Глубина морского дна в зависимости от возраста

Термин в геологии

Глубина морского дна на флангах срединно-океанического хребта определяется в основном возрастом океанической литосферы ; более старое морское дно глубже. Во время расширения морского дна охлаждение литосферы и мантии, сжатие и изостатическое регулирование с возрастом вызывают углубление морского дна. Эта взаимосвязь стала лучше понята примерно с 1969 года со значительными обновлениями в 1974 и 1977 годах. Для объяснения этого наблюдения были выдвинуты две основные теории: одна, где мантия, включая литосферу, охлаждается; модель охлаждающейся мантии, и вторая, где литосферная плита охлаждается над мантией при постоянной температуре; модель охлаждающейся плиты. Модель охлаждающейся мантии объясняет наблюдения за возрастом глубины для морского дна моложе 80 миллионов лет. Модель охлаждающейся плиты лучше всего объясняет наблюдения за возрастом глубины для морского дна старше 20 миллионов лет. Кроме того, модель охлаждающейся плиты объясняет почти постоянную глубину и тепловой поток, наблюдаемые в очень старом морском дне и литосфере. На практике удобно использовать решение для модели остывающей мантии для возрастной зависимости от глубины моложе 20 миллионов лет. Более старшим данным соответствует модель остывающей плиты. После 80 миллионов лет модель плиты соответствует лучше, чем модель мантии.

Фон

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

Следующая идея связала расширение морского дна и континентальный дрейф в модели тектоники плит . В 1969 году возвышения хребтов были объяснены как тепловое расширение литосферной плиты в центре спрединга. ^[3] Эта «модель охлаждающейся плиты» была продолжена в 1974 году, когда было отмечено, что возвышения хребтов могут быть смоделированы охлаждением всей верхней мантии , включая любую плиту. ^[4] За этим в 1977 году последовала более уточненная модель плиты, которая объяснила данные, показывающие, что и глубина океана, и тепловой поток океанической коры приближаются к постоянному значению для очень старого морского дна. ^[5] Эти наблюдения не могли быть объяснены более ранней «моделью охлаждающейся мантии», которая предсказывала увеличение глубины и уменьшение теплового потока в очень старом возрасте.

Топография морского дна: модели остывающей мантии и литосферы

Глубина морского дна (или высота местоположения на срединно-океаническом хребте над базовым уровнем) тесно коррелирует с его возрастом (т. е. возрастом литосферы в точке, где измеряется глубина). Глубина измеряется до верха океанической коры , ниже любого вышележащего осадка. Соотношение возраста и глубины можно смоделировать путем охлаждения литосферной плиты ^{[3] [6] [7] [8] [5]} или мантийного полупространства в областях без значительной субдукции . ^[4] Различие между двумя подходами заключается в том, что модель плиты требует, чтобы основание литосферы поддерживало постоянную температуру с течением времени, а охлаждение происходит над этой нижней границей плиты. Модель остывающей мантии, которая была разработана после модели плиты, не требует, чтобы основание литосферы поддерживалось при постоянной и предельной температуре. Результатом модели остывающей мантии является то, что глубина морского дна, как прогнозируется, пропорциональна квадратному корню из его возраста. ^[4]

Модель охлаждающей мантии (1974)

В модели остывающего полупространства 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 пропорциональны квадратному корню из его возраста. ^[4] Во всех моделях океаническая литосфера непрерывно формируется с постоянной скоростью в срединно-океанических хребтах . Источник литосферы имеет форму полуплоскости ( x = 0, z < 0) и постоянную температуру T ₁ . Из-за своего непрерывного создания литосфера при x > 0 удаляется от хребта с постоянной скоростью , которая предполагается большой по сравнению с другими типичными масштабами в задаче. Температура на верхней границе литосферы ( z = 0) является постоянной 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. ${\displaystyle v}$ ${\displaystyle T_{1}\cdot \Theta (-z)}$ ${\displaystyle T=T(x,z).}$

Подставляя в решение для высоты дна океана параметры их грубые оценки : ${\displaystyle h(t)}$

