ОБ ИСТОЧНИКЕ ТЕПЛА В ЗОНЕ СУБДУКЦИИ

Рассматривается процесс субдукции океанической литосферной плиты в приближении высоковязкой ньютоновской жидкости. Вблизи границы 670 км происходит растекание плиты в противоположные стороны из-за действия противоположно направленных горизонтальных сил, создающихся вследствие противоположно направленных горизонтальных градиентов температуры. Рассматриваются гидродинамика и теплообмен в слое, движущемся под континент и состоящем из океанической литосферы и корового слоя. Оценен тепловой поток на контакте субдуцирующей плиты с окружающей мантией на континентальном крыле зоны субдукции, и показана возможность плавления корового слоя субдуцирующей плиты и зарождения термохимического плюма на границе 670 км. Представлена модель термохимического плюма в зоне субдукции, включающая образование канала плавления в коровом слое субдуцирующей плиты; формирование первичного очага в области равенства по величине скоростей выплавления канала и субдукции; образование от первичного очага вертикально направленного канала плюма, проплавляющего континент; прорыв плюма на поверхность, т.е. образование вулкана. Представлены результаты экспериментального моделирования выплавления канала плюма в плоском наклонном слое парафина над локальным источником тепла. Представлена гидродинамическая структура расплава в канале плюма. Обнаружено различие в механизме прорыва расплава из канала плюма на поверхность в отсутствие и при наличии газовой подушки у кровли плюма.

1. Atlas of the World. America, 1975. Publishing House of the USSR Ministry of Geology, Moscow, 40 p (in Russian) [Атлас мира. Америка. М.: Изд-во Мингео СССР, 1975. 40 с.].

2. Belousov V.V., 1989. Principles of Geotectonics. Nedra, Moscow, 382 p. (in Russian) [Белоусов В.В. Основы геотектоники. М.: Недра, 1989. 382 с.].

3. Chandrasekhar S., 1981. Hydrodynamic and Hydromagnetic Stability. Dover Publications, New York, 652 p.

4. Davies J.H., Stevenson D.J., 1992. Physical Model of Source Region of Subduction Zone Volcanics. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 97 (B2), 2037–2070. https://doi.org/10.1029/91JB02571.

5. DeSilva S.L., Francis P.W., 1991. Volcanoes of the Central Andes. Springer-Verlag, Berlin and Heidelberg, 216 p. Dobretsov N.L., Kirdyashkin A.A., Kirdyashkin A.G., Vernikovsky V.A., Gladkov I.N., 2008. Modelling of Thermochemical Plumes and Implications for the Origin of the Siberian Traps. Lithos 100 (1–4), 66–92. https://doi.org/10.1016/j.lithos.2007.06.025.

6. Dobretsov N.L., Kirdyashkin A.G., Kirdyashkin A.A., 2001. Deep Geodynamics. GEO, Novosibirsk, 409 p. (in Russian) [Добрецов Н.Л., Кирдяшкин А.Г., Кирдяшкин А.А. Глубинная геодинамика. Новосибирск: ГЕО, 2001. 409 с.].

7. Druken K.A., Kincaid C., Griffiths R.W., Stegman D.R., Hart S.R., 2014. Plume–Slab Interaction: The Samoa–Tonga System. Physics of the Earth and Planetary Interiors 232, 1–14. https://doi.org/10.1016/j.pepi.2014.03.003.

8. Faccenna C., Becker T.W, Lallemand S., Lagabrielle Y., Funiciello F., Piromallo C., 2010. Subduction-Triggered Magmatic Pulses: A New Class of Plumes? Earth and Planetary Science Letters 299 (1–2), 54–68. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2010.08.012.

9. Hofmeister A.M., 1999. Mantle Values of Thermal Conductivity and the Geotherm from Phonon Lifetimes. Science 283 (5408), 1699–1706. https://doi.org/10.1126/science.283.5408.1699.

10. Iwamori H., 1997. Heat Sources and Melting in Subduction Zones. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 102 (B7), 14803–14820. https://doi.org/10.1029/97JB01036.

11. Katsura T., Yoneda A., Yamazaki D., Yoshino T., Ito E., 2010. Adiabatic Temperature Profile in the Mantle. Physics of the Earth and Planetary Interiors 183 (1–2), 212–218. https://doi.org/10.1016/j.pepi.2010.07.001.

12. Kirdyashkin A.A., Dobretsov N.L., Kirdyashkin A.G., 2004. Thermochemical Plumes. Russian Geology and Geophysics 45 (9), 1005–1024.

