Глава 06. ПРИРОДА ТЕКТОНИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ЗЕМЛИ (1119268), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Учитывая, что вязкость вещества в горячем восходящем потоке существеннониже, чем в опускающейся и более холодной литосфере, то можно ожидать под этойграницей некоторого растекания мантийного вещества с его накоплением под ней.Однако, поскольку восходящие потоки в мантии формируются все-таки на поверхностиземного ядра, т.е.
на глубинах около 3000 км, их подъемная сила порядка 0,5−1,0 кбарнамного превышает “запирающее” воздействие эндотермической границы на глубине 670км. Поэтому глобальная конвекция остается единой для верхней и нижней мантии, хотя“запирающее” воздействие такой границы может несколько осложнять конвекцию иприводить к пульсирующему режиму ее функционирования.Приведенные оценки сил затягивания океанических плит в мантию позволили Д.Форсайту и С. Уеде (Forsyth, Uyeda, 1975) высказать предположение, что наблюдаемыескорости движения литосферных плит зависят от длины опоясывающих их зон субдукции.Действительно, “быстрыми” плитами оказались чисто океанические плиты с относительномалой толщиной (от 60 до 80 км) и сравнительно протяженными зонами субдукции.
Нопо этой же классификации в разряд “медленных” плит попадают почти всеконтинентальные плиты, характеризующиеся большой мощностью (до 250 км), искрепленные с ними океанические плиты. При этом выяснилась интереснаязакономерность: чем больше площадь континентальной плиты, тем скорость ее дрейфаоказывалась меньшей. По-видимому, это говорит о том, что мощные континентальныеплиты, подобно сидящим на мели айсбергам, своими корнями погружаются в мезосферумантии, а горизонтальные составляющие мантийных течений под такими плитами либомалы, либо их влияние на большой площади крупных континентов взаимноуравновешиваются.По сути это все та же тепловая конвекция, движущим началом в которой являетсяне разогрев снизу более холодного вещества, а, наоборот, охлаждение сверху болеегорячего вещества. Таким образом, мы видим, что гравитационная неустойчивостьокеанических литосферных плит сама может породить их движение и создать конвекциюв мантии.
В этой связи следует вспомнить наблюдения за движениями охлажденныхлавовых корок по поверхности расплавленного лавового озера вулкана Килауэ на Гавайях,проведенные более 110 лет назад преподобным О. Фишером, о которых упоминалось вразделе 1.1. Там он наблюдал, как эти охлажденные и более тяжелые корки (по сравнениюс плотностью горячей магмы), подобно микролитосферным плитам, соскальзывают споверхности огненно-жидкой лавы, образуя, с одной стороны, структуры похожие насрединно-океанические хребты, а с другой − подобие зон субдукции, в которых холодныекорки вновь погружаются в раскаленную магму и полностью переплавляются в ней.Тогда, исходя из этих наблюдений, О.
Фишер сделал далеко идущие обобщения о природетектонической активности Земли. Приблизительно через 80 лет на том же вулкане этихорошо забытые наблюдения повторил и В. Даффельд (1972), сравнив движения лавовыхкорок с уже открытыми к тому времени перемещениями литосферных плит.В реальных условиях, однако, как давление сжатия океанической литосферы вместе ее контакта с пассивной окраиной континента, так и напряжение растяжениялитосферы перед зоной поддвига плит могут существенно отличаться от простых оценок.Связано это с взаимодействием движущихся плит с другими плитами и с мантийнымвеществом. Поскольку в этой модели движения плит они перемещаются по отношению кнеподвижной мантии, то обязательно должны возникать силы вязкого трения смантийным веществом и противодействующие их перемещениям касательные151напряжения торможения.
Свой тормозящий вклад вносит также трение плит в зонахсубдукции и активных частях трансформных разломов. В результате движение плитоказывается значительно заторможенным, а соответствующие силы затягивания плит вмантию − существенно ослабленными. Поскольку величина сил вязкого торможениявозрастает с увеличением скорости перемещения плит, их движение происходитприблизительно с постоянными скоростями – порядка нескольких сантиметров в год. Встационарном случае сумма движущих сил полностью уравновешивается суммойтормозящих сил.Рассмотрим теперь природу мантийной конвекции в более широком аспекте ипопытаемся ответить на вопрос: достаточно ли для ее возбуждения описанныхмеханизмов “самодвижения” океанических литосферных плит? Надо учесть при этом, чторассмотренный механизм перемещения литосферных плит мог действовать тольконачиная с 2,6 млрд лет назад, поскольку в архее, как и на Венере сейчас, скорее всего зонсубдукции вообще не существовало, а их функцию выполняли зоны скучивания инадвигания базальтовых пластин на края континентальных щитов (см.
раздел 6.8).В настоящее время ежегодно по зонам субдукции в мантию погружаетсяприблизительно 7,6·1017 г/год, или около 230 км3/год охлажденных пород океаническихлитосферных плит. Анализ теплопотерь Земли (см. раздел 5.4) свидетельствует, чтоосновные потери эндогенного тепла происходят и всегда происходили черезокеаническую кору в процессе формирования океанических плит. Ниже, в разделе 6.5,будет показано, что тектоническое развитие Земли по законам тектоники литосферныхплит началось только в раннем протерозое после выделения земного ядра около 2,6 млрдлет назад (в архее, как уже отмечалось, механизм “самодвижения” литосферных плитвообще не мого).
