Природа тектонической активности земли возможные причины тектонической активности Земли



Pdf просмотр
страница12/23
Дата28.01.2019
Размер0.78 Mb.
ТипГлава
1   ...   8   9   10   11   12   13   14   15   ...   23

170
Вещество погружающихся плит всегда остается несколько более холодным, а следовательно, и более плотным по сравнению с окружающей их мантией. Поэтому естественно ожидать, что под зонами субдукции мантийное вещество будет вдавливаться в ядро, образуя там подобия корней нисходящих потоков (рис. 6.10). Отсюда следует, что после дифференциации дезинтегрированное мантийное вещество этих корней в виде жидкой “магматической каши” должно “стекать” с них (т.е. подниматься) в обе стороны от участков погружения бывших океанических литосферных плит в ядро. По этой причине под центром незадолго до этого возникшего суперконтинента постепенно начинают накапливаться крупные массы прошедшего дифференциацию и поэтому более легкого мантийного вещества. В результате через время порядка первых десятков миллионов лет под суперконтинентом на месте бывшего нисходящего потока возникает мощный восходящий конвективный поток, приподнимающий и взламывающий находящуюся над ним литосферную оболочку, а это приводит к расколу суперконтинента и центробежному дрейфу его материковых осколков в разные стороны от его бывшего центра. Однако и в этом случае “работает” рассмотренная Ю.Г. Леоновым (2001) пассивная модель континентального рифтогенеза.
Этим механизмом, по-видимому, объясняется неустойчивость всех возникавших в прошлые геологические эпохи суперконтинентов и чрезвычайно короткое время (не более
100 млн лет) их существования как единых материков. Фактически эта зависимость, являющаяся правилом, может быть объяснена лишь с точки зрения механизма глобальной химико-плотностной конвекции.

6.5. Результаты численного моделирования химико-плотностной конвекции в
мантии
Приведенное выше описание мантийной конвекции носило качественный характер.
Теперь желательно проверить сделанные выводы и постараться получить новые результаты путем проведения более строгого моделирования и количественного анализа основных закономерностей процесса. К сожалению, корректное описание движения сжимаемой жидкости в потенциальном поле силы тяжести, да еще в сферическом варианте строения мантии Земли, в случае переменной и зависящей от температуры вязкости жидкости с неоднородной и меняющейся плотностью является трудной задачей, поскольку соответствующие уравнения, описывающие такие движения, оказываются сложными и громоздкими.
В мантии Земли развивается сложная химико-плотностная и тепловая конвекция.
Но любая конвекция вязкой жидкости в гравитационном поле может быть только плотностной независимо от причин, вызывающих ее плотностные неоднородности.
Поэтому в широком понимании природы развивающейся в земной мантии конвекции ее следовало бы называть химико-тепловой или концентрационно-тепловой конвекцией, подчеркивая этим, что плотностные неоднородности в мантийном веществе возникают как за счет изменений химического состава или концентрации в нем тяжелой фракции, так и за счет эффектов теплового расширения (сжатия) вещества.
В общем случае химико-плотностной конвекции необходимо учитывать сильную экспоненциальную 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 существенное изменение вязкости, и оно неизбежно приведет к заметному влиянию на структуру конвективных течений в мантии. Однако в большинстве ранних работ по конвекции зависимость вязкости от температуры обычно никак не учитывалась из-за больших математических сложностей, связанных с ее использованием в уравнениях движения вязкой жидкости.


171
В частном случае чисто тепловой конвекции принимается, что концентрация химических компонент вязкой жидкости остается постоянной, а все изменения ее плотности связаны только с изменениями температуры. С другой стороны, в строгом понимании проблемы чисто химико-плотностная конвекция в природе не встречается, поскольку она всегда сопровождается тепловыми эффектами и фактически превращается в химико-тепловую конвекцию. Отсюда видно, что моделирование химико-тепловой конвекции представляет собой более сложную задачу, чем моделирование чисто тепловой конвекции.
Несмотря на то, что в земной мантии развивается именно химико-плотностная конвекция, по традиции, идущей еще со времен А. Холмса (1928), обычно предполагается, что тектоническая активность Земли питается только энергией распада радиоактивных элементов и вызывается тепловой конвекцией. Многие геологи и геофизики до сих пор все еще придерживаются такой же точки зрения. Этим, по-видимому, объясняется, что большинство работ по конвекции в мантии ограничивается рассмотрением только ее тепловой формы. Тем не менее между тепловой и химико-плотностной конвекцией есть много общего. Объясняется это тем, что они описываются подобными уравнениями, поэтому и внешние их проявления также подобны друг другу, хотя в деталях, иногда существенных, их поведение оказывается различным. Например, различны реакции тепловых и химико-плотностных конвективных течений на перекрывающие их континентальные плиты при смене структур конвективных течений, при пересечениях границ фазовых переходов и т.д.
Наиболее обстоятельно тепловая конвекция на сегодня изучена В.П. Трубицыным и В.В. Рыковым. Существенным отличием их работ от аналогичных исследований является трехмерное моделирование и учет влияния континентов (как главных мантийных
“теплоизоляторов”) на структуру самих конвективных течений. Так, оказалось, что в моделях тепловой конвекции под крупными континентальными плитами может происходить перегрев мантии, вызывающий возникновение в ней новых восходящих потоков, разрушающих такие плиты. Этим явлением, в частности, объясняется нестабильность и разрушение существовавших в прошлые геологические эпохи суперконтинентов, хотя для этого в толще мантии должны были бы существовать мощные источники радиогенной тепловой энергии, которых, как видно из раздела 5.2, практически нет (механизм возникновения восходящих потоков под суперконтинентами при химико- плотностной конвекции изображен на рис. 6.10). Тем не менее, моделирование тепловой конвекции в мантии, хоть и приближенно, но наглядно иллюстрирует существующий в ней массообмен мантийного вещества (рис. 6.11).
Учитывая большие сложности математического моделирования химико-теплового конвективного массообмена в мантии, вначале пользовались приближением чисто химико-плотностной конвекции, т. е. пренебрегали ее тепловыми эффектами. Такой подход частично оправдывался тем, что чисто тепловая конвекция была изучена достаточно полно как прямыми физическими экспериментами, так и математическим моделированием. Существующая в мантии химико-плотностная конвекция по своей природе является необратимым термодинамическим процессом, и по мере исчерпания запасов 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 же разработки современной теории процесса бародиффузионной дифференциации земного вещества (см. раздел 4.3) появилась возможность проведения новых модельных исследований химико-плотностной конвекции, основанных на более реальных представлениях физического процесса дифференциации и с привлечением более совершенных методов численного моделирования.



Поделитесь с Вашими друзьями:
1   ...   8   9   10   11   12   13   14   15   ...   23


База данных защищена авторским правом ©genderis.ru 2017
обратиться к администрации

    Главная страница