Abstract: The aim of the study is to consider the effect of the subduction regime on the formation of heat flow, which is associated with a high water content in the mantle wedge in the Pakistani segment of the subduction zone due to the squeezing of water by seismicity from the rocks of the subducting Arabian Plate. The research method is the modeling of dissipative heat generation and convective removal of dissipative heat to the daytime surface. This shows that, taking into account the non–Newtonian rheology of the medium and phase transitions in the mantle, the water content in the Pakistani part of the mantle wedge is increased by 0.5 wt%, the activation energy is lower by 45 kJ mol-1, and the maximum anomalous heat flow is 102 km farther from the deepwater trough than in the Iranian part of the subduction zone. As a result, the viscosity in the mantle wedge and the power of dissipative heat release decrease, and the abnormal heat flow in the rear of the Pakistani part of the trench decreases. It can be concluded that as a result of geodynamic research and analysis of the heat flow in the Pakistani part of the Makran subduction zone, it is less than in the Iranian part of this zone by 8%. At the same time, the rate of subduction of the Arabian Plate, on the contrary, is 1.5 times higher (and the angle of subduction is slightly lower) in the Pakistani segment. At first glance, this paradoxical distribution of the heat flow anomaly is associated with various subduction regimes: smooth aseismic sliding occurs in the Iranian part, and strong earthquakes with a period of about102 years are observed in the Pakistani part.
Keywords: geodynamic studies, Macran tectonic zone, mantle wedge, angle and rate of subduction, hydrocarbon deposits.
Введение
Опубликованы планы правительства Российской Федерации (РФ) о создании глобального транспортного коридора углеводородов (УВ) «Север-Юг» из нефтегазоносных регионов Татарстана, Башкортостана, Западной Сибири в страны глобального юга через территорию Ирана. В связи с этими планами правительства РФ авторами статьи были произведены региональные геолого-геофизические исследования на юге Ирана и Пакистана в зоне Макран, которые показывают, что в этом регионе могут быть найдены значительные месторождения УВ. Эти месторождения могут служить для дополнительного пополнения российских транспортных поставок УВ или в случае возникновения некоторых проблем с задержками транспортировки УВ из РФ в другие страны. Зона литосферной субдукции Макран имеет практически широтное простирание. Она расположена у южного побережья Ирана и Пакистана и уникальна в том, что скорости субдукции океанической части Аравийской литосферной плиты различны по обеим сторонам левостороннего тектонического разлома Зонне со смещением по простиранию, расположенного вдоль меридиана на 59.5ºЕ, и разделяющего зону субдукции Макран на две части. На Иранской (западной) части пододвигание происходит со скоростью 20.4 мм∙год–1, а на Пакистанской (восточной – со скоростью 32.6 мм·год–1, причем на Иранской части желоба, процесс субдукции идет в режиме асейсмичного скольжения, а на Пакистанской части – в ходе последовательности сильных землетрясений, последнее из которых (с магнитудой Mw = 8.1) произошло 27 ноября 1945 года. Предыдущие сильные землетрясения случились на Пакистанской части желоба Макран в 1851 году (западнее зоны землетрясения 1945 года) и в 1765 году (восточнее этой зоны), так что в настоящее время на Пакистанской части желоба Макран, по-видимому, подготовлено очередное сильное землетрясение. Согласно [1], распределение фокусов землетрясений по глубине севернее 27º N свидетельствует, что средний угол субдукции составляет ~ 26º, а из рис. 3 этой статьи [1] видно, что севернее широты ~ 29ºN угол субдукции β ≈ 24º. Прежние данные об отраженных сейсмических сигналах интерпретировались как свидетельства в пользу крайне пологой субдукции, происходящей под углом β ≈ 2º – 3º до глубин в несколько десятков километров [1], однако этот вывод можно отнести только к неглубокой части субдуцирующего блока.