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

мы имеем: ^[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 , нужно подставить t = x / ~ Ax / L , где L — расстояние от хребта до континентального шельфа (примерно половина ширины океана), а A — возраст океанического бассейна. ${\displaystyle v}$

Интерес представляет не высота дна океана над базой или уровнем отсчета , а глубина морского дна . Поскольку (при измерении от 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 находится глубина на гребне хребта, обычно 2500 м. ^[9] ${\displaystyle h_{b}-h_{0}}$

Модель охлаждающей пластины (1977)

Глубина, предсказанная квадратным корнем возраста морского дна, найденным при выводе остывающей мантии 1974 года ^[4], слишком велика для морского дна старше 80 миллионов лет. ^[5] Глубина лучше объясняется моделью остывающей литосферной плиты, а не остывающим полупространством мантии. ^[5] Плита имеет постоянную температуру у своего основания и спредингового края. Вывод модели остывающей плиты также начинается с уравнения теплового потока в одном измерении, как и модель остывающей мантии. Разница заключается в необходимости тепловой границы у основания остывающей плиты. Анализ данных глубины в зависимости от возраста и глубины в зависимости от квадратного корня возраста позволил Парсонсу и Склейтеру ^[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 пластины

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

Предполагая, что под охлаждающей плитой повсюду существует изостатическое равновесие, получаем пересмотренное соотношение возраста и глубины для более древнего морского дна, которое приблизительно верно для возрастов вплоть до 20 миллионов лет:

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

Таким образом, более старое морское дно углубляется медленнее, чем более молодое, и фактически может считаться почти постоянным на глубине ~6400 м. Их модель плиты также позволила получить выражение для кондуктивного теплового потока q(t) со дна океана, который приблизительно постоянен 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 Склейтер пришли к выводу, что некий тип мантийной конвекции должен передавать тепло к основанию плиты повсюду, чтобы предотвратить охлаждение ниже 125 км и сокращение литосферы (углубление морского дна) в более позднем возрасте. ^[5] Морган и Смит ^{[10] [11]} показали, что выравнивание более старой глубины морского дна можно объяснить потоком в астеносфере под литосферой.

Продолжалось изучение взаимосвязи между возрастом, глубиной и тепловым потоком с уточнением физических параметров, определяющих океанические литосферные плиты. ^{[12] [13] [14]}

Воздействия

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 соотношений возраст-глубина. ^{[4] [5]}

Наряду с этим, если скорость расширения морского дна в океаническом бассейне увеличивается, то средняя глубина в этом океаническом бассейне уменьшается, и, следовательно, его объем уменьшается (и наоборот). Это приводит к глобальному эвстатическому повышению (падению) уровня моря , поскольку Земля не расширяется. Двумя основными факторами изменения уровня моря в течение геологического времени являются изменения объема континентального льда на суше и изменения с течением времени средней глубины океанического бассейна (объема бассейна) в зависимости от его среднего возраста. ^[15]

