Материал: геотектоника
76
F
¯ = 2
m
[
ω
¯
V
¯],
где
m
–
масса
элементарного
объема
,
ω
¯ –
вектор
частоты
вращения
Земли
(
направленный
на
Полярную
звезду
),
V
¯ –
вектор
скорости
дви
-
жения
элементарного
объема
.
При
взаимодействии
центробежной
силы
,
направленной
перпенди
-
кулярно
оси
вращения
,
силы
тяжести
,
ориентированной
к
центру
плане
-
ты
,
силы
Кориолиса
,
вызывающей
отклонение
пути
,
возникает
сложная
структура
поля
напряжений
.
Если
западная
компонента
дрейфа
относительно
постоянна
и
объ
-
ясняется
действием
ротационно
-
приливных
сил
,
замедляющих
враще
-
ние
вышележащих
геосфер
относительно
нижележащих
,
то
северная
компонента
должна
убывать
по
мере
скопления
континентов
в
северной
полярной
области
.
Она
вполне
может
объяснить
отмеченную
асимме
-
трию
фигуры
Земли
.
Предполагается
,
что
северная
компонента
дрейфа
континентов
обусловлена
тектоническим
течением
подконтиненталь
-
ной
мантии
и
кинематически
связанного
с
ней
внешнего
«
жидкого
»
ядра
.
С
учетом
компенсационной
организации
тектонического
течения
можно
предположить
,
что
поверхностный
северный
(
направленный
вдоль
меридианов
)
поток
должен
компенсироваться
в
тылу
глубинным
южным
горизонтальным
противопотоком
.
Таким
образом
,
в
мантии
осуществляется
осесимметричная
одноячейковая
конвекция
.
Предпо
-
лагается
,
что
такая
конвекция
является
вынужденной
,
поскольку
дан
-
ные
сейсмотомографии
не
позволяют
считать
,
что
в
зоне
восходящего
потока
под
Южным
полюсом
существует
аномально
горячая
мантия
.
Конвекцию
можно
увязать
с
упомянутой
западной
компонентой
дрей
-
фа
.
Поскольку
эта
компонента
выглядит
как
вращение
континентов
во
-
круг
земной
оси
(
со
стороны
Южного
полюса
против
часовой
стрелки
,
а
со
стороны
Северного
полюса
–
по
часовой
стрелке
),
то
,
по
известно
-
му
из
физики
«
правилу
буравчика
»,
такое
вращение
должно
сопрово
-
ждаться
восходящим
потоком
под
Южным
полюсом
и
нисходящим
–
под
Северным
.
Таким
образом
,
ротационно
-
приливные
силы
могут
рассматриваться
в
качестве
единой
геодинамической
системы
,
которая
охватывает
все
оболочки
Земли
и
состоит
из
систем
меньшего
размера
и
иного
(«
компенсационного
»)
качества
–
ячеек
.
Они
,
в
свою
очередь
,
подразделяются
на
еще
меньшие
системы
–
домены
,
обладающие
сво
-
им
качеством
(
однородностью
деформаций
).
Одноячейковая
конвекция
содержит
один
восходящий
,
один
нисходящий
и
два
горизонтально
на
-
правленных
потока
.
Любая
ячейка
делится
на
четыре
домена
:
два
доме
-
на
горизонтального
сжатия
и
два
домена
горизонтального
растяжения
,
77
которые
расположены
в
шахматном
порядке
.
В
ячейке
верхний
домен
горизонтального
растяжения
находится
в
пределах
Южного
полушария
.
Его
граница
с
нижним
доменом
горизонтального
растяжения
распола
-
гается
на
неизвестной
глубине
.
Неясно
и
положение
подошвы
нижнего
домена
.
Верхний
домен
горизонтального
сжатия
расположен
в
Север
-
ном
полушарии
.
Его
границы
также
не
известны
.
Одним
из
признаков
возможного
восходящего
потока
и
горизонтального
растяжения
в
об
-
ласти
Южного
полюса
является
наличие
радиальных
по
отношению
к
полюсу
грабенов
,
возникших
на
неотектоническом
этапе
.
Для
Северной
полярной
области
возможен
нисходящий
поток
и
обстановка
горизон
-
тального
сжатия
.
