О ВОЗМОЖНОСТИ СУЩЕСТВОВАНИЯ В ЛИТОСФЕРЕ МАЛЫХ ТАНГЕНЦИАЛЬНЫХ МАССОВЫХ СИЛ. ИХ РОЛЬ В ТЕКТОНИКЕ И ГЕОДИНАМИКЕ

Продолжено исследование проблемы формирования в коре дополнительных планетарных напряжений от действия тангенциальных распределенных массовых сил. Генезис таких сил может быть связан с суточным вращением Земли и с перемещениями твердого ядра относительно геоцентра. Если в работе [Rebetskii, 2016] изучалось влияние тангенциальных массовых сил в континентальной коре на формирование дополнительных меридиональных и широтных напряжений с целью объяснения закономерности формирования планетарной трещиноватости, то в этой статье рассматривается роль тангенциальных массовых сил в возникновении латеральных движений литосферных плит.

Предложено амплитуды таких тангенциальных массовых сил рассчитывать на основе данных о разности двух глобальных эллипсоидов вращения. Первый усредняет уровневую поверхность потенциала силы тяжести (референс-эллипсоид), а второй – физическую поверхность Земли отдельно в ее континентальной и океанической части. Показано, что коэффициент динамического сжатия Земли, равный 1/305.5 и полученный из спутниковых измерений, хорошо соответствует среднему полярному сжатию двух эллипсоидов вращения, приближенно описывающему форму физической поверхности Земли. Таким образом, в первом приближении физическая поверхность Земли имеет меньшее полярное сжатие, чем референс-эллипсоид (1/298.25), приближенно описывающий форму уровневой поверхности силы тяжести (геоид).

Углы уклонения вектора силы тяжести от нормали к физической поверхности Земли, рассчитанные по данным эллипсоидов вращений, имеют достаточно малые значения (максимальное значение 16.4 с на широте 45°), что определяет малые значения и тангенциальных массовых сил (2.15×10^–4 г/см³ на широте 45°). Столь малые тангенциальные силы способны привести к появлению у подошвы континентальной литосферы (глубины 120–150 км) касательных напряжений порядка 0.3 МПа. Напряжения такого уровня, в свою очередь, создают в астеносфере сдвиговое течение, обеспечивающее скорости движения литосферных плит в первые сантиметры в год. Выполненные оценки позволяют рассматривать тангенциальные массовые силы как возможный источник движения литосферных плит.

Расчеты региональных эллипсоидов вращения, усредняющих физическую поверхность континентальной и океанической части Земли, проведенные отдельно в Северном и Южном полушариях, показали, что в океанической части Земли обоих полушарий наблюдаются наибольшие отклонения этих эллипсоидов от референс-эллипсоида. Океанические региональные эллипсоиды имеют меньшее полярное сжатие (Северное полушарие 1/313.1, Южное полушарие 1/306.9), чем референс-эллипсоид, что определяет меридиональную ориентацию тангенциальных массовых сил от полюсов к экватору. Региональный эллипсоид для континентальной коры Северного полушария имеет большее (1/296.2), а региональный эллипсоид для континентальной коры Южного полушария – меньшее (1/303.2) полярное сжатие, чем референс-эллипсоид. Из результатов расчетов следует, что океаническая литосфера создает наибольший вклад в субмеридиональное движение континентальных плит.

1. Artyushkov E.V., 1979. Geodynamics. Nauka, Moscow, 327 p. (in Russian) [Артюшков Е.В. Геодинамика. М.: Наука, 1979. 327 с.].

2. Avsyuk Yu.N., 1993. Evolution of the Earth–Moon system, and its place among the problems of nonlinear geodynamics. Geotektonika (Geotectonics) (1), 13–22 (in Russian) [Авсюк Ю.Н. Эволюция системы Земля–Луна и ее место среди проблем нелинейной геодинамики // Геотектоника. 1993. № 1. С. 13–22].

3. Barkin Yu.V., 2005. Celestial mechanics of the Earth’s core and mantle: geodynamic and geophysical implications. In: Yu.V. Karyakin (Ed.), Tectonics of the Earth's crust and mantle. Tectonic regularities in distribution of mineral deposits. Vol. 1. GEOS, Moscow, p. 30–33 (in Russian) [Баркин Ю.В. Небесная механика ядра и мантии Земли: геодинамические и геофизические следствия // Тектоника земной коры и мантии. Тектонические закономерности размещения полезных ископаемых / Ред. Ю.В. Карякин. М.: ГЕОС, 2005. Т. 1. С. 30–33].

4. Bullen K.E., 1936. The variation of density and the ellipticities of strata of equal density within the Earth. Geophysical Supplements to the Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 3 (9), 395–401. http://dx.doi.org/10.1111/j.1365-246X.1936.tb01747.x.

