З Динамика литосферы и сейсмотомография

ГЕОЛОГИЯ
П рирода, 1^91, № 4
Динамика литосферы и сейсмотомография
В. Е. Хайн, А . Т. Зверев
доцент кафедры физической ге о ­
граф ии и ландшафтного д еш иф ри­
рования М о сковского института и н ­
а 4,6 м л р д . лет сущ е ств о в а н и я З е м л и
ее о б л и к н е о д н о к р а т н о м е н я л с я : на
м е с т е м а т е р и к о в в о зн и ка л и о ке а н ы , а
на их м е с те — м а т е р и к и . Так, о к о л о 200 м л н.
лет назад р а с ко л о л с я д р е в н и й м а т е р и к П ан­
ге я и о б р а зо в а л с я о ке а н Тетис, п р о т я н у в ­
ш и й ся о т с о в р е м е н н о й Ц е н тр а л ь н о й А м е р и ­
ки ч е р е з А л ь п ы и К а в ка з д о Гим алаев и
И н д о н е з и и . П о з ж е на м е с те Тетиса снова
появил ась суш а — к р у п н е й ш а я на З е м л е А л ь ­
п и й с ко -Г и м а л а й с ка я го р н а я си сте м а , н а и б о ­
лее а кти вн ы й этап ф о р м и р о в а н и я к о т о р о й
п р и х о д и т с я на п о с л е д н и е 5 м л н. лет.
К а ко в ы п р и ч и н ы и м е х а н и з м п о с т о я н ­
н о го о б н о в л е н и я л и ка Зем л и? Е д и н о го , п р и ­
з н а в а е м о го в се м и отв ета на это т в о п р о с п о ка
нет, хотя и сущ е ств уе т м н о г о ги п о т е з . Д е л о
в н е д о с та тке то ч н ы х м е то д о в и с р е д с т в для
и ссл е д о ва н ия в н у т р е н н е го с т р о е н и я З е м л и
и п р о т е к а ю щ и х в ней ф и з и к о -х и м и ч е с к и х
п р о ц е ссо в .
В п о с л е д н е е д е ся ти л е ти е по я в и л ся и
б у р н о ра зви в ае тся о д и н из та ки х м е т о д о в —
се й с м и ч е с ка я т о м о гр а ф и я . О н п о зв о л я е т п о
с к о р о с т и с е й с м и ч е с ки х волн устанавливать
н е о д н о р о д н о с т и в м а нти и , о т л и ч а ю щ и е с я
у п р у ги м и св о й ства м и , п л о т н о с т ь ю и т е м п е ­
р а т у р о й вещ ества, о п р е д е л я т ь гл у б и н у за л е ­
гания, ф о р м у и р а з м е р ы этих н е о д н о р о д ­
н о с т е й 1.
И ссл е д о ва тел и р а зны х стран с э н ту­
з и а з м о м в стр ети л и новы й м е т о д . О д н а к о
р е зул ь та ты
с е й с м о т о м о гр а ф и и
о ка за л и сь
столь н е о ж и д а н н ы м и , что их т р у д н о б ы л о
согл асо ва ть с с у щ е с т в у ю щ и м и ге о т е к т о н и ­
ч е с ки м и ги п о т е з а м и и г е о д и н а м и ч е с к и м и м о ­
д е л я м и . П о э т о м у их л и б о в о о б щ е не у ч и ­
тывали, л и б о пы тались вти сн уть в р а м к и с у ­
щ е с т в у ю щ и х ге о д и н а м и ч е с к и х п о с т р о е н и й ,
н е с м о т р я на я в н ую н е с о с то я те л ь н о с ть п о д о б ­
ны х п о п ы т о к. Н а п р и м е р , не н а хо д ят с к о л ь н и б у д ь п р а в д о п о д о б н о го о б ъ я с н е н и я о б н а ­
р у ж е н н ы е с е й с м о т о м о гр а ф и е й н е р о в н о с т и
гр а н и ц ы я д р о — м а н ти я , п о н и ж е н и е с к о р о ­
сти с е й с м и ч е с к и х волн п о д м а т е р и к а м и на
гл у б и н е 550 к м и н и ж е , п о в ы ш е н и е с к о р о с т и
ж е н е р о в ге о д е з и и , а эро ф о т о съ е м ­
к и и картограф ии. Область научных
интересов — геодинам ика, к о с м и ­
че ская ге о л о ги я , эко л о ги я .
1 См. об этом : В и н н и к Л. П. С труктурная геология
глубоких недр Земли / / П рирода. 1988. № 5. С. 36— 45.
З
Виктор Ефимович Хайн, академии,
проф ессор к а ф е д р ы д и н а м и ч е с к о й
геоіТогии М осковского государст ­
в е н н о го университета им. М . 8. Л о ­
м о н о с о в а . П редседат ель К о м и с с и и
по м е ж д у н а р о д н ы м т ект оническим
картам А Н СССР. Специалист п о о б ­
щ ей и региональной геотектонике.
Лауреат Го суд а р ст ве н н о й п р е м и и .
