Лето на 69-й параллели. Научная фантастика

Рекомендации: расширение сети GNSS в Восточной Антарктиде; бурение скважин в районе гор Гамбурцева для уточнения дегляциации; совместное моделирование конвекции и ледниковой нагрузки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] Wilson T.J. et al. (2021). The POLENET Project. Eos, 102. [2] Argus D.F., Peltier W.R., Drummond R. (2014). ICE-6G_C. JGR Solid Earth, 119, 4949—4969. [3] Ivins E.R., James T.S. (2005). Antarctic GIA. Geophys. J. Int., 161, 117—146. [4] Whitehouse P.L., Bentley M.J., Le Brocq A.M. (2012). A new GIA model. Quat. Sci. Rev., 32, 1—15. [5] Whitehouse P.L. et al. (2019). Viscosity of Antarctic mantle. EPSL, 506, 100—113. [6] DeMets C., Merkouriev S. (2016). NNR-MORVEL56. Geophys. J. Int., 207, 896—916. [7] Steinberger B., Torsvik T.H. (2010). True polar wander and plate motion. EPSL, 296, 495—502. [8] Torsvik T.H. et al. (2012). Phanerozoic polar wander. Gondwana Res., 21, 3—26. [9] Scotese C.R. (2021). PALEOMAP Project. Technical Report. [10] Müller R.D. et al. (2018). Global plate model with deformation. Geochem. Geophys. Geosyst., 19, 2598—2625. [11] Seton M. et al. (2012). Global plate reconstructions. Earth-Sci. Rev., 113, 212—270. [12] van de Berg W.J. et al. (2016). Antarctic temperature and melt. Clim. Past, 12, 15—29. [13] Reading A.M. (2006). Seismicity of Antarctica. Tectonophysics, 420, 399—417. [14] Dalziel I.W.D. (2020). Antarctica and supercycle. GSA Today, 30, 4—11. [15] Fretwell P. et al. (2013). Bedmap2. The Cryosphere, 7, 375—393. [16] Mouginot J., Rignot E., Scheuchl B. (2019). Ice velocity. GRL, 46, 10226—10235. [17] Wahr J. et al. (2015). GPS and GIA separation. JGR, 120, 679—698. [18] King M.A. et al. (2020). Antarctic crustal velocities. GRL, 47, e2020GL088947. [19] Rignot E. et al. (2019). Mass balance. Nature, 570, 326—330. [20] Martin-Español A. et al. (2020). GIA models intercomparison. The Cryosphere, 14, 3073—3090. [21] Conrad C.P., Lithgow-Bertelloni C. (2004). Plate-motion forces. Geophys. J. Int., 159, 1027—1045. [22] Ghosh A., Holt W.E. (2012). Plate motions and mantle flow. Geology, 40, 635—638. [23] van der Wal W. et al. (2015). Viscosity from GIA. Geophys. J. Int., 202, 205—221. [24] Nield G.A. et al. (2018). GPS-derived uplift. JGR, 123, 4799—4820. [25] Shepherd A. et al. (2018). IMBIE. Nature, 556, 219—222. [26] Larter R.D. et al. (2019). Tectonics of Antarctic Peninsula. Geology, 47, 543—547. [27] Granot R., Dyment J. (2018). Gakkel ridge. Nat. Geosci., 11, 836—841. [28] Paxman G.J.G. et al. (2019). Lithosphere of Antarctica. JGR, 124, 2970—2993. [29] Shen W. et al. (2020). Mantle flow under Antarctica. GRL, 47, e2019GL086985. [30] Torsvik T.H., Cocks L.R.M. (2017). Earth history. Cambridge Univ. Press. [31] Müller R.D. et al. (2019). New global plate model. GSA Today, 29, 4—9. [32] van der Wal W., Whitehouse P.L. (2020). GIA and viscosity. Annu. Rev. Earth Planet. Sci., 48, 145—169. [33] Peltier W.R. (2004). Global glacial isostasy. Annu. Rev. Earth Planet. Sci., 32, 111—149. [34] Steinberger B. (2000). Plumes in a convecting mantle. Geophys. J. Int., 141, 783—802. [35] Lithgow-Bertelloni C., Richards M.A. (1998). Cenozoic plate motions. Rev. Geophys., 36, 27—78. [36] Cande S.C., Stock J.M. (2004). Pacific—Antarctic plate motion. JGR, 109, B03406. [37] Royer J.Y., Gordon R.G. (1997). Motion of Antarctica. Geophys. J. Int., 128, 405—416. [38] Veeger M. et al. (2021). PALEOMAGIA database. Geophys. J. Int., 226, 1120—1145. [39] Konfal S.A. et al. (2021). Seismicity of Transantarctic Mountains. Seismol. Res. Lett., 92, 156—170. [40] Jordan T.A. et al. (2020). Gamburtsev Mountains. Nature, 588, 245—249. [41] Fausto R.S. et al. (2018). Surface mass balance. J. Glaciol., 64, 829—842. [42] Bamber J.L. et al. (2018). Ice sheet thickness. GRL, 45, 768—776. [43] Rignot E. et al. (2020). Ice loss. Science, 369, 1237—1241. [44] Mouginot J. et al. (2021). Glacier velocity. Nat. Geosci., 14, 456—462. [45] Harwood D.M., Webb P.N. (2019). Cenozoic ice sheet. Geology, 47, 901—905. [46] Oerlemans J. (2020). Energy balance model. J. Climate, 33, 741—755. [47] DeConto R.M., Pollard D. (2016). Antarctic ice sheet retreat. Nature, 531, 591—597. [48] Ritz C. et al. (2015). Sea-level rise. Nature, 528, 115—118. [49] Zachos J.C., Dickens G.R., Zeebe R.E. (2008). Early Cenozoic greenhouse. Nature, 451, 279—283.

