Институт физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН
Институт физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН
Россия
, Россия
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН
Москва, Россия
Данные о тепловом потоке важны во многих аспектах, включая интерпретацию различных геофизических наблюдений, решение важных инженерных задач, моделирование динамики льда и связанную с этим оценку состояния окружающей среды. Однако распределение прямых измерений по Земле весьма неоднородно. За последние десятилетия были разработаны различные методы для создания непрерывных карт геотермального теплового потока. Большинство из них основаны на принципе подобия значений теплового потока для литосферы с сопоставимым возрастом и тектонической историей или инверсии магнитных данных. Для реализации этого принципа также использовался вероятностный подход. В данной статье мы представляем новый метод экстраполяции данных теплового потока, основанный на инверсии набора геофизических данных с использованием решения оптимизационной задачи. Используются результаты инверсии сейсмических и магнитных данных в температурные и данные прямых измерений теплового потока. В качестве полигона мы используем Арктику, поскольку она включает в себя литосферу разного возраста, типа и тектонической обстановки. В результате знание теплового потока в связи с этим представляется важным для решения различных экологических проблем. Полученная карта теплового потока хорошо согласуется с данными наблюдений и четко отражает участки литосферы с разной тектонической историей и возрастом. Новая карта теплового потока, построенная в этой статье, выявляет некоторые важные особенности, которые не были идентифицированы ранее. В частности, это зоны повышенного теплового потока в Беринговом проливе, Чукотском море и остаточная аномалия теплового потока в районе Срединно-Лабрадорского хребта, который был активен в палеогене.
geothermal heat flow, Arctic, inversion, optimization, lithosphere
1. Artemieva, I. M., Global 1°×1° thermal model tc1 for the continental lithosphere: Implications for lithosphere secular evolution, Tectonophysics, 416(1), 245–277, doi:https://doi.org/10.1016/j.tecto.2005.11.022, the Heterogeneous Mantle, 2006.
2. Artemieva, I. M., The continental lithosphere: Reconciling thermal, seismic, and petrologic data, Lithos, 109(1-2), 23–46, doi:10.1016/j.lithos.2008.09.015, 2009.
3. Artemieva, I. M., Lithosphere thermal thickness and geothermal heat flux in Greenland from a new thermal isostasy method, Earth-Science Reviews, 188, 469–481, doi:10.1016/j.earscirev.2018.10.015, 2019.
4. Beaulieu, S. E., E. T. Baker, C. R. German, and A. Maffei, An authoritative global database for active submarine hydrothermal vent fields, Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 14(11), 4892–4905, doi:10.1002/2013gc004998, 2013.
5. Chapman, D. S., and H. N. Pollack, Regional geotherms and lithospheric thickness, Geology, 5(5), 265–268, doi:10. 1130/0091-7613(1977)5<265:RGALT>2.0.CO;2, 1977.
6. Davies, J. H., Global map of solid Earth surface heat flow, Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 14(10), 4608–4622, doi:https://doi.org/10.1002/ggge.20271, 2013.
7. Davies, J. H., and D. R. Davies, Earth’s surface heat flux, Solid Earth, 1(1), 5–24, doi:10.5194/se-1-5-2010, 2010.
8. Drachev, S. S., Fold belts and sedimentary basins of the Eurasian Arctic, arktos, 2(1), doi:10.1007/s41063-015-0014-8, 2016.
9. Fuchs, S., B. Norden, and International Heat Flow Commission, The global heat flow database: Release 2021, GFZ Data Services, doi:10.5880/FIDGEO.2021.014, 2021.
10. Förster, H.-J., A. Förster, R. Oberhänsli, and D. Stromeyer, Lithospheric composition and thermal structure of the Arabian Shield in Jordan, Tectonophysics, 481(1-4), 29–37, doi:10.1016/j.tecto.2008.11.014, 2010.
11. Gard, M., and D. Hasterok, A global Curie depth model utilising the equivalent source magnetic dipole method, Physics of the Earth and Planetary Interiors, 313, 106,672, doi:10.1016/j.pepi.2021.106672, 2021.
