Від глобальної тектоніки до глобальної геодинаміці
DOI:
https://doi.org/10.24028/gzh.0203-3100.v40i5.2018.147475Ключові слова:
global tectonics, global geodynamics, heat balance of the Earth, geoneutrinos, heat flow at the core—mantle boundaryАнотація
Згідно зі спостереженнями, на Землі функціонує глобальна (плитова) тектоніка, найхарактернішими ознаками якої є спрединг океанського дна у серединно- океанічних хребтах і субдукція у глибоководних жолобах. Наявність цих процесів засвідчує існування мантійних течій. Однак побудувати послідовну кількісну теорію мантійної конвекції, залишаючись у рамках плитової тектоніки, неможливо, тому що неможливо відповісти на питання, де "закінчується" тектонічна плита. З математичної точки зору, трудністю глобальної тектоніки є відсутність граничних і початкових умов, використання яких дало би змогу розглядати задачу про еволюцію деякої виділеної частини планети (наприклад, верхньої мантії). Тому для отримання фізично обґрунтованої відповіді на питання про причини і джерела енергії мантійних рухів слід розглядати еволюцію планети як єдине ціле. Така постановка задачі і веде до глобальної геодинаміки. На відміну від глобальної тектоніки, яка, фактично, ігнорує існування ядра Землі, для глобальної геодинаміки рідке зовнішнє і тверде внутрішнє ядра, а також процеси на межі між ними і на межі між ядром і мантією, що рішуче впливають на мантійну динаміку, є основними об'єктами дослідження. У цьому огляді розглянуто лише проблему глобального теплового балансу Землі. Вже у найближчі роки за результатами нейтринного експерименту буде надійно оцінено повну потужность радіогенного тепловиділення в Землі й оцінено потік тепла з ядра в мантію. Вже одне це суттєво звузить вибір моделей, що описують процеси в ядрі. Уточнення температури на межі внутрішнього і зовнішнього ядер і характеру перемішування у зовнішньому ядрі дасть змогу зменшити невизначеність температури на нижній межі мантії і сформулювати крайову задачу динаміки мантійних течій. Тим самим буде перекинуто міст від глобальної геодинаміки до глобальної тектоніки і поставлено на міцну фізичну основу уявлення останньої.Посилання
Aryasova, O. V., & Khazan, Ya. M. (2013a). Interaction of mantle convection with the lithosphere and the origin of kimberlites. Geofizicheskiy zhurnal, 35(5), 150—171. https://doi. org/10.24028/gzh.0203-3100.v35i5.2013. 116445 (in Russian).
Aryasova, O. V., & Khazan, Ya. M. (2013b). “Clifford’s Rule” and the geodynamics of kimberlite magmatism. Geofizicheskiy zhurnal, 35(6), 101—113. https://doi.org/10.24028/gzh.0203-3100.v35i6.2013.116453 (in Russian).
Gintov, O. B., & Starostenko, V. I. (2018). Introduction. In Essays on geodynamics of Ukraine (pp. 11—16). Kiev: LLC “Predpriyatiye “VI EN EY”” (in Russian).
Landau, L. D., & Lifshitz, E. M. (1986). Hydrodynamics. Moscow: Nauka (in Russian).
Agostini, M., Appel, S., Bellini, G., Benziger, J., Bick, D., Bonfini, G., ... Zuzel, G. (2015). Spectroscopy of geo-neutrinos from 2056 days of Borexino data. Physical Review D, 92(3), 031 101. doi: 10.1103/PhysRevD.92.031101.
Altamimi, Z., Collilieux, X., & Métivier, L. (2011). ITRF2008: an improved solution of the international terrestrial reference frame. Journal of Geodesy, 85(8), 457—473. https://doi.org/10. 1007/s00190-011-0444-4.
Anufriev, A. P., Jones, C. A., & Soward, A. M. (2005). The Boussinesq and anelastic liquid approximations for convection in the Earth’s core. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 152(3), 163—190. doi: 10.1016/j.pepi. 2005.06.004.