Анат олий Тихонович Зверев, д о к то р
ге о л о г о -м и н е р а л о г и ч е с к и к
наук,
зз
Д и н а м и к а л и т о с ф е р ы и с е й с м о т о м о гр а ф и я
(СКИЙ океан
океан
океан
океан
Ш иротны е ра зр е зы в мантии, отраж а ю щ и е изм енения
с коро сти сейсм ических волн в мантии и, соответст­
венно, тем пера туры м а нтийного вещ ества. Н есм отря
на сл о ж н у ю ф о р м у областей ра зо гре ва и о х л а ж д е ­
ния, сквозны е кол онны
р а зо гр е то го вещ ества пр о*
слеживаю тся м естами от ядра д о зем н ой к о р ы (лучш е
всего это вид но в ю ж ны х частях Тихого и И нд и йского
о кеа н ов). Вместе с тем отчетливо вы раж ен «п е р е ­
ж им » вертикальной кол онны р а зо гре ва п о д вулкани*
ческими д уга м и и с ре д и н н о-о ке ан ически м и хребтам и,
особенно там, гд е скоро сть расш ирения о ке а н и ч е ­
с к о го дна относительно мала.
С ко рость сейсм ических волн и
плотность вещества:
средняя
повы ш енная за счет о х л а ж д е ­
ния мантии
пониж енная за счет разогрева и
частичного плавления вещества
мантии
пониж енная за счет опускания
относительно л е гк о го в ещ ес­
тва коры и верхней мантии
Ядро
Направления главны х осей
напряжений:
при сжатии
при растяжении
С ейсм оф окальны е зоны
с е й с м и ч е с ки х волн в с р е д н е й м а н т и и п о д
с р е д и н н о -о к е а н и ч е с к и м и х р е б т а м и и т. д.
В этой статье п р е д л о ж е н а п р и н ц и п и ­
ально новая ге о д и н а м и ч е с ка я м о д е л ь , со гл а ­
сую щ ая ся, к а к нам п р е д ста вл я е тся , и с р е ­
зул ьта та м и с е й с м о т о м о гр а ф и и , и с д а н н ы м и
/д р у ги х ге о ф и з и ч е с к и х и ге о л о ги ч е с к и х м е т о ­
дов. Но п р е ж д е че м п е р е й т и к са м о й м о д е л и ,
н а п о м н и м о б о сн о в н ы х д о с т и ж е н и я х в и з у ч е ­
нии д и н а м и к и л и т о с ф е р ы , в п е р в у ю о ч е р е д ь
2 П рирода № 4
об о т к р ы т ы х в п о с л е д н и е д е ся ти л е ти я и у ж е
н е п л о хо и зуче н н ы х зон ах го р и з о н т а л ь н о го
р а с тя ж е н и я и сж а ти я л итосф ер ы .
ГЛ О Б А Л Ь Н Ы Е З О Н Ы
СЖ АТИ Я
РАСТЯЖ ЕНИЯ И
З о н ы р а с тя ж е н и я и м е ю т с я к а к в о к е а ­
нах, та к и на м а те р и ка х . В оке а н а х они п р и ­
у р о ч е н ы к р и ф то в ы м д о л и н а м с р е д и н н о ­
34
океанических хребтов, протянувшихся на
70 тыс. км. На м атериках рифтовые стр укту­
ры та кж е обычно связаны с крупны ми под­
нятиями (н ап рим ер, Байкальский и ВосточноАф риканский рифты), но иногда обходятся
и без них. Д ля всех рифтовых структур,
или рифтогенов, характерен разогрев з е м ­
ной коры и мантии, а та кж е растрескивание,
растяжение и раздвигание литосферы.
Наиболее интенсивно все эти процессы
проявились в океанических рифтовых доли­
нах, где, по о б щ ем у признанию , величина
спрединга (раздвигания литосферы) за по­
следние несколько тысяч лет составила 10—
20 км . Эту «щель» заполнила молодая о кеа­
ническая кора. Процесс раскалывания о кеа­
нической литосферы, ее раздвигания и об­
разования молодой коры настолько гран­
диозен, что получил собственное название
«спрединг».
Зоны сжатия та к ж е глобальны. Извест­
ны два основных типа горизонтального сж а­
тия: субдукция и коллизия. Если сж им аю тся
мобильные части коры и мантии, образую тся
вулканические дуги, состоящ ие из цепочек
вулканов (н ап рим ер, Камчатская, Куриль­
ская, Японская), и глубоководны е ж ел о ба
(Курило-Кам чатский, Японский, М арианский).
К вулканическим дугам и приурочены зоны
субдукции — поддвига океанической лито­
сферы под м атериковую . На это указывает,
в частности, характер напряжений в очагах
землетрясений, образую щ их здесь сейсм офокальную зону («зону Беньофа»), уходя­
щ ую под м атерики на глубину до 600—
700 км.
Горизонтальное сж атие типа субдукции
возникает, как у ж е отмечалось, если кора и
верхняя мантия мобильны. В холодной ж е
мантии происходит коллизия, т. е. скучивание коро во го вещества в зонах сжатия и
образование горных со о руж ен ий вроде Аль­
пийско-Гималайской системы.
