The Thermoconvective Three-Dimensional Spherical Model of Modern Earth Geodynamics: Application to Tectonics and Regional Geology

Мұқаба

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Ашық рұқсат Ашық рұқсат
Рұқсат жабық Рұқсат берілді
Рұқсат жабық Тек жазылушылар үшін

Аннотация

The article presents a thermoconvective three-dimensional spherical model of the modern geodynamics of the Earth, created by the authors, based on the global seismic tomography model SMEAN2 with plate rheology on the surface. The fundamental result is that the numerical three-dimensional model of flows in the spherical mantle layer leads to an image of horizontal movements of lithospheric plates on the Earth’s surface that agrees with the modern kinematic model of plate tectonics, as well as with satellite observations of horizontal displacements on the Earth’ surface. This agreement allows us to reasonably assert that the presented three-dimensional model of modern material flows for a spherical Earth is a generalization of the concept of plate tectonics, which has been developing for half a century within the framework of kinematic theory using mainly two-dimensional convective models of mantle flows, which can describe only regional processes. We consider the application of the model to explain some features of regional tectonics.

Толық мәтін

Рұқсат жабық

Авторлар туралы

L. Lobkovsky

Shirshov Institute of Oceanology of the Russian Academy of Sciences

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: baranov@ifz.ru
Ресей, 36, Nakhimovsky Ave., Moscow, 117218

