01.041
  44. Ramage A., Wathen A.J. Iterative solution techniques for the Stokes and Navier‒Stokes equations // Int. J. Numer. Methods. Fluids. 1994. Vol. 19. P. 67‒83.
  45. Shakhova N., Semiletov I., Salyuk A., Joussupov V., Kosmach D., and Gustaffson O. Extensive methan venting to the atmosphere from sediments of the East Arctic Shelf // Science. 2010. Vol. 327. P. 1246‒1250. doi: 10.1126/science.1182221
  46. Schubert G., Turcotte D.L., Olson P. Mantle Convection in the Earth and Planets. ‒ Ed. by D. Turcotte, (Cambridge Univ. Press, NY, CD, USA. 2001), 940 p.
  47. Tackley P.J. Self-consistent generation of tectonic plates in time-dependent, three-dimensional mantle convection simulations. 1. Pseudoplastic yielding // Geohem.Geophys. Geosyst. 2000. Vol. 1. No. 8. doi: 10.1029/2000GC000036
  48. Trubitsyn V.P. Evolutionary models of floating continents // Rus. J. Earth Sci. 2004. Vol. 6. No. 5. P. 311‒322.
  49. Zhong S., Zhang N., Li Z.X., Roberts J.H. Supercontinent cycles, true polar wander, and very long-wavelength mantle convection // Earth Planet. Sci. Lett. 2007. Vol. 261. P. 551–564.
  50. CitcomS. URL: https://github.com/geodynamics/citcoms. Accessed June, 2024.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Приложение

Скачать (3MB)
Метаданные
3. Рис. 1. Распределение по глубине в мантии полной температуры и логарифма вязкости. (а) ‒ Полная температура; (б) ‒ логарифм вязкости.

Скачать (194KB)
Метаданные
4. Рис. 2. Распределение аномалий температуры в мантии на глубине 100 км (модель построена с использованием программного обеспечения CitcomS [50]). Показано: контур континентов (линия черным); рассчитанные скорости на поверхности Земли (стрелки черным).

Скачать (615KB)
Метаданные
5. Рис. 3. Сечение по глубине 300 км (модель построена с использованием программного обеспечения CitcomS [50]). Показано: контур континентов (линия черным); рассчитанные скорости на глубине 300 км (стрелки черным). Обозначено сечение Земли по: 20° и 200° в.д. (рамка красным); 40° и 220° в.д. (рамка голубым); 110° и 290° в.д. (рамка синим); 160° и 340° в.д. (рамка розовым).

Скачать (664KB)
Метаданные
6. Рис. 4. Сечение по глубине 660 км (модель построена с использованием программного обеспечения CitcomS [50]). Показано: контур континентов (линия черным); рассчитанные скорости на глубине 300 км (стрелки черным). Обозначено сечение Земли по: 20° и 200° в.д. (рамка красным); 40° и 220° в.д. (рамка голубым); 110° и 290° в.д. (рамка синим); 160° и 340° в.д. (рамка розовым).

Скачать (700KB)
Метаданные
7. Рис. 5. Сечение по глубине 2850 км (модель построена с использованием программного обеспечения CitcomS [50]). Показано: контур континентов (линия черным); рассчитанные скорости на глубине 300 км (стрелки черным). Обозначено: сечение Земли по 20° и 200° в.д. (рамка красным); 40° и 220° в.д. (рамка голубым); 110° и 290° в.д. (рамка синим); 160° и 340° в.д. (рамка розовым).

Скачать (628KB)
Метаданные
8. Рис. 6. Распределение аномалий температуры и скоростей течений в мантии Земли в сечении по 20° и 200° в.д. (модель построена с использованием программного обеспечения CitcomS [50]). Обозначено: граница между верхней и нижней мантией на глубине 660 км (круг линией черным).

Скачать (610KB)
Метаданные
9. Рис. 7. Распределение аномалий температуры и скоростей в мантии Земли в сечении по 40° и 220° в.д. (модель построена с использованием программного обеспечения CitcomS [50]). Обозначено: граница между верхней и нижней мантией на глубине 660 км (круг линией черным).

Скачать (674KB)
Метаданные
10. Рис. 8. Распределение аномалий температуры и скоростей течений в мантии Земли в сечении по 110° и 290° в.д. (модель построена с использованием программного обеспечения CitcomS [50]). Обозначено: граница между верхней и нижней мантией на глубине 660 км (круг линией черным).

Скачать (633KB)
Метаданные
11. Рис. 9. Распределение аномалий температуры и скоростей течений в мантии Земли в сечении по 160° в.д. и 340° в.д. (модель построена с использованием программного обеспечения CitcomS [50]). Обозначено: граница между верхней и нижней мантией на глубине 660 км (круг линией черным).

Скачать (618KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025