Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

dobrecov_n_l_kirdyashkin_a_g_kirdyashkin_a_a_glubinnaya_geod

.pdf
Скачиваний:
22
Добавлен:
28.03.2016
Размер:
41.98 Mб
Скачать

РОССИЙСКАЯ АКМЕМИЯ НАУК

СИБИРСКОЕ ОТilЕЛЕНИЕ

ОБЬЕilИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ГЕОЛОГИИ, ГЕОФИЗИКИ И МИНЕРАЛОГИИ

TPYilbI, ВЫП. 850

RUSSIAN АСАОЕМУ OF SCIENCES

SIBERIAN BRANCH

UNIТED INSТlTUТE OF GEOLOGY, GEOPHYSICS AND MINERALOGY

TRANSACTION, ISSUE 850

N.L.DOBRETSOV А.С. KIRDYASHKIN and А.А. KIRDYASHКlN

Second edition, added and reworked

PubIished Ьу Siberian Branch

of the Ru ssian Academy of Sciences Branch « GEO»

2001

Н. л. дОБРЕUОВ А. г. КИРдЯШКИН А. А. КИРblIШКИН

Издание второе, дополненное и переработанное

Новосибирск

ИЗАательство СО РАН Филиал « ГЕО»

2001

УДК 551.2+551.14+536.25 ББК 26.324

Д556

Добрецов Н. л. , КИрДЯШКИН А. г., КИрДЯШКИН А. А. Глубинная геодинамика. 2-е изд. , дол.

и лерераб. Новосибирск: Изд-во СО РАН, филиал «ГЕО», 2001. 409 с.

ISBN 5-7692-0499-0

в книге представлены основы теплофизического моделирования, а также результаты теплофизического

моделирования, полученные авторами, и их геодинамические приложения; динамика процессов, протекающих

втектоносфере, с учетом геофизических и петрологических данных и, как следствие, новые постановки задач

вобласти геодинамики.

Большое внимание уделяется изучению тепловой конвекции в верхней и нижней мантии Земли, моделированию турбулентной конвекции во внешнем ядре, условиям формирования и динамике мантийных

плюмов. Последовательно представлены теплофизические модели тепловой конвекции в астеносфере в зоне

срединно-океанического хребта и вблизи зоны субдукции, теплофизическая модель нижнемантийной конвекции с учетом влияния зон субдукции; модели свободно-конвективных течений вблизи границы ядро-мантия.

Предложены возможные модели генерации магнитного поля Земли; спрединга и континентального рифтинга;

аккреционного клина как главного регулятора субдукционного процесса и рассмотрены процессы магматизма и метаморфизма в зонах субдукции и коллизии. Представлена схема эволюции активных зон Земли, показаны особенности структуры и эволюции литосферы, проанализирована периодичность геологических процессов, а также периодичность изменений климата и эволюция биосферы.

Для геологов, геохимиков, геофизиков и теплофизиков, занимающихся изучением геодинамических

процессов, а также студентов вузов.

The book presents the fundamentals ofthermophysical modeling, results ofthermophysical modeling obtained Ьу the authors, and geodynamic applications. Dynamics oftectonospheric processes is considered with regard to geophysical and petrological data. Formulation ofnovel geodynamic probIems stems from the analysis conducted.

Thermal convection in the upper and lower mantle and modeling of turbulent convection in the outer core plus mantle plume formation and dynamics are given much attention in the book. Thermophysical models for asthenospheric convection in the vicinity of mid-ocean ridge and subduction zone are presented, as well as а model for the lower mantle convection, which accounts for the influence ofthe subduction zone. Based upon modeling offree-convective flow at the core-mantle boundary, а plausibIe model for the Earth's magnetic field generation has been proposed. Осеап floor spreading and continental rifting are considered in detail. The model for accretion wedge is presented. According to this model, the accretion wedge is regarded as the main regulator of subduction process. Magmatism and methamorphism of subduction zone are treated together with those of collision zone. The evolution scheme for active zones ofthe Earth is presented. The structural and evolution featиres of lithosphere are shown. The periodicity of geologic and climatic changes and evolution ofbiosphere are analyzed.

The book is useful for geochemists, geologists, geophysicists, and specialists in thermophysics who investigate geodynamic processes. It is also suitabIe for students who study the above-mentioned disciplines.