Aryasova, O. V., & Khazan, Y. M. (2016). A new approach to computing steady-state geotherms: The marginal stability condition. Tectonophy-sics, 693, 32—46. http://dx.doi.org/10.1016/j.tecto.2016.10.014.
Bebout, G. E., Scholl, D. W., Stern, R. J., Wallace, L. M., & Agard, P. (2017). Twenty years of subduction zone science: Subduction top to bottom 2 (ST2B-2). GSA Today, 28(2), 4—10. doi: 10.1130/GSATG354A.1.
Becker, T. W., & Boschi, L. (2002). A comparison of tomographic and geodynamic mantle models. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 3(1), 1003. doi: 10.129/2001GC000168.
Biggin, A. J., Piispa, E. J., Pesonen, L. J., Holme, R., Paterson, G. A., Veikkolainen, T., & Tauxe, L. (2015). Palaeomagnetic field intensity variations suggest Mesoproterozoic inner-core nucleation. Nature, 256, 245—248. doi: 10.1038/nature15523.
Bird, P. (2003). An updated digital model of plate boundaries. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 4(3), 1027. doi: 10.1029/2001GC 000252.
Buffett, B. A. (2015). Core-mantle interactions. In G. Schubert (Ed.), Treatise on Geophysics (Vol. 8, pp. 213—224). Oxford: Elsevier. doi: 10.1016/B978-0-444-53802-4.00148-2.
Bullen, K. E. (1949). Compressibility-Pressure Hypothesis and the Earth’s Interior. Geophysical Journal International, 5(9), 335—368. doi: 10.1111/j.1365-246X.1949.tb02952.x.
Davies, J. H., & Davies, D. R. (2010). Earth’s surface heat flux. Solid Earth, 1(1), 15—24. doi: 10.5194/se-1-5-2010.
Deguen, R. (2012). Structure and dynamics of Earth’s inner-core. Earth and Planetary Science Letters, 333-334, 211—225. doi: 10.1016/j.epsl.2012.04.038.
De Koker, N., Neumann, G. S., & Vlček, V. (2012). Electrical resistivity and thermal conductivity of liquid Fe alloys at high P and T, and heat flux in Earth’s core. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, 109(11), 4070—4073. doi: 10.1073/pnas.111184 1109.
De Paor, D. G. (2017). A grand tour of the ocean basins. Eos, 98. https://doi.org/10.1029/2017 EO081093.
Dietz, R. S. (1961). Continent and ocean basin evolution by spreading of the sea floor. Nature, 190, 854—857. doi: 10.1038/190854a0.
Dye, S. T. (2012). Geoneutrinos and the radioactive power of the Earth. Reviews of Geophysics, 50, RG3007. doi: 10.1029/2012RG000400.
Dziewonski, A. M. (1984). Mapping the lower mantle: Determination of lateral heterogeneity in P velocity up to degree and order 6. Journal of Geophysical Research, 8, 5929—5952. doi: 10.1029/JB089iB07p05929.
Dziewonski, A. M., & Anderson, D. L. (1981). Preliminary reference Earth model. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 25(4), 297—356. doi: 10.1016/0031-9201(81)90046-7.
Dziewonski, A. M., & Romanowicz, B. A. (2015). Deep Earth Seismology: An Introduction and Overview. In G. Schubert (Ed.), Treatise on Geophysics (Vol. 2, pp. 1—28). Oxford: Elsevier. doi: 10.1016/B978-0-444-53802-4.00001-4.
ETOPO5: Data Announcement 88-MGG-02, Digital relief of the Surface of the Earth. (1988). NOAA, National Center for Environmental In-formation. Retrived from https://www.ngdc. noaa.gov/mgg/global/etopo5.HTML.
Fischer, R. A. (2016). Melting of Fe Alloys and the Thermal Structure of the Core. In H. Terasaki, & R. A. Fischer (Eds.), Deep Earth: Physics and Chemistry of the Lower Mantle and Core (pp. 3—12). Washington, DC: AGU.
