Демина И. М., Иванов С. А., Меркурьев С. А.
Санкт-Петербургский филиал Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н. В. Пушкова РАН, Санкт-Петербург, e-mail: dim@izmiran.spb.ru
Введение
К настоящему времени достигнуты большие успехи в области моделиро- вания процессов, протекающих в толще жидкого ядра Земли [1]. На основе спутниковых данных были выделены как крупно-, так и мелкомасштабные течения на его поверхности [2,3]. В то же время наблюдаемое быстрое паде- ние дипольной составляющей главного магнитного поля Земли (ГМПЗ) и одновременное развитие его недипольной части не находят однозначного объяснения. Ранее мы высказали гипотезу, что топографическая неоднород- ность границы ядро-мантия, связанная с древними зонами субдукции, пред- ставляет собой одну из основных причин, приводящих к образованию мел- комасштабных вихрей [4,5]. В данной работе мы провели сравнительный анализ местоположения Мировых аномалий ГМПЗ и их возможных источни- ков с неоднородностями строения самой нижней мантии.
Использованные данные
Для вычисления компонент ГМПЗ были использованы сферические гар- монические коэффициенты модели COV-OBS [6] для эпохи 2010 г. Для сни- жения значимости мелкомасштабных аномалий компоненты ГМПЗ вычисля- лись на расстоянии 10000 км от центра Земли. На большем удалении некото- рые мировые аномалии начинают быстро убывать, что затрудняет их анализ.
Использованная в работе пространственная структура недипольной состав- ляющей Z компоненты показана на рис. 1.
Рис. 1. Z компонента недипольной части ГМПЗ (10000 км от центра Земли)
В качестве модели строения нижней мантии мы использовали, как и в предыдущих работах, SAW642AN [7]. Эта модель позволяет построить рас- пределение превышенных и пониженных скоростей распространения сей- смических волн во всей мантии относительно их средних для данной глуби- ны значений для любого мантийного среза, в том числе для границы ядро- мантия. Мы использовали этот срез для сравнения с положением и ориента- цией токовых систем (ТС), полученными нами по магнитным данным. Ин- терпретация наших результатов основана на представлении, не являющимся предметом дискуссии у специалистов, занимающихся сейсмической томо- графией, что областям повышенных и пониженных скоростей соответствуют повышенные и пониженные плотности вещества самой нижней мантии.
Метод
Помеченные на рис. 1 цифрами мировые аномалии ГМПЗ были аппрок- симированы полями токовых систем, геометрия которых представляет собой полый тонкостенный усеченный конус. Магнитные поля, генерируемые та- кими ТС были рассмотрены нами в [8]. Высота конусов выбиралась в интер- вале 400–500 км в соответствии с результатами [8]. Остальные параметры:
объемная плотность тока, радиус основания, координаты местоположения центра и углы ориентации в пространстве определялись в ходе решения об- ратной задачи для каждой ТС отдельно. Сначала обратная задача решалась для небольшой области в окрестности максимума Z компоненты, а затем эти параметры уточнялись в ходе итерационного процесса. Подробно метод опи- сан в [9]. В соответствии с [9] в модель была включена ТС, параметры кото- рой были получены для систематической составляющей ГМПЗ (высота соот- ветствующего усеченного конуса составляла 4200 км, а радиус был получен равным 1213 км.). Введение этой седьмой ТС было необходимо для коррект- ного разделения на систематическую составляющую и аномальную часть
поля. Эта ТС в данной работе не обсуждается, поскольку анализ системати- ческой составляющей выходит за рамки поставленной задачи.
Полученные результаты
В ходе решения обратной задачи были определены положение и ориента- ция в пространстве конусообразных ТС, суммарное магнитное поле которых наилучшим образом описывает пространственную структуру мировых ано- малий ГМПЗ. Следует отметить что, несмотря на значительное удаление от области возможных источников, семи ТС оказалось недостаточно для полно- го описания ГМПЗ на выбранном расстоянии. Остаток от аппроксимации здесь также не обсуждается. В рамках данной работы мы ограничились рас- смотрением только мировых аномалий.