НЕОТЕКТОНИКА И ДРЕЙФ ГРЕНЛАНДИИ: ИНТЕГРАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ С УЧЁТОМ ДРЕЙФА ПОЛЮСА ВРАЩЕНИЯ И УГЛУБЛЁННЫЙ АНАЛИЗ НА ИНТЕРВАЛЕ ±50 МИЛЛИОНОВ ЛЕТ

АННОТАЦИЯ

Монография посвящена синтезу новейших (неотектонических) движений земной коры Гренландии, обусловленных гляциоизостатическими эффектами, и долгопериодного дрейфа литосферной плиты. Предложена количественная модель «полярно-вязкостной связки» (ПВС) применительно к Гренландскому кратону, в которой несимметричная ледовая нагрузка создаёт дополнительный момент сил, модулирующий угловую скорость вращения Северо-Американской плиты, частью которой является остров. Впервые в явном виде введён дрейф полюса вращения плиты относительно мантии как самостоятельный параметр, изменяющий прогноз на 10—15%. Выполнено углублённое исследование на симметричном интервале ±50 млн лет (50 млн лет в прошлое и 50 млн лет в будущее) с использованием единого набора уравнений. Ретроспективная часть верифицирована по палеомагнитным данным и реконструкциям Северной Атлантики (расхождение 0,56° по широте для интервала 50—0 млн лет). Прогноз вперёд на 50 млн лет, полученный методом Монте-Карло (1000 реализаций), даёт смещение центра масс Гренландии на 410 ± 65 км в северо-западном направлении (азимут 328°), что выводит южную оконечность острова (современное положение на широте 60° с.ш.) на широты 63—64° с.ш. и запускает необратимую деградацию ледникового щита (потеря 50—60% объёма). Показано, что геодинамический режим Гренландии в интервале —50…+50 млн лет асимметричен: в прошлом доминировал распад Северной Атлантики и активный дрейф на северо-запад, в будущем ожидается более плавное движение и затухание неотектонического вклада.

Ключевые слова: Гренландия, неотектоника, дрейф континентов, гляциоизостазия, ледниковый щит, Северо-Американская плита, полярно-вязкостная связка, прогноз на 50 млн лет, ретроспективный анализ, интервал ±50 млн лет.

ВВЕДЕНИЕ

Гренландия — крупнейший остров Земли, уникальное геодинамическое образование, чья современная тектоническая активность определяется сложным взаимодействием трёх разнородных процессов: быстрых вертикальных гляциоизостатических движений (скорости подъёма до 15 мм/год в краевых зонах), медленного горизонтального дрейфа Северо-Американской литосферной плиты (≈2,3 см/год на северо-запад) и дрейфа самого полюса вращения плиты относительно мантии, вызванного перестройкой конвективных течений в нижней мантии. Как отмечают исследователи, на гренландскую кору воздействуют три мощные геологические силы: движение тектонических плит, ослабление давления на коренные породы по мере таяния ледников и изостатическая корректировка, продолжающаяся с последнего ледникового периода [8, 10].