Fujiwara, T., Kodaira, S., No, T., Kaiho, Y., Takahashi, N., & Kaneda, K. (2011). The 2011 Tohoku-Oki earthquake: Displacement reaching the trench axis. Science, 234, 1240. doi: 10.1126/science.1211554.
Goes, S., Eakin, C. M., & Ritsema, J. (2013). Lithospheric cooling trends and deviations in oceanic PP-P and SS-S differential traveltimes. Journal of Geophysical Research. Solid Earth, 118, 996—1007. doi: 10.1002/jgrb.50092.
Grand, S. P. (2002). Mantle shear-wave tomography and the fate of subducted slabs. Philosophical Transactions: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 360, 2475—2491. doi: 10.1098/rsta.2002.1077.
Hasterok, D. (2013). A heat flow based cooling model for tectonic plates. Earth and Planetary Science Letters, 361, 34—43. doi: 10.1016/j.epsl.2012.10.036.
Heezen, B. C., Ewino, M., & Miller, E. T. (1953). Transatlantic profile of total magnetic intensity and topography Dakar to Barbados. Deep-Sea Research, 1(1), 25—33. doi: 10.1016/0146-6313(53)90006-9.
Heirtzler, J. R., Dickson, G. O., Herron, E. M., Pitman, W. C., & Le Pichon, X. (1968). Marine magnetic anomalies, geomagnetic field reversals, and motions of the ocean floor and continents. Journal of Geophysical Research, 73, 2119—2136. doi: 10.1029/JB073i006p02119.
Hernlund, J. W., & McNamara, A. K. (2015). The core-mantle boundary region. In D. Bercovici, & G. Schubert (Eds.), Treatise on Geo-physics (Vol. 7-8, pp. 461—519). Oxford: Elsevier. doi: 10.1016/B978-0-444-53802-4.00 136-6.
Hess, H. H. (1962). History of ocean basins. In A. E. J. Engel, L. H. James, & B. F. Leonard (Eds.), Petrologic studies: A volume to honor of A. F. Buddington (pp. 599—620). New York: Publ. The Geological Society of America.
Hirth, G., & Kohlstedt, D. L. (2003). Rheology of the upper mantle and the mantle wedge: A view from the experimentalists. In Eiler J. (Ed.), Inside the Subduction Factory. Geophysical Monograph (Vol. 138, pp. 83—105). Washington, DC: American Geophysical Union.
Ito, Y., Tsuji, T., Osada, Y., Kido, M., Inazu, D., Hayashi, Y., … Fujimoto, H. (2011). Frontal wedge deformation near the source region of the 2011 Tohoku-Oki earthquake. Geophysical Research Letters, 38(15), L00G05. doi: 10. 1029/2011GL048355.
Jones, C. A. (2015). Thermal and compositional convection in the outer core. In G. Schubert (Ed.), Treatise on Geophysics (Vol. 8, pp. 115—159). Elsevier: Oxford.
Karato, S. (2008). Deformation of Earth Materials. Cambridge: Cambridge University Press.
Kaufmann, G., & Lambeck, K. 2002. Glacial isostatic adjustment and the radial viscosity profile from inverse modeling. Journal of Geophysical Research, 107(B11), 2280. doi: 10. 1029/ 2001JB000941.
Kavner, A., & Rainey, E. S. G. (2016). Heat Transfer in the Core and Mantle. In H. Terasaki, & R. A. Fischer (Eds.), Deep Earth: Physics and Chemistry of the Lower Mantle and Core (pp. 31—42). Washington, DC: AGU.
Kennett, B., Widiyantoro, S., & van der Hilst, R. (1998). Joint seismic tomography for bulk so-und and shear wave speed in the Earth’s mantle. Journal of Geophysical Research. Solid Earth, 103, 12469—12493. doi: 10.1029/98JB00150.
Kohlstedt, D. L., & Hansen, L. N. (2015). Constitutive Equations, Rheological Behavior, and Viscosity of Rocks. In G. Schubert (Ed.), Treatise on Geophysics (Vol.2, pp. 441—472). Ox-ford: Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-444-53802-4.00042-7.