Анализ местоположения и ориентации полученных ТС относительно не- однородностей строения самой нижней мантии показал, что для всех ТС ха- рактерно наличие высокоскоростной аномалии с запада от ТС. Более того, ТС, соответствующие мировым аномалиям 1, 2, 5 и 6, окружены мантийными аномалиями разной интенсивности с нескольких сторон. Исключения состав- ляют ТС 3 и 4, именно для этих ТС характерен рост величины магнитного момента (ММ). Для полностью окруженных ТС 1 и 5 отмечено систематиче- ское уменьшение величины ММ. Что касается 2-ой и 6-ой ТС, то их положе- ние относительно мантийных неоднородностей, так же как для ТС 3, допус- кает дополнительный приток вещества жидкого ядра. Обе эти ТС характери- зуются растущим ММ, но если 6-ая ТС по величине ММ сравнима с 3-ей, то для 2-ой получен самых маленький по величине ММ и соответствующая аномалия ГМПЗ фактически была описана только в самом конце 20 века [4].
В качестве характерных примеров рассмотрим более подробно ТС, полу- ченные для Канадской (Северо-Американской) и Сибирской (Монгольской) мировых аномалий. Расположение и ориентация соответствующих ТС пред- ставлены на рис. 2 а и б. Для обоих рисунков точка зрения предполагается расположенной внутри сферы, соответствующей границе ядро-мантия. Рас- пределение неоднородностей скоростей сейсмических волн, рассчитанное по модели SAW642AN на границе ядро-мантия, представлено цветом на сфери- ческом сегменте. Угол поворота телесного угла сферы выбирался, исходя из наилучшего визуального представления взаимного расположения ТС и неод- нородностей границы ядро-мантия. Оси XYZ соответствуют геоцентрической системе координат. Для лучшего понимания ориентации в пространстве те- лесного угла стрелкой показано направление с запада на восток.
а – Северо-Американская или Канадская мировая аномалия ГМПЗ ТС, соответствующая этому источнику, характеризуется высотой 500 км, и расстоянием от середины высоты до центра Земли равным 2770 км. Основ- ная особенность его развития во времени состоит в убывании величины век- тора магнитного момента при этом его ориентация, а также местоположение ТС меняется мало. Из рис. 3а видно, что основание конуса со всех сторон окружено низкоскоростными структурами в строении самой нижней мантии.
Он как бы «заперт» среди этих структур.
Рис. 2. Взаимное расположение ТС и неоднородностей границы ядро-мантия. а – ТС, соответствующая Канадской мировой аномалии, б – ТС, соответствующая Сибирской мировой аномалии. Справа от рисунков показана шкала сейсмический скоростей δV м/с. Буквами «В» и «З» обозначены восток и запад соответственно.
(а)
(б)
б – Монгольская или Сибирская мировая аномалия
Токовая система 3, полученная для Сибирской мировой аномалии самая мощная по геометрическим размерам c быстро растущим по величине ММ. В тоже время эта ТС относится к стабильным по положению и ориентации век- тора ММ. Из рис. 2б можно видеть, что неоднородности мантийной структу- ры расположены к западу от ТС, но с востока вещество жидкого ядра может беспрепятственно продвигаться на запад, «подпитывая» и усиливая соответ- ствующую 3ью ТС.
Обсуждение результатов
Анализ представленных результатов показывает, что расположение и ориентацию ТС, поле которых аппроксимирует мировые аномалии, можно связать с неоднородностями строения самой нижней мантии, полученными методами сейсмической томографии. Как уже указывалось выше, для всех ТС характерно присутствие таких неоднородностей с запада от ТС. Если предположить, что более плотное вещество самой нижней мантии, формиру- ющее эти аномалии, частично опускается ниже ее предполагаемой границы с жидким ядром, то при этом образуются топографические неоднородности строения границы. Такие «горы» препятствуют свободному дифференциаль- ному вращению вещества жидкого ядра, отделяя некоторую часть от основ- ного цилиндра генерации и образуя дополнительные токовые структуры.
