Глава 06. ПРИРОДА ТЕКТОНИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ЗЕМЛИ (1119268), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Но это только предположение.Вообще же литосферные плиты стремятся перемещаться под влияниемконвективных течений из областей развития восходящих потоков к местам существованиянисходящих потоков мантийного вещества, обычно совпадающим с участкамипогружения океанических плит в мантию. Таким перемещениям плит, правда, частопрепятствует их жесткость и взаимодействие плит друг с другом. Тем не менее можноожидать, что отмеченная закономерность все же проявляется. Данные о направлениях искоростях дрейфа плит имеют важное значение для выявления общего плана структурымантийной конвекции. При этом необходимо помнить, что у нас нет абсолютной системыотсчета движения плит и все определения их перемещений носят только относительныйхарактер – по отношению к другим плитам.
Вероятно, такие реконструкции удобнее былобы строить в системе отсчета наименее подвижного из континентов, напримерАнтарктиды, находящейся со времен позднего палеозоя вблизи полюса (в кайнозоеконтинент уже никогда не покидал полюса).Интересно отметить еще одну особенность конвективных движений в мантии.
Привозникновении одноячеистой конвективной структуры все континентальные массивыдрейфуют в сторону нисходящего потока, образуя над ним единый суперконтинент типаМоногеи, Мегагеи или Пангеи. После образования такого суперконтинента он,естественно, оказывается как бы окруженным со всех сторон зонами субдукции, покоторым океанические плиты омывающего его единого океана, Панталассы, погружаютсяв мантию. При обычной скорости поддвига плит около 5–10 см/год уже через несколькодесятков миллионов лет эти плиты опускаются до уровня ядра, где подвергаются полномуразрушению (дезинтеграции) благодаря действию бародиффузионного механизмадифференциации окислов железа и насыщения их расплавами межгранулярныхпространств в мантийном веществе (см.
раздел 4.3).Рис. 6.10. Механизм разрушения суперконтинента за счет возникновения под ним нового восходящегомантийного потока вместо существовавшего ранее нисходящего потока170Вещество погружающихся плит всегда остается несколько более холодным, аследовательно, и более плотным по сравнению с окружающей их мантией. Поэтомуестественно ожидать, что под зонами субдукции мантийное вещество будет вдавливатьсяв ядро, образуя там подобия корней нисходящих потоков (рис. 6.10). Отсюда следует, чтопосле дифференциации дезинтегрированное мантийное вещество этих корней в видежидкой “магматической каши” должно “стекать” с них (т.е. подниматься) в обе стороныот участков погружения бывших океанических литосферных плит в ядро.
По этойпричине под центром незадолго до этого возникшего суперконтинента постепенноначинают накапливаться крупные массы прошедшего дифференциацию и поэтому болеелегкого мантийного вещества. В результате через время порядка первых десятковмиллионов лет под суперконтинентом на месте бывшего нисходящего потока возникаетмощный восходящий конвективный поток, приподнимающий и взламывающийнаходящуюся над ним литосферную оболочку, а это приводит к расколу суперконтинентаи центробежному дрейфу его материковых осколков в разные стороны от его бывшегоцентра. Однако и в этом случае “работает” рассмотренная Ю.Г. Леоновым (2001)пассивная модель континентального рифтогенеза.Этим механизмом, по-видимому, объясняется неустойчивость всех возникавших впрошлые геологические эпохи суперконтинентов и чрезвычайно короткое время (не более100 млн лет) их существования как единых материков. Фактически эта зависимость,являющаяся правилом, может быть объяснена лишь с точки зрения механизма глобальнойхимико-плотностной конвекции.6.5.
Результаты численного моделирования химико-плотностной конвекции вмантииПриведенное выше описание мантийной конвекции носило качественный характер.Теперь желательно проверить сделанные выводы и постараться получить новыерезультаты путем проведения более строгого моделирования и количественного анализаосновных закономерностей процесса. К сожалению, корректное описание движениясжимаемой жидкости в потенциальном поле силы тяжести, да еще в сферическомварианте строения мантии Земли, в случае переменной и зависящей от температурывязкости жидкости с неоднородной и меняющейся плотностью является трудной задачей,поскольку соответствующие уравнения, описывающие такие движения, оказываютсясложными и громоздкими.В мантии Земли развивается сложная химико-плотностная и тепловая конвекция.Но любая конвекция вязкой жидкости в гравитационном поле может быть толькоплотностной независимо от причин, вызывающих ее плотностные неоднородности.Поэтому в широком понимании природы развивающейся в земной мантии конвекции ееследовало бы называть химико-тепловой или концентрационно-тепловой конвекцией,подчеркивая этим, что плотностные неоднородности в мантийном веществе возникаюткак за счет изменений химического состава или концентрации в нем тяжелой фракции, таки за счет эффектов теплового расширения (сжатия) вещества.В общем случае химико-плотностной конвекции необходимо учитывать сильнуюэкспоненциальную зависимость вязкости вещества от его температуры.
По этой причине,в частности, оказывается, что вязкость вещества в восходящем потоке нижней мантии,если его температура, например, превышает на 100 °С температуру окружающей среды,будет приблизительно в 10 раз ниже вязкости нисходящих потоков. Это существенноеизменение вязкости, и оно неизбежно приведет к заметному влиянию на структуруконвективных течений в мантии. Однако в большинстве ранних работ по конвекциизависимость вязкости от температуры обычно никак не учитывалась из-за большихматематических сложностей, связанных с ее использованием в уравнениях движениявязкой жидкости.171В частном случае чисто тепловой конвекции принимается, что концентрацияхимических компонент вязкой жидкости остается постоянной, а все изменения ееплотности связаны только с изменениями температуры.
