Природа тектонической активности земли возможные причины тектонической активности Земли



Pdf просмотр
страница13/23
Дата28.01.2019
Размер0.78 Mb.
ТипГлава
1   ...   9   10   11   12   13   14   15   16   ...   23

172
Рис. 6.11. Трехмерное числовое моделирование тепловой конвекции в мантии Земли, по В.П. Трубицыну и
В.В. Рыкову (1995); разрезы приведены для времен 0; 0,2; 0,5; 1,0 и 1,2 млрд лет, на поверхности разрезов изображены дрейфующие континенты. Изолиниями на разрезах показаны распределения избыточных температур (в условном масштабе), а стрелками – векторы мантийных течений. Кривые над разрезами показывают безразмерные тепловые потоки (средний и максимальный тепловые потоки для океанов соответственно равны 75 и 120 мВт/м
2
)
Новая методика моделирования в основном была разработана Д.Г. Сеидовым и
Ю.О. Сорохтиным (1987), ими же были проведены и первые эксперименты. Следуя этим работам, изложим полученные в них и последующих исследованиях результаты численного моделирования химико-плотностной конвекции. По этой методике в модели


173
задавалась концентрация плотного “ядерного” вещества, основные параметры Земли и сферические координаты. Кроме того, для каждой из компонент задавались уравнения состояния вещества, определяющие зависимость его плотности от давления и температуры. Мантийное вещество и входящие в него компоненты считались несжимаемой жидкостью. Вязкость мантии задавалась по наиболее вероятным распределениям, приведенным в разделе 2.9, а исходное распределение температуры принималось адиабатическим. Не описывая использовавшиеся при моделировании уравнения, отметим, что все необходимые выкладки такого рода приведены в работе
(Монин и др., 1987). Для замыкания системы уравнений, определяющих мантийную конвекцию, к ним присоединялось еще и уравнение баланса “ядерного” вещества в мантии. 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 полярному углу: с шагом по радиусу 175 км и по углу 3° (всего 1037 узлов сетки). Шаг по времени выбирался из условия устойчивости итераций и в пересчете на геологическое время составлял 250 тыс. лет. В начальный момент времени задавалось однородное поле концентрации тяжелой фракции со случайными флуктуациями порядка 0,001, что соответствовало возмущениям поля плотности около 0,003 г/см
3
При моделировании химико-плотностной конвекции в сферических координатах обычно возникали сложности, связанные с симметрией модели относительно их полярных осей. Учитывая это, Ю.О. Сорохтин провел моделирование такой конвекции в цилиндрических координатах, но с заменой показателя расхождения цилиндрических координат (обратно пропорциональный текущему радиусу) на показатель расхождения в сферических координатах (обратно пропорциональный квадрату текущего радиуса). В результате полученная модель оказалась эквивалентной сферической, но описывающей конвекцию в экваториальной или меридиональной плоскости (рис. 6.12).
Как видно из проведенного эксперимента, химико-плотностная конвекция действительно является нестационарной и все время меняет свою структуру. При этом четко прослеживается смена конвективных структур от одноячеистых к двухъячеистым
(иногда и к более сложным), но с обязательным новым возвращением к одноячеистым структурам. При этом оказывается, что в пересчете на временные масштабы развития
Земли периодичность полных конвективных мегациклов в эксперименте оказалась приблизительно равной 1 млрд. лет, тогда как для реальной Земли она близка к 0,8 млрд. лет и четко отмечается моментами формирования древних суперконтинентов – Моногеи,
Мегагеи, Мезогеи и Пангеи (см. рис. 8.2–8.11).
Подчеркнем, что многочисленные эксперименты с численным моделированием химико-плотностной конвекции в мантии при широких вариациях ее параметров и вертикального распределения вязкости никогда не приводили к возникновению устойчивых многоярусных конвективных структур. Существование же в мантии границ с эндотермическими фазовыми переходами, как, например, на глубине 670 км, о которой говорилось в разделе 6.2, хоть и могут осложнять структуру конвекции, но не приводят к возникновению устойчивой “двухъярусной” конвекции. Отсюда следует, что бытующие
(и ныне модные) представления о функционировании в земной мантии устойчивой двухъярусной конвекции теоретическими расчетами и численным моделированием не подтверждаются. Наоборот, все такие исследования еще раз убедительно говорят о существовании в мантии единой конвекции для верхней и нижней мантии с хорошим перемешиванием мантийного вещества.


174
Рис. 6.12. Численное моделирование полей функции тока для химико-плотностной конвекции в цилиндрических координатах, аналог экваториального сечения в сферических координатах
(по Ю.О. Сорохтину)
Обобщая рассмотренные результаты численных экспериментов мантийной конвекции, безусловно, необходимо учитывать схематичность построенных моделей химико-плотностной конвекции и не требовать от них полного количественного совпадения выявленных закономерностей с наблюдаемыми на Земле тектоническими явлениями, даже с применением соответствующих масштабных коэффициентов. Тем не менее, обращает на себя внимание соизмеримость полученных в эксперименте результатов с масштабами реальных геологических явлений. Например, неплохо совпадают друг с другом продолжительность теоретических и тектонических мегациклов, предсказанные и геологические возрасты всех четырех существовавших суперконтинентов, теоретически найденные и наблюдаемые скорости дрейфа литосферных плит и т.д. Причем все эти совпадения были получены подстановкой в модель ее параметров, либо найденных совершенно независимыми способами (например, вязкость мантии и концентрация в ней окислов железа), либо определенных ранее по бародиффузионной теории дифференциации мантийного вещества. Поэтому такие совпадения, по-видимому, нельзя считать случайными: они лишний раз подтверждают, что мантия Земли действительно охвачена химико-плотностной конвекцией.
Один из самых важных результатов моделирования состоит в доказательстве нестационарности химико-плотностной конвекции, хорошо объясняющей смену тектонических планов и режимов развития Земли, а также цикличность этих процессов. В этом отношении показательна выявленная особенность химико-плотностной конвекции время от времени создавать одноячеистые конвективные структуры с последующим их распадом на более сложные структуры. Представляется также, что этим явлением объясняются происходившие в истории Земли временные объединения разрозненных прежде материков в единые суперконтиненты типа Мегагеи Штилле (около 1,8 млрд лет назад) или Пангеи Вегенера (около 300–230 млн лет назад). Особенно хорошо изучен по палеомагнитным и геологическим данным процесс объединения материков в



Поделитесь с Вашими друзьями:
1   ...   9   10   11   12   13   14   15   16   ...   23


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

    Главная страница