 | Влияние силы Кореолиса на мантийную конвекцию |
C В.С. Шкодзинский (Институт геологии алмаза и благородных металлов СО РАН,e-mail: shkodzinskiy@diamond.ysn.ru, Якутск). Влияние силы Кореолиса на мантийную конвекцию –причина асимметрии Тихого океана. Материалы XVII Международной научной конференции (Школы) по морской геологии Москва, 12-16 ноября 2007 г. т4,cc.274-276 http://www.ocean.ru/component/option,com_docman/task,doc_view/gid,64/
Возникновение силы Кореолиса обусловлено вращением Земли вокруг своей оси, вследствие которого каждая ее точка на поверхности в районе экватора движется со скоростью V1 = L/t = 463,5 м/сек (L – длина экватора, t – продолжительность суток). На глубине 2900 км в подошве мантии эта скорость снижается до V2 = 252,5 м/сек. Всплывающее вещество под влиянием силы инерции должно стремиться сохранять свою пониженную линейную скорость вращения и поэтому будет отклоняться к западу, опускающееся вещество под влиянием изначально высокой скорости должно отклоняться к востоку. Кинетическая энергия, выделяющаяся за счет силы Кореолиса при перемещениях вещества в мантии, равна dWк = mdV, где m – масса вещества. Эта энергия при перемещениях на всю мощность мантии для 1 кг вещества составляет dWк = 151006 Дж.
Энергия, выделяющаяся при всплывании через всю мантию вещества плюма, равна dWв = mвdTgh. Коэффициент температурного объемного расширения для астеносферы в = 3x10^(-5 ), средняя разница температур плюма и вмещающей мантии dT = 160о [1], мощность мантии h = 2,9x10^6 м. В этом случае для 1 кг всплывающего вещества dWв = 136560 Дж. То есть, энергия, выделяющаяся за счет силы Кореолиса, несколько выше таковой, выделяющейся при всплывании плюмов.
Следовательно, всплывание мантийных плюмов и погружение более холодного вещества в низких широтах, где величина силы Кореолиса является максимальной, должны происходить не вертикально, а в виде наклонных потоков. Анализ данных [4] сейсмической томографии согласуется с этим выводом. На околоэкваториальных сечениях земного шара области, отражающие подъем в мантии разогретого вещества, протягиваются от границы с ядром к земной поверхности в виде широких полос, сильно наклоненных на запад в полном соответствии с направлением воздействия силы Кореолиса. Углы наклонa потоков к земной поверхности варьируют от 45о до 30о, что согласуется с приведенными оценками соотношения энергий, выделяющихся при всплывании и за счет силы Кореолиса. Hа высоких широтах на поднимающееся и опускающееся вещество почти не воздействует сила Кореолиса, поэтому на меридиональных сечениях под северным полюсом наблюдается субвертикальный подъем разогретого вещества.
Существование в мантии закономерных отклонений потоков вещества от вертикальных объясняет, что в длительно существующем Тихом океане, окаймленном зонами субдукции, вследствие отклонения поднимающегося разогретого вещества к западу движение океанической литосферы от срединно-океанического хребта в этом направлении должно происходить интенсивнее, чем в восточном. Это согласуется с тем, что здесь скорости западного и северо-западного раздвижения плит составляют 158, 146 и 106 мм/год, а восточного и юго-восточного 66, 86 и 47 мм/год [2]. Такие скорости соответствуют примерно в 2 раза большей площади западной от хребта акватории океана по сравнению с восточной и с положением Тихоокеанского срединно-океанического хребта в восточной части океана. Занимающие большую часть Тихого океана западные плиты (Тихоокеанская и Филиппинская) движутся в 2 раза быстрее к северо-западу, чем перемещаются восточные плиты (Кокос и Наска) в восточном и северо-восточном направлениях.
Анализ опубликованных данных [3] свидетельствует, что скорости погружения субдукционных плит в западном направлении в Тихом океане в 2 раза выше, чем в восточном. При этом с увеличением географической широты положения зон субдукции скорость погружения плит уменьшается в связи с уменьшением в этом направлении линейной скорости вращения. Последнее явление указывает на то, что причиной высокой скорости погружения океанических плит в Тихом океане в западном направлении является не только их высокая плотность, связанная с древностью и низкой температурой (как обычно предполагается), но и влияние силы Кореолиса, приводящее к повышенной скорости течения разогретой астеносферы в западном направлении.
C отклонением к востоку опускающегося вещества под влиянием силы Кореолиса может быть частично связано более крутое погружение субдукционных плит в западной части Тихого океана по сравнению с
восточной. Это подтверждается меньшими углами наклона погружающихся плит в западных субдукционных зонах высоких широт, где воздействие силы Кореолиса пониженнное. Крутое интенсивное погружение океанических плит сопровождается выжиманием и подъемом перед фронтом их опускания горячего астеносферного вещества. Данное явление является причиной утонения и разрыва литосферы в тылу островных дуг и формирования здесь тыловых бассейнов с океанической корой, весьма характерных для западной части Тихого океана и отсутствующих в настоящее время в восточной.
Более интенсивные западные движения плит Тихого океана приводят к более интенсивному динамическому воздействию их на Азиатский континент по сравнению с Североамериканским и Южноамериканским. Это
согласуется с тем, что полоса связанного с Тихим океаном мезозойского магматизма на Азиатском континенте в 1,5–2 раза шире, чем на Северной и Южной Америке.
В более молодых океанах, не имеющих обширных зон субдукции, океаническая литосфера спаяна с континентальной. Скорости и направления движения таких огромных плит зависят от процессов конвекции под всеми океанами и континентами, поэтому в молодых океанах асимметрия проявлена менее отчетливо.
Отклонение поднимающегося разогретого мантийного вещества к западу под влиянием силы Кореолиса совместно с воздействием лунных приливов является причиной существования медленного (0,11 град/млн лет [5]) западного дрейфа литосферы и постепенного замедления вращения Земли. На ранней стадии эволюции вследствие высокой скорости вращения этот дрейф был более интенсивным и объясняет контроль кимберлитов и карбонатитов преимущественно субмеридиональными тектоническими нарушениями. Отклонение опускающихся потоков во внешнем ядре к востоку являются причиной несколько более быстрого (на 1,1 град/год [6]) вращения внутреннего ядра.
1. Добрецов Н.Л., Кирдяшкин А.Г., Кирдяшкин А.А. Глубинная геодинамика. Новосибирск: Изд. СО РАН “ГЕО”, 2001. 408 с.
2. Хаин В.Е., Короновский Н.В. Планета Земля от ядра до ионосферы. М.КДУ, 2007. 244 с.
3. Хаин В.Е., Ломизе М.Г. Геотектоника с основами геодинамики. М.:КДУ, 2005. 560 с.
4. Su W., Woodward R.L., Dzewonski A.M. Degree 12 model of shear velocity heterogeneity in the mantle // Journ. Geophys. Res. 1994. V. 99. N B4. P. 6945–6980.
5. Uyeda S., Kanamori H. Back-are opening and the model of subduction //Journ. Geophys. Res. 1979. V. 84. N B3. P. 1049–1061.
6. Yong X., Richards P.S. Seismological evidence for differential rotation of the Earth’s inner core // Nature. 1996. V. 382. N 6588. P. 221–224.
Calculations and empirical data shown that ascending mantle plumes