5. Bullen K.E., Haddon R.A.W., 1973. The ellipticities of surfaces of equal density inside the Earth. Physics of the Earth and Planetary Interiors 7 (2), 203–212. http://dx.doi.org/10.1016/0031-9201(73)90010-1.

6. Cox A., Hart R.B., 1986. Plate Tectonics: How It Works. Wiley-Blackwell, Boston, 418 p. [Русский перевод: Кокс А., Харт Р. Тектоника плит. М.: Мир, 1989. 427 с.].

7. Dobretsov N.L., 2010. Global geodynamic evolution of the Earth and global geodynamic models. Russian Geology and Geophysics 51 (6), 592–610. http://dx.doi.org/10.1016/j.rgg.2010.05.002.

8. Eötvös L., 1913. Verhandlungen der 17. Allgemeinen Konferenz der Internationalen Erdmessung. Teil I. Berlin, s. 111.

9. Epstein P.S., 1921. Über die Polflucht der Kontinente. Die Naturwissenschaften 9 (25), 499–502. http://dx.doi.org/10.1007/BF01494987.

10. Evernden J.F., 1997. What a=1/298 and C/Ma2=0.333 really tell us about the Earth. Izvestiya, Physics of the Solid Earth 33 (2), 162–170.

11. Grikurov G.E., Leichenkov G.L., Mikhalsky E.V., 2010. Tectonic Evolution of the Antarctic in the light of the current state of geodynamic ideas. In: Y.G. Leonov (Ed.), The structure and history of the lithosphere. Russia's contribution to the International Polar Year 2007/08. Paulsen, Moscow, p. 91–110 (in Russian) [Грикуров Г.Э., Лейченков Г.Л., Михальский Е.В. Тектоническая эволюция Антарктики в свете современного состояния геодинамических идей // Строение и история развития литосферы. Вклад России в Международный полярный год 2007/08 / Ю.Г. Ред. Леонов. М.: Paulsen, 2010. С. 91–110].

12. Jeans J.H., 1917. Gravitational instability and the figure of the Earth. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 93 (653), 413–417. http://dx.doi.org/10.1098/rspa.1917.0027.

13. Jeffreys H., 1952. The Earth: Its Origin, History and Physical Constitution. Third edition. Cambridge University Press, Cambridge, 574 p.

14. Lamb H., 1945. Hydrodynamics. 6th Edition. Dover Publications, New York, 768 p. [Русский перевод: Ламб Г. Гидродинамика. М.-Л.: ОГИЗ, 1947. 929 с.].

15. Leibenzon L.S., 1910. Deformation of the Elastic Sphere in Relation to the Problem of the Earth’s Structure. Scientific Notes of the Imperial Moscow University. Physics and Mathematics Department, vol. 27. Printing House of the Imperial Moscow University, Moscow, 125 p. (in Russian. ) [Лейбензон Л.С. Деформация упругой сферы в связи с вопросом о строении Земли. Ученые записки Императорского Московского университета, отдел физико-математический. Вып. 27. М.: Типография Императорского Московского университета, 1910. 125 с.].

16. Love A.E.H., 1909. The yielding of the Earth to disturbing forces. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 82 (551), 73–88. http://dx.doi.org/10.1098/rspa.1909.0008.

17. Love A.E.H., 1927. A Treatise on the Mathematical Theory of Elasticity. Fourth edition. Cambridge University Press, Cambridge, 643 p. [Русский перевод: Ляв А. Математическая теория упругости (перевод с 4-го английского издания). М.–Л.: ОНТИ НКТП СССР, 1935. 674 с.].

18. Molodensky M.S., 1945. Main Problems of Geodesic Gravimetry. Trudy TsNIIGAiK, vol. 42. Geodezizdat, Moscow, 111 p. (in Russian) [Молоденский М.С. Основные вопросы геодезической гравиметрии. Труды ЦНИИГАиК. Вып. 42. М.: Геодезиздат, 1945. 111 с.].

19. Molodensky M.S., 1948. The external gravitational field and the shape of the physical surface of the Earth. Izvestiya AN SSSR, Geography and Geophysics Series 12 (3), 193–211 (in Russian) [Молоденский М.С. Внешнее гравитационное поле и фигура физической поверхности Земли // Известия АН СССР, серия географическая и геофизическая. 1948. Т. 12. № 3. С. 193–211].

20. Molodensky M.S., 1989. The General Theory of Elastic Oscillations. Nedra, Moscow, 79 p. (in Russian) [Молоденский М.С. Общая теория упругих колебаний. М.: Недра, 1989. 79 с.].

21. Moritz H., 1980. Advanced Physical Geodesy. Herbert Wichmann Verlag, Karlsruhe, 500 p. [Русский перевод: Мориц Г. Современная физическая геодезия. М.: Недра, 1983. 391 с.].

22. Moritz H., 2001. Molodensky’s theory and GPS (Tribute to M.S. Molodensky). Geodeziya i Kartografiya (Geodesy and Cartography) (6), 7–17 (in Russian) [Мориц Г. Теория Молоденского и GPS (Памяти М.С. Молоденского) // Геодезия и картография. 2001. № 6. С. 7–17].

23. Morozov Yu.A., 2007. To the phenomenology of structures and processes of rotational genesis. In: E.E. Milanovsky (Ed.), Rotation processes in geology and physics. KomKniga, Moscow, p. 471–504 (in Russian) [Морозов Ю.А. К феноменологии структур и процессов ротационного генезиса // Ротационные процессы в геологии и физике / Ред. Е.Е. Милановский. М.: КомКнига, 2007. С. 471–504].

24. Papkovich P.F., 1939. The Theory of Elasticity. OBORONGIZ, Moscow, 640 p. (in Russian) [Папкович П.Ф. Теория упругости. М.: ОБОРОНГИЗ, 1939. 640 с.].

25. Rebetskii Y.L., 2009. Estimation of stress values in the method of cataclastic analysis of shear fractures. Doklady Earth Sciences 428 (1), 1202–1207. http://dx.doi.org/10.1134/S1028334X09070368.

26. Rebetskii Y.L., 2016. Estimation of the influence of daily rotation of the earth on the stress state of the continental crust. Doklady Earth Sciences 469 (1), 743–747. http://dx.doi.org/10.1134/S1028334X1607014X.

27. Rebetsky Y.L., 2015. On the specific state of crustal stresses in intracontinental orogens. Geodynamics & Tectonophysics 6 (4), 437–466 (in Russian) [Ребецкий Ю.Л. Об особенности напряженного состояния коры внутриконтинентальных орогенов // Геодинамика и тектонофизика. 2015. Т. 6. № 4. С. 437–466]. http://dx.doi.org/10.5800/GT-2015-6-4-0189.

28. Rebetsky Y.L., Kuchai O.A., Marinin A.V., 2013. Stress state and deformation of the Earth's crust in the Altai–Sayan mountain region. Russian Geology and Geophysics 54 (2), 206–222. http://dx.doi.org/10.1016/j.rgg.2013.01.011.

29. Rebetsky Y.L., Marinin A.V., 2006. Preseismic stress field before the Sumatra-Andaman earthquake of 26.12. 2004: a model of metastable state of rocks. Geologiya i Geofizika (Russian Geology and Geophysics) 47 (11), 1173–1185.

30. Schultz S.S. (Ed.), 1973. Planetary Fracturing. Leningrad State University, Leningrad, 176 p. (in Russian) [Планетарная трещиноватость / Ред. С.С. Шульц. Л.: Изд-во ЛГУ, 1973. 176 с.].

31. Schultz S.S., Nikolaeva T.V. (Eds.), 1976. Issues of Planetary Fracturing. The USSR Geographical Society, Leningrad, 103 p. (in Russian) [Вопросы изучения планетарной трещиноватости / Ред. С.С. Шульц, Т.В. Николаева. Л.: Географическое общество СССР, 1976. 103 с.].

32. Schweydar W., 1921. Bemerkungen zu Wegeners Hypothese der Verschiebung der Kontinente. Zeitschrift der Gesellschaft für Erdkunde zu Berlin 1921, 120–125.

33. Siddoway C.S., 2008. Tectonics of the West Antarctic rift system: new light on the history and dynamics of distributed intracontinental extension. In: A.K. Cooper, P.J. Barrett, H. Stagg, B. Storey, E. Stump, W. Wise (Eds.), Antarctica: A Keystone in a Changing World. Proceedings of the 10th International Symposium on Antarctic Earth Sciences. The National Academies Press, Washington, DC, p. 91–114.

34. Stacey F.D., 1969. Physics of the Earth. John Wiley and Sons, New York, 324 p. [Русский перевод: Стейси Ф. Физика Земли. М.: Мир, 1972. 342 с.].

35. Stovas M.V., 1975a. Selected Works. Nedra, Moscow, 155 p. (in Russian) [Стовас М.В. Избранные труды. М.: Недра, 1975. 155 с.].

36. Stovas M.V., 1975b. Some problems of planetary deep faulting in the Earth's crust. In: Selected works. Nedra, Moscow, p. 103–110 (in Russian) [Стовас М.В. Некоторые вопросы образования планетарных глубинных разломов в земной коре // Избранные труды. М.: Недра, 1975. С. 103–110].

37. Trubitsyn V.P., 2000. Principles of the tectonics of floating continents. Izvestiya Physics of the Solid Earth 36 (9), 708–741.

38. Wegener A., 1929. Die Entstehung der Kontinente und Ozeane. Friedr. Vieweg & Sohn Akt.-Ges., Braunschweig, 231 s. [Русский перевод: Вегенер А. Происхождение континентов и океанов. Л.: Наука, 1984. 285 с.].