В [2] представлены сведения о расположенной на ~ 33ºN параллельной зоне субдукции Макран 2D-зоне аномального повышенного теплового потока с дневной поверхности. Максимум теплового потока ~ 67 мВт∙м –2 расположен в тылу западной (Иранской) части желоба Макран, а позади восточной (Пакистанкой) части желоба аномалия теплового потока менее ~ 63 мВт∙м –2. Поперечный размер зоны аномального теплового потока составляет ~ 200 км, и происхождение этой зоны, по-видимому, связано с 2D конвективным потоком в мантийном клине, восходящим к подошве настилающей Евроазиатской литосферы и локализующим вынос диссипативного тепла. В [3], показывается, что 2D конвекция в мантийном клине, рассчитанная с учетом диссипативного тепловыделения, неньютоновской реологии мантии и влияния фазовых переходов на глубинах 410 км и 660 км, действительно обеспечивает вынос разогретого мантийного материала конвективным потоком шириной ~ 200 км на расстоянии ~ 500 км к северу от желоба Макран. где и наблюдается зона аномального теплового потока. Конвективный поток из мантии может выносить к поверхности Земли мантийные углеводороды и металлические (железосодержащие) руды. В [2] отмечается, что поверхностный тепловой поток является важным указателем наличия в недрах Земли углеводородных резервуаров и перспективных источников минеральных ресурсов. Меньший тепловой поток, вероятно, объясняется прерывистым режимом субдукции в восточной (Пакистанской) части желоба Макран, и, как следствие, более высоким содержанием кристаллизационной воды в мантийном клине. Согласно [4] содержание воды в мантийном клине, выжимаемой из погружающегося литосферного блока, достаточно велико, и может достигать нескольких весовых процентов. Вследствие этого в мантийных клиньях доминирует дислокационная неньютоновская ползучесть, при которой коэффициент эффективной вязкости обратно пропорционален степенной функции концентрации воды Cw и уменьшается с увеличением Cw. В [4] указывается, что наличие воды в мантийном клине провоцирует сейсмичность через механизм неустойчивости, но имеется и обратная связь сейсмичности и содержания воды через механизм «встряхивания» субдуцирующего блока и более активного выжимания воды. В силу этого вязкость в мантийном клине над литосферным блоком, субдуцирующим в прерывистом режиме в ходе последовательности землетрясений понижается, кроме того, с ростом содержания воды (т.е. увеличением влажности материала мантийного клина) снижается энергия активации, что еще более уменьшает вязкость и, следовательно, уменьшается диссипативное тепловыделение в мантии. Совместное действие этих причин понижает аномальный тепловой поток с дневной поверхности. Описанный механизм понижения теплового потока в тылу зоны субдукции, в которой происходят землетрясения, альтернативен описанному в [5], где, на основе моделирования напряженного состояния в зоне трения субдуцирующего блока с настилающей литосферой показывается, что фрикционное тепловыделение в зоне трения меньше в случае прерывистого режима субдукции, и, в силу этого тепловой поток диссипативного происхождения уменьшается.
References
1. Penney S., Tavakoli F., Saadat A., Nankali H.R., Sedighi M., Khorrami F., Sobouti F., Rafi Z., Copley A., Jackson J., Priestley K. Megathrust and accretionary wedge properties and behavior in the Makran subduction zone // Geophysical Journal International. 2017. V. 209. pp. 1800 – 1830. DOI: 10.1093/gji/ggx126.2. Mousavi N., Ebrahimzadeh A.V. 3D Surface Heat Flow, Low-Temperature Basins and Curie Point Depth of the Iranian Plateau: Hydrocarbon Reservoirs and Iron Deposits // Journal of the Earth and Space Physics. 2023. V. 48. No. 4. pp. 137-150. DOI: http//doi.org/10.22059/jesphys.2023.348000.1007453
3. Gavrilov S.V., Kharitonov A.L. Geodynamic modeling of the deep structure and processes of convective removal of hydrocarbons from the mantle wedge in the rear of the Makran subduction zone for prospecting for oil and gas fields in Iran // Geology, geography and global energy. 2024. No. 2(93). pp. 19-28.
4. Zharkov V.N. Physics of the Earth's interior. Moscow: Nauka i prosveshchenie, 2012. 384 p.
5. Gao X., Wang K. Strength of stick-slip and creeping subduction megathrusts from heat flow observations // Science. 2014. No. 345(6200). pp. 1038–1041. DOI:10.1126/science.1255487.
6. Schubert G., Turcotte D.L., Olson P. Mantle Convection in the Earth and Planets. New York: Cambridge University Press, 2001. 940 p.
7. Billen M., Hirth G. Newtonian versus non-Newtonian Upper Mantle Viscosity: Implications for Subduction Initiation // Geophys. Res. Lett. 2005. V. 32. (L19304). DOI: 10.1029/2005GL023458. 8. Trubitsyn V.P. Rheology of the mantle and tectonics of oceanic lithospheric plates // Physics of the Earth. 2012. No. 6. pp. 3-22.
9. Trubitsyn V.P., Trubitsyn A.P. Numerical model of the formation of a set of lithospheric plates and their passage through the boundary of 660 km // Physics of the Earth. 2014. No. 6. pp. 138-147. 10. Timurziev A.I. Substantiation of the structural and geomorphological method of forecasting local zones of recent stretching // Soviet geology. 1989. No. 1. pp. 69-79.
11. Seiful-Mulyukov R. Oil and gas: deep nature and its applied significance. Moscow: Torus Press, 2012. 216 p.