Среди
признаков
нисходящего
потока
–
специфиче
-
ский
рифтовый
и
пострифтовый
режимы
с
формированием
глубоких
впадин
,
а
также
весьма
медленный
спрединг
в
хребте
Гаккеля
.
На
фоне
ротационно
-
приливной
геодинамической
системы
и
в
ко
-
операции
с
ней
действуют
системы
,
обусловленные
силами
,
возника
-
ющими
в
результате
процессов
внутреннего
саморазвития
планеты
,
ее
важнейших
оболочек
.
Степень
динамического
воздействия
географической
оболочки
на
развитие
тектонических
движений
еще
мало
изучена
.
Атмосферные
процессы
в
основном
определяются
солнечной
радиацией
.
Динамиче
-
ское
состояние
атмосферы
зависит
от
неравномерного
распределения
тепла
,
которое
обусловливает
распределение
давления
.
Приземная
ат
-
мосфера
мощностью
1,5
км
называется
планетарным
пограничным
сло
-
ем
.
Она
подвержена
влиянию
трения
о
земную
поверхность
.
Именно
в
этом
слое
происходит
обмен
теплом
и
водяным
паром
с
земной
поверх
-
ностью
и
с
поверхностью
океана
,
возникает
облачность
,
а
скрытая
те
-
плота
конденсации
порождает
мощные
атмосферные
возмущения
.
Под
общей
циркуляцией
атмосферы
понимают
крупномасштабные
воздуш
-
ные
течения
.
Выделяются
области
высокого
давления
над
полюсами
,
низкого
давления
на
широтах
60–65°,
средние
широты
,
где
преобладают
циклоны
и
антициклоны
;
области
высокого
давления
субтропических
антициклонов
на
широтах
30–35°,
низкого
давления
на
экваторе
.
Круп
-
номасштабная
циркуляция
воздуха
является
геострофической
.
Дви
-
жение
воздушных
масс
направлено
по
изобарам
,
кроме
пограничного
слоя
,
где
сказывается
трение
о
земную
поверхность
.
В
экваториальной
зоне
условия
геострофичности
не
выполняются
,
и
в
циркуляции
преоб
-
ладают
широтные
направления
.
Важнейшей
характеристикой
океанов
являются
течения
.
Это
гори
-
зонтальные
перемещения
огромных
масс
воды
.
Например
,
только
одно
течение
Гольфстрим
в
продолжение
года
переносит
750
тыс
куб
.
км
78
воды
,
что
в
20
раз
больше
годового
стока
всех
рек
мира
.
Все
главнейшие
течения
Мирового
океана
являются
фрикционными
(
дрейфовыми
).
Они
подчиняются
перепаду
температур
и
постоянно
движущимся
воздуш
-
ным
массам
в
атмосфере
.
Кроме
того
,
на
них
действует
сила
Кориолиса
,
которая
в
Северном
полушарии
отклоняет
их
к
востоку
,
а
в
южном
–
к
западу
.
Течения
этого
типа
относят
к
геострофическим
.
Скорость
тече
-
ния
прямо
пропорциональна
скорости
ветра
и
уменьшается
с
увеличе
-
нием
широты
местности
.
Геострофические
течения
образуют
систему
гигантских
круговоротов
.
В
частности
,
мощное
круговое
течение
(
те
-
чение
Западных
ветров
)
омывает
Антарктиду
.
Предполагается
,
что
оно
достигает
дна
,
и
его
конфигурация
определяется
подводным
рельефом
.
Антарктическое
циркумполярное
течение
характеризуется
наиболь
-
шим
среди
всех
течений
расходом
воды
–
около
200
млн
кубометров
в
секунду
.
Кроме
названных
течений
в
океанах
выделяются
стоковые
течения
,
возникающие
в
результате
обильных
атмосферных
осадков
,
при
интенсивном
таянии
ледников
.
Плотностные
течения
обусловле
-
ны
неравномерным
распределением
температуры
и
солености
воды
по
горизонтали
.
Рассмотренные
течения
относятся
к
поверхностным
.
Кроме
них
выделяются
промежуточные
по
глубине
(
подповерхностные
),
глубин
-
ные
(
придонные
)
и
донные
течения
.