С другой стороны, в строгомпонимании проблемы чисто химико-плотностная конвекция в природе не встречается,поскольку она всегда сопровождается тепловыми эффектами и фактически превращаетсяв химико-тепловую конвекцию. Отсюда видно, что моделирование химико-тепловойконвекции представляет собой более сложную задачу, чем моделирование чисто тепловойконвекции.Несмотря на то, что в земной мантии развивается именно химико-плотностнаяконвекция, по традиции, идущей еще со времен А.
Холмса (1928), обычно предполагается,что тектоническая активность Земли питается только энергией распада радиоактивныхэлементов и вызывается тепловой конвекцией. Многие геологи и геофизики до сих порвсе еще придерживаются такой же точки зрения. Этим, по-видимому, объясняется, чтобольшинство работ по конвекции в мантии ограничивается рассмотрением только еетепловой формы. Тем не менее между тепловой и химико-плотностной конвекцией естьмного общего. Объясняется это тем, что они описываются подобными уравнениями,поэтому и внешние их проявления также подобны друг другу, хотя в деталях, иногдасущественных, их поведение оказывается различным. Например, различны реакциитепловых и химико-плотностных конвективных течений на перекрывающие ихконтинентальные плиты при смене структур конвективных течений, при пересеченияхграниц фазовых переходов и т.д.Наиболее обстоятельно тепловая конвекция на сегодня изучена В.П.
Трубицыными В.В. Рыковым. Существенным отличием их работ от аналогичных исследованийявляется трехмерное моделирование и учет влияния континентов (как главных мантийных“теплоизоляторов”) на структуру самих конвективных течений. Так, оказалось, что вмоделях тепловой конвекции под крупными континентальными плитами можетпроисходить перегрев мантии, вызывающий возникновение в ней новых восходящихпотоков, разрушающих такие плиты. Этим явлением, в частности, объясняетсянестабильность и разрушение существовавших в прошлые геологические эпохисуперконтинентов, хотя для этого в толще мантии должны были бы существовать мощныеисточники радиогенной тепловой энергии, которых, как видно из раздела 5.2, практическинет (механизм возникновения восходящих потоков под суперконтинентами при химикоплотностной конвекции изображен на рис.
6.10). Тем не менее, моделирование тепловойконвекции в мантии, хоть и приближенно, но наглядно иллюстрирует существующий вней массообмен мантийного вещества (рис. 6.11).Учитывая большие сложности математического моделирования химико-тепловогоконвективного массообмена в мантии, вначале пользовались приближением чистохимико-плотностной конвекции, т. е. пренебрегали ее тепловыми эффектами. Такойподход частично оправдывался тем, что чисто тепловая конвекция была изученадостаточно полно как прямыми физическими экспериментами, так и математическиммоделированием. Существующая в мантии химико-плотностная конвекция по своейприроде является необратимым термодинамическим процессом, и по мере исчерпаниязапасов тяжелой фракции она постепенно затухает и в конце концов должна затухнуть.Поэтому такую конвекцию лучше всего изучать методами численного моделирования.Первые работы в этом направлении были выполнены еще в 70-е годы.
После жеразработки современной теории процесса бародиффузионной дифференциации земноговещества (см. раздел 4.3) появилась возможность проведения новых модельныхисследований химико-плотностной конвекции, основанных на более реальныхпредставлениях физического процесса дифференциации и с привлечением болеесовершенных методов численного моделирования.172Рис.
6.11. Трехмерное числовое моделирование тепловой конвекции в мантии Земли, по В.П. Трубицыну иВ.В. Рыкову (1995); разрезы приведены для времен 0; 0,2; 0,5; 1,0 и 1,2 млрд лет, на поверхности разрезовизображены дрейфующие континенты. Изолиниями на разрезах показаны распределения избыточныхтемператур (в условном масштабе), а стрелками – векторы мантийных течений. Кривые над разрезамипоказывают безразмерные тепловые потоки (средний и максимальный тепловые потоки для океановсоответственно равны 75 и 120 мВт/м2)Новая методика моделирования в основном была разработана Д.Г. Сеидовым иЮ.О. Сорохтиным (1987), ими же были проведены и первые эксперименты.
Следуя этимработам, изложим полученные в них и последующих исследованиях результатычисленного моделирования химико-плотностной конвекции. По этой методике в модели173задавалась концентрация плотного “ядерного” вещества, основные параметры Земли исферические координаты. Кроме того, для каждой из компонент задавались уравнениясостояния вещества, определяющие зависимость его плотности от давления итемпературы. Мантийное вещество и входящие в него компоненты считалисьнесжимаемой жидкостью.
Вязкость мантии задавалась по наиболее вероятнымраспределениям, приведенным в разделе 2.9, а исходное распределение температурыпринималось адиабатическим. Не описывая использовавшиеся при моделированииуравнения, отметим, что все необходимые выкладки такого рода приведены в работе(Монин и др., 1987). Для замыкания системы уравнений, определяющих мантийнуюконвекцию, к ним присоединялось еще и уравнение баланса “ядерного” вещества вмантии. Граничными условиями модели принималось условие “скольжения”конвектирующего вещества без трения по подошве мантии и на ее поверхности.Составленные уравнения решались на равномерной сетке по радиусу и полярномууглу: с шагом по радиусу 175 км и по углу 3° (всего 1037 узлов сетки). Шаг по временивыбирался из условия устойчивости итераций и в пересчете на геологическое времясоставлял 250 тыс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