О ткры тие в 50-х годах глобальных зон
горизонтального растяж ения и аналогичных
зон сжатия привело многих исследователей
к выводу о том, что сущ ествует единая гло­
бальная геодинамическая система: в риф то­
вых структурах наращивается молодая о кеа­
ническая кора, а в зонах субдукции уничто­
жается (погруж ается и плавится) древняя
океаническая кора. О дни авторы — Б. Изакс,
Д ж . О ливер, Л. Р. Сайас — назвали геодинам ическую модель, описывающую эту си­
стему, новой глобальной тектоникой, д р у ­
г и е — 3 . Л е Пишон, У. Д ж . М о р га н — те кто ­
никой плит (им енно последнее название по­
лучило ш ир окое распространение).
В настоящ ее время это наиболее рас­
пространенная и наиболее разработанная
В. Е. Хайн, А . Т. ^Зверев
геодинам ическая конц епция. Естественно,
что ее сторонники первыми восприняли и
попытались использовать данные сейсм ото­
м ограф ии. В одних случаях эти попытки бо­
лее или м е н е е удачны, в других — искус­
ственны, но в целом все они п ока носят
региональный ха р а кте р 2. Н и ж е делается по­
пытка восполнить этот недостаток.
А Н О М А Л И И С К О Р О С ТЕ Й С ЕЙ С М И Ч Е­
С К И Х ВО ЛН
П ро анализируем данные сейсм отом о­
граф ии и п осм отри м , как они увязываются
с текто н ико й плит и д р уги м и гео д ин ам ическими построениям и.
С ейсм и ческие скоростны е аномалии на
всех глубинах мантии достаточно сложны по
ф о р м е. Лишь в самой верхней ее части
(д о 150, р е ж е 350 к м ) они ко рр ел ир ую т
с текто н ическим и стр уктур ам и зем ной коры,
гл уб ж е корреляция исчезает.
О б р ащ ае т на себя внимание и при­
м ер н о е равенство объемов положительных
и отрицательных аномалий, отвечаю щ их р а з­
ной те м п е р а ту р е вещества. Э то значит, что
около половины объ ема мантии находится в
охлаж денном состоянии и столько ж е — в
р азо гр е то м .
О хл а ж д е н и е м антийного вещества со­
провождается ум ень ш ен и ем е го удельного
объ ема и локальным развитием процессов
контракции (сж атия). Разогрев ж е вызывает
увеличение удельного объ ем а вещества,
ум еньш ение его вязкости и д а ж е плавление.
Благодаря этом у р азм еры р азогреваем ой
системы растут, развивается мантийный диап и р и зм 3 и м агм ати зм , что в ко нечно м счете
ведет к растяж ен ию и растрескиванию лито­
сферы, образованию разных типов риф то­
вых структур.
Таким о б р азо м , м о ж н о говорить о двух
глобальных
геодинам ических
системах:
охлаждения и р азогрева. Первая связана с
гл уб оким корово-м антийны м охлаж дением
и приурочена в основном к континентам .
О на обусловлена эволюцией Зем ли как не­
бесного тела — постепенны м исчерпанием
внутренних источников энергии и нарастаю ­
щ им о хлаж дени ем планеты. Вторая система
периодически возникает и исчезает (или, ско -
2 См., напр им ер: А н д е р с е н Д ж . Л., Д э ѳ в о нс к и А. М . / / В мире науки. 1984. № 12. С. 16— 25;
К р о п о т к и н П. Н. Новая геод инам ическая модель / /
П рирода. 1989. № 1. С. 70— 80; D z i e w o n s k i А. М. ,
W o o d h o u s e 1. Н. / / A b s t r a c t s 28-th In terna tiona l
G eo logical Congress. W ashington, 1989. P. 427— 428.
3 Д и а п и р и э м — «проты кание» верхних слоев мантии и
коры подним аю щ ейся м агм ой и пластичным р а зо гр е ­
тым вещ еством.
,
Д инамика литосф еры и сей см отом ограф ия
рее, перестраивается) по м е р е образования
новых глубинных очагов глобального р азо ­
грева, что приводит к появлению новых о ке а ­
нов, континентов и других тектонических
структур.
Глобальная геодинам ическая система
разогрева на со вр ем енн о м этапе ее разви­
тия — сл ож но е образование. О н а включает
несколько основных ярусов интенсивного
разогрева, гд е образую тся и разрастаю тся
пластичные астеносф ерны ё слои и линзы.
Сейсмическая том ограф ия зафиксировала
крупны е слои р азо гр е то й мантии на глубинах
2750, 2300, 1300, 350 и 150 км . Максимальный
разогрев отм ечен под ю ж ны м и частями Ти­
хого и И нд ийского о ке а н о в .: Здесь имею тся
м ощ ны е сквозны е колонны- разогрева, на­
чинаю щ иеся у границы с я дром (глубина
2900 к м ) и достигаю щ ие литосферы.
Н еравном ерность и прерывистость р аз­
вития астеносф ерных слоев по вертикали
и латерали (т. е. в направлении, близком
к горизонтальном у) свидетельствуют о не­
одинаковом п ро гр ев е мантии, различной ге­
н ерирую щ ей способности отдельных ее ча­
стей, о том , что теплом ассоперенос о сущ е­
ствляется не только в вертикальном, но и в
латеральном направлении.
