Глубина морского дна в зависимости от возраста

Термин по геологии

Глубина морского дна на флангах срединно-океанического хребта определяется главным образом возрастом океанической литосферы ; старое морское дно глубже. Во время расширения морского дна охлаждение , сжатие литосферы и мантии и изостатическая корректировка с возрастом вызывают углубление морского дна. Эту взаимосвязь стали лучше понимать примерно с 1969 года, после значительных обновлений в 1974 и 1977 годах. Для объяснения этого наблюдения были выдвинуты две основные теории: одна, согласно которой мантия, включая литосферу, охлаждается; модель остывающей мантии и вторая, где литосферная плита охлаждается над мантией при постоянной температуре; модель охлаждающей пластины. Модель остывающей мантии объясняет наблюдения за возрастом морского дна возрастом менее 80 миллионов лет. Модель охлаждающей пластины лучше всего объясняет наблюдения за возрастом морского дна старше 20 миллионов лет. Кроме того, модель охлаждающей плиты объясняет почти постоянную глубину и тепловой поток, наблюдаемый на очень старом морском дне и литосфере. На практике удобно использовать решение модели мантии охлаждения для соотношения возраста и глубины менее 20 миллионов лет. Более старая модель охлаждающей пластины также соответствует данным. Через 80 миллионов лет модель плит подходит лучше, чем модель мантии.

Фон

Первые теории распространения морского дна в начале и середине двадцатого века объясняли подъем срединно-океанических хребтов апвеллингами над конвекционными течениями в мантии Земли . ^{[1] [2]}

Следующая идея связала спрединг морского дна и дрейф континентов в модели тектоники плит . В 1969 году подъемы хребтов объяснялись тепловым расширением литосферной плиты в центре спрединга. ^[3] В 1974 году вслед за этой «моделью охлаждающей плиты» было отмечено, что возвышения хребтов можно смоделировать путем охлаждения всей верхней мантии, включая любую плиту. ^[4] В 1977 году за этим последовала более усовершенствованная модель плиты, которая объяснила данные, которые показали, что как глубины океана, так и тепловой поток океанской коры приблизились к постоянному значению для очень старого морского дна. ^[5] Эти наблюдения не могли быть объяснены более ранней «моделью остывающей мантии», которая предсказывала увеличение глубины и уменьшение теплового потока в очень старом возрасте.

Топография морского дна: модели охлаждающей мантии и литосферы

Глубина морского дна (или высота места на срединно-океаническом хребте над уровнем основания) тесно коррелирует с его возрастом (т.е. возрастом литосферы в точке измерения глубины). Глубина измеряется до верхней части океанской коры , ниже любых вышележащих отложений. Зависимость возраста от глубины можно смоделировать охлаждением литосферной плиты ^{[3] [6] [7] [8] [5]} или мантийного полупространства в областях без значительной субдукции . ^[4] Разница между двумя подходами заключается в том, что модель плиты требует, чтобы основание литосферы поддерживало постоянную температуру с течением времени, а охлаждение плиты происходит выше этой нижней границы. Модель остывающей мантии, разработанная на основе модели плит, не требует поддержания в основании литосферы постоянной и предельной температуры. Результатом модели остывающей мантии является то, что глубина морского дна, по прогнозам, пропорциональна квадратному корню из его возраста. ^[4]

Модель охлаждающего колпака (1974 г.)

В модели полупространства остывающей мантии, разработанной в 1974 году ^[4] , высота морского дна (верхней части коры) определяется океанической литосферой и температурой мантии из-за теплового расширения. Простой результат заключается в том, что высота хребта или глубина морского дна пропорциональна квадратному корню из его возраста. ^[4] Во всех моделях океаническая литосфера формируется непрерывно и с постоянной скоростью на срединно-океанических хребтах . Исток литосферы имеет полуплоскую форму ( x = 0, z < 0) и постоянную температуру Т ₁ . Из-за своего непрерывного создания литосфера при x > 0 удаляется от хребта с постоянной скоростью , которая считается большой по сравнению с другими типичными масштабами задачи. Температура на верхней границе литосферы ( z = 0) является постоянной величиной T ₀ = 0. Таким образом, при x = 0 температура является ступенчатой ​​функцией Хевисайда . Предполагается, что система находится в квазистационарном состоянии , так что распределение температуры постоянно во времени, т.е. ${\displaystyle v}$ ${\displaystyle T_{1}\cdot \Theta (-z)}$ ${\displaystyle T=T(x,z).}$

Подставив параметры их грубыми оценками в решение высоты дна океана : ${\displaystyle h(t)}$

${\displaystyle {\begin{aligned}\kappa &\sim 8\cdot 10^{-7}\ \mathrm {m} ^{2}\cdot \mathrm {s} ^{-1}&&{\text{for the thermal diffusivity}}\\\alpha &\sim 4\cdot 10^{-5}\ {}^{\circ }\mathrm {C} ^{-1}&&{\text{for the thermal expansion coefficient}}\\T_{1}&\sim 1220\ {}^{\circ }\mathrm {C} &&{\text{for the Atlantic and Indian oceans}}\\T_{1}&\sim 1120\ {}^{\circ }\mathrm {C} &&{\text{for the eastern Pacific}}\end{aligned}}}$