Они
тесно
связаны
с
поверхност
-
ными
,
образуя
конвективные
системы
различных
рангов
.
В
местах
по
-
гружения
масс
воды
формируются
обширные
водовороты
.
В
местах
подъема
возвратных
потоков
возникает
апвеллинг
.
Несомненно
,
перемещения
водных
масс
способны
порождать
еще
мало
изученные
силы
,
воздействующие
на
планету
в
целом
.
Хотя
солнечная
энергия
,
получаемая
в
настоящее
время
Землей
за
год
(
около
100
млрд
МВт
),
примерно
равна
лишь
двум
миллиардным
долям
всей
энергии
,
излучаемой
Солнцем
,
ее
количества
достаточно
для
обеспечения
большинства
экзогенных
процессов
,
протекающих
в
географической
оболочке
,
а
также
для
существования
биосферы
.
Сол
-
нечная
энергия
во
взаимодействии
с
потенциальной
энергией
верти
-
кальных
тектонических
движений
литосферы
,
питает
экзогенные
про
-
цессы
,
направленные
на
денудацию
суши
,
на
перемещение
продуктов
денудации
к
основанию
склонов
материков
.
Впоследствии
эти
продук
-
ты
становятся
важнейшей
частью
вещества
,
из
которого
в
зонах
кон
-
вергенции
образуется
новая
континентальная
кора
.
Таким
образом
,
в
географической
оболочке
осуществляется
своеобразная
«
конвекция
»,
при
которой
происходит
активный
обмен
веществом
и
энергией
между
внешними
геосферами
и
геосферами
твердой
Земли
.
79
6.2.
Некоторые
представления
о
глубинных
механизмах
тектонических
движений
Источники
энергии
глубинных
геологических
процессов
связа
-
ны
с
тепловой
энергией
,
порождаемой
уплотнением
–
разуплотнением
,
сжатием
–
растяжением
,
а
также
трением
,
возникающим
при
взаимном
перемещении
масс
твердого
вещества
.
То
,
что
это
тепло
поступает
из
глубины
,
подтверждается
непрерывным
выделением
через
поверхность
твердой
Земли
в
окружающее
пространство
теплового
потока
величи
-
ной
4,2 × 10¹³ W.
В
настоящее
время
признается
,
что
главным
источ
-
ником
тепла
внутри
Земли
является
гравитационная
дифференциация
вещества
на
границе
литосферы
и
астеносферы
,
верхней
и
нижней
ман
-
тии
,
ядра
и
мантии
,
внутреннего
и
внешнего
ядра
.
К
этому
источнику
добавляется
радиогенное
тепло
,
которое
составляет
около
четверти
от
общего
теплового
потока
.
Оно
генерируется
в
основном
в
верхнем
слое
континентальной
коры
,
где
сосредоточено
примерно
90 %
радиоактив
-
ных
элементов
.
В
баланс
теплового
потока
входит
также
то
остаточное
тепло
,
которое
приобретено
Землей
во
время
аккреции
и
тепло
,
унасле
-
дованное
от
протопланетного
диска
,
от
эпохи
интенсивной
метеорит
-
ной
бомбардировки
.
Источником
тепла
являются
и
твердые
приливы
,
связанные
с
гравитационным
взаимодействием
Солнца
,
Луны
и
Земли
,
доля
которых
составляет
около
2 %
полной
тепловой
энергии
Земли
.
Конвекция
в
мантии
Земли
является
важнейшим
процессом
,
обе
-
спечивающим
перенос
тепла
внутри
планеты
.
Условием
проявления
те
-
пловой
конвекции
является
превышение
критического
значения
числа
Рэлея
,
определяемого
из
соотношения
:
R
=
Δρ
g h
³/
ρ
υ
Х
,
где
Δρ
–
относительная
разность
плотностей
в
кровле
и
в
подошве
гори
-
зонтального
слоя
;
подогреваемого
снизу
;
g
–
ускорение
силы
тяжести
;
h
–
мощность
слоя
;
ρ
–
средняя
плотность
слоя
;
υ
–
кинематическая
вяз
-
кость
слоя
,
равная
отношению
вязкости
к
средней
плотности
;
Х
–
коэф
-
фициент
температуропроводности
,
который
определяется
отношением
теплопроводности
к
плотности
и
удельной
теплоемкости
.