Сложная м ногоярусная структура гло­
бальной геодинам ической системы р а зо гр е ­
ва, выявленная благодаря сейсм ической то­
мограф ии, исклю чает возм ожность р егул я р ­
ной тепловой конвекции, охватывающей всю
мантию — им енно такой тип конвекции ха­
рактерен для большинства м о дел ей те кто ­
ники литосферных плит. В этой связи возник­
ла идея о новом м ехан и зм е тектоники плит,
который не был бы основан на глобальной
системе замкнуты х конвективных ячеек в
мантии.
Первая попытка тако го р о д а была пред­
принята У . Ф о р с ай то м и С. У ед о й в 70-е годы,
ещ е до появления сейсм ической то м о гр а­
фии. О д н а ко предлож енны й ими конв ейер­
ный м еханизм , основанный на «силе тяги»
погруж аю щ ихся охлажденны х блоков, ко ­
торые увлекаю т за собой всю литосф ерную
плиту, противоречит р я д у фактов. О н , напри­
м ер , не м о ж е т объяснить антиизостатический характер дви ж ен ий4 и интенсивное б о ­
ковое давление в зонах субдукции, наклон
сейсмофокальных зон, д еф о рм ации сжатия
внутри литосферных плит, значительный из­
быток (п ер еко м п е н с ац и ю ) масс в подводных
вулканических дугах и хребтах. Д а и сам дис­
кретны й характер литосферных плит проти-
4 А нтииэостатическим и называются движения, ведущ ие
к наруш ению равновесия масс зем ной ко р ы и мантии.
2*
3S
воречит п одоб ном у ко нв ейерн ом у механиз­
му, поскольку блоки литосферы слабо сцеп­
лены д р у г с д р уго м .
Сейсмическая томограф ия позволила
соверш енно по-новом у подойти к разработке
м еханизм а тектоники плит. Наиболее важны,
на наш взгляд, такие установленные с ее
пом ощ ью факты, как о хлаж дени е мантии под
рифтовыми структурам и и вулканическими
дугам и на глубинах 350— 550 км, а такж е
наличие крупны х аномальных областей пони­
жения скорости сейсмических волн под кон­
тинентами на глубине 550 и 670 км . Рас­
см о тр им м есто и роль этих фактов в дина­
м и ке литосферных плит на п р и м е р е океани­
ческих рифтовых структур, горных со о р у ж е­
ний и вулканических дуг, используя при этом
данные не только сейсм отом ограф ии, но и
гравим етрии.
ГЕ О Д И Н А М И Ч Е С К А Я О Б С ТА Н О В К А В
РИФТОВЫ Х СТРУКТУРАХ
Насколько нам известно, совместная
интерпретация сейсм отом ограф ических и
гравиметрических данных п р е ж д е не прово­
дилась. О д н а ко гравитационные и сейсмотом ограф ические аномалии обладаю т впол­
не зако но м ер н ы м и связями, что хорош о вид­
но на п р и м е р е основных тектонических
структур литосферы.
Для рифтовых стр уктур характерна об­
ратная зависимость скорости разрастания
о кеаническо го дна — спрединга — от анома­
лий гравитационного поля. При увеличении
скорости спрединга (д о 6— 10 с м /г о д и бо­
л е е) отмечается пониж ение аномалий силы
тяжести и высот геоида5 вплоть до отри­
цательных их значений, что свидетельствует
о деф ици те мантийных масс6. Причина де­
ф ицита масс в высокоскоростных зонах спре­
динга (н ап р и м е р , в северной части ВосточноТихоокеанского поднятия или Австрало-А нтар ктическо м ср ед инн о -океан ическо м хреб­
те) и ум еньш ения здесь силы тяжести заклю ­
чается, на наш взгляд, в понижении плот­
ности вещества при его интенсивном разо­
греве и частичном плавлении, которы е фик­
сирует сейсмическая том ограф ия.
Разуплотнение вещества при разогреве
и плавлении ведет к увеличению объема, т. е.
5 Геоид — поверхность равных значений потенциала
силы тяж ести, совпадаю щ ая с невозм ущ енной поверх­
ностью М и р о в о го океана и продолж енная под ко н ­
тиненты. Высота геоида — величина отклонения его по­
верхности от сф ероида вращения.
6 З в е р е в А. Т. / / Изв. вузов. Геодезия и аэро­
ф отосъемка. 1990. N9 2. С. 79— 86.
8. Е. Х айн, А . Т. ^ ѳ е р е ѳ
Центральная Азия
Геодинамические м одели основных
т е кто н и ч е ски ! с т р у кту р литосферы:
горны х сооруж ений (Центральная
А зи я ), вулканических д уг (Япония),
срединно-океанических хребтов с
относительно малыми (х р . Рейкьянес) и больш им и (В осточно-Тихо­
океа н ско е поднятие) скоростям и
расш ирения
океа нического дна.
(Вертикальный масштаб д о глуби­
ны 100 км условный.)
