В данной статье приведены сведения по региональному распределению теплового потока в Северной Америке. Авторы использовали имеющиеся значения в качестве контрольных и произвели экстраполяцию на основе данных региональной геологии и геофизики. Методы измерения здесь не рассматриваются; их описание можно найти в работе Ли [3]. Авторы не дают также детального описания отдельных измерений (часто сложных), ограничиваясь лишь ссылками на оригинальные работы. В настоящей статье освещены главные особенности распределения теплового потока в масштабах континентов; многие интересные площади меньших размеров не рассматриваются.
Региональные вариации теплового потока на поверхности Земли могут быть обусловлены различными факторами. Несомненно, большая часть теплового потока, протекающего в настоящее время через поверхность Земли, связана с энергией, освобождающейся при распаде радиоактивных элементов — урана, тория и калия. Таким образом, региональные вариации количества радиоактивности будут вызывать региональные вариации теплового потока (ниже описан такой механизм по данным для Новой Англии). Вторая основная причина региональной вариации теплового потока — присутствие горячего материала, внедрившегося в различные участки верхней мантии в некоторый период геологического времени. Другие факторы, например рефракция, обусловленная различиями теплопроводности или локальным переносом масс, едва ли имеют значение в тех больших масштабах, о которых идет речь в этой статье.
При использовании данных о тепловом потоке для исследования верхней мантии необходимо различать вклад, вносимый корой, и вклад мантии. Как указывал Берч [1], нам неизвестно происхождение отдельных порций тепла, поступающих на поверхность Земли. Неясен не только характер их источников, но и глубина этих источников. Некоторые большие широтные вариации можно объяснить широтными вариациями радиоактивности земной коры. Некоторые изменения теплового потока происходят в пределах коротких горизонтальных расстояний; следовательно, обусловливающие их источники должны лежать внутри коры. В других случаях значительные вариации регионального теплового потока характерны для больших горизонтальных расстояний. Вследствие того что они связаны с геофизическими аномалиями, источник которых лежит, по-видимому, в верхней мантии, представляется вполне вероятным, что они обусловлены региональными неоднородностями мантии. Такая точка зрения хорошо подтверждается высокими значениями теплового потока, наблюдающимися в западной части Северной Америки. Значения теплового потока, полученные на земной поверхности, дают граничные условия, которым должны удовлетворять геофизические модели коры и мантии.
Так как получение данных о тепловом потоке требует затраты больших средств, то характерные свойства теплового потока для обширных территорий следует определять с помощью интерполяции относительно небольшого числа измерений. Такую интерполяцию лучше всего производить, основываясь на данных геологии и геофизики. Для оценки географической протяженности аномалий теплового потока полезно знать вариации таких сейсмических свойств, как запаздывание P-волн и скорость волн Рn. Широтная вариация электропроводности в верхней мантии имеет особенно большое значение при определении областей аномально высоких температур вследствие высокой чувствительности электропроводности к изменению температуры. Ряд сведений, полезных для экстраполяции, дают исследования земной коры методом преломленных волн, проведенные в настоящее время для многих областей.
Общая картина, которая начинает вырисовываться при сопоставлении данных изучения теплового потока в Северной Америке, приведена на фиг. 1 (для двух провинций). Восточная провинция на карте теплового потока характеризуется нормальными значениями теплового потока (— 1,0—1,2 мккал/(с·см2)) со случайными высокими значениями, которые, очевидно, связаны с аномальной концентрацией радиоактивных элементов в породах, лежащих вблизи земной поверхности. Западная провинция характеризуется в основном высокими значениями теплового потока (~2 мккал/(с·см2)). Некоторые из них могут быть обусловлены вариациями радиоактивности в земной коре, но большинство, вероятно, связано с аномально высокими температурами в мантии, так как обычно такие значения приурочены к областям с пониженными скоростями распространения сейсмических волн и высокой электропроводностью верхней мантии.