у нас есть: ^[4]

${\displaystyle h(t)\sim {\begin{cases}h_{0}-390{\sqrt {t}}&{\text{for the Atlantic and Indian oceans}}\\h_{0}-350{\sqrt {t}}&{\text{for the eastern Pacific}}\end{cases}}}$

где высота в метрах, а время в миллионах лет. Чтобы получить зависимость от x , необходимо подставить t = x / ~ Ax / L , где L — расстояние от хребта до континентального шельфа (примерно половина ширины океана), а A — возраст океанского бассейна. ${\displaystyle v}$

Интерес представляет не высота дна океана над базовым или эталонным уровнем , а глубина морского дна . Потому что (при измерении с поверхности океана) мы можем обнаружить, что: ${\displaystyle h(t)}$ ${\displaystyle h_{b}}$ ${\displaystyle d(t)}$ ${\displaystyle d(t)+h(t)=h_{b}}$ ${\displaystyle h_{b}}$

${\displaystyle d(t)=h_{b}-h_{0}+350{\sqrt {t}}}$; например, для восточной части Тихого океана, где глубина на гребне хребта обычно составляет 2500 м. ^[9] ${\displaystyle h_{b}-h_{0}}$

Модель охлаждающей пластины (1977 г.)

Глубина, предсказанная квадратным корнем из возраста морского дна, полученным в результате образования охлаждающей мантии 1974 года ^[4], слишком велика для морского дна старше 80 миллионов лет. ^[5] Глубину лучше объяснить с помощью модели остывающей литосферной плиты, а не модели остывающего мантийного полупространства. ^[5] Пластина имеет постоянную температуру у основания и расширяющегося края. Вывод модели охлаждающей пластины также начинается с уравнения теплового потока в одном измерении, как и модель охлаждающей мантии. Разница заключается в необходимости наличия тепловой границы у основания охлаждающей пластины. Анализ зависимости глубины от возраста и глубины от квадратного корня из данных о возрасте позволил Парсонсу и Склетеру ^[5] оценить параметры модели (для северной части Тихого океана):

~125 км для толщины литосферы

${\displaystyle T_{1}\thicksim 1350\ {}^{\circ }\mathrm {C} }$у основания и молодого края пластинки

${\displaystyle \alpha \thicksim 3.2\cdot 10^{-5}\ {}^{\circ }\mathrm {C} ^{-1}}$

Если предположить, что изостатическое равновесие повсюду под охлаждающей плитой дает пересмотренное соотношение возраста и глубины для более древнего морского дна, которое примерно верно для возраста всего в 20 миллионов лет:

${\displaystyle d(t)=6400-3200\exp {\bigl (}-t/62.8{\bigr )}}$метры

Таким образом, более древнее морское дно углубляется медленнее, чем более молодое, и фактически его можно считать почти постоянным на глубине ~6400 м. Их модель пластин также позволила выразить выражение для кондуктивного теплового потока q(t) со дна океана, который примерно постоянен на протяжении более 120 миллионов лет: ${\displaystyle 1\cdot 10^{-6}\mathrm {cal} \,\mathrm {cm} ^{-2}\mathrm {sec} ^{-1}}$

${\displaystyle q(t)=11.3/{\sqrt {t}}}$

Парсонс и Склетер пришли к выводу, что некий тип мантийной конвекции должен повсеместно распространять тепло к основанию плиты, чтобы предотвратить охлаждение ниже 125 км и сжатие литосферы (углубление морского дна) в более старом возрасте. ^[5] Морган и Смит ^{[10] [11]} показали, что уплощение старой глубины морского дна можно объяснить течением в астеносфере ниже литосферы.

Взаимосвязь возраста, глубины и теплового потока продолжала изучаться с уточнением физических параметров, определяющих океанские литосферные плиты. ^{[12] [13] [14]}

Воздействие

Обычный метод оценки возраста морского дна основан на данных о морских магнитных аномалиях и применении гипотезы Вайна-Мэтьюза-Морли . Другие способы включают дорогостоящее глубоководное бурение и датирование кернового материала. Если глубина известна в месте, где аномалии не нанесены на карту или отсутствуют, а образцы морского дна недоступны, знание глубины морского дна может дать оценку возраста с использованием соотношения возраст-глубина. ^{[4] [5]}

При этом, если скорость расширения морского дна в океанском бассейне увеличивается, то средняя глубина в этом океаническом бассейне уменьшается и, следовательно, уменьшается его объём (и наоборот). Это приводит к глобальному эвстатическому повышению (падению) уровня моря, поскольку Земля не расширяется. Таким образом, двумя основными факторами изменения уровня моря в течение геологического времени являются изменения объема континентального льда на суше и изменения во времени средней глубины океанского бассейна (объема бассейна) в зависимости от его среднего возраста. ^[15]

Смотрите также

• Уровень моря
• Кривая уровня моря
• Уравнение уровня моря
• Повышение уровня моря