В
числителе
дроби
–
показатели
,
способствующие
развитию
кон
-
векции
,
а
в
знаменателе
–
препятствующие
ей
.
Если
число
Рэлея
боль
-
ше
1000 (
первое
критическое
число
Рэлея
)
возникает
конвекция
.
При
этом
конвекция
в
линейной
форме
(
в
виде
конвективных
валов
)
являет
-
ся
устойчивой
при
значениях
R
в
диапазоне
от
1000
до
10 000 (
второе
критическое
число
Рэлея
).
При
значениях
R
больших
,
чем
второе
кри
-
80
тическое
число
устойчивой
становится
конвекция
в
гексагональной
(
ку
-
польной
)
форме
.
Размеры
купольных
ячеек
(
ячеек
Бенара
)
закономерно
увеличиваются
с
увеличением
мощности
конвектирующего
слоя
.
Результаты
математического
моделирования
трехмерной
мантий
-
ной
конвекции
в
сферическом
слое
,
нагреваемом
изнутри
,
показали
,
что
течения
самоорганизуются
в
форме
локализованных
колец
устойчивых
в
пространстве
нисходящих
потоков
.
Они
компенсируются
восходя
-
щими
цилиндрическими
потоками
,
значительно
более
изменчивыми
в
пространстве
и
времени
.
Увеличение
числа
Рэлея
приводит
к
большей
хаотичности
конвективных
движений
при
сохранении
главной
струк
-
турной
особенности
конвекции
–
глобальных
нисходящих
колец
.
В
последние
годы
важный
вклад
в
разработку
теории
тепловой
мантийной
конвекции
внесли
российские
ученые
(
Н
.
Л
.
Добрецов
и
др
.,
2001;
В
.
П
.
Трубицын
и
др
., 2000).
В
работах
первой
группы
исследова
-
телей
на
основе
физического
и
математического
моделирования
рассма
-
триваются
режимы
раздельной
тепловой
конвекции
в
верхней
и
нижней
мантии
,
гидродинамика
развития
мантийных
плюмов
,
геологические
,
петрохимические
следствия
предлагаемой
концепции
глубинной
гео
-
динамики
.
В
работах
второй
группы
анализируется
влияние
континентов
на
характер
тепловой
конвекции
в
мантии
.
Проведенное
моделирование
с
учетом
континентов
,
частично
экранирующих
выход
тепла
из
недр
Зем
-
ли
,
позволило
предложить
механизм
смены
глобальных
нисходящих
ман
-
тийных
потоков
на
восходящие
,
связав
этот
процесс
с
циклами
Вилсона
.
Принципиально
иной
подход
развивается
японскими
учеными
(
С
.
Маруяма
и
др
., 1994),
суть
которого
определяется
взаимодействием
трех
динамических
оболочек
.
В
верхней
–
действуют
процессы
текто
-
ники
плит
.
В
средней
,
включающей
нижнюю
мантию
и
часть
подли
-
тосферной
верхней
мантии
,
господствует
плюм
-
тектоника
.
В
нижней
оболочке
(
ядро
Земли
)
действует
«
тектоника
роста
ядра
».
Главным
механизмом
взаимодействия
оболочек
является
механизм
накопления
тяжелого
вещества
субдуцируемых
плит
в
области
границы
верхней
и
нижней
мантии
и
его
внезапный
прорыв
в
нижнюю
мантию
в
виде
глобального
нисходящего
потока
– «
аваланша
»,
который
активизиру
-
ет
образование
компенсирующего
восходящего
плюма
.
Если
этот
плюм
образуется
под
суперконтинентом
,
он
вызывает
его
раскол
и
заложение
новых
океанов
.
Главным
отличием
этой
концепции
является
привлече
-
ние
«
химической
»
а
не
тепловой
конвекции
.
Модель
термохимической
двухъярусной
конвекции
в
мантии
предложена
Л
.
И
.
Лобковским
(2004).
Она
учитывает
данные
сейсмиче
-