Восточная провинция
Тепловой поток в восточной провинции обычно равен 1,1 мккал/(с·см2), причем его значения изменяются в интервале от 0,8 до 2,3 мккал/(с·см2). Рой и Деккер [6], пользуясь данными, полученными для ряда близко расположенных станций, показали, что вариации теплового потока в Новой Англии обусловлены в основном вариациями в содержании радиоактивных элементов в породах, лежащих вблизи земной поверхности. Высокие значения теплового потока связаны с обладающими высокой радиоактивностью гранитами, а низкие значения — с другими изверженными породами с более низкой радиоактивностью. Аномалии (по отношению к фону 1,1 мккал/(с·см2)) можно легко интерпретировать, считая, что они обусловлены местной радиоактивностью пород, входящих в состав земной коры. Следует ожидать, что подобные соотношения будут характерны для всей области Аппалачей. Измерения в области Канадского щита дали довольно однородное, но несколько меньшее нормального поле теплового потока. Среднее значение теплового потока равно ~0,8 мккал/(с·см2), причем отклонения от этого значения невелики. Если вклад в тепловой поток, обусловленный мантией, здесь такой же, как и в остальной части восточной провинции, то при значении теплового потока 0,8 мккал/(с·см2) вклад радиоактивности земной коры должен быть несколько нише, чем в тех областях, которые характеризуются тепловым потоком, равным 1,1 мккал/(с·см2).
Нам представляется, что радиоактивные элементы концентрируются в породах верхних слоев земной коры. В результате эрозии Канадского щита была удалена часть верхнего радиоактивного слоя, что понизило среднее значение регионального теплового потока примерно на 0,3 мккал/(с·см2). Кроме того, было удалено достаточно большое количество малых тел (если они когда-либо здесь присутствовали) аномально радиоактивного гранита (главного источника больших вариаций теплового потока в Новой Англии), что обусловило возникновение более однородного поля теплового потока.
Область США между Аппалачской и Кордильерской системами характеризуется довольно однородным тепловым потоком, равным ~1,2 мккал/(с·см2). Вариации теплового потока также малы. На поверхности залегают осадочные породы (радиоактивность которых очень мала), и лишь немногие скважины достигли докембрийского основания. Предполагают, что породы, подобные породам Канадского щита, распространяются и под эту область. Поэтому можно было бы ожидать, что тепловой поток здесь будет таким же, как на Канадском щите. Однако приближенные данные, полученные по 35 станциям, дают другое значение теплового потока. Такое противоречие можно объяснить несколькими причинами. Во-первых, в докембрии эрозия могла быть менее интенсивной и поэтому вклад радиоактивности подповерхностных пород земной коры в тепловой поток был ближе к нормальному. Во-вторых, между двумя областями могла существовать некая начальная разность средней радиоактивности земной коры или мантии.
Западная провинция
Тепловой поток в западной провинции выше (около 2 мккал/(с·см2)) и в большей степени изменяется от места к месту, чем в восточной провинции. Кроме значений, полученных при непосредственных измерениях теплового потока, ряд других данных (третичный вулканизм, существование в пределах описываемой области горячих источников; в восточной провинции такие явления отсутствуют) также указывает, что западная провинция характеризуется высокими значениями теплового потока. Граница между двумя провинциями соответствует уменьшению к западу электропроводности верхней мантии, что отмечалось Шмуккером [7] в Нью-Мексико, Рейцелом [5] в Колорадо и Рейцелом и Симмонсом (личное сообщение) в Монтане. Западной границей провинции на юге служат хребты Нижней Калифорнии и Сьерра-Невада (в Калифорнии), однако далее к северу эта граница определяется нечетко вследствие недостатка данных. Возможно, в пределах западной провинции существуют большие области нормального теплового потока. Так, на плато Колорадо были отмечены два нормальных значения теплового потока (~1,2 мккал/(с·см2)), однако для определения географической протяженности области, характеризуемой нормальным тепловым потоком, данных пока недостаточно.
