УДК 551.24
О ГЛОБАЛЬНОЙ АСТЕНОСФЕРЕ
© 2011 г. В. В. Гордиенко, И. М. Логвинов
Институт геофизики НАН Украины, г. Киев Поступила в редакцию 12.01.2010 г.
На основании анализа тепловой истории мантии выдвинута гипотеза о существовании слоя частичного плавления на глубинах около 700—1100 км под всей поверхностью Земли. Приведены не противоречащие ей данные сейсмологии и результаты геоэлектрических исследований, фиксирующие проводящий слой на сопоставимых глубинах в центральной и восточной Европе.
ВВЕДЕНИЕ
Термин "астеносфера" все чаще используется (в том числе, и авторами) для обозначения зон частичного плавления пород коры и верхней мантии. Подразумевается, что именно превышение солидуса и появление жидкости служит причиной значимой неустойчивости (пониженной вязкости) вещества. Многие геофизические данные говорят об отсутствии такой непрерывной геосферы в соответствующем интервале глубин, о распространении здесь спорадически возникающих (при прогреве поднявшимися астенолитами) и исчезающих (при их остывании после прекращения подпитки перегретым веществом снизу) линз частично расплавленных пород. Поэтому авторы считают необходимым использовать формально избыточный термин "глобальная астеносфера", имея в виду выделение объекта, охватывающего всю планету и занимающего часть нижней мантии. Имеющаяся оценка связанной с ним аномалии скорости распространения сейсмических волн показывает, что только сейсмологическими методами это сделать трудно. Обнаружение отвечающей астеносфере аномалии электропроводности представляется вполне достижимым.
ТЕПЛОВАЯ МОДЕЛЬ
Для глубин в сотни км современная тепловая модель может быть построена только как результат решения нестационарной задачи анализа тепловой истории Земли с учетом представления о начальном распределении температуры (Т) примерно 4.2 млрд. лет назад. Последнее обусловлено [Гордиенко, 2007; Рингвуд, 1981 и др.] предшествующей аккрецией и дифференциацией Земли на ядро и внешние оболочки в течение нескольких сотен млн. лет, соответствующим разогревом и образованием "магматического океана" глубиной около 1000 км. Последний обогащается летучими и "некогерентными" элементами относительно твердой мантии (которая становится очень сухой и лишенной летучих элементов" [Ранняя..., 1980, с. 28]),
из него выносится вещество коры. Процесс сопровождается интенсивным тепломассопереносом (скорее всего, непрерывной конвекцией), охлаждением тектоносферы до уровня температуры солидуса пород. При ее достижении вязкость вещества мантии существенно увеличивается, непрерывная конвекция становится маловероятной. Последующие изменения температуры связываются с кон-дуктивным охлаждением через поверхность, выделением радиогенного тепла (тепллогенерацией — ТГ) изменяющейся во времени интенсивностью и выносом тепла к поверхности адвективным путем во время активизаций. Именно этот последний период, охватывающий большую часть истории Земли, рассмотрен ниже. Вычисления проведены в несколько этапов, при этом, использовались формулы, приведенные, в частности, в работе [Гордиенко, 2007].
1. При расчете изменения начального распределения температуры за счет кондуктивного охлаждения через поверхность использовалось обычное уравнение для температуры остывающего полупространства. Каждый из источников соответствовал интервалу глубин, в пределах которого аномальная (по сравнению с поверхностью) температура принималась одинаковой. Тестовые расчеты показали, что для нашей модели достаточно учесть Т в слое мощностью около 1500—2000 км.
2. Полученное распределение температуры для каждого момента дополнялось эффектами четырех одномерных изменяющихся во времени радиогенных источников тепла: а) верхней части коры, б) нижней части коры, в) верхней мантии и г) нижней мантии (рис. 1). Показано, что возможен вариант пониженной (примерно на 30%) теп-логенерации в коре и верхней мантии. В этом случае активизации происходят реже. Изменение теплогенерации в каждом из слоев по времени учитывалось разбиением периода расчета на интервалы с выдержанной в их пределах ТГ.
Информация о ТГ коровых пород достаточно полна и надежна, тогда как изученность мантийных
35
3*
ТГ, мкВт/м 0.15
0.05
ТГ, мкВт/м3
0
Млрд. лет
0
Млрд. лет
Рис. 1. Радиогенная теплогенерация в коре и мантии 0—4.2 млрд. лет тому назад.
