ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2012, том 447, № 2, с. 214-216
ГЕОФИЗИКА
УДК 550.311
ПРОЯВЛЕНИЯ ПЛЮМОВ В СТРУКТУРЕ МАНТИИНОИ КОНВЕКЦИИ, ТЕПЛОВОМ ПОЛЕ И МАССОПЕРЕНОСЕ
© 2012 г. Член-корреспондент РАН В. П. Трубицын, А. Н. Евсеев, М. Н. Евсеев, Е. В. Харыбин
Поступило 06.06.2012 г.
Гипотеза о существовании в мантии плюмов была выдвинута и аргументирована Вильсоном в 1965 г. и затем развита Морганом в 1971 г. В последующие годы были опубликованы тысячи статей о свойствах мантийных плюмов. В настоящее время именно плюмами объясняются гигантские вулканические извержения, порождающие действующие вулканические горячие точки, большие огненные провинции на континентах и крупнейшие базальтовые плато на дне океанов [1]. Однако до сих пор ряд геологов и геофизиков считают, что представления о плюмах основаны только на интерпретации данных о процессах на поверхности и, в отсутствие прямых наблюдений плюмов в мантии, необходимы более веские доказательства как существования самих плюмов, так и мест их зарождения. Так, в книге по итогам крупной международной конференции [2] указывается, что в настоящее время имеются две противоположные концепции глобальной геодинамики: тектоника плит и тектоника плюмов. Согласно тектонике, плит вулканы зарождаются в верхах мантии при взаимодействии литосферных плит с мантийными течениями. Согласно тектонике плюмов, вулканы порождаются грибовидными потоками горячего вещества, идущего со дна мантии. Уже полувека со времен открытия конвекции в мантии и создания кинематической теории ли-тосферных плит стоит проблема создания единой геодинамической теории плит и плюмов.
В работах [3, 4] представлены результаты прямого численного эксперимента, описывающего процессы в веществе с вязкопластической реологией типа измеренной для оливина в нагреваемом слое с параметрами мантии. Показано, что в слое возникает тепловая конвекция. При реологии сухого оливина верхний холодный высоковязкий слой остается сплошным (как на Марсе и Венере), а при реологии мокрого оливина литосфера разбивается на отдельные жесткие погружающиеся в мантию плиты. При этом благодаря большо-
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской Академии наук, Москва
му перепаду температур идущие со дна мантии конвективные струи принимают грибовидную форму плюма.
В настоящей работе приводятся результаты дальнейших расчетов двумерных моделей конвекции в мантии. Рассматривается модель без учета пластичности литосферы, но с дополнительной детализацией геодинамических проявлений плю-мов. Рассчитываются процессы, возникающие в слое размером 9000 х 3000 км с параметрами мантии, при которых возникает конвекция с интенсивностью, характеризуемой числом Рэлея 5 ■ 107. Благодаря зависимости вязкости от температуры вблизи поверхности возникает слой холодный повышенной вязкости, тормозящий выход плю-мов на поверхность. Благодаря фазовому переходу оливина в фазу перовскита на глубине 660 км возникает граница, отделяющая верхнюю мантию с вязкостью 5 ■ 1020 Па • с от нижней мантии, имеющей в 30 раз большую вязкость, и влияющая на структуру конвективных течений.
На рис. 1 показаны проявления плюмов в различных полях внутри мантии и на поверхности. Уже несколько десятилетий ведется изучение мантийных плюмов с помощью сейсмической томографии. Погружающиеся литосферные плиты на несколько сотен градусов холоднее по сравнению с окружающей мантией. Поэтому они достаточно хорошо видны на томографии верхней мантии и даже прослеживаются и в нижней мантии до больших глубин. Мантийные плюмы горячее мантии всего на 100—200°С, поэтому томографией выделяются только частично. Как видно на рис. 1, такую же картину отражает и рассчитанное поле температур, где более горячие плюмы видны менее четко, чем нисходящие холодные течения, и прослеживаются в основном только в нижней мантии. В распределении вязкости плиты и плю-мы видны благодаря зависимости вязкости от температуры. В распределении теплового потока внутри мантии плюмы видны более четко благодаря тому, что конвективный поток определяется произведением температуры на скорость, которые обе для плюмов повышены. В то же время для плит этот эффект выражен менее четко, так как у
о
Температура
Вязкость
и
К К
г
м
т, к
1-3000
1500
3000 км 0
1500 -
q, мВт/м
100 80 60
3000 6000
Поверхностный тепловой поток
9000
3000 6000
Динамический рельеф
9000
0
1500
0 3000 6000
Тепловые потоки внутри мантии
9000
3000 км 0
1 "1 7 1 \ 1 1 1 \ 1 \ ШГ" И? : ; 4 - -4 ч- У я ■Ш
Я,
мВт/м2
; 150 ;юо
:50
0 3000 6000 9000
Маркеры, переносящие вещество со дна мантии
1500
3000
6000
9000 км
3000 км 0
С Н 1.0
■0.5
3000
6000
9000 км
Рис. 1. Результаты численного моделирования конвекции, возникающей в нагреваемом слое вязкого вещества со средними параметрами мантии Земли. Скорости течений показаны стрелками с максимальным значением 20 см/год. Температура Т, вязкость г|, тепловой поток д и концентрация вещества С, поднимаемого плюмами со дна слоя, показаны серыми тонами со шкалами справа. Границы фазовых переходов на глубинах 420, 660 и 2700 км показаны линиями.