12. Goutorbe, B., J. Poort, F. Lucazeau, and S. Raillard, Global heat flow trends resolved from multiple geological and geophysical proxies, Geophysical Journal International, 187(3), 1405–1419, doi:10.1111/j.1365-246x.2011.05228.x, 2011.
13. Hoggard, M. J., K. Czarnota, F. D. Richards, D. L. Huston, A. L. Jaques, and S. Ghelichkhan, Global distribution of sediment-hosted metals controlled by craton edge stability, Nature Geoscience, 13(7), 504–510, doi: 10.1038/s41561-020-0593-2, 2020.
14. Isaev, V. I., G. A. Lobova, A. N. Fomin, V. I. Bulatov, S. G. Kuzmenkov, M. F. Galieva, and D. S. Krutenko, Heat flow and presence of oil and gas (the Yamal peninsula, Tomsk region), Georesursy, 21(3), 125–135, doi:10.18599/grs.2019.3. 125-135, 2019.
15. Kaban, M. K., Ó. G. Flóvenz, and G. Pálmason, Nature of the crust-mantle transition zone and the thermal state of the upper mantle beneath Iceland from gravity modelling, Geophysical Journal International, 149(2), 281–299, doi: 10.1046/j.1365-246x.2002.01622.x, 2002.
16. Kaban, M. K., P. Schwintzer, I. M. Artemieva, and W. D. Mooney, Density of the continental roots: compositional and thermal contributions, Earth and Planetary Science Letters, 209(1–2), 53–69, doi:10.1016/s0012-821x(03)00072-4, 2003.
17. Kaban, M. K., R. V. Sidorov, A. A. Soloviev, A. D. Gvishiani, A. G. Petrunin, O. V. Petrov, S. N. Kashubin, E. A. Androsov, and E. D. Milshtein, A New Moho Map for North-Eastern Eurasia Based on the Analysis of Various Geophysical Data, Pure and Applied Geophysics, doi:10.1007/s00024-021-02925-6, 2022.
18. Kanao, M., V. D. Suvorov, S. Toda, and S. Tsuboi, Seismicity, structure and tectonics in the Arctic region, Geoscience Frontiers, 6(5), 665–677, doi:10.1016/j.gsf.2014.11.002, 2015.
19. Kashubin, S., N. Pavlenkova, O. Petrov, E. Milshtein, S. Shokalsky, and Y. Erinchek, Crustal types in the Circumpolar Arctic, Regional Geology and Metallogeny, 55, 5–20, 2013.
20. Kharitonov, A. L., Geophysical studies of ring structures for the search for oil and gas deposits, Bulletin of Udmurt University. Series Biology. Earth Sciences, 31(3), 319–328, doi:10.35634/2412-9518-2021-31-3-319-328, 2021.
21. Khutorskoy, M. D., V. R. Akhmedzyanov, A. V. Ermakov, Y. G. Leonov, L. V. Podgornykh, B. G. Polyak, E. A. Sukhikh, and L. A. Tsibulya, Geothermics of the Arctic seas, 230 pp., GEOS, Moscow, (In Russian), 2013.
22. Langseth, M. G., M. A. Hobart, and K. iti Horai, Heat flow in the Bering Sea, Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 85(B7), 3740–3750, doi:10.1029/jb085ib07p03740, 1980.
23. Li, C.-F., Y. Lu, and J. Wang, A global reference model of Curie-point depths based on EMAG2, Scientific Reports, 7(1), 45,129, doi:10.1038/srep45129, 2017.
24. Lucazeau, F., Analysis and Mapping of an Updated Terrestrial Heat Flow Data Set, Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 20(8), 4001–4024, doi:10.1029/2019gc008389, 2019.
25. Majorowicz, J., S. E. Grasby, and W. R. Skinner, Estimation of Shallow Geothermal Energy Resource in Canada: Heat Gain and Heat Sink, Natural Resources Research, 18(2), 95–108, doi:10.1007/s11053-009-9090-4, 2009.
26. Martos, Y. M., M. Catalán, T. A. Jordan, A. Golynsky, D. Golynsky, G. Eagles, and D. G. Vaughan, Heat flux distribution of antarctica unveiled, Geophysical Research Letters, 44(22), 11,417–11,426, doi:https://doi.org/10.1002/ 2017GL075609, 2017.
