ГЕОТЕКТОНИКА, 2015, № 4, с. 86-96
УДК 551.2:551.14:536.25
МАНТИЙНЫЕ ТЕРМОХИМИЧЕСКИЕ ПЛЮМЫ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ФОРМИРОВАНИЕ ПОДНЯТИЙ
© 2015 г. А. Г. Кирдяшкин1, А. А. Кирдяшкин1 2
Институт геологии и минералогии СО РАН, 630090, Новосибирск, просп. Ак. Коптюга, д. 3
e-mail: aakir@mail.ru
2Новосибирский государственный университет, 630090, Новосибирск, ул. Пирогова, д. 2
Поступила в редакцию 10.10.2014 г.
Рассмотрена структура канала термохимического плюма, поднимающегося от границы ядро—мантия, когда он достигает предельной высоты подъема, и далее его подъем (выплавление канала плюма) прекращается. Относительная тепловая мощность плюмов, не достигших поверхности, Ka < 1.15, и такие плюмы мы называем плюмами малой тепловой мощности. Представлены зависимости скорости подъема шарообразной кровли плюма и скорости подъема дневной поверхности над плюмом от времени. Вследствие воздействия сверхлитостатического давления на кровлю плюма, над плюмом формируется поднятие дневной поверхности. Для различных моментов времени рассчитана высота поднятия, образовавшегося над плюмом, в зависимости от горизонтальной координаты. С уменьшением вязкости литосферы над кровлей плюма и глубины расположения кровли плюма возрастает скорость подъема дневной поверхности, и уменьшается время, за которое поднятие достигает своей наибольшей высоты. Сделаны оценки максимальной высоты поднятия над плюмом. Для различных моментов времени рассчитана высота поднятий, создающихся под влиянием двух и трех плюмов, не достигших поверхности. На основе предложенной модели формирования поднятия дневной поверхности над плюмом сделан вывод, что крупные поднятия в виде горных хребтов и плато могут образовываться под воздействием семейств плюмов, не достигающих дневной поверхности. Полученные в статье оценки скорости подъема дневной поверхности над плюмом хорошо согласуются с геологическими данными по скоростям подъема Тибета и Кавказа. Рассмотрен подъем температурного фронта над кровлей плюма, достигшего предельной высоты подъема. Получены зависимости высоты и скорости подъема температурного фронта над кровлей плюма от времени. Локальное повышение удельного теплового потока на поднятии, сформировавшемся над плюмом, может указывать на то, что достигнута предельная высота подъема поверхности над плюмом. На основе анализа теплообмена сделан вывод о связи деятельности семейств плюмов, не достигших поверхности, с образованием горячих полей.
Ключевые слова: плюмы, не достигшие поверхности, тепловая мощность, кровля плюма, высота поднятия, скорость подъема поверхности, температурный фронт, горячие поля
DOI: 10.7868/S0016853X15040037
ВВЕДЕНИЕ
Большое внимание уделяется численному моделированию формирования и динамики термохимических плюмов [32—35, 37, 39, 40, 45]. При этом под термохимическим плюмом понимается свободно-конвективный восходящий поток (тер-мик) и учитываются изменения плотности, обусловленные вариациями состава. Плюм образуется в тепловом пограничном слое в присутствии плотного химического слоя в основании мантии, и задается высокий перепад температуры между границей ядро—мантия и окружающей мантией (750 К). При подъеме теплового плюма (термика) происходит захват материала химического плотного слоя [32—35]. Голова плюма растет во время его подъема, и разность плотностей и толщина химического слоя влияют на размеры, форму и
температурное поле канала и головы плюма [32]. В модельных экспериментах мантийные плюмы генерируются впрыскиванием малоплотной низковязкой жидкости в высокоплотную высоковязкую окружающую жидкость [38, 43]. Модельный плюм поднимается за счет разности плотностей материала плюма и окружающей жидкости. Кроме "композиционных" плюмов, в экспериментах создавались плюмы при локальном нагреве емкости с рабочей жидкостью [22, 23, 26, 41]. В контексте мантийных плюмов следует отметить и численные модели мантийной конвекции, развиваемые отечественными специалистами, включая модели термохимической конвекции [12—18]. В указанных работах плюмы также представляют собой восходящие свободноконвективные потоки в мантии.
В численных моделях взаимодействия литосферы с плюмом, подошедшим к ней, вводится расслоенная литосфера со сложной реологией, могут рассматриваться плюмы, представляющие собой как ньютоновскую, так и неньютоновскую жидкость [21, 28]. Плюм рассматривается как восходящий поток нагретого материала [21, 28, 36, 44], без определения тепловой мощности источника плю-ма на границе ядро—мантия. В экспериментальном моделировании плюмы также представляют собой восходящие свободноконвективные потоки, взаимодействующие с "континентом" [27].
В работах Л.П. Зоненшайна и М.И. Кузьмина была предложена концепция тектоники горячих полей [5—7]. В настоящее время остается открытым вопрос о механизме формирования горячих полей. Регуляторами глобальной геодинамики Земли в значительной мере служат мантийные термохимические плюмы [8, 10]. Согласно модели [8], мантийный термохимический плюм формируется на границе ядро—мантия при наличии теплового потока из внешнего ядра в локализованной области поступления химической добавки, понижающей температуру плавления нижней мантии до величины Тпх < Т1, где Тпх — температура плавления при наличии химической добавки на границе ядро—мантия, определяемая равенством Тпх = Тпс — ке2, Тпс — температура плавления мантии вблизи границы ядро—мантия в отсутствие химической добавки или, другими словами, температура плавления "сухой" окружающей мантии, коэффициент к [°С/%] задает снижение температуры плавления за счет добавки, с2 — концентрация добавки на границе раздела "расплав-окружающая мантия" (на границе канала плю-ма), Т1 — температура границы ядро-мантия. Такой плюм мы называем термохимическим, потому что вследствие физико-химического взаимодействия поступающей химической добавки с мантией понижается температура плавления, и происходит плавление мантийного вещества и подъем плюма вследствие плавления. Канал плю-ма представляет собой расплав, доля расплава ф. Модель термохимического плюма [8, 9, 11] охватывает формирование плюма, проплавление мантии (подъем плюма) и излияние магматического расплава на поверхность. В подробном виде отличия указанной модели термохимического плюма от численных моделей формирования восходящих течений, в которых термохимический плюм представляет собой восходящий свободноконвек-тивный поток (термик), захватывающий материал плотного химического слоя, представлены в [25].
На границе ядро—мантия возможны химические неоднородности, которые при физико-химическом взаимодействии с мантийным веществом понижают температуру плавления ниже температуры на границе ядро—мантия. Источником химической добавки, согласно [8] могут
быть реакции железосодержащих минералов нижней мантии с водородом и/или метаном, выделяющимся на границе ядро—мантия. На наличие химической добавки может указывать, например то, что изверженные породы плюмов, имеющих тепловую мощность на порядок ниже, чем Гавайский и ответственных за образование кимберлитовых трубок (трубок взрыва), содержат большое количество С02 (до 12.8—20.5%) [24]. Взрывообразный характер извержения таких плюмов указывает на большое количество С02 при прорыве плюма на поверхность, но это количество сложно оценить [24].
При исследовании влияния термохимических плюмов на геодинамическую структуру мантии и переплавления мантии плюмами необходимо определить тепловую мощность, подводящуюся на подошвах плюмов. Эту мощность можно оценить по удельному массовому потоку магматического расплава, образованного плюмами и излившегося на поверхность. При этом остаются неучтенными плюмы, не прорвавшиеся на поверхность. Эти плюмы имеют тепловую мощность, меньшую той, при которой плюм прорывается на поверхность в отсутствие горизонтальных свободноконвектив-ных течений в мантии. Такие условия существуют под кратонами [4].
В настоящей статье рассматриваются плюмы с тепловой мощностью, меньшей, чем мощность, необходимая для прорыва плюма на поверхность (предельная тепловая мощность). Такие плюмы поднимаются от границы ядро—мантия, достигают предельной высоты подъема Ь и останавливаются в литосфере. Указанные плюмы будем называть плюмами малой тепловой мощности. В задачу данного исследования входит определение влияния плюмов малой тепловой мощности на формирование поднятий поверхности и горячих полей. Сначала с использованием данных экспериментального и теоретического моделирования представлена структура свободноконвективных течений в канале плюма, не достигшего поверхности. Затем представлен возможный механизм формирования поднятия дневной поверхности над плюмом, не достигшим ее и остановившимся в литосфере. Далее определены скорости подъема кровли плюма и подъема дневной поверхности над плюмом, а также предельная высота образовавшегося поднятия. Наконец, представлена зависимость высоты подъема температурного фронта над кровлей плюма от времени и показана связь деятельности семейств плюмов, не достигших поверхности, с образованием горячих полей.
ТЕПЛОВАЯ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ПЛЮМА, НЕ ДОСТИГШЕГО ПОВЕРХНОСТИ
Плюмы, имеющие тепловую мощность, меньшую предельной, могут существовать в основном
Поднятие над плюмом
Расплав из Ядро канала плюма
Рис. 1. Схема канала плюма, поднявшегося от границы ядро—мантия до предельной высоты L = H — Х (H = 2880 км, Х — расстояние между кровлей плюма и дневной поверхностью). Показаны свободноконвек-тивные течения в расплаве канала плюма и профили скорости течения u в массиве литосферы над кровлей плюма. Вследствие течения в высоковязком массиве литосферы, расположенном над кровлей плюма, формируется поднятие поверхности
под кратонами, где мантийные свободноконвек-тивные течения незначительные и удельный тепловой поток на границе ядро—мантия составляет #ям = 0.011—0.028 Вт/м2 [3]. Введем относительную тепловую мощность плюма Ка = N/N1, где N — тепловая мощность, передаваемая от подошвы плюма в его канал, N1 = 0.5я^мАТЬ — тепловая мощность, передаваемая каналом плюма окружающей мантии в условиях стационарной теп-
лопроводности [2]
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.