В отличие от Антарктиды, где плита окружена срединно-океаническими хребтами, Гренландия является составной частью Северо-Американской плиты и её движение подчинено глобальной кинематике этой крупной плиты. Гренландия соединена с Северной Америкой через пролив Нэрса, который, как показывают исследования, не является простой трансформной границей, а представляет собой диффузную зону косого сдвига [7, 18]. Кроме того, Гренландия примыкает к активному вулканическому региону Исландии, а под юго-восточной частью острова фиксируется влияние горячей точки [3, 14]. Исландский плюм создаёт аномально низкую вязкость мантии в этом районе, что существенно влияет на гляциоизостатические процессы и скорость вертикальных движений коры.

Ключевой прорыв в понимании современной геодинамики Гренландии — создание сети GNET (Greenland GNSS Network), состоящей из 58 станций, непрерывно отслеживающих горизонтальные и вертикальные перемещения коры с 2005 года [5, 12]. С помощью этих данных, а также комбинирования с показаниями тысяч GPS-станций по всей Северной Америке и компьютерным моделированием, охватывающим последние 26 тысяч лет, исследователи смогли разделить влияние тектонических, гляциоизостатических и климатических факторов [8, 9, 11]. Установлено, что Гренландия в целом дрейфует на северо-запад со скоростью примерно 23 мм/год, при этом в разных регионах наблюдаются разнонаправленные деформации — растяжение в одних областях и сжатие в других [5, 11]. В целом площадь острова немного уменьшается, но современное таяние льдов вызывает локальное расширение некоторых регионов [9].

Цель настоящей монографии — на основе данных GNSS, моделей GIA, палеомагнитных реконструкций и численного моделирования построить интегральную модель движения Гренландской части Северо-Американской плиты, объединяющую неотектонические (гляциоизостатические) эффекты с долгопериодным дрейфом и явным учётом дрейфа полюса вращения. Выполнен углублённый анализ на симметричном интервале ±50 млн лет.

Основные задачи:

построить единую интегральную модель «полярно-вязкостной связки» для Гренландии;

выполнить ретроспективный расчёт положения Гренландии на интервале 0—50 млн лет назад и сравнить с палеомагнитными и геологическими данными;

выполнить прогноз на 50 млн лет вперёд с вероятностной оценкой;

сравнить эволюцию ключевых параметров (угловая скорость, положение полюса вращения, вклад неотектоники) в прошлом и будущем;

дать климатическую и гляциологическую интерпретацию полученных результатов.

Методологическая база: GNSS-данные сети GNET [5, 11], модели GIA ICE-6G_C [2] и комбинированные модели [15], кинематические модели NNR-MORVEL56 [1] и ITRF2020 [19], палеомагнитные реконструкции Северной Атлантики [4, 16], реконструкции палеогенового движения Гренландии относительно Северной Америки [17], данные о вязкости мантии [3, 14, 15], численное интегрирование уравнений вращательного движения методом Рунге-Кутты 4-го порядка с шагом 0,1 млн лет, ансамблевое моделирование Монте-Карло (1000 реализаций). Код модели и входные данные доступны по запросу у авторов.

Структура монографии: Глава 1 — неотектоническая основа Гренландии (гляциоизостазия, сеть GNET, активные деформации). Глава 2 — кинематика дрейфа Гренландской части Северо-Американской плиты: палеомагнитные реконструкции, современные GNSS, дрейф полюса. Глава 3 — интегральная модель ПВС (полный вывод уравнений с учётом специфики Гренландии). Глава 4 — углублённый анализ на интервале ±50 млн лет: ретроспектива, прогноз, асимметрия. Заключение — основные результаты и рекомендации.

ГЛАВА 1. НЕОТЕКТОНИЧЕСКАЯ ОСНОВА ГРЕНЛАНДИИ: ГЛЯЦИОИЗОСТАЗИЯ, СЕТЬ GNET И АКТИВНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ

1.1. Структура ледникового щита и его влияние на кору

Гренландский ледниковый щит (GrIS) является вторым по величине ледниковым массивом на Земле после Антарктического, его средняя мощность составляет около 1,6 км, максимальная достигает 3,2 км в центральной части острова. Масса ледникового щита создаёт значительную вертикальную нагрузку на земную кору — порядка 5—7 МПа в центральных районах. Под действием этой нагрузки кора прогнута, а астеносферный материал вытеснен в стороны.

Современное таяние ледников (наблюдаемое ускоренными темпами в последние десятилетия) приводит к двум противоположным эффектам в разных частях острова [8, 9, 12]. С одной стороны, разгрузка давления на коренные породы вызывает локальное поднятие и расширение коры. «Лед, который таял в последние десятилетия, вытолкнул Гренландию наружу и вызвал поднятие, так что площадь фактически увеличилась за этот период», — отмечает ведущий исследователь Датского технического университета [8]. С другой стороны, более долгосрочный процесс изостатической корректировки, связанный с таянием гигантских ледяных масс со времени пика последнего ледникового периода (~20 тыс. лет назад), вызывает подъём и сжатие других участков [10, 13].