Kustowski, B., Ekström, G., & Dziewonski, A. M. (2008). The shear-wave velocity structure in the upper mantle beneath Eurasia. Geophysical Journal International, 174, 978—992. doi: 10.1111/j.1365-246X.2008.03865.x.
Lay, T., Hernlund, J. & Buffett, B. (2008). Core-mantle boundary heat flow. Nature Geoscience, 1, 25—32. doi: 10.1038/ngeo.2007.44.
Lay, T. (2015). Deep Earth Structure: Lower Mantle and D" Rocks. In G. Schubert (Ed.), Treatise on Geophysics (Vol. 1, pp. 684—723). Oxford: Elsevier. doi: 10.1016/B978-0-444-538 02-4.00019-1.
Leyton, M., Dye, S., & Monroe J. (2017). Exploring the hidden interior of the Earth with directional neutrino measurements. Nature Communications, 8, 15989. doi: 10.1038/ncomms 15989.
Litasov, K. D., & Shatskiy, A. F. (2016). Composition of the Earth’s core: A review. Russian Geology and Geophysics, 57, 22—46. doi: 10.1016/j.rgg.2016.01.003.
Masters, G., Laske, G., Bolton, H., & Dziewonski, A. M. (2000). The relative behavior of shear velocity, bulk sound speed, and compressional velocity in the mantle: Implications for chemical and thermal structure. In S. Karato, A. Forte, R. Liebermann, G. Masters, & L. Stixrude (Eds.), Earth’s deep interior: mineral physics and tomography from the atomic to the global scale. Geophysical monograph (pp. 63—87). Washington, DC: AGU.
McCarthy, C., & Takei, Y. (2011). Anelasticity and viscosity of partially molten rock analog: Toward seismic detection of small quantities of melt. Geophysical Research Letters, 38, L18306. doi: 10.1029/2011GL048776.
McDonough, W. F. (2003). Compositional mo-del for the Earth's core. In H. D. Holland, & K. K. Turekian (Eds.), Treatise on Geochemistry. The Mantle and the Core (Vol. 2, pp. 547—568). New York: Elsevier.
McKenzie, D. P. (1967). Some remarks on heat flow and gravity anomalies. Journal of Geophysical Research, 72, 6261—6273. https://doi.org/10.1029/JZ072i024p06261.
McKenzie, D. P. (1969). Speculations on the consequences and causes of plate motions. Geophysical Journal International, 18(1), 1—32. https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.1969. tb00259.x.
Mouslopoulou, V., Oncken, O., Hainzl, S., & Nicol, A. (2016). Uplift rate transients at subduction margins due to earthquake clustering. Tectonics, 35, 2370—2384. doi: 10.1002/2016TC004248.
Müller, R. D., Sdrolias, M., Gaina, C., & Roest W. R. (2008). Age, spreading rates, and spreading asymmetry of the world’s ocean crust. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 9, Q04006. doi: 10.1029/2007GC001743.
Ni, S., Tan, E., Gurnis, M., & Helmberger, D. (2002). Sharp sides to the African superplume. Science, 296, 1850—1852. doi: 10.1126/scien ce.1070698.
Nimmo, F. (2002). Why does Venus lack magnetic field? Geology, 30, 987—990. doi: 10. 1130/0091-7613(2002)030<0987:WDVLAM> 2.0.CO;2.
Panet, I., Pollitz, F., Mikhailov, V., Diament, M., Banerjee, P., & Grijalva, K. (2010). Upper mantle rheology from GRACE and GPS postseismic deformation after the 2004 Sumatra-Andaman earthquake. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 11(6). doi: 10.1029/2009GC 002905.
Parsons, B., & Sclater, J. G. (1977). An analysis of the variation of ocean floor bathymetry and heat flow with age. Journal of Geophysical Research, 82, 803—827. https://doi.org/10.1 029/JB082i005p00803.
