Глава 06. ПРИРОДА ТЕКТОНИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ЗЕМЛИ (1119268), страница 10
Текст из файла (страница 10)
лет. В начальный момент времени задавалось однородное полеконцентрации тяжелой фракции со случайными флуктуациями порядка 0,001, чтосоответствовало возмущениям поля плотности около 0,003 г/см3.При моделировании химико-плотностной конвекции в сферических координатахобычно возникали сложности, связанные с симметрией модели относительно их полярныхосей. Учитывая это, Ю.О. Сорохтин провел моделирование такой конвекции вцилиндрических координатах, но с заменой показателя расхождения цилиндрическихкоординат (обратно пропорциональный текущему радиусу) на показатель расхождения всферических координатах (обратно пропорциональный квадрату текущего радиуса). Врезультате полученная модель оказалась эквивалентной сферической, но описывающейконвекцию в экваториальной или меридиональной плоскости (рис.
6.12).Как видно из проведенного эксперимента, химико-плотностная конвекциядействительно является нестационарной и все время меняет свою структуру. При этомчетко прослеживается смена конвективных структур от одноячеистых к двухъячеистым(иногда и к более сложным), но с обязательным новым возвращением к одноячеистымструктурам. При этом оказывается, что в пересчете на временные масштабы развитияЗемли периодичность полных конвективных мегациклов в эксперименте оказаласьприблизительно равной 1 млрд.
лет, тогда как для реальной Земли она близка к 0,8 млрд.лет и четко отмечается моментами формирования древних суперконтинентов – Моногеи,Мегагеи, Мезогеи и Пангеи (см. рис. 8.2–8.11).Подчеркнем, что многочисленные эксперименты с численным моделированиемхимико-плотностной конвекции в мантии при широких вариациях ее параметров ивертикального распределения вязкости никогда не приводили к возникновениюустойчивых многоярусных конвективных структур. Существование же в мантии границ сэндотермическими фазовыми переходами, как, например, на глубине 670 км, о которойговорилось в разделе 6.2, хоть и могут осложнять структуру конвекции, но не приводят квозникновению устойчивой “двухъярусной” конвекции.
Отсюда следует, что бытующие(и ныне модные) представления о функционировании в земной мантии устойчивойдвухъярусной конвекции теоретическими расчетами и численным моделированием неподтверждаются. Наоборот, все такие исследования еще раз убедительно говорят осуществовании в мантии единой конвекции для верхней и нижней мантии с хорошимперемешиванием мантийного вещества.174Рис. 6.12. Численное моделирование полей функции тока для химико-плотностной конвекции вцилиндрических координатах, аналог экваториального сечения в сферических координатах(по Ю.О.
Сорохтину)Обобщая рассмотренные результаты численных экспериментов мантийнойконвекции, безусловно, необходимо учитывать схематичность построенных моделейхимико-плотностной конвекции и не требовать от них полного количественногосовпадения выявленных закономерностей с наблюдаемыми на Земле тектоническимиявлениями, даже с применением соответствующих масштабных коэффициентов. Тем неменее, обращает на себя внимание соизмеримость полученных в экспериментерезультатов с масштабами реальных геологических явлений. Например, неплохосовпадают друг с другом продолжительность теоретических и тектонических мегациклов,предсказанныеигеологическиевозрастывсехчетырехсуществовавшихсуперконтинентов, теоретически найденные и наблюдаемые скорости дрейфалитосферных плит и т.д. Причем все эти совпадения были получены подстановкой вмодель ее параметров, либо найденных совершенно независимыми способами (например,вязкость мантии и концентрация в ней окислов железа), либо определенных ранее побародиффузионной теории дифференциации мантийного вещества.
Поэтому такиесовпадения, по-видимому, нельзя считать случайными: они лишний раз подтверждают,что мантия Земли действительно охвачена химико-плотностной конвекцией.Один из самых важных результатов моделирования состоит в доказательственестационарности химико-плотностной конвекции, хорошо объясняющей сменутектонических планов и режимов развития Земли, а также цикличность этих процессов.
Вэтом отношении показательна выявленная особенность химико-плотностной конвекциивремя от времени создавать одноячеистые конвективные структуры с последующим ихраспадом на более сложные структуры. Представляется также, что этим явлениемобъясняются происходившие в истории Земли временные объединения разрозненныхпрежде материков в единые суперконтиненты типа Мегагеи Штилле (около 1,8 млрд летназад) или Пангеи Вегенера (около 300–230 млн лет назад).
Особенно хорошо изучен попалеомагнитным и геологическим данным процесс объединения материков в175вегенеровскую Пангею с последующим ее расколом и центробежным дрейфомконтинентов, продолжающимся до наших дней. Эти данные настолько убедительны ихорошо иллюстрированы многочисленными совпадающими реконструкциями, чтосомневаться в них сегодня уже не приходится.Чисто тепловая конвекция, управляемая подогревом мантийного вещества снизу(теплом ядра) и его охлаждением с поверхности (опусканием в мантию океаническихлитосферных плит), должна была бы привести к возникновению в мантии стационарнойконвекции бенаровского типа с неизменными положениями в ее теле восходящих инисходящих потоков. На такой планете положения континентов всегда оставались быфиксированными, привязанными к нисходящим потокам, а по периферии они окружалисьбы со всех сторон зонами субдукции.