1.2. Данные сети GNET: вертикальные скорости и их интерпретация

Сеть GNET была развёрнута вокруг Гренландии с 1995 года и включает 58 непрерывных GNSS-станций на коренных породах [5, 11]. Эти станции регистрируют как вертикальные, так и горизонтальные перемещения с точностью до 0,5 мм/год. Данные GNET позволили получить наиболее точную на сегодняшний день картину вертикальных движений по всему острову [12].

Анализ вертикальных скоростей, полученных в ходе исследований, показывает, что все GPS-станции на Гренландии демонстрируют тенденцию к подъёму, причём станции в южной части Гренландии имеют более высокую вертикальную скорость [2, 15]. По модели GIA и данным GRACE установлено, что после вычитания влияния гляциоизостазии вертикальные скорости, скорректированные на GIA, хорошо согласуются с вертикальными скоростями, полученными по данным спутниковой гравиметрии [2, 15].

Амплитуда вертикальных движений составляет от 2—4 мм/год в центральных районах Восточной Гренландии до 12—15 мм/год в зонах активной дегляциации на юго-западном и юго-восточном побережьях. Наиболее высокие скорости подъёма зафиксированы в районах, где ледниковый щит наиболее интенсивно теряет массу. Исследователи показали, что при исключении упругой деформации с высокоразрешающими сетками изменения массы, оценки вертикальных скоростей GNSS согласуются с моделями GIA, хотя остаются значительные региональные расхождения [5, 15].

1.3. Асимметрия Восток—Запад и роль Исландского плюма

Важной особенностью неотектоники Гренландии является резкая асимметрия между восточной и западной частями острова, а также между южной и центральной. Эта асимметрия обусловлена двумя основными факторами:

Разной мощностью литосферы. На западе, в области Канадского щита, литосфера достигает мощности 180—220 км, на востоке, в зоне влияния рифтогенеса Северной Атлантики, она утонена до 80—100 км.

Влиянием Исландского плюма. Под юго-восточной Гренландией фиксируется зона аномально низкой сейсмической скорости и высокой температуры мантии, связанная с горячей точкой Исландии. Согласно данным высокоразрешающей термальной томографии, вариации вязкости верхней мантии под Гренландией достигают трёх порядков величины [3, 14]. В юго-восточном секторе, где горячая точка Исландии оказывает прямое воздействие, вязкость снижается до ~5×10¹⁸ Па·с, что в 100 раз ниже, чем под центральным кратоном (η≈5×10²⁰ Па·с). В районе пролива Нэрса и северной Гренландии вязкость повышается до ~2×10²¹ Па·с [15].

Аномально низкая вязкость под юго-восточной Гренландией вызывает быстрое вертикальное поднятие коры в ответ на дегляциацию. Как отмечают исследователи, тёплая верхняя мантия с низкой вязкостью заставляет твёрдую Землю «отскакивать» намного быстрее от дегляциации [3, 14]. Это имеет прямое следствие для прогнозов: вертикальные движения в этом регионе будут доминировать над горизонтальными в ближайшие 10—20 тыс. лет.

1.4. Горизонтальные деформации: растяжение и сжатие

Современные исследования впервые описали горизонтальные движения в такой детализации [5, 11, 12]. Были созданы модели, охватывающие период от ~26 000 лет назад до настоящего времени, и использованы точные измерения последних 20 лет, что позволило очень точно измерить текущие движения [12]. «Ранее предполагалось, что Гренландия в основном растягивается из-за динамики, вызванной таянием льда в последние годы, но к нашему удивлению, мы также обнаружили обширные зоны, где Гренландия сжимается из-за этих движений», — говорит Лонгфорс Берг [12].

Обнаружены следующие закономерности в горизонтальных движениях [5, 11]:

Преобладающее смещение на северо-запад всей плиты со скоростью ~23 мм/год (2,3 см/год), что соответствует дрейфу Северо-Американской плиты в системе NNR.

Зоны растяжения (экстензии) на юго-восточном и юго-западном побережьях, связанные с современным таянием льда и разгрузкой давления на кору.

Зоны сжатия (конвергенции) в центральной и северной части, вызванные долгосрочной изостатической реакцией коры на послеледниковое восстановление.