Pitman, W. C. III, & Heirtzler, J. B. (1966). Magnetic anomalies over the Pacific-Antarctic ridge. Science, 154, 1164—1171. doi: 10.1126/sci ence.154.3753.1164.
Plafker, G. (1965). Tectonic deformation associated with the 1964 Alaska earthquake. Science, 148, 1675—1687. doi: 10.1126/science. 148.3678.1675.
Plafker, G. (1969). Tectonics of the March 27, 1964, Alaska earthquake. U.S. Geological Survey Professional Paper 543-I. https://pubs.usgs. gov/pp/0543i/74 p.
Plafker, G. (1972). Alaskan earthquake of 1964 and Chilean earthquake of 1960: Implication for Arc Tectonics. Journal of Geophysical Re-search, 77(5), 901—925. https://doi.org/10. 1029/JB077i005p00901.
Pozzo, M., Davies, C., Gubbins, D. & Alfe, D. (2012). Thermal and electrical conductivity of iron at Earth’s core conditions. Nature, 485, 355—358. doi: 10.1038/nature11031.
Ritzwoller, M. H., Shapiro, N. M., & Zhong, S. J. (2004). Cooling history of the Pacific litho-sphere. Earth and Planetary Science Letters, 226, 69—84. doi: 10.1016/j.epsl.2004.07.032.
Ritsema, H. J., van Heijst, J. H., & Woodhouse, J. H. (1999). Complex shear velocity structure beneath Africa and Iceland. Science, 286, 1925—1928. doi: 10.1126/science.286.5446.1925.
Russel, C. T. (1993). Magnetic fields of terrestrial planets. Journal of Geophysical Research, 98, 18,681—18,695. doi: 10.1029/93JE00981/pdf.
Satake, K., & Atwater, B. F. (2007). Long-term perspectives on giant earthquakes and tsunamis at subduction zones. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 35, 349—374. doi: 10.1146/annurev.earth.35.031306.140302.
Sato, M. Ishikawa, T., Ujihara, N., Yoshida, S., Fujita, M., Mochizuki, M., & Asada, A. (2011). Displacement above the hypocenter of the 2011 Tohoku-Oki earthquake. Science, 232, 1395. doi: 10.1126/science.1207401.
Sleep, N. H. (1997). Lateral flow and ponding of starting plume material. Journal of Geophysical Research, 102, 10001—10012. doi: 10. 1029/97JB00551.
Stein, C. A., Stein, S. (1992). A model for the global variation in oceanic depth and heat flow with lithospheric age. Nature, 359, 123—129. doi: 10.1038/359123a0.
Subarya, C., Chlieh, M., Prawirodirdjo, L., Avouac, J. P., Bock, Y., Sieh, K., … McCaffrey, R. (2006). Plate-boundary deformation associated with the great Sumatra-Andaman earthquake. Nature, 440, 46—50. doi: 10.1038/nature 04522.
Tackley, P. J. (2012). Dynamics and evolution of the deep mantle resulting from thermal, chemical, phase and melting effects. Earth-Science Reviews, 110, 1—25. doi: 10.1016/j. earscirev.2011.10.001.
Tkalčić, H. (2015). Complex inner core of the Earth: The last frontier of global seismology. Reviews of Geophysics, 53(1), 59—94. doi: 10. 1002/2014RG000469.
To, A., Romanowicz, B., Capdeville, Y., & Takeuchi, N. (2005). 3D effects of sharp boundaries at the borders of the African and Pacific Superplumes: Observation and modeling. Earth and Planetary Science Letters, 233, 237—253. doi: 10.1016/j.epsl.2005.01.037.
Torsvik, T. H., Smethurst, M. A., Burke, K., & Steinberger, B. (2006). Large igneous provinces generated from the margins of the large low-velocity provinces in the deep mantle. Geophysical Journal International, 167, 1447—1460. doi: 10.1111/j.1365-246X.2006.03158.x.