Лишь тепловая конвекция, возбуждаемаярадиоактивным разогревом самого мантийного вещества, как это принимается в моделяхВ.П. Трубицына и В.А. Рыкова, подобно химико-плотностной конвекции, являетсяпринципиально нестационарной. Однако для ее возбуждения с наблюдаемой вдействительности интенсивностью тектонических процессов на Земле необходимоприблизительно в 10 раз увеличить содержание радиоактивных элементов в мантии посравнению с их наиболее вероятными концентрациями в этой геосфере, посколькусовременный вклад радиогенной энергии в эндогенную энергетику Земли не превышает10% (см. раздел 5.5). Кроме того, при радиогенном механизме возбуждения тектоническойактивности Земли становится непонятным перегрев мантии в архее и резкий переход отархейской тектоники к тектонике литосферных плит в протерозое и фанерозое, посколькупри радиогенном разогреве мантии такой переход должен был бы быть плавным.Таким образом, численное моделирование химико-плотностной конвекции вмантии явилось еще одним убедительным свидетельством в общей цепи доказательств,что глобальная эволюция Земли и ее тектоническая активность в основном управляютсяглавным энергетическим процессом – химико-плотностной дифференциацией земноговещества на плотное окисно-железное ядро и остаточную силикатную мантию.
Этотпроцесс продолжается и сегодня.6.6. Так называемые “горячие точки” в мантии и мембранная тектоникаРассматривая проблему конвективного массооборота в мантии, нельзя не коснутьсякритики понятия так называемых “горячих точек”. Впервые высказанная Т. Вильсоном(1963) идея существования в мантии “горячих пятен”, над которыми возникают вулканытипа Гавайских островов, после работ В. Моргана (1971, 1972), попытавшегося дать ейтеоретическое объяснение, неожиданно приобрела большую популярность среди многихгеологов. Согласно В. Моргану, в мантии существуют горячие струи – плюмы,поднимающиеся с уровней нижней мантии к основаниям литосферных плит ипроплавляющие (“прожигающие”) их, в результате чего и возникают внутриплитовыевулканы.
К. Бурке и Т. Вильсон (1976) предположили даже существование на Земле 122“горячих точек”. При этом принимается, что положение “горячих точек” как быфиксировано по отношению к нижней мантии. Отсюда появилось множество работ, вкоторых авторы пробуют определить “абсолютные” движения литосферных плит поцепочкам вулканов, якобы оставшихся на поверхности Земли в виде следа “прожигания”плит после их перемещения над такими “горячими точками”.Физических основ и соответствий с геологическими данными у этой идеи не более,чем у гипотезы “расширяющейся Земли”.
Начнем с геологических данных. Обычно ввулканах, ассоциируемых с “горячими точками”, изливаются щелочные базальты. Однакоизвестно (Грин, Рингвуд, 1968, 1970), что такие базальты выплавляются в областисуществования шпинелевых пиролитов (лерцолитов) при околосолидусных температурах,т. е.
магмы щелочных базальтов являются не горячими, а предельно остывшимирасплавами, которые могут существовать только непосредственно под подошвой176литосферы при малой степени парциального плавления мантийного вещества. Привысоких температурах, существенно превышающих солидус мантийного вещества, т.е.при высоких степенях парциального плавления пиролита, должны были бы выплавлятьсяпикритовые базальты или даже коматииты. Об этом же говорят и эксперименты пофракционной кристаллизации базальтовых магм. Действительно, щелочные базальтывозникают только как остаточные жидкости при охлаждении и кристаллизации исходныхоливин-базальтовых магм в условиях повышенных давлений (Иодер, Тилли, 1965),соответствующих РТ-условиям, существующим непосредственно под зрелымиокеаническими плитами возрастом от 20 до 100–120 млн лет и мощностью 40–80 км.Температура щелочных лав, извергающихся в вулканах “горячих точек” обычнолежит в пределах 1100–1200 °С, тогда как приведенное к поверхности значениеадиабатической температуры мантии приблизительно равно 1320 °С, а ее пересечение сэкспериментально определенной температурой плавления мантийного веществапроисходит на глубинах около 80 км (см.
рис. 6.2). Следовательно, только в пределах этихглубин и могло происходить зарождение самих базальтов.Если бы магматические струи – плюмы зарождались в нижней мантии, какпредполагали создатели гипотезы “горячих точек”, например, на глубине 1000 км (этотолько верхняя часть нижней мантии), то именно на такой глубине возникали бы и самиочаги первичных расплавов.
Учитывая, что на этих глубинах температура плавлениясиликатов достигает 3500 °С, легко определить, что, попадая на поверхность температураэтих расплавов равнялась бы примерно 2100°С, т.е. оказывалась бы перегретойприблизительно на 800°С по сравнению с реальными температурами щелочныхбазальтовых лав! Такого не происходило даже в архее, когда мантия была перегретой на300–500°С и в обилии порождала коматиитовые расплавы.Не увенчались успехом и все попытки установления с помощью сейсмическихметодов магматических струй или плюмов перегретого вещества в глубокой мантии подГавайскими островами: никаких аномалий в подлитосферной мантии там обнаружить таки не удалось. По этому поводу Д.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