Рекомендации

1. Дитц, Роберт С. (1961). «Эволюция континента и океанского бассейна путем расширения морского дна». Природа . 190 (4779): 854–857. Бибкод : 1961Natur.190..854D. дои : 10.1038/190854a0. ISSN  0028-0836. S2CID  4288496.
2. Гесс, HH (ноябрь 1962 г.). «История океанических бассейнов» (PDF) . В AEJ Энгель; Гарольд Л. Джеймс; Б. Ф. Леонард (ред.). Петрологические исследования: том в честь А.Ф. Баддингтона . Боулдер, Колорадо: Геологическое общество Америки. стр. 599–620.
3. Маккензи, ДП; Склейтер, Дж. Г. (1 марта 1969 г.). «Тепловой поток в восточной части Тихого океана и распространение морского дна». Вулканологический бюллетень . 33 (1): 101–117. Бибкод : 1969BVol...33..101M. дои : 10.1007/BF02596711. ISSN  1432-0819. S2CID  129021651.
4. Дэвис, EE; Листер, CRB (1974). «Основы топографии хребта». Письма о Земле и планетологии . 21 (4): 405–413. Бибкод : 1974E&PSL..21..405D. дои : 10.1016/0012-821X(74)90180-0.
5. Парсонс, Барри; Склейтер, Джон Г. (10 февраля 1977 г.). «Анализ изменения батиметрии дна океана и теплового потока с возрастом». Журнал геофизических исследований . 82 (5): 803–827. Бибкод : 1977JGR....82..803P. дои : 10.1029/jb082i005p00803. ISSN  2156-2202.
6. Маккензи, Дэн П. (15 декабря 1967). «Некоторые замечания о тепловом потоке и гравитационных аномалиях». Журнал геофизических исследований . 72 (24): 6261–6273. Бибкод : 1967JGR....72.6261M. дои : 10.1029/JZ072i024p06261.
7. Склетер, Дж.Г.; Франшето, Дж. (1 сентября 1970 г.). «Значение наблюдений за земными тепловыми потоками для современных тектонических и геохимических моделей земной коры и верхней мантии». Международный геофизический журнал . 20 (5): 509–542. Бибкод : 1970GeoJ...20..509S. дои : 10.1111/j.1365-246X.1970.tb06089.x . ISSN  0956-540X.
8. Склейтер, Джон Г.; Андерсон, Роджер Н.; Белл, М. Ли (10 ноября 1971 г.). «Подъем хребтов и эволюция центрально-восточной части Тихого океана». Журнал геофизических исследований . 76 (32): 7888–7915. Бибкод : 1971JGR....76.7888S. дои : 10.1029/jb076i032p07888. ISSN  2156-2202.
9. Макдональд, Кен. «GalAPAGoS: Там, где хребет встречается с горячей точкой». Исследователь океана НОАА . Проверено 10 октября 2023 г.
10. Морган, Джейсон Фиппс; Смит, Уолтер Х.Ф. (1992). «Сглаживание кривой глубины и возраста морского дна как реакция на астеносферный поток». Природа . 359 (6395): 524–527. Бибкод : 1992Natur.359..524M. дои : 10.1038/359524a0. ISSN  1476-4687. S2CID  4326297.
11. Морган, Джейсон Фиппс; Смит, Уолтер Х.Ф. (1994). «Коррекция: сглаживание кривой глубины и возраста морского дна как реакция на астеносферный поток». Природа . 371 (6492): 83. дои : 10.1038/371083a0 . ISSN  1476-4687. S2CID  4270220.
12. Штейн, Кэрол А.; Штейн, Сет (1992). «Модель глобального изменения глубины океана и теплового потока в зависимости от возраста литосферы». Природа . 359 (6391): 123–129. Бибкод : 1992Natur.359..123S. дои : 10.1038/359123a0. ISSN  1476-4687. S2CID  4272482.
13. Маккензи, Д; Джексон, Дж; Пристли, К. (15 мая 2005 г.). «Термическая структура океанической и континентальной литосферы». Письма о Земле и планетологии . 233 (3–4): 337–349. дои : 10.1016/j.epsl.2005.02.005.
14. Гроуз, Кристофер Дж. (1 июня 2012 г.). «Свойства океанической литосферы: прогнозы пересмотренной модели охлаждения плит». Письма о Земле и планетологии . 333–334: 250–264. Бибкод : 2012E&PSL.333..250G. дои : 10.1016/j.epsl.2012.03.037. ISSN  0012-821X.
15. Миллер, Кеннет Г. (2009), «Изменение уровня моря, последние 250 миллионов лет», в Горнице, Вивьен (ред.), Энциклопедия палеоклиматологии и древней среды , Энциклопедия серии наук о Земле, Springer Нидерланды, стр. 879– 887, номер домена : 10.1007/978-1-4020-4411-3_206, ISBN 978-1-4020-4551-6

дальнейшее чтение

Маккензи, Дэн (30 мая 2018 г.). «Геолог размышляет о долгой карьере». Ежегодный обзор наук о Земле и планетах . 46 (1): 1–20. Бибкод : 2018AREPS..46....1M. doi : 10.1146/annurev-earth-082517-010111 . ISSN  0084-6597.