Abstract: Based on the previously obtained authors’ analytical solutions of the equation of dissipative heat transfer in the mantle wedge above the flatly subducting plate the estimation is made of anomalous heat flow from the mantle wedge to the Earth’s surface in the rare of subduction zone. On the assumption of the constant-viscosity fluid and conductive dissipation heat transport in the mantle wedge the anomalous heat flux dependence on the angle and velocity of subduction is revealed. In the cases the velocity of subduction is established by the modern geodetic means and the angle of subduction is known from seismological data the anomalous heat flux estimations obtained here are proved to be valid. In the zones, where the velocity of subduction was not thus far determined from geodetic observations, e.g. along the Crimea Southern Shore, the new estimations of this velocity are found, which for the Black Sea micro plate subduction velocity amounts to ~ 3 mm par year.
Keywords: dissipative heating in the mantle wedge, conductive heat transfer, angle and velocity of subduction, heat flux anomalies.
Введение
В тылу многих зон субдукции позади передовой дуги и вулканической цепи, формирующихся параллельно глубоководному желобу, обычно наблюдаются 2D зоны повышенного теплового потока, также параллельные глубоководным желобам [16; 15]. В этих зонах располагаются или центры окраинного раздвигания литосферы (и окраинные бассейны), или формируются грабены, т.е. зоны растяжения литосферы [12].
Поскольку субдуцирующие блоки экранируют тепловой поток из нижележащей мантии, можно предположить, что аномалии теплового потока в тылу зон субдукции формируются в мантийном клине за счет диссипативного тепловыделения в вязком течении, вызываемом в астеносфере поддвигающейся плитой. Диссипативный механизм генерации тепла более эффективен на меньших расстояниях от желоба, где встречные движения вещества астеносферы над поддвигающейся плитой сближены теснее и поэтому скорости деформации выше, чем на бóльших расстояниях от желоба, где диссипативный механизм теплогенерации слабее. Однако конвективный вынос диссипативного тепла более эффективен на бóльших расстояниях от желоба, так как конвекция легче возбуждается в более мощном слое, в котором локальное число Рэлея, пропорциональное кубу толщины слоя, оказывается сверхкритическим. Следовательно, можно ожидать, что кондуктивный 2D вынос тепла будет максимален на некотором определенном расстоянии от желоба, где и возможно формирование центра окраинного раздвигания и/или растяжения литосферы, характеризуемого максимумом 2D аномалии теплового потока. В настоящей работе рассмотрены полученные ранее авторами аналитические решения, описывающие термомеханическое состояние среды в приближении однородной вязкой жидкости в мантийном клине над полого субдуцирующей плитой и на основе этих решений получены оценки аномального теплового потока, выносимого кондуктивным течением, восходящим из мантийного клина к подошве настилающей литосферы и далее к дневной поверхности.
References
1. Гаврилов С.В. Исследование механизма формирования островных дуг и тылового раздвигания литосферы // Геофизические исследования. 2014. Т. 15. № 4. С. 35-43.2. Гаврилов С.В., Харитонов А.Л. О формировании аномального теплового потока в бассейне Паннония и зоне Вардар при субдукции Адриатической плиты под Евроазиатскую плиту // International Journal of Professional Science. 2021. № 9. С. 27–39. doi: 10.54092/25421085_2021_9_27
3. Гаврилов С.В., Харитонов А.Л. Геотермодинамическая модель предполагаемой палеозоны литосферной субдукции в районе Черноморской впадины и ее связь с металлогенической зональностью Крыма и Кавказа // Региональная геология и металлогения. 2021. № 87. С. 4-16. doi: 10.52349/0869-7892-2021-87-04-16
4. Gavrilov S.V., Kharitonov A.L. A plate tectonic model for the origin of metal provinces in Amur region of Asian lithospheric plate and subduction convective mechanism of the dissipative heat and calcareous-alcaline magmas upward transport from the mantle wedge // International Journal of Professional Science. 2022. № 9. pp. 80-85. doi: 10.54092/25421085_2022_9_80.
