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.
Krupnomasshtabnaya teplovaya konvektsiya v mantii Zemli formiruet v kazhdoy konvektivnoy yacheyke verkhniy kholodnyy pogranichnyy sloy, kotoryy dvizhetsya kak tseloe vdol zemnoy poverkhnosti i pochti ne ispytyvaet deformatsiy. Tektonika plit otozhdestvlyaet eti pogranichnye sloi s litosfernymi plitami. V litosfernykh plitakh net krupnomasshtabnogo konvektivnogo dvizheniya, a imeyushchiysya v nikh znachitelnyy vertikalnyy gradient temperatury privodit k vynosu tepla za schet teploprovodnosti. Naprotiv, v mantii, podstilayushchey litosferu, gradient temperatury mal, a perenos tepla osushchestvlyaetsya intensivnym konvektivnym dvizheniem, vyzyvayushchim bolshie deformatsii. Laboratornye eksperimenty s obraztsami gornykh porod pokazyvayut, chto pri malykh deformatsiyakh i postoyannom napryazhenii imeet mesto neustanovivshayasya polzuchest, pri kotoroy rost deformatsiy so vremenem khorosho opisyvaetsya izvestnym zakonom Andrade, skorost deformatsii umenshaetsya, a effektivnaya vyazkost rastet so vremenem. Neustanovivshayasya polzuchest pri peremennom napryazhenii opisyvaetsya nasledstvennym (imeyushchim pamyat) lineynym integralnym sootnosheniem, kotoroe pri postoyannom napryazhenii svoditsya k zakonu Andrade. Takim obrazom, polzuchest litosfery printsipialno otlichaetsya ot polzuchesti podstilayushchey mantii, chto svyazano s razlichiem v urovnyakh deformatsiy. Eta kniga posvyashchena issledovaniyu geofizicheskikh protsessov, proiskhodyashchikh v litosfere. Pri rassmotrenii litosfernykh protsessov neobkhodimo imet predstavlenie i o reologii vsey mantii. Techeniya, vyzvannye litosfernym protsessom, pronikayut v podstilayushchuyu mantiyu, gde oni nakladyvayutsya na osnovnoe konvektivnoe techenie, svyazannoe s bolshimi deformatsiyami i nelineynoy ustanovivsheysya polzuchestyu. Nalozhennye techeniya opisyvayutsya lineynym reologicheskim uravneniem, vid kotorogo zavisit ot kharakteristik osnovnogo i nalozhennogo techeniy. V reologicheskoy modeli, kotoraya primenyaetsya v etoy knige i opisyvaet uprugost, khrupkost i polzuchest materiala, effektivnaya vyazkost zavisit ot kharakternoy dlitelnosti ili periodichnosti rassmatrivaemogo protsessa. Effektivnye vyazkosti, kharakterizuyushchie litosfernye protsessy razlichnoy dlitelnosti, rassmotrennye v etoy knige, otlichayutsya drug ot druga na neskolko poryadkov velichiny, no poskolku ispolzuetsya edinaya dlya vsekh protsessov reologicheskaya model, mozhno ustanovit sootnosheniya, svyazyvayushchie eti effektivnye vyazkosti.
Large-scale thermal convection in the Earth's mantle forms in each convective cell in the upper cold boundary layer that moves as a whole along the ground and almost has no deformation. Plate tectonics identifies these boundary layers with lithospheric plates. In the lithospheric plates no large-scale convective motions, and the available significant vertical temperature gradient leads to the removal of heat by conduction. On the contrary, in the mantle, underlying the lithosphere, the temperature gradient is small, and the heat transfer is carried out intensive convective motion, causing large deformation. Laboratory experiments with rock samples show that at small strains and a constant voltage occurs transient creep, in which the increase in deformation with time is well described by the Andrade law, the strain rate decreases and the effective viscosity increases with time. Unsteady creep under variable stress is described hereditary (with memory) linear integral ratio of which is at a constant voltage reduces to the Andrade law. Thus, creep of the lithosphere is fundamentally different from the creep of the underlying mantle, which is associated with different levels of deformations.
This book is devoted to the study of geophysical processes in the lithosphere. When considering lithospheric processes requires knowledge about, and rheology throughout the mantle. Flow caused by lithospheric process, penetrate into the underlying mantle, where they are superimposed on the main convection flow associated with large deformations and nonlinear steady-state creep. Imposed currents are described by linear rheological equation, whose form depends on the characteristics of the primary and superimposed currents.
In the rheological model, which is used in this book and describes the elasticity, brittleness and creep of the material, the effective viscosity depends on the characteristic duration or frequency of the considered process. The effective viscosity characterizing the lithospheric processes of different duration are considered in this book, differ from each other by several orders of magnitude, but because it uses the same for all processes rheological model, you can set the ratio between the effective viscosity.