Рецензенты

чл.-кор. РАН М. И. Кузьмин д-р геол.-мин. наук В. А. Симонов

д-р геол.-мин. наук С. А. Тычков

 

©

Добрецов Н. л., Кирдяшкин А. г.,

 

 

Кирдяшкин А. А., 2001

ISBN 5-7692-0499-0

©

оиггм СО РАН, 2001

ПРЕАИСЛОВИЕ К ПЕРВОМУ ИЗМНИЮ

Эта книга является первой попыткой обоб­

щения нового материала по геодинамике в целом

и особенно по глубинной геодинамике, экспери­

ментально и теоретически изученного авторами

и накопившегося за последние годы как в рус­

ской, так и в зарубежной литературе. В работе

использован также курс лекций, прочитанный

студентам геолого-геофизического факультета

ИГУ в 1992-1994 гг.

Уже само название "Глубинная геодинами­ ка" говорит о том, что главное внимание будет

уделено подкоровым процессам, происходящим

на границе литосфера-астеносфера в активных зонах Земли, на границе верхняя-нижняя ман­ тия и нижняя мантия-ядро. У нас в стране опуб­ ликованы две подобные работы по геодинами­ ке - "Введение в геодинамику" [Зоненшайн, Са­ востин, 1979] и "Палеогеодинамика" [Зонен­ шайн, Кузьмин, 1993а], причем только в послед­ ней частично рассмотрены вопросы, обсуждае­

мые в нашей книге. В ней же рекомендуется оп­

ределение геодинамики как "науки о глубинных

силах и процессах, возникающих в результате

эволюции Земли, как планеты, и обусловливаю­

щих движение масс вещества и энергии внутри

Земли и в ее верхних оболочках... Термин гео­

динамика используется в широком смысле и

включает как общую, или глубинную, геодина­

мику, так и частную геодинамику, построенную

на основе тектоники литосферных плит" [Зонен­ шайн, Кузьмин, 1993а, с. 3] .

В работе л.п. Зоненшайна и М.И. Кузьмина

[1993а], а также в других их статьях [Зоненшайн,

Кузьмин, 1983, 1993б; Zonenshain et al., 1991] на

основе обобщения геологических и геохимиче­

ских данных предлагается двухуровневая модель

тектонического строения и развития Земли: а) тектоника литосферных плит отражает движе­

ние плит, ответственных за закрытие и открытие

океанов и образование складчатых поясов и гор,

и связана с активностью верхней мантии (преж­

де всего астеносферы); б) тектоника горячих по­ лей позволяет судить об эволюции глубинных оболочек (прежде всего о поднятии плюмов от границы ядро-мантия) и объясняет общую на­ правленность и цикличность в развитии Земли.

Независимо от этого в ряде статей [Добре­ цов, Кирдяшкин, 1991, 1993; Добрецов и др.,

1993; Dobretsov, Кirdyashkin, 1992, 1993, 1994] с

использованием петрологического материала, эк­

спериментального и численного моделирования

авторы обосновывают модель двухслойной (или

двухуровневой) конвекции в мантии с одновре­ менным активным влиянием мантийных плюмов трех уровней, поднимающихся от границ ядро­ мантия, нижняя-верхняя мантия и субдуцируе­

мой плиты в верхней мантии.

Аналогичные модели в последние годы раз­ вивают и некоторые зарубежные авторы. В част­

ности, в специальном выпуске J. Geol. Soc. Japan,

1994, N 1, в ряде статей [Maruyama, 1994; Fиkao

et al., 1994] обосновывается "новая парадигма" строения, эволюции и геодинамики Земли и пла­

нет земной группы, сочетающая тектонику плит

и тектонику плюмов. Как видно из этих работ, тектоника горячих полей, развиваемая л.п. Зо­ неншайном и М.И. Кузьминым с 1983 г., замене­ на (безо всяких ссылок) на тектонику плюмов,

вслед за многими зарубежными работами о ман­

тийных плюмах и суперплюмах [Morgan, 1971;

O'Nions et al., 1979; Larson 1991; Cazenave, Thoraval 1994; и др.].

5

Предисловие к первому изданию

Сопоставляя результаты наших работ и дан­ ные публикаций л.п. Зоненшайна и м.и. Кузь­

мина, основанные на разной фактологической

базе, видим, что основные выводы совпадают или

дополняют друг друга и могут быть сформули­

рованы в виде следующих тезисов, доложенных

НЛ. Добрецовым и м.и. Кузьминым на 1 Международном симпозиуме, посвященном памяти лл. Зоненшайна, проходившем в Звени­ городе в октябре 1993 г.

1. Геологические, геохимические и экспери­

ментальные данные подтверждают модель двух­

динамика зон субдукции, двухслойная конвекция в верхней и нижней мантии, возможные модели

и параметры мантийных плюмов. Первая глава,

вводная, кратко систематизирует основные све­

дения о строении и развитии Земли.

Чтобы подчеркнуть значение обсуждаемых

вопросов, приведем оценку приоритетов в науках

о твердой Земле, выполненную Академией наук

США [Wyllie et al., 1993].