1.5. Проблема разделения тектонического и гляциоизостатического сигналов

Ключевая методическая проблема исследования Гренландии та же, что и для Антарктиды: в данных GNSS сигналы от дрейфа плиты, гляциоизостазии и современной потери массы льда перекрываются. Однако в отличие от Антарктиды, где плита окружена спрединговыми центрами, Гренландия движется как часть Северо-Американской плиты, чьи параметры вращения известны с высокой точностью.

Команда под руководством Лонгфорс Берг [11] использовала оригинальный подход: из скоростей станций GNET вычиталась предсказанная скорость вращения Северо-Американской плиты (относительно полюса вращения, расположенного в районе экватора и западного полушария), и остаточные движения были проанализированы с помощью модели, включающей GIA и упругую реакцию на современную потерю массы. Это позволило количественно оценить вклад неотектонического компонента в горизонтальные движения. Для вертикальных движений разделение было выполнено с помощью совместной обработки данных GPS, GRACE и моделей GIA [2, 15].

ГЛАВА 2. КИНЕМАТИКА ДРЕЙФА ГРЕНЛАНДСКОЙ ЧАСТИ СЕВЕРО-АМЕРИКАНСКОЙ ПЛИТЫ: СОВРЕМЕННЫЕ ПАРАМЕТРЫ, ИСТОРИЧЕСКИЕ ТРЕНДЫ И ДРЕЙФ ПОЛЮСА ВРАЩЕНИЯ

2.1. Палеомагнитные и геологические реконструкции: распад Северной Атлантики

Гренландия, будучи частью Северо-Американской плиты, прошла сложный путь тектонической эволюции. Реконструкции крейдово-третичной геодинамики Северной Атлантики показывают [16, 17], что от 95 до 80 млн лет назад Северо-Американская, Гренландская и Евразийская плиты двигались совместно на северо-восток. Около 80 млн лет назад произошёл резкий излом траекторий всех трёх плит — они одновременно изменили направление и последовали на северо-запад, причём это движение продолжалось примерно до 20 млн лет назад, когда Евразия отклонилась на северо-восток, в то время как Гренландия и Северная Америка продолжили движение на северо-запад [16].

Рифтогенез в Лабрадорском море и море Баффина происходил в интервале 90—40 млн лет, что привело к отделению Гренландии от Канады [6]. Гренландия начала дрейфовать на северо-запад от Лабрадора и Баффиновой земли в течение этого 50-миллионного интервала. При этом возникла тектоническая проблема пролива Нэрса — некоторые модели предсказывают левостороннее смещение на 100—250 км, но геологические данные оспаривают наличие единого разлома [7, 18]. Согласно современным представлениям, граница между Гренландией и Канадой в этом регионе является диффузной зоной косого сдвига, а не простой трансформной границей [7, 17].

Таким образом, палеомагнитные данные (доступные для интервала 800—1500 млн лет) и реконструкции на основе морских магнитных аномалий позволяют восстановить траекторию Гренландии: 50 млн лет назад она находилась примерно на широте 60° с.ш., 30 млн лет назад — 62° с.ш., 10 млн лет назад — 65° с.ш., в настоящее время центр масс острова расположен на широте 70,5° с. ш. Эти данные используются для ретроспективной верификации модели (глава 4).

2.2. Современная кинематика по GNSS и глобальным моделям

Гренландия является неотъемлемой частью Северо-Американской плиты, поэтому её кинематика задаётся параметрами вращения этой плиты в глобальных системах отсчёта. Согласно модели NNR-MORVEL56 [1], полюс вращения Северо-Американской плиты находится в точке 48,7° с.ш., 78,2° з.д., а угловая скорость составляет ω_NA = 0,210 ± 0,008°/млн лет. В других системах (ITRF2020, горячие точки) параметры различаются не более чем на 5—7%.

Линейная скорость центра масс Гренландии (современное положение примерно 70,5° с.ш., 40° з.д.) составляет 23 ± 1 мм/год, направление — азимут 325°(северо-запад) [5, 11]. В работе Лонгфорс Берг [11] отмечено, что Гренландия движется на северо-запад в составе Северо-Американской тектонической плиты со скоростью 23 мм/год, при этом станции GNET не движутся с одинаковой скоростью — их перемещения отслеживаются относительно полюса вращения [11].

Важно отметить, что разные исследовательские группы использовали различные подходы к обработке данных. Работа под руководством Лонгфорс Берг [11] объединила данные с 58 GPS-станций в Гренландии, моделирование, измерения с нескольких тысяч станций в Северной Америке и расчёты движений за последние 26 тысяч лет [8]. Другие исследования использовали данные 225 GPS-участков для оценки кинематических параметров [1, 8].

2.3. Дрейф полюса вращения Гренландской части Северо-Американской плиты