Torsvik, T. H., Burke, K., Steinberger, B., Webb, S. J., & Ashwal, L. D. (2010). Diamonds sampled by plumes from the core—mantle boundary. Nature, 466, 352—355. doi: 10.1038/nature09216.
Tsuchiya, T., Kawai, K., Wang, X., Ichikawa, H., & Dekura, H. (2016). Temperature of the lower mantle and core based on ab initio mineral physics data. In H. Terasaki, & R. A. Fischer (Eds.), Deep Earth: Physics and Chemistry of the Lower Mantle and Core (pp. 13—30). Washington, DC: AGU.
Van Schmus, W. R. (1995). Natural radioactivity of the crust and mantle. In T. J. Ahrens (Ed.), Global Earth Physics: A Handbook of Physical Constants (pp. 283—291). Washington, DC: AGU.
Vening Meinesz, F. A. (1962). Thermal convection in the Earth’s mantle. In S. K. Runcorn (Ed.), Continental Drift (pp. 145—176). New York: Academic Press.
Vening Meinesz, F. A. (1964). The Earth’s crust and mantle. Amsterdam: Elsevier.
Vine, F. J., & Matthews, D. H. (1963). Magnetic anomalies over oceanic ridges. Nature, 199, 947—949. doi: 10.1038/199947a0.
Wada, I., & King, S. (2015). Dynamics of subducting slabs: Numerical modeling and constraints from seismology, geoid, topography, geochemistry, and petrology. In G. Schubert (Ed.), Treatise on Geophysics (Vol. 7, pp. 339—391). Oxford: Elsevier.
Wang, K. (2007). Elastic and Viscoelastic Models of Crustal Deformation, In T. H. Dixon, & J. C. Moore (Eds.), The Seismogenic Zone of Subduction Thrust Faults (pp. 540—575). New York: Columbia University Press. doi: 10.7312/dixo13866-017.
Wang, Y., & Wen, L. (2007). Geometry and P and S velocity structures of the “African Anomaly”. Journal of Geophysical Research, 112, B05313. doi: 10.1029/2006JB004483.
Watters, T. M., & Nimmo, F. (2009). The tectonics of Mercury. In T. R. Watters, & R. A. Schultz (Eds), Planetary Tectonics (pp. 15—80). Cambridge: Cambridge University Press.
Wegener, A. (1912). The origin of continents. International Journal of Earth Sciences, 91, 4—17. doi: 10.1007/s00531-002-0271-1.
Wegener, A. (1929). Die Entstehung der Kontinente und Ozeane. Braunschweig: Friedr. Vieweg & Sohn Akt. Ges. https://ia800502.us. archive.org/11/items/Entstehung1929/Ents tehung1929.pdf.
Zweck, C., Freymueller, J. T., & Cohen, S. C. (2002). Three-dimensional elastic dislocation modeling of the postseismic response to the 1964 Alaska earthquake. Journal of Geophysical Research, 107(B4), 2064. doi: 10.1029/2001 JB000409.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2020 Геофізичний журнал
![Creative Commons License](http://i.creativecommons.org/l/by/4.0/88x31.png)
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
1. Автори зберігають за собою авторські права на роботу і передають журналу право першої публікації разом з роботою, одночасно ліцензуючи її на умовах Creative Commons Attribution License, яка дозволяє іншим поширювати дану роботу з обов'язковим зазначенням авторства даної роботи і посиланням на оригінальну публікацію в цьому журналі .
2. Автори зберігають право укладати окремі, додаткові контрактні угоди на не ексклюзивне поширення версії роботи, опублікованої цим журналом (наприклад, розмістити її в університетському сховищі або опублікувати її в книзі), з посиланням на оригінальну публікацію в цьому журналі.
3. Авторам дозволяється розміщувати їх роботу в мережі Інтернет (наприклад, в університетському сховище або на їх персональному веб-сайті) до і під час процесу розгляду її даними журналом, так як це може привести до продуктивної обговоренню, а також до більшої кількості посилань на дану опубліковану роботу (Дивись The Effect of Open Access).