Смотрите также

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

Ссылки

1. Dietz, Robert S. (1961). «Эволюция континентов и океанических бассейнов путем расширения морского дна». Nature . 190 (4779): 854–857. Bibcode :1961Natur.190..854D. doi :10.1038/190854a0. ISSN  0028-0836. S2CID  4288496.
2. Hess, HH (ноябрь 1962 г.). «История океанических бассейнов» (PDF) . В AEJ Engel; Harold L. James; BF Leonard (ред.). Петрологические исследования: том в честь AF Buddington . Боулдер, Колорадо: Геологическое общество Америки. стр. 599–620.
3. McKenzie, DP; Sclater, JG (1969-03-01). «Тепловой поток в восточной части Тихого океана и распространение морского дна». Bulletin Volcanologique . 33 (1): 101–117. Bibcode :1969BVol...33..101M. doi :10.1007/BF02596711. ISSN  1432-0819. S2CID  129021651.
4. Дэвис, EE; Листер, CRB (1974). «Основы топографии хребта». Earth and Planetary Science Letters . 21 (4): 405–413. Bibcode : 1974E&PSL..21..405D. doi : 10.1016/0012-821X(74)90180-0.
5. Парсонс, Барри; Склейтер, Джон Г. (1977-02-10). «Анализ изменения батиметрии океанского дна и теплового потока с возрастом». Журнал геофизических исследований . 82 (5): 803–827. Bibcode : 1977JGR....82..803P. doi : 10.1029/jb082i005p00803. ISSN  2156-2202.
6. Маккензи, Дэн П. (1967-12-15). «Некоторые замечания о тепловом потоке и гравитационных аномалиях». Журнал геофизических исследований . 72 (24): 6261–6273. Bibcode : 1967JGR....72.6261M. doi : 10.1029/JZ072i024p06261.
7. Sclater, JG; Francheteau, J. (1970-09-01). «Значение наблюдений за земным тепловым потоком для современных тектонических и геохимических моделей коры и верхней мантии Земли». Geophysical Journal International . 20 (5): 509–542. Bibcode : 1970GeoJ...20..509S. doi : 10.1111/j.1365-246X.1970.tb06089.x . ISSN  0956-540X.
8. Склейтер, Джон Г.; Андерсон, Роджер Н.; Белл, М. Ли (1971-11-10). «Возвышение хребтов и эволюция центральной части восточной части Тихого океана». Журнал геофизических исследований . 76 (32): 7888–7915. Bibcode : 1971JGR....76.7888S. doi : 10.1029/jb076i032p07888. ISSN  2156-2202.
9. Макдональд, Кен. «GalAPAGoS: Where Ridge Meets Hotspot». NOAA Ocean Explorer . Получено 10 октября 2023 г.
10. Морган, Джейсон Фиппс; Смит, Уолтер ХФ (1992). «Выравнивание кривой глубины-возраста морского дна как ответ на астеносферный поток». Nature . 359 (6395): 524–527. Bibcode :1992Natur.359..524M. doi :10.1038/359524a0. ISSN  1476-4687. S2CID  4326297.
11. Морган, Джейсон Фиппс; Смит, Уолтер ХФ (1994). "Исправление: выравнивание кривой глубины-возраста морского дна как реакция на астеносферный поток". Nature . 371 (6492): 83. doi : 10.1038/371083a0 . ISSN  1476-4687. S2CID  4270220.
12. Stein, Carol A.; Stein, Seth (1992). «Модель глобальных изменений глубины океана и теплового потока с возрастом литосферы». Nature . 359 (6391): 123–129. Bibcode :1992Natur.359..123S. doi :10.1038/359123a0. ISSN  1476-4687. S2CID  4272482.
13. Маккензи, Д.; Джексон, Дж.; Пристли, К. (2005-05-15). «Термическая структура океанической и континентальной литосферы». Earth and Planetary Science Letters . 233 (3–4): 337–349. doi :10.1016/j.epsl.2005.02.005.
14. Гроуз, Кристофер Дж. (2012-06-01). «Свойства океанической литосферы: Пересмотренные предсказания модели охлаждения плит». Earth and Planetary Science Letters . 333–334: 250–264. Bibcode : 2012E&PSL.333..250G. doi : 10.1016/j.epsl.2012.03.037. ISSN  0012-821X.
15. Миллер, Кеннет Г. (2009), «Изменение уровня моря за последние 250 миллионов лет», в Горниц, Вивьен (ред.), Энциклопедия палеоклиматологии и древних сред , Энциклопедия наук о Земле, Springer Netherlands, стр. 879–887, doi :10.1007/978-1-4020-4411-3_206, ISBN 978-1-4020-4551-6

Дальнейшее чтение

Маккензи, Дэн (30.05.2018). «Геолог размышляет о долгой карьере». Annual Review of Earth and Planetary Sciences . 46 (1): 1–20. Bibcode : 2018AREPS..46....1M. doi : 10.1146/annurev-earth-082517-010111 . ISSN  0084-6597.