От расположения мантийных «гор» и их геометрических размеров, по- видимому, зависит рост или уменьшении ММ соответствующей ТС. Для бо- лее детального анализа формирования, развития и распада ТС необходимо решение подобной задачи для продолжительного интервала времени. Мы планируем это сделать как продолжение представленной работы. Однако, к сожалению, возможности такого анализа ограничены. Поскольку точность описания недипольной части историческими моделями ГМПЗ объективно падает по мере удаления в прошлое.
Вывод
Полученные в данной работе результаты косвенно подтверждают нашу гипотезу о том, что топография границы ядро-мантия имеет более сложную структуру, чем предполагается. Нижнемантийное вещество большей плотно- сти может проникать в жидкое ядро, образуя топографические «горы». Эти неоднородности препятствуют свободному дифференциальному вращению жидкого ядра относительно мантии. Что, в свою очередь, приводит к частич- ному оттоку вещества жидкого ядра из основного цилиндра генерации, фор- мированию и развитию новых ТС. Эти два процесса приводят, с одной сто- роны, к убыванию систематической составляющей ГМПЗ, а с другой сторо- ны, к росту его недипольной части.
Образование таких «гор» на границе ядро-мантия возможно за счет про- цессов, протекавших много миллионов лет назад, когда в древних зонах суб- дукции имело место поглощения значительных объемов земной коры [10]. В силу разной скорости тектонических процессов в прошлом топография гра- ницы ядро-мантия менялась. Значительное увеличение размеров таких неод-
нородностей, могло приводить к разрушению основного объема генерации – экскурсам и инверсиям.
Литература
1. Holme R. (2007) Large scale flow in the core. In Treatise of Geophysics. V. 8. P.107–
128, Elsevier, Amsterdam.
2. Eymin C., Hulot G. On core surface flows inferred from satellite magnetic data. Physics of the Earth and Planetary Interiors 152 (2005) 200–220
3. Kloss C. Finlay C.C. Time-dependent low-latitude core flow and geomagnetic field ac- celeration pulse. Geophys. J. Int. 217, 140–168. 2019.
4. Демина И. М. Топографическая неоднородность границы ядро–мантия в зонах суб- дукции и ее влияние на кинематику источников ГМПЗ. Геомагнетизм и аэрономия, 2014, том 54, № 2, с. 272
5. Demina I., S Ivanov, S Merkuryev Subduction zone effect on the structure of the small- scale currents at the core-mantel boundary. – arXiv preprint arXiv:1904.03676, 2019 – arxiv.org
6. Gillet N, Jault D, Finlay CC, Olsen N (2013) Stochastic modeling of the earth’smagnetic field: inversion for covariances over the observatory era. Geochem Geophys Geosyst 14(4):766–786.
7. Panning, M.P. and B.A. Romanowicz.: A three dimensional radially anisotropic model of shear velocity in the whole mantle. Geophys. J. Int., 167, 361–379 (2006).
8. Demina I.M., Gorshkova N.V., Soldatov V.A. Field of the volume current systems on the Earth's surface and near the core-mantle boundary. Proceedings of the 11th International School and Conference «Problems of Geocosmos», October 3–7, 2016, St. Petersburg, Russia. Pp. 30–36.
9. Касьяненко Л.Г., Демина И.М., Сас-Ухрыновский А.. Представление главного маг- нитного поля Земли системой оптимальных по ориентации и местоположению ди- полей // Геомагнетизм и Аэрономия. Т. 42. № 6. С 838–844. 2002.
10. Engebretson, D. C., Kelley, K. P., Cashman, H. J. and Richards, M. A.: 180 million years of subduction, GSA Today, 2, 93–100 (1992).