27. Maule, C. F., M. E. Purucker, N. Olsen, and K. Mosegaard, Heat Flux Anomalies in Antarctica Revealed by Satellite Magnetic Data, Science, 309(5733), 464–467, doi:10.1126/science.1106888, 2005.
28. Milanovskiy, S. Y., M. K. Kaban, O. M. Rozen, and A. V. Egorkin, Gophysical features of the Anabar shield crust, Bulletin of Kamchatka Regional Association «Educational-Scientific Center»: Earth Sciences, 4, 56–71, (in Russian), 2017.
29. Njeudjang, K., J. D. Kana, A. Tom, J. M. A. Essi, N. Djongyang, and R. Tchinda, Curie point depth and heat flow deduced from spectral analysis of magnetic data over Adamawa volcanic region (Northern Cameroon): geothermal implications, SN Applied Sciences, 2(8), doi:10.1007/s42452-020-3099-z, 2020.
30. Pasyanos, M. E., T. G. Masters, G. Laske, and Z. Ma, LITHO1.0: An updated crust and lithospheric model of the Earth, Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 119(3), 2153–2173, doi:10.1002/2013jb010626, 2014.
31. Peace, A. L., G. R. Foulger, C. Schiffer, and K. J. McCaffrey, Evolution of labrador sea–baffin bay: Plate or plume processes?, Geoscience Canada, 44(3), 91–102, doi:10.12789/geocanj.2017.44.120, 2017.
32. Petrov, O., A. Morozov, S. Shokalsky, S. Kashubin, I. M. Artemieva, N. Sobolev, E. Petrov, R. E. Ernst, S. Sergeev, and M. Smelror, Crustal structure and tectonic model of the Arctic region, Earth-Science Reviews, 154, 29–71, doi: https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2015.11.013, 2016.
33. Petrunin, A. G., I. Rogozhina, A. P. M. Vaughan, I. T. Kukkonen, M. K. Kaban, I. Koulakov, and M. Thomas, Heat flux variations beneath central greenland’s ice due to anomalously thin lithosphere, Nature Geoscience, 6(9), 746–750, doi:10.1038/ngeo1898, 2013.
34. Pollack, H. N., S. J. Hurter, and J. R. Johnson, Heat flow from the Earth’s interior: Analysis of the global data set, Reviews of Geophysics, 31(3), 267–280, doi:10.1029/93RG01249, 1993.
35. Rogozhina, I., A. G. Petrunin, A. P. M. Vaughan, B. Steinberger, J. V. Johnson, M. K. Kaban, R. Calov, F. Rickers, M. Thomas, and I. Koulakov, Melting at the base of the greenland ice sheet explained by iceland hotspot history, Nature Geoscience, 9(5), 366–369, doi:10.1038/ngeo2689, 2016.
36. Rysgaard, S., J. Bendtsen, J. Mortensen, and M. K. Sejr, High geothermal heat flux in close proximity to the Northeast Greenland Ice Stream, Scientific Reports, 8(1), doi:10.1038/s41598-018-19244-x, 2018.
37. Schaeffer, A. J., and S. Lebedev, Global shear speed structure of the upper mantle and transition zone, Geophysical Journal International, 194(1), 417–449, doi:10.1093/gji/ggt095, 2013.
38. Shapiro, N. M., and M. H. Ritzwoller, Inferring surface heat flux distributions guided by a global seismic model: particular application to Antarctica, Earth and Planetary Science Letters, 223(1), 213–224, doi:https://doi.org/10. 1016/j.epsl.2004.04.011, 2004.
39. Turcotte, D. L., and G. Schubert, Geodynamics, Journal of Fluid Mechanics, 477, 410–411, doi:10.1017/ S0022112002223708, 2003.
40. Westermann, S., J. Lüers, M. Langer, K. Piel, and J. Boike, The annual surface energy budget of a high-arctic permafrost site on Svalbard, Norway, The Cryosphere, 3(2), 245–263, doi:10.5194/tc-3-245-2009, 2009.