Из фундаментальных исследований приори­ тет (24 из 32 % ассигнований) имеют геодинами­

ческие задачи, а внутри них исследование актив­

слойной мантийной конвекции в комбинации с

двухэтажными мантийными плюмами.

2.Тектоника плит ограничивается верхни­ ми оболочками Земли и связана с конвективны­ ми течениями в астеносфере, с сильным влияни­ ем процессов субдукции, которые коррелируют

снисходящими потоками в нижней мантии.

3.Тектоника плюмов (горячих полей) отра­ жает процессы в нижней мантии и связана с вос­

ходящими потоками и (или) мантийными плю­

мами, которые генерируются на границе ядро­

мантия и в дальнейшем трансформируются на

границе верхняя-нижняя мантия.

4. Экспериментальное и численное модели­

рование показывает возможность тепловой гра­ витационной природы мантийных плюмов с ко­

ротким «5 млн лет) периодом их подъема к по­ верхности, обосновывает условия их стабильно­ сти, коррелируемые с геологическими наблюде­

ниями.

Но изложение материала в данной книге не сводится только к обоснованию этих тезисов. Преследуя и учебную цель, мы постараемся из­ ложить основы физического моделирования и его

использования при решении ключевых задач гео­

ных коровых деформаций, выяснение эволюции коры, изучение мантийной конвекции и ПРJ1РОДЫ

границы яДРо-мантия, которые как раз и стали

предметом обсуждения настоящей книги. Другие фундаментальные исследования (флюидное дав­ ление и состав флюидов в коре, модели взаимо­ действия гео- и биогеохимических циклов и др.)

примыкают к исследованию геодинамических

проблем. Не менее важно и ТО, что без их решения

невозможно решить и прикладные приоритетные

проблемы, такие как происхождение осадочных (в том числе нефтегазовых) бассейнов, определе­ ние стратегии разработки энергетических и мине­

ральных ресурсов, предсказание районов сейсми­

ческих и других природных катастроф.

В проведении экспериментов участвовали

также и.н. Гладков, А.А. Кирдяшкин, в подборе материала и обсуждении книги - члены-коррес­

понденты РАН Ч.Б. Борукаев и м.и. Кузьмин, а также И.В. Ащепков, Н.А. Берзин, М.М. Буслов.

Авторы искренне признательны всем сво­

им коллегам, принявшим участие в подготовке,

обсуждении и создании этой книги, и благодарят также докторов наук В.Н. Шарапова и А.Н. Че­

репанова за конструктивные замечания.

динамики, таких как строение и механизм обра­

Работа выполнена при частичной поддер­

зования срединно-океанических хребтов (СОХ),

жке РФФИ (грант м! 93-05-14021).

ПРЕАИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗМНИЮ

Континентальные и океанические лито­

сферные плиты перемещаются и активно взаи­ модействуют. Эти движения - следствие глубин­

ных геодинамических процессов: тепловой ман­

тийной конвекции и мантийных струй (плюмов). Конвективные движения определяют взаимодей­ ствие литосферы и астеносферы: спрединг океа­ нического дна, образование трансформных раз­ ломов, субдукцию и коллизию литосферных плит. Установлением и исследованием процессов и сил, порождающих движения в тектоносфере и в глу­ бинных оболочках Земли, занимается геодина­ мика. Изучению глубинных движений и их про­

явлений на земной поверхности и посвящена эта

книга.

За период, прошедший после выхода пер­ вого издания книги "Глубинная геодинамика" [1994] и ее английского перевода "Deep-Leve1 Gеоdупашiсs" [1998], авторы опубликовали ряд новых работ, посвященных моделированию гео­ динамических процессов. Кроме того, за это вре­ мя отечественные и зарубежные исследователи

также получили новые важные результаты в об­ ласти геодинамики. Поэтому возникла необходи­ мость переиздания книги. Она расширена и до­ полнена материалами, вошедшими в английское

издание, а также и рядом новых дополнений и

уточнений, сделанных уже в 2000-2001 гг.

Главы 1 и 2 дают обобщающие сведения о строении и составе Земли и планетах земной

группы и теоретические основы теплофизиче­ ского моделирования, которые доработаны, преж­

де всего, в редакторском плане.

Глава 3, в которой в основном представле­

ны исследования по конвекции в горизонталь­

ном слое жидкости, существенно переработана

и дополнена новыми результатами в части, по­

священной изучению турбулентной тепловой

конвекции в горизонтальном слое, равномерно

подогреваемом снизу и охлаждаемом сверху.

