В.Н. Жарков - Внутреннее строение Земли и планет (1119250), страница 59
Текст из файла (страница 59)
Следовательно, конвекция в нижней мантиинестационарна. τц1 — время одной циркуляции в конвективной ячейке — онооказалось ∼ 108 лет, т.е. порядка времени жизни литосферы. За время τц1 (172)обновляется погранслой на глубинах 700–850 км. Наконец, важное значениеимеет τц2 ∼ 1.5⋅109 лет — время выноса вещества от основания нижней мантии вее погранслои на глубинах ∼ 700–850 км. Величина τц2 равна времени тепловойинерции нижней мантии.Физический смысл τц2 заключается в том, что тепло, выносимое в современную эпоху в погранслой, образовалось на дне мантии τц2 лет тому назад, когдаскорость радиоактивного тепловыделения была заметно больше (см.
рис. 65).Поскольку τц2 много больше, чем τц ∼ 108 лет (время тепловой инерцииверхней мантии), то оно определяет время тепловой инерции Земли. В §8.4.2был построен график радиоактивного тепловыделения в Земле (рис. 65). Анализэтого графика с учетом теплового потока из ядра в мантию позволил нам оценитьвремя термической релаксации Земли τE ∼ 1.5 ⋅ 109 лет.Полученная только что оценка τц2 совпадает с τE и, таким образом, даетфизическое обоснование величины τE ∼ 1.5 ⋅ 109 лет. Точное совпадение оценокτц2 и τE , видимо, является случайностью, и этому не следует придавать большогозначения.
Однако из всего сказанного в §8.4.2 и §8.4.5, по-видимому, можнозаключить, что фундаментальная постоянная Земли τE ∼ (1–2) ⋅ 109 лет.Следующий важный вопрос — это превышение температур в мантии нададиабатическими температурами, показанными на рис. 46. Такое превышениеформируется в трех погранслоях Земли.264Согласно оценке (151), нададиабатичность верхней мантии ∼ 620 K. Половину этой величины можно отнести к нижнему погранслою верхней мантии,ΔT1 ∼ 300 K. Во втором погранслое на глубинах 700–850 км, согласно (170), сверхадиабатическая разность температур ΔT2 ≈ 650 K. Наконец, в погранслое у границы с ядром [см. (161)–(162)] ΔT3 ∼ 500 K.
Суммируя, можно заключить, чтосверхадиабатическая разность температур в мантии ∼ 1000–1500 K. Адиабатические температуры на границе мантия – ядро ∼ 2900 K (см. §7.7). Следовательно,можно считать, что реальные температуры на границе мантия – ядро лежат впределах 3500–4500 K. Это именно тот интервал температур, который был принят при расчете адиабатических температур ядра, показанных на рис.
47 (§7.7).Картина теплового режима Земли, изложенная в этом параграфе, позволяетдать новую интерпретацию зонам низких Qμ в мантии Земли (см. §3.2). Такиезоны имеются на границе с ядром, под океанической литосферой, и, согласноработе В.М. Дорофеева и В.Н. Жаркова (1978 г.), слой низких Qμ намечается наглубинах 700–900 км.В связи с изложенным исследование структуры слоя низких на глубинах∼ 700–900 км имеет большое значение для проблемы конвекции в мантии Земли.Так как мы предполагаем, что зоны низких в мантии — это тепловые погранслоии по существу зоны перегрева в мантии, то, согласно результатам §7.6, в мантиидолжны существовать три зоны пониженной вязкости — по числу погранслоев.Первая зона пониженной вязкости — это классическая астеносфера Земли, оначетко выявляется по многим признакам под океанической литосферой.
Втораязона пониженной вязкости, согласно нашим прогнозам, должна располагатьсяна глубинах 700–900 км, и ее открытие и изучение — дело будущего. Третьяастеносферная зона мантии расположена у ее подошвы на границе с ядромЗемли. Об этой зоне упоминалось в §3.2.Четкое выделение погранслоев в мантии позволяет выдвинуть новые предположения.
В §8.4.2 было указано, что, согласно новейшим данным геохимии,верхняя и нижняя мантия не обмениваются веществом. Однако щелочные лавыгорячих точек (см. §§8.1, 8.3.3) имеют явно не верхнемантийное происхождение.С позиций представлений, изложенных в §8.4, этому факту можно дать следующее простое и естественное объяснение. При сильном перегреве второго погранслоя Земли (l ∼ 700–900 км) он может стать гравитационно-неустойчивым,и «куски» этого слоя с горизонтальным масштабом ∼ 150 км (т.е. порядка мощности этого погранслоя) начнут «вырываться» из него и всплывать к подножию литосферы, инициируя образование горячих точек на поверхности Земли.В более общем плане можно высказать утверждение, что перегрев наружныхпогранслоев Земли (l < 900 км) приводит к их гравитационной неустойчивости,активному разрушению, сопровождаемому всплыванием материала этих слоев265к подошве литосферы.
Такие эпохи в истории Земли выглядят как периодытектонической активности.В §8.3.3, посвященном горячим точкам, обсуждался вопрос об их использовании в качестве реперов, связанных с мантией, по отношению к которым можноопределить абсолютные скорости литосферных плит.