Я
та §
§
и Я
§
о и
и
о н та
•<!
п •<! та и
Я н Я Я
я
о
я §
я и
и
Я
я
ы
216
ТРУБИЦЫН и др.
плит температура понижена, а скорость погружения, наоборот, высокая. В отличие от поля температуры, где плюмы видны четче в нижней мантии, в поле теплового потока плюмы более четко видны в верхней мантии, где велика скорость переноса массы и тепла.
Наиболее четко плюмы видны в потоках массы. Известная широко используемая базовая программа численного решения уравнений конвекции СИеош была дополнена модулем расчета движения вещества методом маркеров, которые перемещаются со скоростью течений в данном месте в каждый момент времени. В отличие от мгновенной картины скоростей течений маркеры позволяют видеть всю траекторию движения вещества. На рис. 1 видно, что при интенсивной конвекции для параметров современной мантии плюмы неизбежно возникают в мантии Земли и при этом зарождаются в основном на дне мантии.
Поскольку в данной работе не учитывалась зависимость вязкости от скоростей деформации, то верхняя холодная часть мантии ведет себя как сплошной слой с повышенной вязкостью, не расколотый на отдельные плиты. Также в данной работе не учитывается не изученный еще до настоящего времени процесс внедрения плюмов в литосферу с механическим и тепловым разрушением. Поэтому на рис. 1 плюмы растекаются под литосферой в большей мере, чем в реальной мантии. Таким образом, представленная модель фактически показывает проявления только тех плюмов, которые находятся внутри мантии и еще не вышли на поверхность.
Однако даже эти плюмы уже вносят вклад в поверхностный тепловой поток q и рельеф поверхности к. Как видно на рис. 1, рассчитанный тепловой поток и рельеф повышены над местами, где в мантии к поверхности приближаются плюмы.
Таким образом, по результатам численного моделирования мантийной конвекции можно сделать следующие выводы:
1. Плюмы неизбежно возникают в условиях мантии Земли. При этом процессы дифференциации вещества и возможные аномалии тепло- и массообмена на границе с ядром не являются необходимыми для возникновения плюмов.
2. Основным местом зарождения плюмов является аномально горячий погранслой на дне мантии.
3. В условиях современной мантии плюмы имеют тонкие ножки толщиной около 100 км и шляпки, достигающие у подошвы литосферы размеров в тысячи километров. Возникновение грибовидной формы восходящих мантийных
струй обусловлено высокой интенсивностью конвекции, когда перегретый легкий объем вещества на горячем дне мантии всплывает достаточно быстро, так что как бы отрывается от остального поднимающегося в виде ножки вещества. При пониженной на два порядка вязкости поднимающегося легкого вещества возникает неустойчивость типа Рэлея—Тейлора, приводящая к форме плюма как при атомном взрыве. При вхождении плюма в верхнюю мантию скорость плюма увеличивается. На подошве высоковязкой прочной литосферы плюмы резко тормозятся, его вещество растекается в стороны. Поэтому шляпка плюма может дополнительно уширяться в несколько раз. Первое вступление мантийного плюма (шляпки) при выходе на поверхность должно проявиться на континенте в виде большой огненной провинции и на дне океанов в виде крупного базальтового плато. Поступление на поверхность вещества ножки плюма должно приводить к длительно действующей (до 100 млн лет) горячей точке, которая в движущейся литосферной плите оставляет след в виде траектории.
4. Мантийные плюмы не могут свободно проходить сквозь общемантийные течения, а фактически сами эти течения наводят, увлекая при подъеме окружающее вещество. В работе [4] показано, что в верхней мантии мантийные течения наводятся погружающимися литосферными плитами. Таким образом, с учетом фазового перехода со скачком плотности и вязкости на глубине 660 км можно условно считать, что структура в нижней мантии определяется мантийными плюмами, а в верхней мантии — погружающимися плитами. При этом конвекция является общемантийной, но течения с высокими скоростями могут концентрироваться в верхней мантии. Такая структура мантийной конвекции обеспечивает глобальное перераспределение элементов с формированием геохимических резервуаров. Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ 11-05-00256 и 11—05— 00262.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Schubert G., Turcotte D.L., Olson P. Mantle Convection in the Earth and Planets. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2001. 940 p.
2. Foulger G.R. Plates vs. Plumes: A Geological Controversy. N.Y; L.: Wiley-Blackwell, 2010. 364 p.
3. Трубицын В.П. // ДАН. 2010. Т. 434. № 5. С. 681— 683.
4. Трубицын В.П. // Физика Земли. 2012. № 6. С. 3— 22.
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 447 № 2 2012
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.