Я пония
км
Восточно-Тихоокеанское поднятие
км
хр. Рейкъянес
км
0
□
Ш
CD
0
CZÜ
10
И
50
Разогреты е части мантии
Неразогретая мантия
Зем ная кора
Направление перемещения
вещества
Подъем р азогретого м а н ти й н о ­
го вещества и м агм ы
Направление б о к о в о го д авлеНИН
100
LZ3
400
Сейсмоф окальны е зоны
400
700 -
700
1000
1000
км
0
300
600
900
._________________ ,________,
км
О
300
■
I
р а с ш и р е н и ю всей к о л о н н ы р а з о гр е в а . П ри
э то м с о зд а е тс я м о щ н о е б о к о в о е д ав л е ни е
на о к р у ж а ю щ у ю м а н т и ю — « р а м у» , что о б у ­
сл авливает ее го р и з о н т а л ь н о е сж а ти е . П о ­
с к о л ь к у р а с т я ж е н и е л и т о с ф е р ы д о с т и га е т
м а к с и м у м а пр и а к т и в н о м м а н т и й н о м д и а п и р и з м е и м а гм а т и з м е , а они н а и б о л е е вы ра­
ж е н ы в в е р х н е й м а н ти и и з е м н о й к о р е , то
и с а м ы е с и л ьн ы е н а п р я ж е н и я сж а ти я в о зн и ­
ка ю т и м е н н о зд е сь.
В р и ф то в ы х с т р у к т у р а х с о тн о с и т е л ь н о
малыми
скоростям и
с п р е д и н га
(1 —
4 с м /г о д ), ха р актерн ы м и для м о л од ы х оке а ­
нов — А т л а н т и ч е с к о го , С е в е р н о го Л е д о в и т о ­
го, за п а д н о й части И н д и й с к о г о ,— д и н а м и ч е ­
ская о б с т а н о в ка с л о ж н е е . З д е сь, со гл а с н о
д а н н ы м гр а в и м е т р и и и с е й с м о т о м о гр а ф и и ,
в м а нти и и з е м н о й к о р е и м е е тс я з н а ч и те л ь ­
ны й и з б ы т о к м асс, а в с р е д н е й м а н ти и в е р ти ­
кал ьная к о л о н н а р а з о гр е в а д е гр а д и р у е т или
в ов се и счеза ет.
П р и чи н а и з б ы т к а м асс, к а к нам п р е д ­
ставляется, м о ж е т б ы ть л иш ь о д н а — п о с т у п ­
л ен и е в ещ ества из о к р у ж а ю щ е й м а н ти и . Д л и ­
600
900
\_________ I
те л ь н о е со х р а н е н и е и з б ы т ка м асс в о з м о ж н о
т о л ь ко пр и е го д и н а м и ч е с к о й п о д д е р ж к е
за сче т б о к о в о г о д авле ни я «р ам ы » . Э то в н е ш ­
нее д авление, о ка з ы в а е м о е д о п о л н и те л ь н ы ­
м и м а сса м и б о л е е х о л о д н о го вещ ества, п р и ­
в од ит к т о м у , что р и ф то в ы е с т р у к т у р ы в
с р е д н е й м а н ти и о хл а ж д а ю т с я и « п е р е ж и ­
м а ю т с я » . И м е н н о э ти м об ъ ясн яе тся о т м е ­
че нн ы й в них и з б ы т о к вещ ества и д е гр а ­
д ац и я в е р ти ка л ь н о й ко л о н н ы р а з о гр е в а .
В о с л а б л е н н о й ф о р м е ч е р ты п о д о б н ы х
явлений п р и с у т с т в у ю т и в в ы с о к о с к о р о с т н ы х
зон ах с п р е д и н га . Н о гл у б и н н ы й р а з о гр е в и
о б у с л о в л е н н о е и м у в е л и ч е н и е о б ъ е м а зд е сь
н а сто л ь ко и н те н сив н ы , что у с п е ш н о п р о т и в о ­
стоят б о к о в о м у с ж а ти ю , п р о я в л я ю щ е м у с я
в с р е д н е й м а нти и . О д н а к о и в этих усл овиях
н а б л ю д а е тся н езн ачи тел ьн ая п е р е к о м п е н с а ция (н а п р и м е р , в ц е н тр а л ь н о й и ю ж н о й ча­
стях В о с т о ч н о -Т и х о о к е а н с ко го п о д н я ти я ) и
ча сти чн ы й « п е р е ж и м » к о л о н н ы р а з о гр е в а на
гл у б и н е 550 к м (в А в с т р а л о -А н т а р к т и ч е с к о м
с р е д и н н о -о ке а н и ч е с к о м - х р е б те ).
П р и в е д е н н ы е ф а кты д о ка з ы в а ю т , что
Д и н а м и к а л ит осф еры и се й см о то м о гр а ф и я
37
Горизонтальные
н е о д н о р о д н о сти
плотности в мантии и скоро сти
сейсмических
волн
на гл уб ине
5S0 км . Избы ток масс характерен
для мантии под больш ей частью
дна океанов, разуплотненная ж е
мантия, для ко торо й хар акте рн о
сниж ение скоро сти сейсмических
волн, сосредоточена по д м а те рика­
ми и наиболее ра зогреты м и риф товыми стр уктур а м и Восточно-Тихо о ке а н ско го и А встр ал о-А н та ркти ­
ч е с ко го поднятий.
