Природа тектонической активности земли возможные причины тектонической активности Земли



Pdf просмотр
страница4/23
Дата28.01.2019
Размер0.78 Mb.
ТипГлава
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   23

151
напряжения торможения. Свой тормозящий вклад вносит также трение плит в зонах субдукции и активных частях трансформных разломов. В результате движение плит оказывается значительно заторможенным, а соответствующие силы затягивания плит в мантию
− существенно ослабленными. Поскольку величина сил вязкого торможения возрастает с увеличением скорости перемещения плит, их движение происходит приблизительно с постоянными скоростями – порядка нескольких сантиметров в год. В стационарном случае сумма движущих сил полностью уравновешивается суммой тормозящих сил.
Рассмотрим теперь природу мантийной конвекции в более широком аспекте и попытаемся ответить на вопрос: достаточно ли для ее возбуждения описанных механизмов “самодвижения” океанических литосферных плит? Надо учесть при этом, что рассмотренный механизм перемещения литосферных плит мог действовать только начиная с 2,6 млрд лет назад, поскольку в архее, как и на Венере сейчас, скорее всего зон субдукции вообще не существовало, а их функцию выполняли зоны скучивания и надвигания базальтовых пластин на края континентальных щитов (см. раздел 6.8).
В настоящее время ежегодно по зонам субдукции в мантию погружается приблизительно 7,6·10 17
г/год, или около 230 км
3
/год охлажденных пород океанических литосферных плит. Анализ теплопотерь Земли (см. раздел 5.4) свидетельствует, что основные потери эндогенного тепла происходят и всегда происходили через океаническую кору в процессе формирования океанических плит. Ниже, в разделе 6.5, будет показано, что тектоническое развитие Земли по законам тектоники литосферных плит началось только в раннем протерозое после выделения земного ядра около 2,6 млрд лет назад (в архее, как уже отмечалось, механизм “самодвижения” литосферных плит вообще не мого). Всего за это время таким путем было потеряно около 5,32·10 37
эрг тепловой энергии (см. раздел 5.5). В настоящее же время через океаническое дно теряется около 3,09·10 20
эрг/с (см. раздел 5.4), или приблизительно 9,75·10 27
эрг/год тепловой энергии. Но поскольку океанические литосферные плиты образуются за счет кристаллизации и охлаждения мантийного вещества, а их средняя температура при этом меняется мало, то в первом приближении можно принять, что приведенные здесь теплопотери оказываются пропорциональными массам образовавшихся и погрузившихся в мантию литосферных плит. Учитывая, что средняя плотность океанических литосферных плит приблизительно равна 3,3 г/см
3
, можно оценить, что за последние 2,6 млрд лет в мантию погрузилось около 1,25·10 12
км
3
, или 4,13·10 27
г литосферных плит.
Масса современной конвектирующей мантии (без континентальной коры) приблизительно равна 4·10 27
г. Следовательно, за время действия механизма тектоники литосферных плит, т.е. за последние 2,6 млрд лет, в мантию Земли погрузилось литосферных плит несколько больше, чем масса самой мантии. Отсюда видно, что за это же время все вещество мантии по крайней мере один раз успело полностью “прокрутиться” в конвективном цикле (в следующем разделе мы покажем, что после архея существовало шесть таких конвективных циклов).
Из приведенных оценок видно, что рассмотренные механизмы “самодвижения” литосферных плит действительно могли бы создать крупномасштабную конвекцию с заметным массообменом в мантии. Однако по сути рассмотренная конвекция является типично тепловой с тем лишь отличием от классического случая, что в ней ведущую роль играет не подъем разогретого мантийного вещества в земных недрах, а, наоборот, погружение охлажденного на поверхности пограничного слоя мантии, т.е. океанических литосферных плит.
Для длительного функционирования описанной здесь конвекции, как и любой тепловой конвекции, к веществу мантии необходимо подводить энергию не меньшую, чем связанные с ней теплопотери. При этом интенсивность конвективного массообмена в мантии, а в нашем случае и средние скорости движения океанических плит (т.е. средняя


152
интенсивность тектонической активности Земли), по-видимому, будет полностью контролироваться скоростью генерации в мантии энергии. Связано это с сильной экспоненциальной зависимостью вязкости мантийного вещества от температуры, а следовательно, и от подвода к нему тепловой энергии: при снижении скорости генерации тепла в мантии ее вязкость будет повышаться и соответственно возрастут силы вязкого трения, препятствующие движению плит по рассмотренным здесь механизмам. И наоборот, при поступлении дополнительной энергии вязкость мантии и силы трения уменьшаются, а скорость “самодвижения” плит возрастает.
Поэтому тектоническая активность Земли в рамках рассмотренной здесь модели движения плит строго определяется генерацией тепловой энергии в глубинах мантии (без учета радиоактивной энергии, выделяющейся в континентальной коре), т.е. фактически описывается тепловым потоком через океаническое дно. Основной вклад в глубинный тепловой поток вносит главный энергетический процесс на Земле – процесс химико- плотностной дифференциации земного вещества на плотное окисно-железное ядро и остаточную силикатную мантию. Следовательно, и тепловая конвекция в мантии должна в основном определяться этим же процессом.
6.3. Природа крупномасштабной мантийной конвекции
Рассмотрим теперь физические механизмы, способные возбудить конвективные движения мантийного вещества. Большинство геофизиков, особенно на западе, традиционно предпочитают рассматривать только тепловую конвекцию в классической постановке, считая, что питается она энергией распада радиоактивных элементов или постепенным остыванием Земли. Среди ранних исследований еще раз следует упомянуть работу О. Фишера (1889), считавшего, что конвекция подкорового вещества вызывается общим остыванием Земли, и работу А. Холмса (1929), обратившего внимание на то, что вызывающую дрейф континентов тепловую конвекцию может порождать распад радиоактивных элементов.
Строгое решение задачи о нахождении поля скоростей конвективных движений вещества в мантии Земли может быть получено только путем совместного решения уравнения Навье–Стокса для сжимаемой жидкости с уравнениями неразрывности и состояния вещества при граничных и начальных условиях, соответствующих состоянию и строению реальной мантии Земли с учетом существующих фазовых переходов в мантийном веществе и развивающихся в мантии энергетических процессов. Однако выполнить все эти требования чрезвычайно сложно, к тому же вначале не все закономерности строения и развития Земли еще были известны с достаточной точностью.
Поэтому в предпринимавшихся ранее попытках исследования процесса тепловой конвекции, начиная с фундаментальной работы С. Чандрасекара (1961) и других исследователей, это не всегда учитывалось, и находились решения задачи, может быть и корректные с точки зрения математики, но для очень грубых моделей Земли, например для моделей, в которых вязкость мантии принималась либо постоянной, либо монотонной функцией радиуса или считалось, что мантия “подогревается” снизу ядром Земли. В результате получались громоздкие решения, лишь схематически отображающие природу реальных явлений.
Применительно к механизмам тектоники литосферных плит тепловая конвекция в мантии исследовалась Ф. Рихтером (1973, 1977), Д. Маккензи, Ф. Рихтером (1976), Д.
Таркотом, Дж. Шубертом (1985) и др. У нас в России наиболее обстоятельно с использованием более реальных распределений физических параметров мантии тепловая конвекция в земной мантии исследовалась В.П. Трубицыным и В.В. Рыковым (1994–
2000).
Напомним, что для определения условий возникновения тепловой конвекции в мантии обычно используется критерий (число) Рэлея. Для сферического слоя критическое



Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   23


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

    Главная страница