УДК 550.311

ДВЕ СТАДИИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ ЛИТОСФЕРЫ КОНТИНЕНТОВ

© 2019 г.    А.П. Трубицын

Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва, Россия

atrub@ifz.ru

Эволюция литосферы континентов, в отличие от эволюции океанической литосферы, продолжается больше 3.5 млрд лет. Она в значительной мере определялась термическими факторами, такими как вынос тепла с наружной поверхности, взаимодействие кондуктивного слоя литосферы с мантийной тепловой конвекцией и сильная зависимость вязкости верхних слоев Земли от температуры. Целью работы является численное моделирование длительного взаимодействия этих факторов на промежутке времени в несколько миллиардов лет на основе уравнений общемантийной тепловой конвекции. В принятой эволюционной модели в мантию внедрялся зародыш литосферы континента мощностью 50 км, который далее начинал расти в глубину из-за перестройки конвекции под континентальной крышкой с кондуктивным механизмом переноса тепла. Для самосогласованного моделирования изменений мощности литосферы во времени задавалось условие повышения вязкости на три порядка при уменьшении локальной температуры ниже 1200 °С. Из анализа результатов последовательных расчетов установлено, что начальный период роста континентальной литосферы за счет внешней теплоотдачи, занимающий около 1 млрд лет, впоследствии сменяется ее медленным утонением из-за накопления тепла под толстым теплоизолирующим литосферным покровом. Рассчитанный максимум средней мощности растущей литосферы, оцениваемый по температуре и вязкости, составляет 162 км, а при геотермической оценке по условной точке пересечения литосферной геотермы с мантийной адиабатой эта величина оказывается на 100 км больше. Прирост средней мантийной температуры от теплоизолирующего эффекта составляет около 100 K/млрд лет и продолжается как на стадии утолщения литосферы, так и на последующей стадии ее медленного утонения. Разогрев мантии из-за присутствия континентов является одним из конкурирующих факторов в глобальном процессе векового остывания Земли. Полученный вывод о наличии двух стадий в эволюции мощности континентальной литосферы уточняет существующие представления о формировании современного состояния наружных слоев Земли.

Ключевые слова: континентальная литосфера, мантийная конвекция.

https://doi.org/10.21455/GPB2019.1-1

Цитирование: Трубицын А.П. Две стадии термической эволюции литосферы континентов // Геофизические процессы и биосфера. 2019. Т. 18, № 1. С. 5–12. https://doi.org/10.21455/GPB2019.1-1

Литература

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.

Трубицын В.П., Евсеев А.Н., Баранов А.А., Трубицын А.П. Мантийная конвекция с эндотермическим фазовым переходом // Физика Земли. 2007. № 12. С. 4–11.

Трубицын В.П., Евсеев А.Н., Баранов А.А., Трубицын А.П. Влияние эндотермического фазового перехода на массообмен между верхней и нижней мантией // Физика Земли. 2008а. № 6. С. 3–16.

Трубицын В.П., Евсеев А.Н., Баранов А.А., Трубицын А.П. Структура конвекции при различной ширине зон фазовых переходов // Физика Земли. 2008б. № 8. С. 3–14.

Artemieva I.M., Mooney W.D. Thermal thickness and evolution of Precambrian lithosphere: A global study // J. Geoph. Res. 2001. V. 106. P. 16387–16414.

Cooper C.M., Miller M.S., Moresi L. The structural evolution of the deep continental lithosphere // Tectonophysics. 2017. V. 695. P. 100–121.

Doin M.P., Fleitout L., Christensen U. Mantle convection and stability of depleted and undepleted continental lithosphere // J. Geoph. Res. 1997. V. 102. P. 2771–2787.

Fleitout L., Yuen D.A. Steady state, secondary convection beneath lithospheric plates with temperature- and pressure-dependent viscosity // J. Geoph. Res. 1984. V. 89. P. 9227–9244.

Grigne C., Labrosse S., Tackley P.J. Convection under a lid of finite conductivity: Heat flux scaling and application to continents // J. Geoph. Res. 2007а. V. 112. B08402. DOI: 10.1029/2005JB004192.

Grigne C., Labrosse S., Tackley P.J. Convection under a lid of finite conductivity in wide aspect ratio models: Effect of continents on the wavelength of mantle flow // J. Geoph. Res. 2007b. V. 112. B08403. DOI: 10.1029/2006JB004297.

Guillou L., Jaupart C. On effect of continents on mantle convection // J. Geophys. Res. 1995. V. 100. P. 24217–24238.

Hawkesworth C.J., Cawood P.A., Dhuime B., Kemp T.I.S. Earths continental lithosphere through time // Ann. Rev. Earth Planet. Sci. 2017. V. 45. P. 169–198.

Herzberg C., Condie K., Korenaga J. Thermal history of the Earth and its petrological expression // Earth and Planet. Sci. Let. 2010. V. 292. P. 79–88.

Herzberg C., Raterron P., Zhang J. New experimental observations on the anhydrous solidus for peridotite KLB-1 // Geochem. Geoph. Geosyst. (electronic). 2000. V. 1. 2000GC000089.

Hirth G., Kohlstedt D.L. Water in the oceanic upper mantle: implications for rheology, melt extraction and the evolution of the lithosphere // Earth Planet. Sci. Let. 1996. V. 144. P. 3–108.

Jaupart C., Mareschal J.-C. Heat flow and thermal structure of the lithosphere // Treatise on Geophysics. 2nd ed. Amsterdam: Elsevier, 2015. V. 6. P. 217–253.

Jaupart C., Labrosse S., Lucazeau F., Mareschal J.-C. Temperatures, heat, and energy in the mantle of the Earth // Treatise on Geophysics. 2nd ed. Amsterdam: Elsevier, 2015. V. 7. P. 223–270.

Lee Cin-Ty A., Luffi P., Chin E.J. Building and destroying continental mantle // Ann. Rev. Earth Planet. Sci. 2011. V. 39. P. 59–90.

Lenardic A., Moresi L.-N., Jellinek A.M., Manga M. Continental insulation, mantle cooling, and the surface area of oceans and continents // Earth Planet. Sci. Let. 2005. V. 234. P. 317–333.

Moresi L.N., Gurnis M. Constraints on lateral strength of slabs from 3-D dynamic flow models // Earth Planet. Sci. Let. 1996. V. 138. P. 15–28.

Parsons B., McKenzie D. Mantle convection and the thermal structure of the plates // J. Geoph. Res. 1978. V. 83. P. 4485–4496.

Paulson A., Zhong Sh., Wahr J. Modelling post-glacial rebound with lateral viscosity variations // Geoph. J. Int. 2005. V. 163. P. 357–371.

Pollack H.N. Cratonization and thermal evolution of the mantle // Earth Planet. Sci. Let. 1986. V. 80. P. 175–182.

Schubert G., Turcotte D.L., Olson P. Mantle convection in the Earth and planets. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2004. 940 p.

Stocker R.L., Ashby M.F. On the rheology of the upper mantle // Rev. Geoph. 1977. V. 11. P. 391–426.

Tharimena S., Rychert C., Harmon N. A unified continental thickness from seismology and diamonds suggests a melt-defined plate // Science. 2017. V. 357. P. 580–583.

Tosi N., Yuen D. Bent-shaped plumes and horizontal channel flow beneath the 660 km discontinuity // Earth Planet. Sci. Let. 2011. V. 312. P. 348–359.

Zhong S. Constraints on thermochemical convection of the mantle from plume heat flux, plume excess temperature and upper mantle temperature // J. Geoph. Res. 2006. V. 111. B04409. DOI: 10.1029/2005JB003972.

Сведения об авторe

ТРУБИЦЫН Александр Петрович – кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. 123242, г. Москва, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1. Тел.: +7 (499) 254-91-95. E-mail: atrub@ifz.ru

TWO STAGES OF THERMAL EVOLUTION OF THE CONTINENTAL LITHOSPHERE

A.P. Trubitsyn

Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

atrub@ifz.ru

Abstract. The evolution of the continental lithosphere, unlike the oceanic one, lasts more than 3.5 billion years. This evolution was largely determined by thermal factors, such as the removal of heat from the outer surface, the interaction of the conductive layer of the lithosphere with mantle thermal convection and the strong dependence of the viscosity of the upper layers of the Earth on temperature. The aim of the work is to simulate long-term interaction of these factors over a period of several billion years on the basis of the whole-mantle thermal convection equations. In our evolutionary model the nucleus of continental lithosphere with the thickness of 50 km was inserted in the mantle, which then began to grow in depth due to the reorganization of convection under the continental lid with a conductive heat transfer mechanism. For the self-consistent modeling of the lithosphere thickness changes in time we set the condition of viscosity jump by three orders of magnitude with a decrease in local temperature below 1200 °C. The results of successive calculations demonstrated that the initial period of growth of the continental lithosphere due to its cooling, which takes about one billion years, is subsequently replaced by its slow thinning due to accumulation of heat under a thick heat-insulating lithospheric cover. The calculated maximum of the average thickness of the growing lithosphere, estimated by temperature and viscosity, is 162 km, while estimated by the conventional point of intersection of the lithospheric geotherms with mantle adiabat it is 100 km more. The increase in the average mantle temperature from the heat-insulating effect is about 100 K/Gy and continues both at the stage of the lithosphere thickening and at the subsequent stage of its slow thinning. The mantle warming up due to the presence of continents is one of the competing factors in the global process of the Earth's secular cooling. The conclusion about the presence of two stages in the evolution of the continental lithosphere clarifies the existing ideas about the formation of the current state of the outer layers of the Earth.

Keywords: continental lithosphere, mantle convection.

About the author

TRUBITSYN Alexander P. – Cand. Sci. (Phys. and Math.), leading researcher, Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences. Moscow, Russia. Tel.: +7 (499) 254-91-95. E-mail: atrub@ifz.ru

Cite this article as: Trubitsyn A.P. Two stages of thermal evolution of the continental lithosphere, Geofizicheskie Protsessy i Biosfera (Geophysical Processes and Biosphere), 2019, vol. 18, no. 1, pp. 5–12 (in Russian). https://doi.org/10.21455/gpb2019.1-1

English version: Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, 2019, vol. 55, iss. 7. ISSN: 0001-4338 (Print), 1555-628X (Online). URL: https://link.springer.com/journal/volumesAndIssues/11485