О
о
Разуплотненная мантия
И зб ы то к масс в мантии
С корость сейсм ических волн:
пониженная
повышедшая
р и ф то в ы е с т р у к т у р ы э в о л ю ц и о н и р у ю т в у с ­
л овиях р а зв и ти я д в ух р а з н ы х по гл у б и н е
и н а п р а в л е н и ю го р и з о н т а л ь н ы х п е р е м е щ е ­
ний ве щ е ства : в в е р х н е й м а н ти и и з е м н о й
к о р е — о т р и ф то в ы х с т р у к т у р , в с р е д н е й
м а н ти и — к ним .
П е р вы й п о т о к, с у д я п о ге о л о ги ч е с к и м
и ге о ф и з и ч е с к и м д а н н ы м , п р о с л е ж и в а е тс я
д о в у л к а н и ч е с к и х д у г. С н и м связан ы сд ви ­
го в ы е и в з б р о с о в ы е д е ф о р м а ц и и на д н е
о ке а н а , и з б ы т о к м а сс в о к е а н с к и х в ул ка н и ­
ч е ски х хр е б та х, п р и в о д я щ и й к к р у п н ы м п о ­
л о ж и т е л ь н ы м гр а в и т а ц и о н н ы м а н о м а л и я м
(д о 300 м га л ), о п у с ка н и е о к е а н с к о й л и то ­
с ф е р ы п о д в у л к а н и ч е с к и е д у ги с о б р а з о в а ­
н и е м гл у б о к и х (д о 600— 700 к м ) с е й с м о ф о кал ьн ы х зон .
В в у л к а н и ч е с к и х д у га х за сче т б о к о в о г о
д авле ни я с о с т о р о н ы о к е а н о в р а зв и в а ю тс я
а н т и и зо с та т и ч е с ки е д в и ж е н и я , п р и в о д я щ и е
к п о я в л е н и ю гр а в и т а ц и о н н ы х а н о м а л и й д о
200 м га л . Б л а го д а р я э т о м у в о з н и ка е т п о д ­
д ерж иваем ы й б о ко в ы м давлением хар актер­
ны й ге о м о р ф о л о г и ч е с к и й п р о ф и л ь : л о ж е
о ке а н а — п е р и ф е р и й н о е о к е а н и ч е с к о е п о д ­
няти е — гл у б о к о в о д н ы й
ж е л о б — в у л ка н и ­
че ска я д у га . П о д а н н ы м с е й с м о т о м о гр а ф и и ,
в д у га х на гл у б и н е 350— 550 к м в е р ти к а л ь ­
ная ко л о н н а р а з о гр е в а п е р е ж а т а б о к о в ы м
д а в л е н и е м о к е а н с к о й пл иты , а г о р я ч е е м а н ­
т и й н о е в е щ е ство в ы ж и м а е тс я н авер х.
П од континентам и избы точное б оковое
д авление, н а п р а в л е н н о е о т р и ф то в ы х с т р у к ­
т ур , в ы р а ж е н о не стол ь я р к о . П равд а, и з у ч е ­
ние н а п р я ж е н и й в о ч а га х з е м л е т р я с е н и й и
н е п о с р е д с т в е н н о в го р н ы х в ы р а б о тка х п о д ­
т в е р ж д а е т о б щ е е г о р и з о н т а л ь н о е с ж а ти е в
к о р е и в е р хн е й м а н ти и , н о о д н и и ссл е д о в а ­
тели о б ъ я с н я ю т е го р а з у п л о т н е н и е м вещ е­
ства п р и м е т а м о р ф и з м е , д р у г и е — гл о б а л ь­
ной к о н в е к ц и е й , тр е ть и — п р и т я ж е н и е м пла­
нет и С олнца. Д а н н ы е с е й с м о т о м о гр а ф и и
в к о м п л е к с е с гр а в и м е т р и ч е с к и м и р е з у л ь ­
татам и п о зв о л я ю т со в се м п о -н о в о м у в згл я ­
нуть на эту п р о б л е м у .
СВЯЗЬ С Е Й С М И Ч Е С КИ Х
ЦИОННЫХ А Н О М А Л И Й
НЕНТАХ
И ГР А В И ТА ­
Н А КО Н Т И ­
П р о а н а л и зи р у е м г е о д и н а м и ч е с к у ю о б ­
ста н о в ку на к о н т и н е н т а х на п р и м е р е в ы со­
чайш ей на З е м л е Ц е н т р а л ь н о -А з и а т с к о й г о р ­
ной обл асти. З д е сь п р и о б щ е м изостати ч е с к о м ра в н о ве си и зе м н а я к о р а ан о м а л ьн о
м о щ н а я (д о 80 к м ), а в с р е д н е й м а нти и
гр а в и м е т р и е й и с е й с м о т о м о гр а ф и е й уста­
н о в л е н д е ф и ц и т м асс. И з о с т а т и ч е с ко е р а в н о ­
в еси е д о с т и га е т с я за сче т сб ал ан си ро ва н н ой
п е р е к о м п е н с а ц и и в е р хн и х частей з е м н о й тол ­
щ и и нед оком пен сац и и нижних. П одобное
н е у с т о й ч и в о е с о с т о я н и е с и сте м ы м о ж е т в о з ­
н и кн у т ь и с о хр а н я ть ся т о л ь к о пр и д и н а м и ­
ч е с ко й п о д д е р ж к е за сче т б о к о в о г о (в н е ш ­
н е го ) сж а ти я.
