Геотектоника с основами геодинамики - Хаин В.Е.
Скачать (прямая ссылка):
В подастеносферной мантии вязкость должна быть выше, чем в астеносфере, но ее определение затрудняется отсутствием достоверных сведений о температуре на соответствующй глубине. Исходя из того, что вязкость здесь не должна препятствовать конвекции (см. 18.3), вязкость средней мантии до глубины 670 км принимается 1022- 1023 П, а нижней мантии - 1023-1024 П (В.Н. Жарков).
18.3. Конвекция в мантии Земли
Автор раздела М.А. Гончаров.
Важнейшим процессом, обусловливающим динамику мантии и в конечном счете и земной коры, является конвекция, прежде всего тепловая. Если бы внутреннее тепло, накапливающееся в Земле в результате действия описанных факторов (см. 18.1), поступало к поверхности лишь путем обычной теплопроводности, т.е. кондуктивного теплопереноса, Земля неминуемо довольно быстро разогрелась бы до полного плавления. Это было ясно уже три десятилетия назад, когда величина теплового потока, достигающего поверхности Земли, оценивалась гораздо ниже, чем в настоящее время, после открытия мощного тепловыделения в рифтовых зонах срединно-океанских хребтов. Именно то обстоятельство, что в мантии Земли теплоперенос осуществляется не только кондуктивным, но и конвективным путем, гарантирует нашу планету от перегрева. Но непосредственное подтверждение реальности мантийной конвекции поступило лишь в последние годы, когда сейсмотомографией были получены данные, свидетельствующие о существовании в мантии на одних и тех же уровнях более разогретых участков (соответственно менее плотных, с меньшими скоростями распространения сейсмических волн) и менее разогретых, уплотненных, высокоскоростных участков.
Термин "конвекция" в переводе с латинского означает "доставка", при этом первоначально имелась в виду лишь доставка тепла. Частным случаем конвекции является адвекция, процесс которой носит затухающий характер вследствие исчерпания породившего его источника возмущения. В более расширенном смысле конвекция может быть не только тепловой, но и химической (концентрационной), когда насыщенные некоторым веществом элементарные объемы перемещаются в направлении меньшей концентрации этого вещества, где отлагают его избыток.
По другому признаку (не что, а как доставляется) конвекция подразделяется на вынужденную и свободную. При вынужденной тепловой конвекции движение теплоносителя обусловлено внешней причиной, например при нагнетании горячей воды в жилое помещение посредством насоса. При свободной тепловой конвекции ее причиной является тепловое расширение частиц теплоносителя, сопровождаемое уменьшением их плотности, и их перемещение под действием силового поля в направлении уменьшения потенциала последнего. В качестве силового поля обычно выступает поле силы тяжести, поэтому такая конвекция называется тепловой гравитационной, или, соответственно, химической гравитационной. Она может продолжаться сколько угодно долго, пока существует градиент температуры или концентрации. Но при вещественной (плотностной) конвекции, т.е. при всплывании легкого вещества вверх и погружении тяжелого вниз, процесс продолжается лишь до окончания их перераспределения. Это и есть собственно адвекция, наблюдаемая, в частности, при образовании соляных куполов. Вообще деформации, связанные с инверсией плотностей в коре и мантии и упоминавшиеся выше, служат проявлением свободной конвекции. Необходимо, однако, заметить, что сама по себе инверсия плотностей, т.е. расположение более легких масс под более тяжелыми, не может привести к зарождению конвективного течения, если поверхность раздела этих масс горизонтальна, ибо в этом случае горизонтальный градиент литостатического давления на нижнюю толщу равен нулю. Положение изменится, если на этой поверхности возникнут неровности, даже очень слабые. Положительные неровности приведут к образованию выступов легкого вещества, которые затем начнут разрастаться вследствие его нагнетания. Одновременно произойдет погружение "антивыступов" тяжелого вещества.
В противоположность адвекции при длительном подогреве снизу горизонтального слоя жидкости (квазижидкости) имеет место неограниченная конвекция с многократным круговоротом вещества. Это как раз и происходит в мантии Земли.
Условием проявления тепловой конвекции в мантии Земли, на первый взгляд весьма плотной и твердой, служит превышение критического значения числа Рэлея - критерия гравитационной устойчивости, равного
R = (??/?)*(gh3)/?? (1)
где первый множитель представляет относительную разность плотностей в кровле и подошве горизонтального слоя, подогреваемого снизу, т.е. степень инверсии плотности. Помимо разности температур, в подошве и кровле слоя этот множитель зависит от коэффициента объемного теплового расширения вещества. Второй множитель включает ускорение силы тяжести g, мощность h и кинематическую вязкость слоя ? и коэффициент температуропроводности ? - Две последние величины определяются так:
? = ?/? (2)
? = ?/?c (3)
где ? - вязкость; ? - теплопроводность; с - удельная теплоемкость.
Анализ общей системы уравнений, включающей уравнение движения Навье-Стокса, общее уравнение передачи тепла и уравнение непрерывности, выражающее закон сохранения массы в так называемом приближении Буссинеска, приводит к следующему условию устойчивости горизонтального слоя, подогреваемого снизу:
