В.С. Захаров, В.Б. Смирнов - Физика Земли (1119252), страница 35
Текст из файла (страница 35)
Втот механизм н созлает барьерный эффект лля вертикальной составляющей конвективных движений вблизи границы 660 км (рис. 6,16). В частности, если относительно холодное вешество губдуцируемой гитос(йеры, достигая границы фазового перехода. охлажлает злесь среду, то зта граница будет смешаться вниз, создавая положительную плавучесть, препятствующую проникновению холодного материала плиты в нижнюю мантию, И наоборот, если мы рассмотрим горячий восходящий поток из нижней мантии, вещество которого О. В О. С~ и й *к о $ О.— оа ф в )х с е о -~х ОЪ Ф и ° Щ б ~ и а~ ,.Щч $и. ° ~5ху )р Фщ Р О ,~ ~ к хада у Ф в с Фй ~р х с~' 2 Ю ~ ф ~ с ф ц ~ х 3 М» % й о Е о ОЗ Ф Щ Ю й Рис.
6.16. Барьерный механизм фазовой границы на глубине 660 хм: ! — область положительной плавучести, препятствующая погружению холодного литосферного бежа; 2 — область отрицательной плавучести, препятствующая прохождению горячего вещества из нижней в верхнюю мантию при подходе к границе 660 км нагревает ее, заставляя смешаться вверх, то в результате получим эг)тфект отрицательной плавучести, также препятствующий прохождению горячего вещества из нижней мантии в верхнюю. Отметим, что предположение о двух относительно независимых уровнях конвекции находится в согласии с геохимическими молелям и., согласно которым верхняя мантии была отделена от нижней в течение всей истории Земли, Фазовый переход «оливин — щпинель«на глубине около 410 км имеет положительный наклон кривой )(лапейрона.
и вслелствие этого, напротив, ускоряет кот! !!акцию. Приведем сначала некоторые результаты численного моделирования сгггаиионарпой двтхаяруслой лтермической коллекции в мантии (Лобковский, Котелкин„1999). Здесь приняты следующие параметры: Яа = 10~, тх = 10, разность плотностей между нижней и верхней мантией 0,175 г/свтз. При этих значениях опрелелякнцих параметров наблюдается выход на двухъярусные стационарные (точнее говоря, доло существуюцтие геологически) режимы. При этом. как в одноярусном случае, имеет мтесто множественность стационарных режимов, и выхол на тот или иной режим прелопрелеляется начальным распределением температуры и концентрации, олнако набор результирующих режимов в двухъярусном случае становится богаче.
Типичные стационарные режимы чисто тепловой конвекции, наблюдаемые при моделировании, показаны на рис, 6.17. В верхней мантии наблюлаются сильно вытянутые по горизонтали конвективные ячейки (рис. 6.17, а). ллина которых соответствует ячейкам в нижней мантии, а направления вращения верхних и нижних ячеек противоположны (при этом вещество по разные стороны границы разлела движется в одном направлении). Такое противоположное направление вращения отмечено на рис. б.!7, а серым цветовым фоном, При этом размеры конвективных ячеек в верхней мантии не обязательно совпадают с размерами нижнемантийных ячеек, Можно сказать, что сильно вытянутые верхнемантийные ячейки распадаются на менее протяженные ячейки, направления вращения в которых чередуются и по-разному соотносятся с направлением вращения в нижней мантии. Возможность любого сочетания вращений в дифференцированной мантии является принципиальным результатом численного моделирования.
Распределение температуры (диктующее гидродинамическую картину) показано на рис. 6. ! 7, б. Оно проясняет ситуацию, демонстрируя свойственную тепловой конвекции самоорганизацию, Рис. блу. Установившийся режим двухъярусной термической конвекции вмантии Лля сектора в 190: о — картина течений; б — распределение температуры, светлым показаны более горячие области, темным — более холодные (по лабковский, Котелкин, 1999.С.
135) Количественные модели конвекции в мантии, учитывающие химические неоднородности мантийного ве1цества либо в форме пассивных примесей, либо в виде химического фактора плавучести, рассматривались начиная с 80-х гг. ХХ в., несмотря на доминирование работ по чисто тепловой конвекпии в мантии все эти годы. В ряде работ рассматривается модель мантнйной конвекции, включаюц!ая как тепловой. так и химический факторы плавучести среды. Уравнения термохимической конвекции в приближении Бугсивеска в целом аналогичны уравнениям (6.13) — (6,17), с учетом химической лобавки к возмущению плотности: Р' = Р-Ра =-(сг(2 - 2о)+2)ра где г -- концентрация легкой или тяжелой химической добавки к срелнему мантийному веществу.
В молелях (Лобковский, Котелкин, 1999, 20! 1; (.оЬ(гочзку, Ко(е!!г)п, 2004, 2015) учитывается дифференциация вещества на границе ядро-мантия, эклогитизация ба альтовой океанической коры в зонах субдукции, химическая стратификация мантии, возможность раздельной двухъярусной конвекции в верхней и нижней мантии, развитие лвухуровневой системы плюлюв — глобальных, зарождаю- шихся на границе ялро-мантия, и региональных, берущих свое начало с границы между верхней и нижней мантиями. Важным в этих построениях является положение о том.
что в п!Зоцессе конвективного движения вещество нижней мантии в тонком переходном слое вблизи ядра испьпывает дифференциацию на тяжелый и легкий компоненты. При этом тяжелая фракция с~екает в ялро земли, а легкая накапливается в подошве нижней мантии, создавая гравитационный потенциал для подъема нижнемантийного вещества.
В этом состоит механизм постепенного роста земного ялра, Рассматривается также механизм генерации тяжелого вещества в верхней мантии за счет Фазового перехола «габбро-эклогит«, происходящего при погружении базальтовой океанской коры в зонах сублукции. В различных работах, посвященных динамическому эффек!у фазовой границы на глубине 660 км, для тепловой конвекции получены оценки, согласно которым эта граница ведет себя либо как непреололнмый барьер, либо как нреололимое препятствие, в зависимости от крутизны температурного градиента на кривой Клапейрона — Клаузиуса. Описан также переходный режим конвекции, при котором фазовая граница в одни периоды шщяется реальным барьером лля обмена веществом межлу нижней и верхней мантиями. а в другие — допускает проникновение вещества сквозь себя.
В данной модели учет влияния границы 660 км приводит к следующим важным слелствиям. Поднимающиеся с границы ядро- мантия глобальные восходящие потоки (суперплюмы), распадаются при определенных условиях на этой границе на «дочерние» верхнемантийные региональные струи (наемы). В свою очередь, погружающиеся тяжелые холодные массы задерживаются на той же границе ббб км, иногда накапливаясь в ее окрестности в виле крупных линз тляжелого зталтериаяа; при достижении критического объема эти тяжелые линзы проваливаются в нижнюю мантию (рис. 6. )8). Подобная картина неплохо согласуется с результатами сейсмотомографических исследований (Яегп, 2002), в которых выявлено, что в некоторых зонах сублукции погружаюцшяся литосфера прослеживается ло нижней мантии, а в некоторых — задерживается на границе верхней и нижней мантий.
рис. бдя. Фрагменты эволюции (время идет сверху вниз) термохимической коллекции в условиях генерации хтяжелогоь вещества в зонах субщукции: относительно тяжелое вещество показано темным тоном, легкое — светлым тоном (лабковский, Котелкин, 1999.С. 137) Рассмотренная модель дает объяснение циклу Вильсона — процессу периодического образования и распада суперконтинентовПангей, происходяцгему в континентальном полушарии на протяженив протерозойско-фаиероюйского этапа эволюции Земли. Она также предсказывает существование аналогичных циклов в тихоокеанском полушарии.
В рамках той же молели аналогичным образом можно объяснить и циклы Бертрана меньшего масштаба, эволюцию Палеоазиатского океана, океана Тетис и тд. 223 Контрольные вопросы !. Каковы механизмы тепгюпередачи в прироле7 2. С4армулируйте закон молекулярного теплопереноса (закон Фурье). 3. Что такое тепловой поток, каковы методы его измерения".
4. В чем основные закономерности распределения маловато патока на поверхности Земли",' 5. Какова завясимость теплового гютака от возраста лнтосФеры лля континентовв и океанов? 6. Как данные по скорости сейсмических волн используются лля оценки темнературыу 7. Как лаиные о Фазовых переходах в верхней мантии используются лля оценки температуры? 3. В чем состоит оценка распределения температуры в коре и верхней мантии методом реперных точек? 9. Напишите уравнение теплопроводности и расскажите его солержанце, 10.
В чем состоит метод построения континентальных геотерм с учетом данных о радиоактивных источниках тепла? !1, Каковы аднабатическая температура и алиабатическин градиент в мантии и ядре Земли? 12. Каков хол температуры плавления в мантии и ялре Земли? ! 3.
Каковы современные представления о геотерме лля всей Земли (модель, ограничения„неопределенности)7 14, В чем состоит роль Солнца в глобальной энергетике Земли? 15. Каков вклал радиогеиного тепловыделения в энергетический баланс Землиь 16.
Каков вклад гравитационной энергии в энергетический баланс Земля? ! 7. Каков вклад алиабатического сжатия в энергетический баланс Земли! 1Х. Каковы гипотезы образованяя Земли? 19. Какие вы знаем гипотезы образования Луныу 2О Каковы современные прел~лавлення о мрмической эволюции Земли? 21, В чем состоит представление о конвекцин Релея — Ьенара? 22. Как йюрма конвективных ячеек зависит от граничных условий'." 23, Какими уравнениями описывал~си тепловая конвекция? 24. В чем состоит значение числа Релея и числа Рейнольлса лля характеристики стиля конвекции7 25.
В чек1 состоит проблема обцгемантийной и лвухслойной конвекции в мантии'? 26, Каково влияние фаювых переходов в мантии на конвекциюу 27 Каковы основные резульмты моделирования конвекции с плавающими континентами". 2К Каковы гюновные результаты моделирования термохимической конвекцин? Глава У МАГНИТНОЕ ПОЛЕ И ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ЗЕМЛИ 7 1. СОВРЕМЕННОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ 7.1.1. Злементм магнитного поля Земли Магнипгое поле (МП) Земли играет важнуго роль в жизни нашей планеты: оно ре1улирует в основном солнсчно-земные взаимодействия, его силовые линии защншакгт поверхность Земли от проникновения частиц высокой энергии из космоса. На рис, 7,( представлен общий ш1л магнитного поля Земли в космическом пространстве (маги нтосфера). Прелметом аеолгаелеогизма является установление и теоретическое объяснение особенностей структуры и динамики магнитного поля Земли (геома нипюго воля), эти сгруктуры также используготся лля изучения внутреннего строения Земли и верхней атмосферы (магнитосфсры).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