Более т о го , р а з у п л о т н е н и е вещ ества
в с р е д н е й м а н ти и о т м е ч е н о не т о л ь ко п о д
Ц е н т р а л ь н о -А з и а т с к о й го р н о й о б л а стью , но
и п о ч ти п о д всей А з и е й , за п а д н о й частью
С еверной А м е р и ки и н е ко то р ы м и д р у ги м и
ко н т и н е н т а м и . В ч е м ж е п р и ч и н а стол ь к р у п ­
н о го п о м а сш та б а м ра зупл о тн е н и я ?
Ею не м о ж е т б ы ть ни р а з о гр е в , ни
м е т а м о р ф и з м (и л и м е т а с о м а т о з ), та к к а к нет
н е о б х о д и м ы х для э т о го и с то ч н и ко в тепла,
о б ъ е м а ф л ю и д о в и усл о в и й д л я в ы со ко й
38
в. Е. Хлмн, А. Т"4З в е р е в "
проницаем ости. Единственно в о зм о ж н о е, на
наш взгляд, р еш ен и е данной проблемы со­
стоит в признании того, что разуплотненное
вещество было привнесено в ср ед н ю ю ман­
тию извне — либо сверху, либо со стороны
(по латерали).
Первый вариант осущ ествим за счет
изостатического опускания относительно л е г­
ко го вещества зем ной коры и верхних частей
мантии. В этом случае под действием б о ко ­
вого давления происходит сж атие и скучивание ко р е в о го м атериала, с о п р о в о ж д а ем о е
ко м п ен си р ую щ и м иэостатическим опуска­
нием зем н ой коры и верхней мантии. Все
это приводит к вытеснению б о л ее тя ж ел о го
вещества средней мантии.
Вещество вытесняется в сторону о кеа­
нов, о чем свидетельствует о б щ ее повыше­
ние в этом направлении поверхности геоида.
Ком п ен сир ую щ ий отток вещества на уровне
сред ней, а не верхней мантии обусловлен
тем , что (судя по н апряж ениям в очагах
зем летрясений в зонах субд укци и) до глу­
бин 400— 700 км континенты «сжаты с боков»
о кеанически м и плитами. Следовательно, от­
то к вещества в сторону океана на этих глу­
бинах н ев о зм о ж е н . О н происходит на глу­
бинах б ол ее 400— 700 км .
Привнос р азуп ло тн ен но го м атериала в
ср ед ню ю мантию под континентам и со сто­
роны океанов осущ ествляется за счет глу­
б око й субдукции океанских литосферных
плит под континентальную верхню ю ман­
ти ю 7. И з-за столь гл уб о ко го проникновения
материала океанской литосферы под конти­
ненты последние подним аю тся, и одновре­
м ен н о изостатически опускается весь б ок
коры и верхней мантии, вклю чаю щ ий и субдуцированную о кеан скую литосф еру. Это
вызывает ко м пенсир ую щ ий о тток подсти­
л аю щ его вещества средней мантии навстре­
чу п огруж аю щ ей ся плите.
Таким о б р азо м , глубокая субдукция
приводит к тем ж е д инам ическим след­
ствиям, что и описанный выше изостатический м ехан изм , развиваю щийся при скучивании сиалического м атериала.
Сопоставив гео д ин ам ическую обста­
новку под континентам и и океанам и, мы
пришли к выводу, что эволюция их текто ­
нических структур р о ж д а е т два встречных
горизонтальных потока вещества на разных
глубинах. При этом боковы е давления пере­
даются в верхней мантии и зем ной ко р е —
от океанов к областям скучивания сиали­
ческо го м атериала, а в средней мантии —
от континентов к океанам . Верхний поток
связан с раздвиганием литосферных плит
в зонах спрединга, а нижний — достигает
средней мантии в рифтовых структурах, при­
водя к избытку вещества в этой области
и деградации вертикальной колонны разо­
грева.
Итак, в верхней части литосферы под
действием глобального разогрева о бр азует­
ся замкнутая динам ическая система, в ко ­
торой проявляются два основных тектони­
ческих процесса: растяж ение литосферы и
скучивание сиалического материала. С ней
ж е связана расслоенность коры и мантии.
Для этой системы характерны элем ен­
ты саморазвития (самоусиления): увеличение
интенсивности спрединга вызывает дополни­
тельное скучивание корового материала, ко ­
то р о е усиливает ко м пенсирую щ ий отток
вещества и п од ж и м ан и е св еж его вещества
из сред ней мантии в рифтовые структуры,
а это, в свою очередь, способствует усиле­
нию спрединга и т. д .8.
Но каковы масштабы горизонтального
п ер ем ещ ен и я вещества в верхнем и нижнем
потоках рассматриваемой динамической си­
стемы? О твет на этот вопрос во м н огом за­
висит от допускаемы х масштабов разраста­
ния о кеаническо го дна за счет спрединга,
причем разны е исследователи оценивают
масштабы спрединга по-р азно м у.
Новейш ие деф о рм ации континентов
(т. е. за последние 30— 40 млн. лет) вполне
объясняются их сж атием за счет наблю да­
е м о го и в настоящ ее время раздвигания
литосферных плит, ко то р о е в океанских риф ­
товых структурах за последние несколько
тысяч лет составило, по о б щ ем у признанию,
10— 20 км . Э то под тверж д аю т и простые
расчеты амплитуды горизонтального сжатия
континентов (точнее, их коры и верхней м ан­
тии до глубин 400 км ), необходим ой для
обеспечения в изостатических условиях ср ед ­
ней амплитуды новейших вертикальных под­
нятий континентов — 500 м. Согласно этим
р асчетам,
амплитуда
сжатия
составляет
14 км , что хорош о согласуется с величиной
раздвига океанских плит в рифтогенных
структурах.
А м п литуда
оттока
вещества
ср ед ней мантии из-под континентов под
7 X а и н В. Е. / / Д о кл . АН СССР. 19В9. Т. 308. № 6.
С. 1337— 1440.
* 3 в е р е в А . Т. / / Д о к л . А Н СССР. 1989. Т. 307. №> 1.
С. 168— 170.
НО ВАЯ ГЛО Б А Л Ь Н А Я
ЧЕСКАЯ М О Д Е Л Ь
ГЕО ДИН АМ И­
Динамь.св литосф еры и сей см отом ограф ия
океаны на глубине 700— 900 км д о л ж н а до­
стигать при этом 21 км .
Если ж е объяснять образование всех
молодых океанов (А тлан тического, Индий­
ского, С еверного Л е д о в и то го ) только спредингом , приходится допускать го р азд о бо­
лее крупны е горизонтальны е п ер ем ещ ен и я
вещества, составляю щ ие м н о ги е тысячи ки­
лом етров и приводящ ие к значительному
увеличению площ ади океанов. В связи с этим
возникает вопрос: каким о б р азо м происхо­
дит это увеличение площади? М ех ан и зм рас­
ш иряю щ ейся Зем ли, предлагаем ы й неко то ­
рыми исследователями для объяснения это­
го, явно неп риго ден , поскольку тр ебует уве­
личения радиуса планеты в 2— 3 раза, а для
этого ее объем д о л ж е н увеличиться в 8—
27 раз, что соверш енно нереально. О бъяс­
нение разрастания поверхности молодых
океанов цел и ко м за счет сжатия континен­
тов та кж е несостоятельно, поскольку зем ная
ко ра при этом д о л ж н а иметь невероятную
мощ ность, а зем н ая поверхность — очень
резкий рельеф.
Чтобы преодолеть подобны е затр уд­
нения, один из авторов9, опираясь на дан­
ные сейсм о том о гр аф ии, пред л о ж ил м еха­
низм, связывающий в ед иную динам ическую
систем у рифтовые структуры древних и м о ­
лодых океанов. Суть его в том , что при
вы сокоскоростном сп р ед и н ге о кеаническое
ко ро во -м ан тий но е вещество, оказывая интен­
сивное б око во е давление на континенты , глу­
б око погруж ается под них и достигает с р ед ­
9 X а и н В. Е. У ка з. соч.
39
ней мантии в малоскоростны х зонах спрединга, поставляя туда дополнительное вещ е­
ство для образования
новой океаниче­
ской коры.
В такой модели сохраняется принцип
относительного постоянства радиуса и пло­
щ ади поверхности Земли при разрастании
о кеаническо го дна: сколько океанической
коры образовалось, столько ж е ее погру­
зилось при субдукции и пошло на построение
новой океанской
коры. Данная модель
не противоречит основным законом ерностям
строения и динам ики мантии, вскрытым сейс­
м о то м ограф ией и др уги м и м етод ам и. П р е ж ­
д е всего это касается больших объемов раз­
уплотненного м антийного вещества, обнару­
ж е н н о го под горны ми со о руж ен ия м и и кон­
тинентами в целом , повышения скорости
сейсмических волн и проявления п е р е ко м пенсации в мантии рифтовых структур с ма­
лыми скоростям и разрастания океаническо­
го дна, понижения скорости сейсмических
волн и недоком пенсации вещества в мантии
рифтовых структур с большими скоростям и
разрастания океаническо го дна, п ер еж и м а
вертикальной колонны разогрева в мантии
вулканических дуг.
В заклю чение остается добавить, что
данные сейсмической том ограф ии значи­
тельно углубляю т наши знания о земны х глу­
бинах, даю т мощный стимул для новых тео­
ретических построений. Нам представляется,
что при расш ирении сети цифровых сейсми­
ческих станций, увеличении точности и раз­
р еш аю щ ей способности этот м етод м о г бы
стать одним из главных в познании зако ­
ном ерностей динам ики Зем ли.