On the anomalous heat flux formation in the Pannonia basin and Vardar zone in the course of subduction of the Adriatic plate under the Eurasian plate

UDC 530.311
Publication date: 29.10.2021
International Journal of Professional Science №9-2021

On the anomalous heat flux formation in the Pannonia basin and Vardar zone in the course of subduction of the Adriatic plate under the Eurasian plate

О формировании аномального теплового потока в бассейне Паннония и зоне Вардар при субдукции Адриатической плиты под Евроазиатскую плиту

Gavrilov Sergei Vladilenovich
Kharitonov Andrey Leonidovich

1. Doctor of physical and mathematical sciences, Main scientist of the laboratory 102, Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences
2. Candidate of physical and mathematical sciences, Leading scientist of the Main Earth’s magnetic field laboratory, Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Waves Propagation of the Russian Academy of Sciences


Гаврилов Сергей Владиленович
Харитонов Андрей Леонидович

1. Доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник лаборатории 102, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН
2. Кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории главного магнитного поля Земли, Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им.Н.В. Пушкова РАН
Review article
Аннотация: В предположении неньютоновской реологии мантии выполнено численное моделирование 2D термической конвекции, возбуждаемой диссипативным тепловыделением в мантийном клине при субдукции Адриатической плиты под горный пояс Динара, бассейн Паннония и зону Вардар. В рамках построенной модели объясняется локализация, поперечная протяженность и величина вытянутой параллельно побережью Адриатического моря зоны аномального мантийного теплового потока, соответствующие скорости субдукции  10 мм/год, наблюдаемому углу субдукции ~ 25°, и содержанию воды в мантийном клине ~ 1 вес. %. При такой скорости субдукции возбуждается одна конвективная ячейка с единственным 2D конвективным течением, восходящим к зоне максимального мантийного теплового потока, составляющего в предлагаемой модели ~ 100 мВт×м-2, который действительно наблюдается в бассейне Паннония и зоне Вардар. Указывается, что в случае неньютоновской реологии конвективный вынос тепла происходит в нестационарном режиме. Конвекция в мантийном клине может обеспечить вынос мантийных углеводородов к дневной поверхности.

Abstract: For the non-Newtonian mantle rheology case the 2D thermal viscous dissipation-driven thermal convection in the mantle wedge above the Adriatic (micro) plate subducting under the Euro-Asian plate is modeled numerically. The effects of the 410 km and 660 km phase transitions are taken into account. Within the framework of the model constructed the horizontal extent of the 2D heat flux anomaly observed in the rear of the Dinarides mountain belt corresponds to subduction velocity ~10 mm per year which is close to that observed with the help of geodetic means. In the case of non-Newtonian rheology the upwelling convective flow transporting heat to the Earth’s surface locates at the distance from the trench corresponding to the actually observed 2D heat flux anomaly, the velocity in the convective vortices being over ~ 10 m per year. Rheological constants of the mantle wedge material are specified more accurately, the concentration of water in the mantle wedge being ~ 1 weight percent. Upwelling mantle wedge convective flow is indicated to be able to provide the mantle wedge hydrocarbons transport to the Earth’s surface, the model surface heat flux ~ 102 mW×m–2 corresponds to the observed one.
Ключевые слова: термическая конвекция в мантийном клине, угол и скорость субдукции, реологические параметры мантии, фазовые переходы в мантии.

Keywords: mantle wedge 2D thermal convection, non-organic mantle hydrocarbons transport, subduction angle and velocity, mantle rheology, phase transitions in the mantle, surface heat flux.

Введение

Согласно [9], субдукция Адриатической литосферной плиты под горный массив Динара, бассейн Паннония и зону Вардар в течение последних ~ 45 млн. лет происходит под углом ~ 25°. Горный пояс Динара поперечной протяженностью ~300 км видимо складчато-надвиговой природы, возник в последние 55 – 35 млн. лет при столкновении и субдукции океанических ответвлений нео-Тетиса и Альпийского Тетиса в результате пододвигания Африканской плиты под Восточную и Западную Европу [9]. В [7] приводятся многочисленные ссылки на работы, содержащие противоречивые результаты оценок, сделанных о взаимных движениях Адриатической и Евроазиатской плит на основе сейсмических, геофизических и геодезических данных. В [7] указывается, что скорость субдукции Адриатической плиты под Евроазиатскую составляет ~ 5 – 8 мм/год, а по данным геодезических наблюдений ~ 5 мм/год. Согласно [17] бассейн Паннония и зона Вардар суть зоны растяжения, происшедшего в Среднем Миоцене ~ 14 – 11.6 млн. лет назад и приведшего к утонению литосферы, т.е. представляют собой окраинный бассейн, характеризуемый задуговым спредингом. В этот период единый горный пояс, параллельный Адриатическому побережью, расцепляется на Карпаты и Динару, и образуется мелкое Паннонское море, существовавшее до ~ 600 тыс. лет назад. В настоящее время здесь расположен Паннонский нефтегазовый бассейн. Ранее в [11, 12, 13] выяснялись условия инициации центра окраинного раздвигания в результате действия механизма конвективной неустойчивости, движимой диссипативным тепловыделением в мантийном клине при заданных скорости и угле субдукции при концентрации воды в мантийном клине Cw = 0.3 вес. %. В настоящей работе показывается, что диссипативный тепловой поток, выносимый конвекцией к дневной поверхности, соответствует концентрации воды Cw = 1 вес. % при скорости субдукции ~ 10 мм/год.

Подробнее…

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. Оценка скорости субдукции Русской платформы под Сибирскую в палеозое по распределению зон выноса мантийных углеводородов в Западной Сибири // Геофизические Исследования. - 2015. - Т.16. - №4. - С. 36-40.
3. Гаврилов С.В., Абботт Д.Х. Термомеханическая модель телпло- и массопереноса в окрестности зоны субдукции // Физика Земли. - 1999. - №12. - С. 3-12.
4. Жарков В.Н. Геофизические исследования планет и спутников. М.: ОИФЗ РАН, - 2003. - 102 с.
5. Жарков В.Н. Физика земных недр. М.: Наука и образование, - 2012. - 384 с.
6. Трубицын В.П., Трубицын А.П. Численная модель образования совокупности литосферных плит и их прохождения через границу 660 км // Физика Земли. - 2014. - №6. - С. 138-147.
7. Babbicci D., Tamburelli C., Viti M., Mantovani E., Albarello D., D’Onza F., Cenni N., Mugnaioli E. Relative motion of the Adriatic with respect to the confining plates: seismological and geodetic constraints // Geophys. J. Int.. - 2004. - V.159. - P. 765-775.
8. 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.
9. Carminati E., Lustrino M., Doglioni C. Geodynamic evolution of the central and western Mediterranean: Tectonics vs. igneous petrology constraints // Tectonophysics. - 2012. - V.579. - P. 173-192.
10. Gavrilov S.V., Kharitonov A.L. Subduction velocity of the Russian plate under the Siberian one at Paleozoic: a constraint based on the mantle wedge convection model and the oil- and gas-bearing zones distribution in Western Siberia // Modern Science. - 2016. - No.16. - P.155-160.
11. Gavrilov S.V., Kharitonov A.L. The subduction of the Adriatic plate and the convective mechanism of the dissipative heat and hydrocarbons transport from the mantle wedge in the Pannonian region // Modern Science. - 2019 а. - No.5-1. - P. 33-40.
12. Gavrilov S.V., Kharitonov A.L. The computer modeling of physical mechanism of the 2D convective transport of hydrocarbons from the mantle wedge to the Earth's surface: a comparison of the Newtonian and non-Newtonian rheology cases // International Journal of Engineering Research and Science. – 2019 б. - V. 5. - Issue (No.10). - P. 17-22.
13. Gavrilov S.V., Kharitonov A.L. On the subduction of the Apulian lithospheric microplate under the Euro-Asian one and the mantle wedge thermal convection as a possible mechanism of hydrocarbons upward transport in the Pannonia and the Vardar basins // International Journal of Professional Science. - 2019 в. - No.10. - P. 68-77.
14. Gerya T.V., Connolly J.A.D., Yuen D.A., Gorczyk W., Cape A.M.l. Seismic implications of mantle wedge plumes // Phys. Earth Planet. Inter. - 2006. - V.156. - P. 59-74.
15. Gerya T.V. Future directions in subduction modeling // J. of Geodynamics. - 2011. - V.52. - P. 344-378.
16. Lenkey L., Dovenyi P., Horvath F., Cloetingh S.A.P.L. Geothermics of the Pannonian basin and its bearing on the neotectonics // EGU Stephan Mueller Special Publication Series. - 2002. - V.3. - P. 29-40.
17. Royden L.H., Horvath F., Nagymarosy A., Stegena L. Evolution of the Pannonian basin system: 2. Subsidence and thermal history // Tectonics. - 1983. - V.2. - P. 91-137.
18. Schubert G., Turcotte D.L., Olson P. Mantle Convection in the Earth and Planets. New York: Cambridge University Press, - 2001. - 940 p.