Глава 06. ПРИРОДА ТЕКТОНИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ЗЕМЛИ (1119268), страница 4
Текст из файла (страница 4)
При этом, правда, возникаетисключительно вялая конвекция, но ведь реальные значения сверхадиабатическихперепадов температуры вполне могут достигать и нескольких десятков градусов.Отсюда видно, что в мантии Земли действительно может возбуждаться тепловаяконвекция в ее классическом понимании, т.е. за счет подогрева мантийного веществаснизу или в объеме самой мантии.
Были бы в ней достаточные источники тепла.Радиоактивных элементов для этого слишком мало. Единственным достаточнымисточником энергии является процесс химико-плотностной дифференциации мантийноговещества. Однако этот процесс помимо простой генерации тепла в мантии приводит еще ик возникновению в ее теле плотностных неоднородностей, существенно превышающихэффекты теплового расширения вещества при его нагревании.
Поэтому для приближенияк реальным условиям необходимо рассматривать не просто тепловую или чисто химикоплотностную конвекцию в мантии, а их комбинацию в виде химико-тепловойплотностной конвекции.Химико-плотностная конвекция на качественном уровне рассматривалась Е.В.Артюшковым (1968, 1970), приближенно – О.Г. Сорохтиным (1974) и более строго науровне численного моделирования – А.С. Мониным и его коллегами (1980, 1987), а такжеД.Г. Сеидовым и Ю.О. Сорохтиным (1994).
Наконец, химико-тепловую конвекцию вмантии с эндотермическими фазовыми переходами недавно рассмотрели Л.И. Лобковскийи В.Д. Котелкин (2000).Условие, определяющее начало возникновения химико-плотностной конвекции,можно найти по аналогии с критерием Рэлея для тепловой конвекции. Действительно,безразмерное число Рэлея представляет собой отношение двух факторов: подъемнойсилы, возникающей при тепловом расширении вещества (т.е. фактора, вызывающегоконвекцию), к силам сопротивления сдвиговым деформациям (т.е. к фактору,препятствующему конвекции и характеризующему скорость рассеивания тепловыхнеоднородностей среды). В качестве фактора, учитывающего скорость рассеиваниятепловых неоднородностей при тепловой конвекции, обычно используется коэффициенттемпературопроводности, в случае химико-плотностной конвекции его заменяеткоэффициент диффузии химических неоднородностей.
Но коэффициенты диффузии всиликатах D ≈ 10–20–10–22 см2/с на много порядков меньше коэффициентовтемпературопроводности а ≈ 5·10–3 см2/с. Из-за этого модифицированное число Рэлея Rgдля химико-плотностной конвекции всегда оказывается на много порядков выше егозначений для тепловой конвекции∆ρ ⋅ g ⋅ H 3,(6.1)Rg =D ⋅ηгде g – ускорение силы тяжести; ∆ρ – средний перепад плотности, образующийся за счетизменения химического состава вещества мантии в процессе его дифференциации наповерхности земного ядра; Н – толщина слоя мантии; η – коэффициент динамическойвязкости мантийного вещества.Однако большие значения преобразованного числа Рэлея вовсе не означают, чтохимико-плотностная конвекция обязательно должна быть интенсивной.
Это показываетлишь, что она определяется только вязкостью среды и перепадами плотности в еехимических неоднородностях и не зависит от процесса диффузии плотностныхнеоднородностей. Следовательно, при заданных значениях вязкости и перепадахплотности химико-плотностная конвекция в мантии будет всегда развиваться с предельновозможной скоростью, но она может быть и очень низкой, если вязкость мантии154достаточно большая, а перепады плотности, генерируемые на поверхности ядра,незначительные.Если вещество мантии реагирует на медленные деформации подобно вязкойжидкости, то из приведенных рассуждений следует важный вывод: практически любыеизменения химического состава мантийного вещества, возникающие при егодифференциации на поверхности ядра, неизбежно приведут к появлению в мантииконвективных движений, даже если вызванные такой дифференциацией флуктуацииплотности лишь незначительно нарушают гравитационную устойчивость мантии.
