научная статья по теме ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ СУБДУЦИРУЮЩЕЙ ПЛИТЫ Геология

Текст научной статьи на тему «ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ СУБДУЦИРУЮЩЕЙ ПЛИТЫ»

УДК 551.2:551.14:536.25

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ СУБДУЦИРУЮЩЕЙ ПЛИТЫ

© 2013 г. А. А. Кирдяшкин, А. Г. Кирдяшкин

Институт геологии и минералогии СО РАН, 630090, Новосибирск, просп. Ак. Коптюга, д. 3

Поступила в редакцию 10.09.2012 г.

На основе данных экспериментального и теоретического моделирования представлена схема сво-бодноконвективных течений в зоне субдукции. Представлены результаты экспериментального моделирования свободноконвективных течений в субдукционной зоне для различных условий теплообмена на "океаническом крыле зоны субдукции" и "континентальном крыле". Экспериментальное моделирование показывает, что при анализе зон субдукции следует проводить оценку величины горизонтально направленных сил слева и справа от погружающейся плиты, оценку величины суммарной горизонтальной силы и определить ее направление. Векторная сумма горизонтальной силы и силы тяжести субдуцирующей плиты указывает угол наклона субдуцирующей плиты для различных глубин погружения. Проанализирован теплообмен в субдуцирующей плите. Оценена координата _ут1п для положения минимальной температуры в плите и величина минимальной температуры Ттп. Представлены оценки сил, возникающих из-за фазового перехода и горизонтального градиента температуры по толщине опускающейся литосферы в переходной зоне мантии (слое С). Силы противоположно направлены от координаты утп и вызывают растекание субдуцирующей литосферы в противоположных направлениях вдоль границы верхней и нижней мантии. Анализ процессов гидродинамики и теплообмена и экспериментальное моделирование конвективных течений в зоне субдукции указывают на существование циркуляции значительной части вещества погружающейся плиты в верхней мантии в океаническом крыле зоны субдукции вследствие того, что на границе 670 км происходит растекание от области минимального значения температуры.

Б01: 10.7868/80016853X13030041

ВВЕДЕНИЕ

Геодинамика занимается установлением и исследованием процессов и сил, порождающих движения в тектоносфере и в глубинных оболочках Земли. Прежде всего, к таким силам относятся термогравитационные силы, обусловливающие свободноконвективные течения в глубинных оболочках Земли. В конечном счете, конвективными движениями определяются основные процессы взаимодействия литосферы и астеносферы, к числу которых относится погружение лито-сферных плит в зонах субдукции [1]. Однако геодинамические процессы в глубинных оболочках Земли недоступны непосредственному наблюдению, и поэтому принципиальное значение в исследованиях глубинных геодинамических процессов, ответственных за движения и взаимодействия в тектоносфере, приобретают опосредованные методы, прежде всего, метод лабораторного и теоретического моделирования.

В лабораторном моделировании погружения плит в мантию в качестве основной силы, движущей плиту, рассматривается сила отрицательной плавучести. Плотная высоковязкая пластина по-

гружается в менее плотную и менее вязкую жидкость за счет разности плотностей "субдуцирующей плиты" и "окружающей мантии" [12, 24, 29, 30, 35]. Значительная роль принадлежит модельным экспериментам, в которых, кроме силы отрицательной плавучести, действует сила, приложенная к торцу субдуцирующей пластины [16, 25,

34]. Вводится надвигающаяся плита — свободная, фиксированная или толкаемая поршнем [21, 25, 28]. В недавних экспериментах представлена связь скорости субдукции с геометрией слэба и режимом миграции шарнира субдуцирующей плиты, влияние отношения вязкостей плиты и окружающей мантии на радиус изгиба плиты [34,

35]. Выявлена взаимосвязь процесса субдукции и режимов движения надвигающейся плиты [25, 28]. Кроме того, рассмотрено взаимодействие хребта, параллельного желобу, с зоной субдукции [26] и погружение обломка континентального материала на океанической плите [13].

В качестве основного управляющего механизма субдукции часто рассматривается отрицательная плавучесть погружающегося слэба. Конвективные движения в подстилающей мантии рас-

считываются на основе скоростей движения литосферных плит. Однако в работах [1, 4, 9, 20] показано, что крупномасштабные течения в астеносфере — это свободноконвективные течения, создающиеся под действием горизонтального градиента температуры. Мелкомасштабное вали-ковое течение возникает вследствие охлаждения астеносферного конвективного потока лито-сферной плитой: у охлаждающей кровли астеносферы создается неустойчивая температурная стратификация. На основании геологических, геофизических и петрологических данных в вышеуказанных работах построена теплофизиче-ская модель астеносферы под срединно-океани-ческим хребтом (СОХ). Она представляет собой горизонтальный слой, нагреваемый снизу (в окрестности оси СОХ) и охлаждаемый на кровле (граница литосфера—астеносфера); подошва слоя — адиабатическая. Вблизи охлаждаемой кровли астеносферы существует валиковое течение; оси валиков расположены по направлению крупномасштабного течения.

