Некоторые представления о глубинных механизмах тектонических движений

Источники энергии глубинных геологических процессов связаны с тепловой энергией, порождаемой уплотнением-разуплотнением, сжатием-растяжением, а также трением, возникающим при взаимном перемещении масс твердого вещества. То, что это тепло поступает из глубины, подтверждается непрерывным выделением через поверхность твердой Земли в окружающее пространство теплового потока величиной 4, 2 х 10¹ ³ W. В настоящее время признается, что главным источником тепла внутри Земли является гравитационная дифференциация вещества на границе литосферы и астеносферы, верхней и нижней мантии, ядра и мантии, внутреннего и внешнего ядра. К этому источнику добавляется радиогенное тепло, которое составляет около четверти от общего теплового потока. Оно генерируется в основном в верхнем слое континентальной коры, где сосредоточено примерно 90% радиоактивных элементов. В баланс теплового потока входит также то остаточное тепло, которое приобретено Землей во время аккреции и тепло, унаследованное от протопланетного диска, от эпохи интенсивной метеоритной бомбардировки. Источником тепла являются и твердые приливы, связанные с гравитационным взаимодействием Солнца, Луны и Земли, доля которых составляет около 2% полной тепловой энергии Земли.

Конвекция в мантии Земли является важнейшим процессом, обеспечивающим перенос тепла внутри планеты. Условием проявления тепловой конвекции является превышение критического значения числа Рэлея, определяемого из соотношения:

R =Δ ρ g h³ /ρ υ Х,

Где Δ ρ – относительная разность плотностей в кровле и в подошве горизонтального слоя; подогреваемого снизу; g – ускорение силытяжести; h – мощность слоя; ρ – средняя плотность слоя; υ – кинематическая вязкость слоя, равная отношению вязкости к средней плотности; Х – коэффициент температуропроводности, который определяется отношением теплопроводности к плотности и удельной теплоемкости.

В числителе дроби – показатели, способствующие развитию конвекции, а в знаменателе – препятствующие ей. Если число Рэлея больше 1000 (первое критическое число Рэлея) возникает конвекция. При этом конвекция в линейной форме (в виде конвективных валов) является устойчивой при значениях R в диапазоне от 1000 до 10000 (второе критическое число Рэлея). При значениях R больших, чем второе критическое число устойчивой становится конвекция в гексагональной (купольной) форме. Размеры купольных ячеек (ячеек Бенара) закономерно увеличиваются с увеличением мощности конвектирующего слоя.

Результаты математического моделирования трехмерной мантийной конвекции в сферическом слое, нагреваемом изнутри, показали, что течения самоорганизуются в форме локализованных колец устойчивых в пространстве нисходящих потоков. Они компенсируются восходящими цилиндрическими потоками, значительно более изменчивыми в пространстве и времени. Увеличение числа Рэлея приводит к большей хаотичности конвективных движений при сохранении главной структурной особенности конвекции – глобальных нисходящих колец.

В последние годы важный вклад в разработку теории тепловой мантийной конвекции внесли российские ученые (Н. Л. Добрецов и др., 2001; В.П. Трубицын и др., 2000). В работах первой группы исследователей на основе физического и математического моделирования рассматриваются режимы раздельной тепловой конвекции в верхней и нижней мантии, гидродинамика развития мантийных плюмов, геологические, петрохимические следствия предлагаемой концепции глубинной геодинамики.

В работах второй группы анализируется влияние континентов на характер тепловой конвекции в мантии. Проведенное моделирование с учетом континентов, частично экранирующих выход тепла из недр Земли, позволило предложить механизм смены глобальных нисходящих мантийных потоков на восходящие, связав этот процесс с циклами Вилсона.

Принципиально иной подход развивается японскими учеными (С. Маруяма и др., 1994), суть которого определяется взаимодействием трех динамических оболочек. В верхней - действуют процессы тектоники плит. В средней, включающей нижнюю мантию и часть подлитосферной верхней мантии, господствует плюм-тектоника. В нижней оболочке (ядро Земли) действует «тектоника роста ядра». Главным механизмом взаимодействия оболочек является механизм накопления тяжелого вещества субдуцируемых плит в области границы верхней и нижней мантии и его внезапный прорыв в нижнюю мантию в виде глобального нисходящего потока – «аваланша», который активизирует образование компенсирующего восходящего плюма. Если этот плюм образуется под суперконтинентом, он вызывает его раскол и заложение новых океанов. Главным отличием этой концепции является привлечение «химической» а не тепловой конвекции.

Модель термохимической двухъярусной конвекции в мантии предложена Л. И. Лобковским (2004). Она учитывает данные сейсмической томографии, экспериментальной петрологии, геохимии. Важным тезисом этой концепции является тезис о том, что в процессе конвективного движения вещество нижней мантии в тонком переходном слое вблизи ядра испытывает дифференциацию. Тяжелая фракция стекает в ядро, а легкая накапливается в подошве нижней мантии, создавая гравитационный потенциал для подъема нижнемантийного вещества. Это приводит к постепенному росту земного ядра. Наряду с этим процессом, в верхней мантии происходит генерация тяжелого вещества за счет эклогитизации базальтовой океанической коры в зонах субдукции.

Вторым важным тезисом модели является представление о «барьерном» характере границы между верхней и нижней мантией. Этот барьер обусловливает возможность реализации механизма двухъярусной конвекции. По данным экспериментальной петрологии на границе верхней и нижней мантии (глубина примерно 670 км) осуществляется шпинель-перовскитовый фазовый переход, имеющий эндотермическую природу с отрицательным градиентом в уравнении Клайперона – Клаузиуса. При отрицательном градиенте температуры дополнительный нагрев или охлаждение вблизи границы фазового перехода будет смещать эту границу соответственно вверх или вниз. Учитывая скачок плотности между фазами, такое смещение будет приводить к появлению дополнительной архимедовой силы, стремящейся вернуть границу в равновесное исходное состояние. Это создает барьерный эффект для вертикальной составляющей конвекции вблизи границы 670 км. Если относительно холодное субдуцируемое вещество достигает границы фазового перехода и охлаждает среду, то граница будет смещаться вниз, создавая положительную плавучесть, препятствующую проникновению холодного материала в нижнюю мантию. Горячий восходящий поток вблизи границы нагревает ее, заставляя смещаться вверх, создавая эффект отрицательной плавучести, которая также препятствует прохождению горячего вещества из нижней мантии в верхнюю. Количественная оценка динамического эффекта фазовой границы на глубине 670 км позволяет сделать вывод о том, что эта граница ведет себя как непреодолимый барьер или как преодолимое препятствие в зависимости от крутизны температурного градиента на кривой Клайперона-Клаузиуса.

Таким образом, модель двухъярусной термохимической мантийной конвекции характеризуется следующими исходными положениями.

Основная генерация положительной химической плавучести происходит на границе ядро-мантия в результате гравитационной дифференциации мантийного вещества.

Основная генерация отрицательной химической плавучести происходит при эклогитизации океанской коры в зонах субдукции.

Конвекция имеет два основных режима: двухъярусный, когда ячейки в нижней и верхней мантии развиваются без обмена веществом через разделяющую их фазовую границу и одноярусный, характеризующийся прорывом этой границы холодным или горячим веществом.

Следствием модели являются особенности развития планеты в пределах цикла Вилсона. Первая стадия характеризуется наличием суперконтинента и общемантийного восходящего потока под ним, который компенсирует устойчивое погружение материала в области субдукции. Существование общего мантийного потока на этой стадии – результат накопления критического объема легкого вещества в подошве мантии, создающего мощную положительную плавучесть, которая формирует суперплюм, прорывающий фазовую границу.

Вторая стадия соответствует распаду суперконтинента под действием суперплюма, который выносит легкое вещество, постепенно исчерпывая его запасы. Течение под континентальным полушарием разбивается на отдельные ячейки, существующие в нижней и верхней мантии.

На третьей стадии формируется двухуровневая конвекция, в которой направление течений в верхней и нижней мантии имеют противоположные направления. Возникает центростремительное подлитосферное течение, которое заставляет разделенные континенты вновь сближаться.

Образование нового суперконтинента – это завершение четвертой стадии цикла Вилсона.

Литература к разделу 6: [1, 4, 6, 10]