13. Kirdyashkin A.A., Kirdyashkin A.G., 2013. Experimental and Theoretical Simulation of the Thermal and Hydrodynamic Structure of a Subducting Plate. Geotectonics 47, 156–166. https://doi.org/10.1134/S0016852113030047.

14. Kirdyashkin A.A., Kirdyashkin A.G., 2014. Forces Acting on a Subducting Oceanic Plate. Geotectonics 48, 54–67. https://doi.org/10.1134/S0016852114010038.

15. Kirdyashkin A.A., Kirdyashkin A.G., Gurov V.V., 2017. Parameters of Thermochemical Plumes Responsible for the Formation of Batholiths: Results of Experimental Simulation. Geotectonics 51, 398–411. https://doi.org/10.1134/S0016852117040057.

16. Kirdyashkin A.A., Kirdyashkin A.G., Surkov N.V., 2006. Thermal Gravitational Convection in the Asthenosphere beneath a Mid-ocean Ridge and Stability of Main Mantle-Derived Parageneses. Russian Geology and Geophysics 47 (1), 76–94.

17. Kirdyashkin A.G., Kirdyashkin A.A., 2015. Mantle Thermochemical Plumes and Their Influence on the Formation of Highlands. Geotectonics 49, 332–341. https://doi.org/10.1134/S0016852115040032.

18. Leontiev A.I., Kirdyashkin A.G., 1965. Free-Convection Heat Transfer in Horizontal Slots and over a Horizontal Surface of a Large Volume. Journal of Engineering Physics and Thermophysics 9 (1), 9–14 (in Russian) [Леонтьев А.И., Кирдяшкин А.Г. Теплообмен при свободной конвекции в горизонтальных щелях и большом объеме над горизонтальной поверхностью // Инженерно-физический журнал. 1965. Т. 9. № 1. С. 9–14].

19. Lindemann F.A., 1910. ÜBer die Berechnung Molekularer Eigenfrequenzen. Physicalische Zeitschrift 11 (14), 609–612.

20. Mériaux C.A., Mériaux A.-S., Schellart W.P., Duarte J.C., Duarte S.S., Chen Z., 2016. Mantle Plumes in the Vicinity of Subduction Zones. Earth and Planetary Science Letters 454, 166–177. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2016.09.001.

21. Oxburgh E.R., Turcotte D.L., 1968. Problem of High Heat Flow and Volcanism Associated with Zones of Descending Mantle Convective Flow. Nature 218, 1041–1043. https://doi.org/10.1038/2181041a0.

22. Safonova I., Litasov K., Maruyama S., 2015. Triggers and Sources of Volatile-Bearing Plumes in the Mantle Transition Zone. Geoscience Frontiers 6 (5), 679–685. https://doi.org/10.1016/j.gsf.2014.11.004.

23. Schellart W.P., Strak V., 2016. A Review of Analogue Modelling of Geodynamic Processes: Approaches, Scaling, Materials and Quantification, with an Application to Subduction Experiments. Journal of Geodynamics 100, 7–32. https://doi.org/10.1016/j.jog.2016.03.009.

24. Schlichting H., 1979. Boundary-Layer Theory. McGraw-Hill, New York, 817 p.

25. Strak V., Schellart W.P., 2018. A Subduction and Mantle Plume Origin for Samoan Volcanism. Scientific Reports 8, 10424. https://doi.org/10.1038/s41598-018-28267-3.

26. Tamura Y., Tatsumi Y., Zhao D., Kido Y., Shukuno H., 2002. Hot Fingers in the Mantle Wedge: New Insights into Magma Genesis in Subduction Zones. Earth and Planetary Science Letters 197 (1–2), 105–116. https://doi.org/10.1016/S0012-821X(02)00465-X.

27. Turcotte D.L., Schubert G., 2002. Geodynamics. Cambridge University Press, New York, 456 p.

28. Walzer U., Hendel R., Baumgardner J., 2004. The Effects of a Variation of the Radial Viscosity Profile on Mantle Evolution. Tectonophysics 384 (1–4), 55–90. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2004.02.012.

29. Yasuda A., Fujii T., Kurita K., 1994. Melting Phase Relations of an Anhydrous Mid-ocean Ridge Basalt from 3 to 20 GPa: Implications for the Behavior of Subducted Oceanic Crust in the Mantle. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 99 (B5), 9401–9414. https://doi.org/10.1029/93JB03205.

30. Zhu G., Gerya T., Yuen D.A., Honda S., Yoshida T., Connolly J.A.D., 2009. 3-D Dynamics of Hydrous Thermal-Chemical Plumes in Oceanic Subduction Zones. Geochemistry Geophysics Geosystems 10 (11), Q11006. https://doi.org/10.1029/2009GC002625.