Имеются некоторые указания на то, что большая часть теплового потока в западной провинции, превышающего 1,2 мккал/(с·см2), возникает в мантии. Мы уже упоминали, что в данной области наблюдаются большие различия в электропроводности мантии (связанные, вероятно, с тепловыми неоднородностями). По данным Херрина [2], в западной части США отмечаются пониженные значения скорости распространения волн Рn, которые хорошо коррелируются с высоким региональным тепловым потоком. Исследования земной коры, проведенные Пекайзером [4] и другими, подтвердили, что большая часть западной провинции характеризуется низкой скоростью продольных колебаний в верхней мантии (~7,8 км/с). По мнению Зица и др. [8], спектр статических магнитных аномалий, наблюдаемых вдоль нескольких широтных профилей вблизи 37° с. т., указывает, что точка Кюри под западной провинцией достигается на меньшей глубине, чем под восточной. Возможность такого сопоставления высоких значений теплового потока на поверхности Земли с аномальными свойствами верхней мантии позволяет прийти к выводу, что источник избыточного тепла лежит в верхней мантии, а не в земной коре.
Происхождение той части избыточного теплового потока, источники которой расположены в мантии, можно объяснить двумя причинами: широтной вариацией радиоактивности верхней мантии и предшествующей инъекцией горячего материала в мантию вблизи границы земной коры. На больших участках этой провинции широко распространенные вулканизм и деформации начались в раннетретичное время, после длительного периода относительного покоя. Поэтому авторы не склонны опираться на гипотезу наличия радиоактивных источников тепла в мантии, которая не может объяснить внезапного усиления тектонической активности в раннетретичное время. По их мнению, главная причина, обусловливающая высокий тепловой поток в западной провинции,— подъем нагретого материала. Не исключено, что нагретый материал обогащен радиоактивными элементами. Современный высокий тепловой поток в Провинции бассейнов и хребтов можно объяснить, например, инъекцией, которая произошла, возможно, 10 млн. лет назад. В то же время низкое значение теплового потока у поверхности Земли на плато Колорадо связано с тем, что инъекция здесь произошла лишь за последние 2 млн. лет. Авторы считают, что основной причиной возникновения высокого теплового потока является не крупномасштабная единичная инъекция нагретого материала под всю территорию в целом, а скорее ряд плутонических эпизодов, происходивших в различные периоды времени.
Хотя с математической точки зрения все вариации теплового потока можно объяснить широтными вариациями в распределении радиоактивности в породах земной коры, имеющиеся геологические данные опровергают возможность наличия соответствующего количества радиоактивных элементов. Кроме того, температуры в мантии, которые предусматриваются подобными моделями, недостаточно высоки, чтобы вызвать ряд других явлений, подтвержденных геофизическими наблюдениями.
Имеющиеся в настоящее время данные указывают, что близ побережья, параллельно ему. проходят две линейные области низких значений теплового потока, а именно батолиты Сьерра-Невады и Южной Калифорнии. Однако в настоящее время мы не можем установить, существует ли вдоль всего западного побережья континента непрерывная зона низких или нормальных значений теплового потока.
Выводы
Хотя в Северной Америке все еще имеются большие области, для которых отсутствуют данные о величине теплового потока (например, Мексика), региональная картина вырисовывается уже достаточно ясно. Существует восточная провинция теплового потока, в пределах которой тепловой поток имеет приблизительно одно и то же значение, равное — 1,2 мккал/(с·см2). Здесь наблюдаются также некоторые аномальные значения теплового потока, очевидно, связанные с вариациями радиоактивности земной коры. Западная провинция характеризуется высокими значениями теплового потока, равными (2 мккал/(с·см2) и более), причем вклад верхней мантии составляет приблизительно 1 мккал/(с·см2).