Динамика литосферы Земли

Крупномасштабная тепловая конвекция в мантии Земли формирует в каждой конвективной ячейке верхний холодный пограничный слой, который движется как целое вдоль земной поверхности и почти не испытывает деформаций. Тектоника плит отождествляет эти пограничные слои с литосферными плитами. В литосферных плитах нет крупномасштабного конвективного движения, а имеющийся в них значительный вертикальный градиент температуры приводит к выносу тепла за счет теплопроводности. Напротив, в мантии, подстилающей литосферу, градиент температуры мал, а перенос тепла осуществляется интенсивным конвективным движением, вызывающим большие деформации. Лабораторные эксперименты с образцами горных пород показывают, что при малых деформациях и постоянном напряжении имеет место неустановившаяся ползучесть, при которой рост деформаций со временем хорошо описывается известным законом Андраде, скорость деформации уменьшается, а эффективная вязкость растет со временем. Неустановившаяся ползучесть при переменном напряжении описывается наследственным (имеющим память) линейным интегральным соотношением, которое при постоянном напряжении сводится к закону Андраде. Таким образом, ползучесть литосферы принципиально отличается от ползучести подстилающей мантии, что связано с различием в уровнях деформаций.

Эта книга посвящена исследованию геофизических процессов, происходящих в литосфере. При рассмотрении литосферных процессов необходимо иметь представление и о реологии всей мантии. Течения, вызванные литосферным процессом, проникают в подстилающую мантию, где они накладываются на основное конвективное течение, связанное с большими деформациями и нелинейной установившейся ползучестью. Наложенные течения описываются линейным реологическим уравнением, вид которого зависит от характеристик основного и наложенного течений.

В реологической модели, которая применяется в этой книге и описывает упругость, хрупкость и ползучесть материала, эффективная вязкость зависит от характерной длительности или периодичности рассматриваемого процесса. Эффективные вязкости, характеризующие литосферные процессы различной длительности, рассмотренные в этой книге, отличаются друг от друга на несколько порядков величины, но поскольку используется единая для всех процессов реологическая модель, можно установить соотношения, связывающие эти эффективные вязкости.