В §8.3.5, посвященномкинематике литосферных плит, было выяснено, что абсолютные скорости медленных литосферных плит (скорости ∼ 1 см/год) определить не удается из-затого, что сами горячие точки в действительности медленно мигрируют друг относительно друга. Теперь этот факт получает естественное объяснение. Горячиеточки — это следы перегретого вещества мантии из погранслоя, расположенногона глубинах ∼ 700–900 км.
Горизонтальные скорости этих погранслоев конвективных ячеек нижней мантии, согласно оценке (169), как раз и составляютвеличины ∼ 1 см/год. Таким образом, становится понятным, почему точностьопределения абсолютных скоростей литосферных плит не выходит за пределызначений ∼ 1 см/год.Следующий вопрос — это проблема равенства средних тепловых потоковв континентальном и океаническом регионах Земли. В конце гл.
5 с помощьюоценок было показано, что примерно 40% континентального потока формируется за счет радиогенного тепловыделения в коре, а ∼ 60% поступает из мантии.В океаническом регионе почти все тепло поступает из мантии. Из-за обедненности верхней мантии радиоактивными примесями почти все тепло верхнеймантии поступает в нее из погранслоя, расположенного на глубинах 700–900 км,который сам в свою очередь аккумулирует тепловыделение в нижней мантии ито тепло, которое поступает из ядра в мантию. Далее, континентальный сегментЗемли имеет значительно более толстую литосферу, чем литосфера океанического региона, и в соответствии с оценками, приведенными выше, конвективныйтеплоперенос в континентальной верхней мантии составляет примерно 2/3 оттеплопереноса в океанической верхней мантии.
Этому факту можно дать следующее объяснение. Погружающиеся холодные литосферные блоки океаническойлитосферы в своем движении к основанию верхней мантии не успевают полностью прогреться и принять температуру окружающей верхней мантии. Образуяпротивоток, замыкающий течение погранслоя океанической литосферы, они наглубине ∼ 700 км приходят в контакт с погранслоем нижней мантии и, как следует из только что приведенной оценки, охлаждают средний погранслои мантиив полтора раза более эффективно, чем это происходит на границе с континентальной верхней мантией. Следовательно, на глубинах ∼ 700–900 км должнаиметься тенденция к несколько преобладающему выносу тепла и зону океанической верхней мантии.266Как мы видим, картина течений и теплопереноса в мантии Земли оказываетсяочень сложной.Согласно оценкам (162), третий погранслой мантии расположен на глубинах ∼ 2600–2885 км.
Термический режим этого слоя, видимо, играет важную,а возможно и определяющую роль в гидродинамике ядра. Действительно, пока еще не предложено достаточно убедительного объяснения явления сменыполярности магнитного диполя Земли — явления, положенного в основу геомагнитной хронологической шкалы (см.
конец §8.2). В шкале Хейрцлера дляпоследних 79 млн лет имеется 171 смена полярности. Следовательно, в среднемза 1 млн лет полярность меняется 2 раза.Можно высказать предположение, что физической причиной, приводящейк смене полярности геомагнитного диполя, является гравитационная неустойчивость перегретого третьего погранслоя мантии Земли. Именно из-за гравитационной неустойчивости «кусок» перегретого вещества из этого слоя с масштабомпорядка его толщины ∼ 200–300 км (162) постепенно воздымается и уходит изслоя вверх, а на его место поступает «холодный» материал вышележащей мантии. Согласно оценке (162) температура холодного мантийного материала на∼ 300–500 K ниже температуры вещества погранслоя, примыкающего к ядру.Такое тепловое возмущение резко меняет картину гидродинамических теченийв ядре и, возможно, приводит к смене полярности геомагнитного диполя.
Записи палеомагнитного поля Земли в эпохи смены полярности со временем, бытьможет, будут привлекаться для изучения деталей процессов гравитационнойнеустойчивости в третьем погранслое Земли.В порядке предположения можно выдвинуть гипотезу, что «разрушение» третьего погранслоя Земли из-за гравитационной неустойчивости приводит к егозамещению холодным материалом, о чем мы только что говорили, и гидродинамические течения ядра определяются скоростью его охлаждения на границеядро – мантия.Это совершенно новый подход к причинам течений в ядре, и он еще недостаточно разработан.
На этом мы заканчиваем изложение физических основ, такили иначе связанных с механизмом тектоники плит. Совершенно очевидно, чтоочень многое из того, о чем говорилось в §8.4, является большим упрощением реальности и имеет гипотетический характер. Обо всем этом всегда долженпомнить читатель.В заключение изложим сравнение предсказаний теории тектоники плит с данными наблюдений, следуя обзору Оксбурга и Туркотта (1978 г.).8.4.6. Сравнение с наблюдениями. Теоретический вывод о том, что океаническая литосфера представляет собой холодный погранслой конвективных ячеекверхней мантии, позволяет получить простые формулы для теплового потока F,267w(x)ρm c p ux T̄ (x)dlFw(x + Δx) −z = dlq̄ ρm c p ux T̄ (x + Δx)dlzΔx−z = 0xFbРис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