Согласно ряду имеющихся сейсмотомографи-ческих изображений субдуцирующей плиты, ее движение в окрестности границы 670 км представляется, как одностороннее движение, направленное от зоны субдукции [22, 23, 38, 43, 45, 46]. На основе таких изображений проводится численное моделирование процесса субдукции [15, 17, 18, 32, 33, 39, 40]. Сейсмотомографиче-ские изображения зон субдукции интерпретируются и как погружение плиты в нижнюю мантию [14, 41, 42]. Однако для подтверждения указанных интерпретаций требуется детальный анализ влияния всех сил, оценка их величины и определение поля температуры для каждой зоны субдукции с учетом свободноконвективных течений в астеносфере и переходной зоне мантии (слое С). В настоящей статье сначала анализируется возможная модель свободноконвективных течений в зоне субдукции и проводится анализ сил, действующих в субдукционной зоне. Затем приводятся результаты экспериментального теплофизического моделирования свободноконвективных течений в зоне субдукции, на основе которых представлено соотношение горизонтально направленных сил и силы тяжести, действующей на субдуциру-ющую плиту. Далее представлено распределение температуры в субдуцирующей плите и сделаны оценки координаты ут1п для положения минимальной температуры Ттп в плите и оценки минимальной температуры. Наконец, представлены оценки величины сил в опускающейся плите вблизи границы 670 км и размеров потоков, растекающихся вдоль этой границы от лобовой точки с координатой утЬ.

СХЕМА ТЕЧЕНИЙ В ЗОНЕ СУБДУКЦИИ

В настоящее время для перидотитовой верхней мантии экспериментально найдены реологические границы проявления упругих и вязких свойств мантийного вещества в зависимости от P-T-условий [31, 44]. Экспериментальные исследования реологии перидотита [31] показывают, что вещество океанической литосферы при давлении Р = 106 Па (10 кбар) и температуре T = = 850°C должно переходить в вязкое состояние (сухой крип). При наличии воды область вязкого состояния увеличивается, т.е., происходит снижение температуры и давления, при которых перидотит переходит в вязкое состояние. Экспериментальные исследования реологии одного из основных минералов верхней мантии — рингвудита, при P-T-условиях, соответствующих слою С, показали, что уже при 600°С рингвудит переходит в пластическое состояние [44]. Как показано ниже в области существования рингвудита минимальная температура в погружающейся плите Tmin > 600°С, т.е., в слое С будет вязкое течение. Зная распределение температуры в погружающейся литосферной плите, можно выделить в ней область, где определяющими будут упругие свойства, вблизи минимального значения температуры для фиксированного горизонтального сечения плиты. Эта область имеет размер 30 км в зоне начала погружения плиты и затем вырождается, не достигая границы фазового перехода оливин-вад-слеит на глубине 410 км (рис. 1).

Силы, движущие океаническую литосферу и субдуцирующую плиту, имеют различные механизмы. На океаническую литосферу действуют в одном направлении сила "соскальзывания плиты" Fp [37]), возникающая из-за наличия средин-но-океанического хребта и сила трения на подошве литосферной плиты Fa, возникающая вследствие свободноконвективного течения в астеносферном слое, скорость которого больше, чем скорость литосферной плиты [6] (см. рис. 1). Эти "горизонтальные силы" направлены к зоне субдукции и транспортируют к ней океаническую литосферу. На погружающуюся литосферную плиту действуют в основном "вертикальные силы", вызванные разностью плотности между плитой и окружающей мантией. Разность плотности между плитой и окружающей мантией возникает вследствие разности температуры между ними. Вследствие этой разности плотности создается термогравитационная сила F1T (см. рис. 1). В англоязычных работах результирующая массовая сила, действующая на литосферную плиту вследствие ее отрицательной плавучести, называется тянущей силой (англ. slab pull) [36, 37]. В коровом слое субдуцирующей плиты происходит эклоги-тизация, ведущая к образованию фаз большей плотности (гранат) вместо низкоплотных мине-

Океаническая литосфера

Т= 1800°С

Рис. 1. Схема течений в зоне субдукции

1 — граница фазового перехода "оливин—вадслеит"; 2 — распределение температуры в континентальном крыле вдали от зоны субдукции; 3 — нижнемантийные свободноконвективные течения; Хо — расстояние от оси срединно-океани-ческого хребта до желоба; 5кс — толщина корового слоя субдуцирующей плиты, ио — скорость движения субдуцирую-щей плиты. Схемы течений на океаническом и континентальном крыльях зоны субдукции, а также силы, действующие в субдукционной зоне, представлены по данным экспериментального и теоретического моделирования [1, 4—8]. На границе 670 км показано растекание опускного течения в лобовой точке [11] в соответствии с данными лабораторного моделирования свободноконвективных течений вязкой жидкости. Область упругого состояния показана наклонными штрихами

ралов при повышении давления. Вследствие эк-логитизации возникает сила Бэ. Вследствие фазового перехода оливина в вадслеит, для которого (дТ/дх)фп > 0 и плотность вад

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком