Конвекция в мантии Земли

Source - http://avspir.narod.ru/geo/khain1995/hain_18_2.htm

Важнейшим процессом, обусловливающим динамику, является конвекция, прежде всего тепловая. Если бы внутреннее тепло, накапливающееся в Земле, поступало к поверхности лишь путем обычной теплопроводности (кондуктивного теплопереноса), Земля быстро разогрелась бы до полного плавления. Но теплоперенос осуществляется не только кондуктивным, но и конвективным путем, что защищает планету от перегрева. Подтверждение реальности мантийной конвекции поступило лишь с сейсмотомографией, когда 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.

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 выступает поле силы тяжести, поэтому такая конвекция называется тепловой гравитационной, или 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 называется адвекцией, наблюдаемой при образовании соляных куполов). Все деформации, связанные с инверсией плотностей в коре и мантии, служат проявлением свободной конвекции.

Самой инверсии плотностей (расположения более легких масс под более тяжелыми) не достаточно для зарождения 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 квазижидкости появляется 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. Конвекция в горизонтальном слое возникает не при любой инверсии плотности, а лишь при превышении критического значения числа Рэлея.

В последние декады в конвективной гидродинамике получен важный результат, который заключается в том, что наряду с первым критическим значением числа Рэлея существует второе критическое значение. В интервале между этими критическими значениями будут устойчивыми стационарные движения в виде конвективных валов и есть условия перестройка конвективных валов в гексагональные ячейки.

В случае, когда вязкость жидкости изменяется по вертикали вместе с изменением температуры, наблюдаются вариации формы гексагональных ячеек. У большинства жидкостей вязкость увеличивается при понижении температуры, т.е. вертикальный градиент вязкости положителен (вязкость возрастает снизу вверх). При этом возникают ячейки с восходящим потоком в центре и нисходящим — по краям ячейки, т.е. по периметру шестиугольника. У некоторых жидкостей и у всех газов вертикальный градиент вязкости при подогреве снизу отрицателен. Вследствие этого в центре ячейки возникает нисходящий поток, а по периферии — компенсирующий восходящий.

Свободная конвекция может иметь разную «степень свободы». Конвективные течения в мощном слое принимают форму замкнутых ячей. Идеальная ячейка в разрезе вписана в квадрат, внутри которого происходит конвективное вращение. В этой ячейке расстояние между конвективными валами и компенсирующими их впадинами соизмеримо с мощностью конвектирующего слоя. Такому представлению отвечает закономерность, заключающаяся в соизмеримости размеров структур с глубиной их заложения, но такие условия реализуются не всегда; «степень свободы» конвекции может снижаться в случае, если подогрев горизонтального слоя происходит не снизу, а сбоку или при ограниченной длине конвектирующего горизонтального слоя. В первом случае конвективная ячейка оказывается резко удлиненной по горизонтали, с подтоком вещества к зоне подогрева в нижней части слоя и противотоком в верхней части. Во втором случае возникает интерференция частных и общих конвективных (адвективных) движений.

К категории вынужденной конвекции относится процесс, происходящий при субдукции литосферных плит. В этом случае со стороны субдуцируемой плиты к основанию вышележащей геосферы приложено сдвиговое усилие, возбуждающее в этой геосфере горизонтальное течение в направлении субдукции (в нижней части геосферы) и компенсационный горизонтальный противоток (в верхней части геосферы). Нижний поток вызывает образование зоны горизонтального сжатия — скучивания на фронте субдукции, что мы и видим в аккреционном клине ее надвинутого крыла, а в тылу — зоны горизонтального растяжения, что и наблюдается на внешнем, обращенном к океану склоне глубоководного желоба. В тылу верхнего потока в обстановке горизонтального растяжения формируются впадины окраинных морей. Фронтальной части этого потока соответствует зона надвигообразования на внутреннем склоне желоба (верхняя часть аккреционного клина).