Глава 4, посвященная моделированию гео­

динамических процессов в мантии, за исключе­

нием разделов 4.2 и 4.3, существенно перерабо­ тана, разделы 4.4--4.6 написаны впервые и содер­

жат новые результаты геодинамического модели­

рования конвекции в астеносфере под океаном и континентом и моделирования влияния зон суб­

дукции на пространственные и временные мас­

штабы конвективных движений в мантии.

Значительно расширены разделы, касающи­

еся мантийных плюмов, к ним добавлены новые,

и в итоге в книге появилась глава 5 о мантийных' плюмах и процессах на границе ядро-мантия. В

ней представлены результаты лабораторного и

теоретического моделирования тепловых и тер­

мохимических плюмов и условий зарождения

плюмов на границе ядро-мантия, а также пред­

ложена возможная модель генерации магнитно­

го поля внешнего ядра.

Большая часть главы 5 первого издания в

значительно переработанном и дополненном виде

вошла в главу 6. Разделы 6.1-6.6 существенно

изменены, и, кроме того, в них включены совре­

менные данные. Практически заново написан

раздел 6.7, в котором рассматриваются условия плавления и формирования магматических диа­ пиров и модели магматизма и метаморфизма в зонах субдукции. Заново написан и раздел 6.8, в нем, кроме моделей и геологических факторов эксгумации эклогитов и глаукофановых сланцев, большое внимание уделяется примерам комплек­

сов высоких и сверхвысоких давлений - индика-

7

Предисловие ко второму изданию

торов различных условий эксгумации из зон суб­

Главы 1 и 7 написаны ИЛ. Добрецовым,

дукции.

глава 2 - А.г. Кирдяшкиным, глава 3 - АА Кир­

Последний раздел главы 5 и заключение

дяшкиным и АГ. Кирдяшкиным, главы 4 и 5 -

первого издания объединены, дополнены и вы­

совместно всеми авторами, глава 6 - ИЛ. Доб­

делены в главу 7, в которой обобщены и систе­

рецовым и АГ. Кирдяшкиным; В написании раз­

матизированы данные о структуре литосферы,

дела 6.4 принимал участие а.п. Полянский. Б

представлена схема ее эволюции как в общем, так

проведении экспериментов участвовал и.н. Глад­

и на конкретных примерах развития складчатых

ков. Новое редактирование выполнено А.А. Кир­

поясов и кратонов. Кроме того, рассмотрена пе­

дяшкиным, им же подготовлен список основных

риодичность глаукофансланцевого метаморфиз­

обозначений и предметный указатель.

ма, являющаяся ключевой для понимания пери­

При написании книги учтены замечания,

одичности коллизионных процессов и важной

сделанные в рецензиях [Шерман, 1998; Кlerkx,

при рассмотрении других глобальных периоди­

1998; Sleep, 1999], и пожелания других читате-

ческих процессов. Б заключительном разделе

лей.

этой главы представлена история климата и био­

Авторы благодарны И.Ю. Кулакову,

сферы как система периодических изменений

а.п. Полянскому и М.М. Буслову за участие в

различного ранга.

подборе материала и полезные дискуссии и вы­

Более чем на треть увеличилось количество

ражают искреннюю признательность рецензен­

ссылок в списке литературы. Для удобства чита­

там М.И. Кузьмину, Б.А Симонову и С.А. Тыч­

теля добавлен список обозначений основных ве­

кову за конструктивную критику и советы по

личин, входящих в формулы, и составлен пред­

улучшению книги.

метный указатель. Б книгу введены новые таб­

Работа выполнена при частичной 'lOддер­

лицы и иллюстрации.

жке РФФИ (грант N! 99-05-64689).

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ ОСНОВНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

а

с

р

d,D

D

f

F

F

Fo = (а/[2

g

Gr = {3gдТf3/v2

h,H

Но = utll

1

К

/

L

N

Nu = аllл

р

р

Ре = и//а

Pr= v/a

q

Q

QI,Qn

коэффициент температуропроводности

удельная теплоемкость при постоянном

давлении

диаметр

коэффициент диффузии

безразмерная частота

параметр Кориолиса

массовая сила

суммарная сила трения, действующая на

литосферную плиту

критерий Фурье;

гравитационное ускорение

критерий Грасгофа

толщина, мощность слоя

критерий гомохронности

коэффициент перемежаемости

пульсаций температуры

модуль всестороннего сжатия

толщина слоя

длина

мощиость теплового источника

критерий Нуссельта

поверхностная сила

давление

критерий Пекле

критерий Прандтля

удельный тепловой поток, Вт/м2

тепловой поток, Вт/м

удельное тепловьщеление внутренних

источников, Вт/м3

9

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.