Окенический рифтогенез - Дубинин Е.П.
ISBN 5-89118-198-3
Скачать (прямая ссылка):
Рассмотрим теперь механизмы, способные возбудить конвективные движения мантийного вещества. Большинство геофизиков традиционно предпочитают рассматривать только тепловую конвекцию в ее классической постановке, считая, что она питается энергией распада радиоактивных элементов или постепенным остыванием Земли.
Применительно к концепции тектоники литосферных плит тепловая конвекция в мантии исследовалась Д.Маккензи, Ф.Рихтером [399], В.Каулой [315], Д.Тёркотом, Дж.Шубертом [127] и многими другими специалистами. У нас в стране тепловая конвекция рассматривалась в работах В.Трубицы-на, Г.Голицына, В.Жаркова и других исследователей [56].
Напомним, что для определения условий возникновения тепловой конвекции в мантии обычно пользуются критерием (числом) Рэлея
теЯЗД№, (1.14).
от)
Я.
В. Кеонджяном [64], а также А. Мониным с соавторами [89].
Условие, определяющее начало возникновения химико-плотностной конвекции, можно найти по аналогии с критерием Рэлея для тепловой конвекции [116]. Действительно, безразмерное число Рэлея (1.14) представляет собой отношение двух факторов: подъемной силы, возникающей при
тепловом расширении вещества (т.е. фактора, способствующего конвекции), к фактору, препятствующему конвекции и характеризующему скорость рассеивания тепловых неоднородностей среды и ее сопротивление сдвиговым деформациям (т.е. конвективным движениям). Учитывая сказанное, в выражении (1.14) можно заменить произведение АТа на эквивалентное ему отношение Др/р, где под Др следует понимать средний перепад плотности, образующийся за счет изменения химического состава вещества мантии в процессе его дифференциации на поверхности ядра. Пользуясь далее аналогией уравнения диффузии, определяющего скорость рассасывания неоднородностей химического состава, с уравнением теплопроводности, определяющим скорость выравнивания температуры в среде, мы можем заменить в знаменателе выражения (1.14) коэффициент температуропроводности а на коэффициент диффузии D. В этом случае модифицированное число Рэлея, определяющее развитие химико-плотностной конвекции в мантии, можно выразить отношением
Д.
Ар g#3
2>П
(1.15).
где р - плотность; g - ускорение силы тяжести; Я-толщина слоя; АТ - сверхадиабатический перепад температуры в слое, а - коэффициент объемного расширения; а- коэффициент температуропроводности; Г| - коэффициент динамической вязкости. Согласно критерию Рэлея, тепловая конвекция в слое вязкой жидкости возникает лишь в случае, если число Ra превышает некое предельное (критическое) значение. Для сферического слоя критическое значение числа Рэлея примерно равно 2-103 [56].
По современным представлениям эффективная вязкость мантии Земли находится в пределах 1023-1024 П [29], поэтому для возникновения в ней сквозной тепловой конвекции достаточно сверх-адиабатического перепада температуры всего в 1-10° С. При этом, правда, возникнет исключительно вялая конвекция, но ведь реальные значения АТ вполне могут достигать и нескольких десятков градусов.
Химико-плотностная конвекция в мантии изучалась главным образом у нас в стране: на качественном уровне она рассматривалась ЕАртюшко-вым [5], приближенно - О.Сорохтиным [116] и более строго на уровне численного моделирования -
Выражение (1.15) показывает, что интенсивность химико-плотностной конвекции полностью определяется только вязкостью среды т| и перепадами плотности Др в ее химических неоднородностях и не зависит от процесса диффузии этих плот-ностных неоднородностей. Следовательно, при заданных г\ и Др химико-плотностная конвекция в мантии всегда будет развиваться с предельно возможной скоростью, но она может быть очень низкой, если вязкость мантии г| достаточно большая, а перепады плотности Др, генерируемые на поверхности ядра, незначительные.
В реальных условиях 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 позволил О.Сорохтину и С.Ушакову [121] количественно оценить масштабы конвективного массообмена в мантии и показать, что конвективный массообмен, вызываемый химико-плотностной дифференциацией мантийного вещества, сейчас примерно в 6 раз превышает соответствующий, массообмен тепловой конвекции. При этом, однако, не следует забывать, что и теп-
ловая составляющая общей конвекции в конце концов управляется энергией все того же самого главного процесса химико-плотностной дифференциации Земли. Поэтому можно утверждать, что в мантии Земли существует смешанная плотностная химико-тепловая конвекция.
Итак, допускается, что в мантии существует интенсивная и крупномасштабная конвекция, возбуждаемая эндогенными энергетическими источниками: гравитационной дифференциацией мантийного вещества с небольшим вкладом радиогенного тепла и приливной энергии. При этом граничные условия на поверхности Земли, связанные с существованием мощных континентальных плит и с возникновением на поверхности конвектирующей мантии переохлажденного погранслоя - подвижных океанических плит, накладывают на мантийную конвекцию свой характерный отпечаток и даже подчиняют ее структуру плану расположения литосферных плит.
