Природа тектонической активности земли возможные причины тектонической активности Земли



Pdf просмотр
страница5/23
Дата28.01.2019
Размер0.78 Mb.
ТипГлава
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   23

153
значение числа Рэлея равно примерно 2000. По современным представлениям, значение эффективной вязкости мантии Земли находится в пределах от 10 23
до 10 24
пуаз (Ranelli,
Fisher, 1894), поэтому для возникновения в ней сквозной тепловой конвекции достаточно сверхадиабатического перепада температуры всего в 1–10 °С. При этом, правда, возникает исключительно вялая конвекция, но ведь реальные значения сверхадиабатических перепадов температуры вполне могут достигать и нескольких десятков градусов.
Отсюда видно, что в мантии Земли действительно может возбуждаться тепловая конвекция в ее классическом понимании, т.е. за счет подогрева мантийного вещества снизу или в объеме самой мантии. Были бы в ней достаточные источники тепла.
Радиоактивных элементов для этого слишком мало. Единственным достаточным источником энергии является процесс химико-плотностной дифференциации мантийного вещества. Однако этот процесс помимо простой генерации тепла в мантии приводит еще и к возникновению в ее теле плотностных неоднородностей, существенно превышающих эффекты теплового расширения вещества при его нагревании. Поэтому для приближения к реальным условиям необходимо рассматривать не просто тепловую или чисто химико- плотностную конвекцию в мантии, а их комбинацию в виде химико-тепловой плотностной конвекции.
Химико-плотностная конвекция на качественном уровне рассматривалась Е.В.
Артюшковым (1968, 1970), приближенно – О.Г. Сорохтиным (1974) и более строго на уровне численного моделирования – А.С. Мониным и его коллегами (1980, 1987), а также
Д.Г. Сеидовым и Ю.О. Сорохтиным (1994). Наконец, химико-тепловую конвекцию в мантии с эндотермическими фазовыми переходами недавно рассмотрели Л.И. Лобковский и В.Д. Котелкин (2000).
Условие, определяющее начало возникновения химико-плотностной конвекции, можно найти по аналогии с критерием Рэлея для тепловой конвекции. Действительно, безразмерное число Рэлея представляет собой отношение двух факторов: подъемной силы, возникающей при тепловом расширении вещества (т.е. фактора, вызывающего конвекцию), к силам сопротивления сдвиговым деформациям (т.е. к фактору, препятствующему конвекции и характеризующему скорость рассеивания тепловых неоднородностей среды). В качестве фактора, учитывающего скорость рассеивания тепловых неоднородностей при тепловой конвекции, обычно используется коэффициент температуропроводности, в случае химико-плотностной конвекции его заменяет коэффициент диффузии химических неоднородностей. Но коэффициенты диффузии в силикатах D ≈ 10
–20
–10
–22
см
2
/с на много порядков меньше коэффициентов температуропроводности а ≈ 5·10
–3
см
2
/с. Из-за этого модифицированное число Рэлея R
g для химико-плотностной конвекции всегда оказывается на много порядков выше его значений для тепловой конвекции
η
ρ




=
D
H
g
R
g
3
,
(6.1) где g – ускорение силы тяжести;
∆ρ – средний перепад плотности, образующийся за счет изменения химического состава вещества мантии в процессе его дифференциации на поверхности земного ядра; Н – толщина слоя мантии;
η – коэффициент динамической вязкости мантийного вещества.
Однако большие значения преобразованного числа Рэлея вовсе не означают, что химико-плотностная конвекция обязательно должна быть интенсивной. Это показывает лишь, что она определяется только вязкостью среды и перепадами плотности в ее химических неоднородностях и не зависит от процесса диффузии плотностных неоднородностей. Следовательно, при заданных значениях вязкости и перепадах плотности химико-плотностная конвекция в мантии будет всегда развиваться с предельно возможной скоростью, но она может быть и очень низкой, если вязкость мантии


154
достаточно большая, а перепады плотности, генерируемые на поверхности ядра, незначительные.
Если вещество мантии реагирует на медленные деформации подобно вязкой жидкости, то из приведенных рассуждений следует важный вывод: практически любые изменения химического состава мантийного вещества, возникающие при его дифференциации на поверхности ядра, неизбежно приведут к появлению в мантии конвективных движений, даже если вызванные такой дифференциацией флуктуации плотности лишь незначительно нарушают гравитационную устойчивость мантии. При этом скорость развития такого процесса будет полностью определяться перепадами плотности в мантийном веществе и его вязкостью. В реальных условиях, однако, скорость химико-плотностной конвекции, по-видимому, должна саморегулироваться таким образом, чтобы скорость снижения потенциальной энергии Земли (благодаря дифференциации ее вещества) была бы максимальной, а затрата энергии на преодоление сил вязкого трения в среде – минимальной.
Энергетический подход позволяет количественно оценить масштабы конвективного массообмена в мантии. Так, оценки показывают, что средняя разность плотности между исходным и прошедшим дифференциацию веществом мантии весьма незначительна и в среднем приблизительно равна 0,017 г/см
3
. Скорость выделения
“ядерного” вещества можно определить через производную по времени от эволюционного параметра Земли (см. рис. 4.8). В разделе 4.4 было показано, что в настоящее время из мантии в земное ядро переходит около 1,5·10 17
г/год, или около 150 млрд т в год
“ядерного” вещества (Fe·FeO). Отсюда можно найти и современную скорость конвективного массообмена в мантии: она оказывается приблизительно равной 5,95·10 18
г/год, или при средней плотности мантийного вещества около 4,5 г/см
3
, 1320 км
3
/год. Это приблизительно в 5,75 раза больше, чем определенная выше скорость погружения океанических плит в мантию при тепловой конвекции по механизму Форсайта–Уеды.
Однако не следует забывать, что и тепловая составляющая общей конвекции, в конце концов, управляется энергией все того же главного процесса химико-плотностной дифференциации Земли. Поэтому можно утверждать, что в мантии Земли существует смешанная плотностная химико-тепловая конвекция. Если использовать энергетический подход и считать вклад различных источников энергии в конвективный массообмен Земли пропорциональным скорости генерации энергии в мантии (см. раздел 5.5), то оказывается, что современная конвекция почти на 89% является химико-плотностной.
Интенсивность конвективного перемешивания мантии со временем менялась по зависимости, близкой к тектономагматической активности Земли (см. рис. 5.15, кривая 2).
В архее выделяются два периода повышенной конвективной и тектономагматической активности Земли. Первый из них, связанный с зонной дифференциацией металлического железа, приходится на начало архея. Конвективный массообмен в то время имел в основном тепловую природу и охватывал только верхнюю мантию и ее переходный слой глубиной от 400 до 800 км в достаточно узком тропическом поясе Земли. При этом первый всплеск конвективной (и тектонической) активности Земли возник в раннем архее не столько благодаря большой скорости выделения гравитационной энергии дифференциации, сколько из-за того, что вся эта энергия тогда рассеивалась в малых объемах конвектирующей мантии. В связи с этим существовавшие в раннем архее конвективные структуры должны были быть мелкими, размерами не превышающими нескольких сотен или первых тысяч километров. Следовательно, в раннем архее должно было существовать не менее 80 конвективных структур. Если же учесть, что первые зародыши (ядра) будущих континентальных щитов формировались над нисходящими потоками таких конвективных структур, то можно заключить, что в раннем архее образовалось не менее 80/2 = 40 таких континентальных ядер. Интересно отметить, что приблизительно такое же количество первичных и наиболее древних (сложенных серыми



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