5. Гаврилов С.В., Харитонов А.Л. О субдукции Амурской микроплиты и конвективном механизме выноса диссипативного тепла и углеводородов из мантийного клина в Охотском море к востоку от острова Сахалин // Вестник Академии наук Республики Башкортостан. 2022. Т. 42. № 1(105). С. 5-12. doi: 10.24412/1728-5283_2022_1_5-12
6. Гаврилов С.В., Харитонов А.Л. Моделирование глубинного геодинамического строения зоны субдукции Русской палеоплиты под литосферу Уральского палеоокеана и связанное с субдукцией распределение месторождений углеводородов // Уральский геологический журнал. 2021. No. 5(143). C. 3-19.
7. Гаврилов С.В., Харитонов А.Л. Оценка нефтегазовых перспектив Крымского полуострова как результат геодинамического моделирования зоны субдукции Восточно-Черноморской плиты под литосферу Скифской плиты // Ученые записки Крымского федерального университета имени В.И. Вернардского. Сер. География, Геология. 2021. Т.7. № 3. С. 279-291. doi: 10.37279/2413-1717-2021-7-3-279-291
8. Гаврилов С.В., Абботт Д.Х. Термомеханическая модель тепло- и массопереноса в окрестности зоны субдукции // Физика Земли. 1999. № 12. C. 3-12.
9. Жарков В.Н. Физика земных недр. М.: Наука и образование, 2012. 384 с.
10. Ниметулаева Г.Ш. Обеспечение экологической безопасности территории Бахчисарайского района Крыма при оползневых явлениях на основе геодинамического районирования недр. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук М.: Московский государственный горный университет. 2004. 200 с.
11. Смирнов Я.Б. (ред.). Карта теплового потока территории СССР и сопредельных районов. Москва: ГУГК, 1980.
12. Уеда C. Новый взгляд на Землю. Москва: Мир, 1980. 216 с.
13. Ушаков С.А., Галушкин Ю.И., Иванов О.П. Природа складчатости осадков на дне Черного моря в зоне перехода к Крыму и Кавказу // Доклады АН СССР. 1977. Т. 233. № 5. C. 932–935.
14. MacKenzie D.P. Speculations on the consequences and causes of plate motion // Geophys. J. of Roy. Astron Soc. 1969. V. 18. pp. 1–32.
15. Pollack B.N., Hurter S., Johnson J.R. The New Global Heat Flow Data Compilation. EOS Trans, AGU. 1990. № 71. pp. 1604.
16. Turcott D.L., Schubert J. Geodynamics. Moscow: Mir, 1985. 732 p.
17. Гаврилов С.В., Харитонов А.Л. Использование результатов глубинной геодинамической модели Черноморско-Кавказского региона для поисков перспективных нефтегазовых районов // Вестник Владикавказского научного центра. 2021. Т. 21. № 4. С. 54-63.
18. Гаврилов С.В., Харитонов А.Л. Роль сублитосферной термической конвекции в выносе углеводородов на северо-западной окраине Сибирского кратона (Россия) // Газовая промышленность. 2018. № 5(768). С. 48-52.
19. Гаврилов С.В., Харитонов А.Л. Обеспечение экономической и энергетической безопасности дальневосточных регионов России как результат поиска новых месторождений углеводородов на основе использования механизма термодинамического моделирования // Вестник образования и развития науки Российской академии естественных наук. 2022. Т. 26. № 2. С. 77-86. doi: 10.26163/RAEN.2022.19.64.010
20. Gavrilov S.V., Kharitonov A.L. New estimation of the subduction velocity of the Black Sea microplate and the model of the thermal convection in the mantle wedge as a mechanism of heat and mantle hydrocarbons transport in the rear of the Crimea mountains // Modern Science. 2021. № 10-1. C. 38-45.
21. Kharitonov A.L., Gavrilov S.V. Distribution of metallogenic zones of the Caucasus region originated as a result of the subduction of the lithosphere of the Tethys paleo-oceanic plate under the East-European paleo-continental plate // Acta Geodinamica et Geomaterialia. 2021. V. 18. № 2(202). pp. 199-208. doi: 10.13168/AGG.2021/0014