A. Baranov

Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences

Email: baranov@ifz.ru
Ресей, 10, B. Gruzinskaya St., Moscow, 123995

A. Bobrov

Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences

Email: baranov@ifz.ru
Ресей, 10, B. Gruzinskaya St., Moscow, 123995

A. Chuvaev

Russian Technological University

Email: baranov@ifz.ru
Ресей, 78, Vernadsky Ave., Moscow, 119454

Әдебиет тізімі

  1. Баранов А.А., Лобковский Л.И., Бобров А.М. Глобальная геодинамическая модель современной Земли и ее приложение для Антарктиды // ДАН. Науки о Земле. 2023. Т. 512. № 1. С. 100‒105. doi: 10.31857/S2686739723600911
  2. Бобров А.М., Баранов А.А. Структура мантийных течений и поля напряжений в двумерной модели конвекции с неньютоновской реологией // Геология и геофизика. 2014. Т. 55. № 7. С. 1015‒1027. doi: 10.1016/j.rgg.201 .06.001
  3. Бобров А.М., Баранов А.А. Модель мантийной конвекции с неньютоновской реологией и фазовыми переходами: структура течений и поля напряжений // Физика Земли. 2016. № 1. С. 133–148. doi: 10.7868/S0002333716010038
  4. Кирдяшкин А.А., Кирдяшкин А.Г. Влияние скорости движения океанической литосферы на свободно-конвективные течения в астеносфере под срединно-океаническим хребтом // Физика Земли. 2008. № 4. С. 35‒47.
  5. Лаверов Н.П., Лобковский Л.И., Кононов М.В., Добрецов Н.Л., Верниковский В.А., Соколов С.Д., Шипилов Э.В. Геодинамическая модель тектонического развития Арктики в мезозое и кайнозое и проблема внешней границы континентального шельфа России // Геотектоника. 2013. № 1. С. 3–35. doi: 10.7868/S0016853X13010050
  6. Лобковский Л.И., Баранов А.А., Бобров А.М., Чуваев А.В. Глобальная геодинамическая модель современной Земли и ее приложение для Арктического региона // ДАН. Науки о Земле. 2024. Т. 514. № 2. С. 293–299. doi: 10.31857/S2686739724020125
  7. Лобковский Л.И., Габсатаров Ю.В., Алексеев Д.А., Владимирова И.С., Рамазанов М.М., Котелкин В.Д. Геодинамическая модель взаимодействия зоны субдукции с континентальной литосферой в области перехода от Тихого океана к Восточной Азии // Геодинамика и тектонофизика. 2022. Т. 13. № 5. 0675. doi: 10.5800/GT-2022-13-5-0675
  8. Лобковский Л.И., Соколов С.Д., Сорохтин Н.О., Кононов М.В. Двухъярусная субдукция в верхней мантии как механизм эволюции литосферы Восточной Арктики в поздней юре–раннем мелу // ДАН. Науки о Земле. 2021. Т. 2. № 500. С. 123–130. doi: 10.31857/S2686739721100108
  9. Лобковский Л.И. Тектоника деформируемых литосферных плит и модель региональной геодинамики применительно к Арктике и Северо-Восточной Азии // Геология и геофизика. 2016. Т. 57. № 3. С. 476–495. doi: 10.15372/GiG20160302
  10. Лобковский Л.И., Шипилов Э.В., Кононов М.В. Геодинамическая модель верхнемантийной конвекции и преобразования литосферы Арктики в мезозое и кайнозое // Физика Земли. 2013. № 6. С. 20–38.
  11. Соколов С.Д., Лобковский Л.И., Верниковский В.А., Тучкова М.И., Сорохтин Н.О., Кононов М.В. Тектоника и геодинамика Восточной Арктики в мезозое // Геология и геофизика. 2022. Т. 63. № 4. 3890409. doi: 10.15372/GiG2021188
  12. Соколов С.Ю. Атлантико-Арктическая рифтовая система: подход к геодинамическому описанию по данным сейсмической томографии и сейсмичности // Вестн. КРАУНЦ. Сер.: Науки о Земле. 2017. Вып. 36. № 4. С. 79‒88.
  13. Соколов С.Ю., Трифонов В.Г. Роль астеносферы в перемещении и деформации литосферы (эфиопско‒афарский суперплюм и альпийско‒гималайский пояс) // Геотектоника. 2012. № 3. С. 3–17.
  14. Трифонов В.Г., Зеленин Е.А., Соколов С.Ю., Бачманов Д.М. Активная тектоника Центральной Азии // Геотектоника. 2021. № 3. С. 60‒77. doi: 10.31857/S0016853X21030097
  15. Трифонов В.Г., Соколов С.Ю. Строение мантии и тектоническая зональность центральной части Альпийско-Гималайского пояса // Геодинамика и тектонофизика. 2018. Т. 9. № 4. С. 1127–1145. doi: 10.5800/GT-2018-9-4-0386
  16. Трифонов В.Г., Соколов С.Ю. Пoдлитосферные течения в мантии // Геотектоника. 2017. № 6. C. 3–17. doi: 10.7868/S0016853X1706008X
  17. Трифонов В.Г., Соколов С.Ю. На пути к постплейт-тектонике // Вестн. РАН. 2015. Т. 85. № 7. C. 605–615.
  18. Трубицын В.П., Баранов А.А., Харыбин Е.В. Численные модели субдукции океанической коры c базальтовыми плато // Физика Земли. 2007. № 7. C. 3‒10.
  19. Филатова Н.И., Хаин В.Е. Структуры Центральной Арктики и их связь с Арктическим плюмом // Геотектоника. 2009. № 6. C. 24‒51.
  20. Хаин В.Е., Филатова Н.И., Полякова И.Д. Тектоника, геодинамика и перспективы нефтегазоносности Восточно-Арктических морей и их континентального обрамления. ‒ Под ред. Ю.О. Гаврилова, М.Г. Леонова ‒ М.: Наука, 2009. 227 с.
  21. Чуваев А.В., Баранов А.А., Бобров А.М. Численное моделирование конвекции в мантии Земли с использованием облачных технологий // Вычислительные технологии. 2020. Т. 25. № 2. C. 103‒117. doi: 10.25743/ICT.2020.25.2.009
  22. Altamimi Z., Métivier L., Rebischung P., Rouby H., Collilieux X. ITRF2014 plate motion model // Geophys. J. Int. 2017. Vol. 209. No. 3. P. 1906‒1912. doi: 10.1093/gji/ggx136
  23. Aplonov S.V. An aborted Triassic ocean in West Siberia // Tectonics. 1988. Vol. 7. P. 1103–1122.
  24. Aplonov S.V. The tectonic evolution of West Siberia: an attempt at a geophysical analysis // Tectonophysics. 1995. Vol. 245. P. 61–84.