Приэтом скорость развития такого процесса будет полностью определяться перепадамиплотности в мантийном веществе и его вязкостью. В реальных условиях, однако, скоростьхимико-плотностной конвекции, по-видимому, должна саморегулироваться такимобразом, чтобы скорость снижения потенциальной энергии Земли (благодарядифференциации ее вещества) была бы максимальной, а затрата энергии на преодолениесил вязкого трения в среде – минимальной.Энергетическийподходпозволяетколичественнооценитьмасштабыконвективного массообмена в мантии.
Так, оценки показывают, что средняя разностьплотности между исходным и прошедшим дифференциацию веществом мантии весьманезначительна и в среднем приблизительно равна 0,017 г/см3. Скорость выделения“ядерного” вещества можно определить через производную по времени от эволюционногопараметра Земли (см. рис. 4.8). В разделе 4.4 было показано, что в настоящее время измантии в земное ядро переходит около 1,5·1017 г/год, или около 150 млрд т в год“ядерного” вещества (Fe·FeO).
Отсюда можно найти и современную скоростьконвективного массообмена в мантии: она оказывается приблизительно равной 5,95·1018г/год, или при средней плотности мантийного вещества около 4,5 г/см3, 1320 км3/год. Этоприблизительно в 5,75 раза больше, чем определенная выше скорость погруженияокеанических плит в мантию при тепловой конвекции по механизму Форсайта–Уеды.Однако не следует забывать, что и тепловая составляющая общей конвекции, в концеконцов, управляется энергией все того же главного процесса химико-плотностнойдифференциации Земли. Поэтому можно утверждать, что в мантии Земли существуетсмешанная плотностная химико-тепловая конвекция. Если использовать энергетическийподход и считать вклад различных источников энергии в конвективный массообмен Землипропорциональным скорости генерации энергии в мантии (см.
раздел 5.5), то оказывается,что современная конвекция почти на 89% является химико-плотностной.Интенсивность конвективного перемешивания мантии со временем менялась позависимости, близкой к тектономагматической активности Земли (см. рис. 5.15, кривая 2).В архее выделяются два периода повышенной конвективной и тектономагматическойактивности Земли. Первый из них, связанный с зонной дифференциацией металлическогожелеза, приходится на начало архея. Конвективный массообмен в то время имел восновном тепловую природу и охватывал только верхнюю мантию и ее переходный слойглубиной от 400 до 800 км в достаточно узком тропическом поясе Земли.
При этомпервый всплеск конвективной (и тектонической) активности Земли возник в раннем археене столько благодаря большой скорости выделения гравитационной энергиидифференциации, сколько из-за того, что вся эта энергия тогда рассеивалась в малыхобъемах конвектирующей мантии.
В связи с этим существовавшие в раннем архееконвективные структуры должны были быть мелкими, размерами не превышающиминескольких сотен или первых тысяч километров. Следовательно, в раннем архее должнобыло существовать не менее 80 конвективных структур. Если же учесть, что первыезародыши (ядра) будущих континентальных щитов формировались над нисходящимипотоками таких конвективных структур, то можно заключить, что в раннем архееобразовалось не менее 80/2 = 40 таких континентальных ядер. Интересно отметить, чтоприблизительно такое же количество первичных и наиболее древних (сложенных серыми155гнейсами, трондьемитами и тоналитами) нуклеаров континентальной коры – 37,выделяется и по геологическим данным (Глуховский, Моралев, 1994). По мерепогружения фронта дифференциации размеры конвективных ячеек должны былиувеличиваться, отдельные нуклеары – сливаться друг с другом, а их число – сокращаться.Поэтому к концу раннего архея число таких континентальных зародышей уже не должнобыло превышать 20 (рис.
6.4).Рис. 6.4. Изменения числа ячеек в конвектирующей мантии архея и формирование зародышей (нуклеаров)архейских континентальных щитов (разрезы относятся к экваториальной зоне и даны в произвольноммасштабе)Второй период резко повышенной конвективной и тектономагматическойактивности Земли в позднем архее был связан с вовлечением в процесс зоннойдифференциации помимо железа его окиси с формированием эвтектических сплавовFe·FeO. Новый всплеск тектономагматической активности Земли стимулировался ужезначительным повышением скорости выделения “ядерного” вещества (см. рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