Всего за это время таким путем было потеряно около 5,32·1037 эргтепловой энергии (см. раздел 5.5). В настоящее же время через океаническое дно теряетсяоколо 3,09·1020 эрг/с (см. раздел 5.4), или приблизительно 9,75·1027 эрг/год тепловойэнергии. Но поскольку океанические литосферные плиты образуются за счеткристаллизации и охлаждения мантийного вещества, а их средняя температура при этомменяется мало, то в первом приближении можно принять, что приведенные здесьтеплопотери оказываются пропорциональными массам образовавшихся и погрузившихсяв мантию литосферных плит. Учитывая, что средняя плотность океаническихлитосферных плит приблизительно равна 3,3 г/см3, можно оценить, что за последние 2,6млрд лет в мантию погрузилось около 1,25·1012 км3, или 4,13·1027 г литосферных плит.Масса современной конвектирующей мантии (без континентальной коры) приблизительноравна 4·1027 г.
Следовательно, за время действия механизма тектоники литосферных плит,т.е. за последние 2,6 млрд лет, в мантию Земли погрузилось литосферных плит несколькобольше, чем масса самой мантии. Отсюда видно, что за это же время все вещество мантиипо крайней мере один раз успело полностью “прокрутиться” в конвективном цикле (вследующем разделе мы покажем, что после архея существовало шесть такихконвективных циклов).Из приведенных оценок видно, что рассмотренные механизмы “самодвижения”литосферных плит действительно могли бы создать крупномасштабную конвекцию сзаметным массообменом в мантии.
Однако по сути рассмотренная конвекция являетсятипично тепловой с тем лишь отличием от классического случая, что в ней ведущую рольиграет не подъем разогретого мантийного вещества в земных недрах, а, наоборот,погружение охлажденного на поверхности пограничного слоя мантии, т.е. океаническихлитосферных плит.Для длительного функционирования описанной здесь конвекции, как и любойтепловой конвекции, к веществу мантии необходимо подводить энергию не меньшую, чемсвязанные с ней теплопотери.
При этом интенсивность конвективного массообмена вмантии, а в нашем случае и средние скорости движения океанических плит (т.е. средняя152интенсивность тектонической активности Земли), по-видимому, будет полностьюконтролироваться скоростью генерации в мантии энергии. Связано это с сильнойэкспоненциальной зависимостью вязкости мантийного вещества от температуры, аследовательно, и от подвода к нему тепловой энергии: при снижении скорости генерациитепла в мантии ее вязкость будет повышаться и соответственно возрастут силы вязкоготрения, препятствующие движению плит по рассмотренным здесь механизмам.
Инаоборот, при поступлении дополнительной энергии вязкость мантии и силы тренияуменьшаются, а скорость “самодвижения” плит возрастает.Поэтому тектоническая активность Земли в рамках рассмотренной здесь моделидвижения плит строго определяется генерацией тепловой энергии в глубинах мантии (безучета радиоактивной энергии, выделяющейся в континентальной коре), т.е. фактическиописывается тепловым потоком через океаническое дно. Основной вклад в глубинныйтепловой поток вносит главный энергетический процесс на Земле – процесс химикоплотностной дифференциации земного вещества на плотное окисно-железное ядро иостаточную силикатную мантию. Следовательно, и тепловая конвекция в мантии должна восновном определяться этим же процессом.6.3. Природа крупномасштабной мантийной конвекцииРассмотрим теперь физические механизмы, способные возбудить конвективныедвижения мантийного вещества.
Большинство геофизиков, особенно на западе,традиционно предпочитают рассматривать только тепловую конвекцию в классическойпостановке, считая, что питается она энергией распада радиоактивных элементов илипостепенным остыванием Земли. Среди ранних исследований еще раз следует упомянутьработу О. Фишера (1889), считавшего, что конвекция подкорового вещества вызываетсяобщим остыванием Земли, и работу А. Холмса (1929), обратившего внимание на то, чтовызывающую дрейф континентов тепловую конвекцию может порождать распадрадиоактивных элементов.Строгое решение задачи о нахождении поля скоростей конвективных движенийвещества в мантии Земли может быть получено только путем совместного решенияуравнения Навье–Стокса для сжимаемой жидкости с уравнениями неразрывности исостояния вещества при граничных и начальных условиях, соответствующих состоянию истроению реальной мантии Земли с учетом существующих фазовых переходов вмантийном веществе и развивающихся в мантии энергетических процессов.
Однаковыполнить все эти требования чрезвычайно сложно, к тому же вначале не всезакономерности строения и развития Земли еще были известны с достаточной точностью.Поэтому в предпринимавшихся ранее попытках исследования процесса тепловойконвекции, начиная с фундаментальной работы С. Чандрасекара (1961) и другихисследователей, это не всегда учитывалось, и находились решения задачи, может быть икорректные с точки зрения математики, но для очень грубых моделей Земли, напримердля моделей, в которых вязкость мантии принималась либо постоянной, либо монотоннойфункцией радиуса или считалось, что мантия “подогревается” снизу ядром Земли. Врезультате получались громоздкие решения, лишь схематически отображающие природуреальных явлений.Применительно к механизмам тектоники литосферных плит тепловая конвекция вмантии исследовалась Ф.
Рихтером (1973, 1977), Д. Маккензи, Ф. Рихтером (1976), Д.Таркотом, Дж. Шубертом (1985) и др. У нас в России наиболее обстоятельно сиспользованием более реальных распределений физических параметров мантии тепловаяконвекция в земной мантии исследовалась В.П. Трубицыным и В.В. Рыковым (1994–2000).Напомним, что для определения условий возникновения тепловой конвекции вмантии обычно используется критерий (число) Рэлея. Для сферического слоя критическое153значение числа Рэлея равно примерно 2000. По современным представлениям, значениеэффективной вязкости мантии Земли находится в пределах от 1023 до 1024 пуаз (Ranelli,Fisher, 1894), поэтому для возникновения в ней сквозной тепловой конвекции достаточносверхадиабатического перепада температуры всего в 1–10 °С.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