  25. Baranov A., Tenzer R., Ghomsi F. A new Moho map of the African continent from seismic, topographic, and tectonic data // Gondwana Research. 2023. Vol. 124. P. 218–245. doi: 10.1016/j.gr.2023.06.019
  26. Becker T., O’Connell R. Predicting plate velocities with mantle circulation models // Geohem. Geophys. Geosyst. 2001. Vol. 2. doi: 10.1029/2001GC000171
  27. Becker T. On the effect of temperature and strain-rate dependent viscosity on global mantle flow, net rotation and plate-driving forces // Geophys. J. Int. 2006. Vol. 167. P. 943–957. doi: 10.1111/j.1365-246X.2006.03172.x
  28. Begg G., Griffin W., Natapov L., O’Reilly S., Grand S., O’Neill C., Hronsky J., Poudjom Y., Swain D., Deen T., Bowden P. The lithospheric architecture of Africa: seismic tomography, mantle petrology, and tectonic evolution // Geosphere. 2009. Vol. 5. P. 23–50.
  29. Bercovoci D., Ricard Y., Schubert G. A two-phase model for compaction and damage: Application to shear localization and plate boundary formation // J. Geophys. Res. 2001. Vol. 106. P. 8921‒8939.
  30. Bobrov A., Baranov A., Tenzer R. Evolution of stress fields during the supercontinent cycle // Geodes. Geodynam. 2022. Vol. 13. P. 363‒375. doi: 10.1016/j.geog.2022.01.004
  31. Bobrov A.M., Baranov A.A. Thermochemical mantle convection with drifting deformable continents: Main features of supercontinent cycle // Pure and Applied Geophysics. 2019. Vol. 176. No. 8. P. 3545–3565. doi: 10.1007/s00024-019-02164-w
  32. Bobrov A.M., Baranov A.A. Modeling of moving deformable continents by active tracers: Closing and opening of oceans, recirculation of oceanic crust // Geodynamics and Tectonophysics. 2018. Vol. 9. No. 1. P. 287–307. doi: 10.5800/GT-2018-9-1-0349
  33. Jackson M., Konter J., Becker T. Primordial helium entrained by the hottest mantle plumes // Nature. 2017. Vol. 542. P. 340–343. doi: 10.1038/nature21023
  34. Geyer A., Di Roberto A., Smellie J.L., van Wyk de Vries M., Panter K.S., Martin A.P., Cooper J.R., Young D., Pompilio M., Kyle P.R., Blankenship D. Volcanism in Antarctica: An assessment of the present state of research and future directions // J. Volcanol. Geotherm. Res. 2023. Vol. 444. Art. 107941. doi: 10.1016/j.jvolgeores.2023.107941
  35. Gurnis M. Large-scale mantle convection and aggregation and dispersal of supercontinents // Nature. 1988. Vol. 332. P. 696‒699.
  36. Lee C.K., Han S.C., Steinberger B. Influence of variable uncertainties in seismic tomography models on constraining mantle viscosity from geoid observations // Phys. Earth and Planet. Interiors. 2011. Vol. 184. No. 1‒2. P. 51–62. doi: 10.1016/j.pepi.2010.10.012
  37. Lobkovsky L., Kotelkin V. The history of supercontinents and oceans from the standpoint of thermochemical mantle convection // Precambrian Research. 2015. Vol. 259. P. 262‒277. doi: 10.1016/j.precamres.2015.01.005
  38. Maruyama S., Santosh M., Zhao D. Superplume, supercontinent, and post-perovskite: Mantle dynamics and anti-plate tectonics on the Core-Mantle Boundary // Gondwana Research. 2007. Vol. 11. P. 7–37. doi: 10.1016/j.gr.2006.06.003
  39. McNamara A.K., van Keken P.E., and Karato S.I. Development of finite strain in the convecting lower mantle and its implications for seismic anisotropy // J. Geophys. Res. 2003. Vol. 108. No. B5. Art. 2230. doi: 10.1029/2002JB001970
  40. Megnin C., Romanowicz B. The shear velocity structure of the mantle from the inversion of body, surface, and higher modes waveforms // Geophys. J. Int. 2000. Vol. 143. P. 709–728.
  41. McNamara A.K., Zhong S. Thermochemical structures within a spherical mantle: Superplumes or piles? // J. Geophys. Res. 2004. Vol. 109. No. B7. P. 1–14. doi: 10.1029/2003JB002847
  42. Paulson A., Zhong S., Wahr J. Modelling post-glacial rebound with lateral viscosity variations // Geophys. J. Int. 2005. Vol. 163. P. 357–371. doi: 10.1111/j.1365-246X.2005.02645.x
  43. Phillips B., Bunge P. Heterogeneity and time dependence in 3D spherical mantle convection models with continental drift // Earth Planet. Sci. Lett. 2005. Vol. 233. P. 121‒135. doi: 10.1016/j.epsl.2005.01.041
  44. Ramage A., Wathen A.J. Iterative solution techniques for the Stokes and Navier‒Stokes equations // Int. J. Numer. Methods. Fluids. 1994. Vol. 19. P. 67‒83.
  45. Shakhova N., Semiletov I., Salyuk A., Joussupov V., Kosmach D., and Gustaffson O. Extensive methan venting to the atmosphere from sediments of the East Arctic Shelf // Science. 2010. Vol. 327. P. 1246‒1250. doi: 10.1126/science.1182221
  46. Schubert G., Turcotte D.L., Olson P. Mantle Convection in the Earth and Planets. ‒ Ed. by D. Turcotte, (Cambridge Univ. Press, NY, CD, USA. 2001), 940 p.
  47. Tackley P.J. Self-consistent generation of tectonic plates in time-dependent, three-dimensional mantle convection simulations. 1. Pseudoplastic yielding // Geohem.Geophys. Geosyst. 2000. Vol. 1. No. 8. doi: 10.1029/2000GC000036
  48. Trubitsyn V.P. Evolutionary models of floating continents // Rus. J. Earth Sci. 2004. Vol. 6. No. 5. P. 311‒322.
  49. Zhong S., Zhang N., Li Z.X., Roberts J.H. Supercontinent cycles, true polar wander, and very long-wavelength mantle convection // Earth Planet. Sci. Lett. 2007. Vol. 261. P. 551–564.
  50. CitcomS. URL: https://github.com/geodynamics/citcoms. Accessed June, 2024.

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML
Жүктеу
2. Appendix

Жүктеу (3MB)
Метадеректер
3. Fig. 1. Depth distribution of the total temperature and viscosity logarithm in the mantle. (a) - Total temperature; (b) - logarithm of viscosity.

Жүктеу (194KB)
Метадеректер
4. Fig. 2. Distribution of temperature anomalies in the mantle at a depth of 100 km (the model was built using CitcomS software [50]). Shown: contour of the continents (line in black); calculated velocities at the Earth's surface (arrows in black).

Жүктеу (615KB)
Метадеректер
5. Fig. 3. Cross section at 300 km depth (the model was built using CitcomS software [50]). Shown: contour of continents (line in black); calculated velocities at 300 km depth (arrows in black). The cross-section of the Earth at: 20° and 200°E (frame in red); 40° and 220°E (frame in blue); 110° and 290°E (frame in blue); 160° and 340°E (frame in pink).

Жүктеу (664KB)
Метадеректер
6. Fig. 4. Cross section at a depth of 660 km (the model was built using CitcomS software [50]). Shown: contour of the continents (line in black); calculated velocities at a depth of 300 km (arrows in black). The cross-section of the Earth at: 20° and 200°E (frame in red); 40° and 220°E (frame in blue); 110° and 290°E (frame in blue); 160° and 340°E (frame in pink).

Жүктеу (700KB)
Метадеректер
7. Figure 5. Cross section at a depth of 2850 km (the model was built using CitcomS software [50]). Shown: contour of the continents (line in black); calculated velocities at a depth of 300 km (arrows in black). Marked: cross section of the Earth at 20° and 200°E (frame in red); 40° and 220°E (frame in blue); 110° and 290°E (frame in blue); 160° and 340°E (frame in pink).

Жүктеу (628KB)
Метадеректер
8. Fig. 6. Distribution of temperature anomalies and flow velocity anomalies in the Earth's mantle in a cross section at 20° and 200°E (the model was built using CitcomS software [50]). Marked: the boundary between the upper and lower mantle at a depth of 660 km (circle in black).

Жүктеу (610KB)
Метадеректер
9. Fig. 7. Distribution of temperature and velocity anomalies in the Earth's mantle at 40° and 220°E (the model was built using CitcomS software [50]). Denoted: the boundary between the upper and lower mantle at a depth of 660 km (circle in black).

Жүктеу (674KB)
Метадеректер
10. Fig. 8. Distribution of temperature anomalies and flow velocity anomalies in the Earth's mantle in a cross section at 110° and 290°E (the model was built using CitcomS software [50]). Marked: the boundary between the upper and lower mantle at a depth of 660 km (circle in black).

Жүктеу (633KB)
Метадеректер
11. Fig. 9. Distribution of temperature anomalies and flow velocity anomalies in the Earth's mantle in a cross section at 160°E and 340°E (the model was built using CitcomS software [50]). Marked: the boundary between the upper and lower mantle at a depth of 660 km (circle in black).

Жүктеу (618KB)
Метадеректер

© Russian Academy of Sciences, 2025

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».