пород очень различается для калия, урана и тория. В настоящее время авторами на основании многочисленных публикаций создана подборка данных по концентрациям К2О, включающая около 1200 значений параметра. Для урана и тория количество данных примерно на порядок меньше. Данные ограничены верхней половиной верхней мантии. Ксенолиты с больших глубин неизвестны. Породы представлены как обычными для верхней мантии перидотитами (лерцолитами, гарцбургитами), так и своеобразными метасоматитами, обогащенными нехарактерными для мантии элементами (серия MAR.ro и др.). Вклад последних в среднюю тепло-генерацию мантийных пород вполне заметен, поэтому его следует учитывать при ее оценке. Эту же особенность демонстрируют и гистограммы распределений концентраций калия, урана и тория, построенные по всем известным авторам данным. В сложившейся ситуации рационально использовать средние величины концентраций. Суммарная современная теплогенерация для этого случая составит в породах верхней мантии 0.042 мкВт/м3 (К — 0.011, и - 0.016, ТЬ - 0.015 мкВт/м3). Показанная на рис. 1 величина ТГ для нижней мантии (на порядок ниже, чем в верхней) подразумевает полное отсутствие в ее пределах интервалов глубин, где породы обогащены радиоактивными элементами. В нашем случае (для рассматриваемого временного диапазона) реальные вариации этого параметра практически не влияют на результаты построения тепловой модели мантии.
При расчете практически стационарного современного теплового потока (ТП) через поверхность платформ (т.е. регионов, где отсутствуют тепловые эффекты недавнего мантийного тепломассопере-носа) с использованием приведенных значений ТГ,
как правило, обнаруживается хорошее согласие вычисленных величин ТП с наблюденными.
3. На полученные фоновые модели накладывались результаты адвекционных перемещений вещества в каждом активном эпизоде геологической истории. Изучение состава магматических пород щитов [Гордиенко, 2007; 2009а; 2009б и др.] показало, что глубины кровли астеносферы в ходе активных процессов докембрия изменяются так же, как в геосинклиналях и рифтах фанерозоя. Именно в этом смысле древним процессам были приписаны обозначения "геосинклинальный" и "рифтовый": тектонические последствия этих событий могли быть иными, чем в фанерозое.
Выбор варианта активного процесса связывался с видом предшествующей ему тепловой модели. Если перед его началом превышена температура соли-дуса в большом интервале глубин ниже 200 км и геотермический градиент выше адиабатического, ситуация считалась подходящей для возникновения внутриастеносферной конвекции и геосинклинального типа эндогенного режима. Если астеносфера перед началом активного процесса была менее мощной, условия считались подходящими для риф-тового режима или одноактной активизации (которой отвечало перемещение вещества, характерное для начального этапа рифтового процесса). Как правило, вынос вещества при рифтовом процессе осуществлялся из астеносферы или ее части мощностью около 100 км, реже — 50 км. В случае отсутствия астеносферы или ее незначительной (менее 50 км) мощности ситуация считалась непригодной для начала активного процесса, расчет (подразумевающий только эволюцию фона и сглаживание возникших прежде аномалий Т) продолжался до момента формирования необходимых условий.
4
2
4
2
При моделировании использовалось представление о кванте тектонического действия (КТД) -минимальном объеме вещества, способного к перемещению в тектоносфере [Гордиенко, 2007 и др.]. Для упрощения расчетов его диаметр во всех случаях считался равным 50 км. Каждому геосинклинальному или рифтовому событию отвечало последовательное перемещение трех КТД.
При геосинклинальном варианте развития перегретое вещество поступало вначале на глубины 150— 200 км, затем — 100—150 км, в конце — 50—100 км. На смену ему опускалось относительно холодное вещество из соответствующего интервала глубин. Латеральный тепломассоперенос в докембрии считался ограниченным или отсутствующим, что отличало эти модели от фанерозойских, включавших такой элемент в связи с нехваткой тепла, накопившегося в верхней мантии под регионом между активизациями, для обеспечения энергетических потребностей геосинклинального и (в меньшей мере) рифтового процессов [Гордиенко, 2007 и др.]. Последний акт тепломассопереноса сопровождался внедрением частично расплавленного вещества в количестве, эквивалентном слою мощностью 5—10 км, в кору. В астеносферу опускалось соответствующее количество эклогитизированных основных пород. Интервал глубин внедрения был принят для упрощения вычислений во всех случаях одинаковым — 20—30 км. При рифтовом процессе последовательность изменения глубин остановки поднявшихся КТД была обратной: вначале вторжения на глубины 50—100 км (и внедрения в кору), затем — 100—150 км и 150—200 км.
4. Влияние источников тепла, возникающих за счет перемещения фронта полиморфного перехода при изменении температуры подошвы верхней мантии, вычислялось как связанное с эффективной теплогенерацией в преобразуемом слое. Аномалии Т оказались незначительными.
5. На начальной фазе вычислений учитывалось отличие температуры поверхности Земли от современной. Температура, близкая к современной (по крайней мере, ниже 100°С), установилась после прекращения интенсивной бомбардировки поверхности крупными метеоритами около 3.8 млрд. лет назад. В период 4.2—4.0 млрд. лет назад она составляла около 500°С, затем постепенно опустилась до 100—200°С [Ранняя..., 1980 и др.].
6. До стабилизации коры и понижения температуры поверхности значительная часть воды еще находилась в мантии, что сокращало ее солидус на 150—200°С до глубины около 150 км. Момент перехода к "сухой" мантии учитывался при расчетах для определения кровли астеносферы. "Одним из самых з
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.