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.