Мантийная конвекция

Возможные Механизмы Движения Литосферных Плит

В самой литосферной оболочке имеются следующие силы:

Если не считать боковых давлений со стороны смежных литосферных плит, то выделяются две основные причины, способные вызвать перемещения плит относительно друг друга и по отношению к мантии. Первая из них – это соскальзывание океанических плит со склонов астеносферных линз, расположенных под срединно-океаническими хребтами, а вторая связана с погружением холодных и поэтому более тяжелых океанических плит в горячую мантию по зонам субдукции. Силы Кориолиса также имеют место быть.

Опускающийся в мантию слэб тонет и тянет остающуюся “на плаву”плиту.

Если океаническая литосфера по зоне субдукции погрузилась в мантию на глубину h, то за счет большей плотности ее холодных пород по сравнению с горячим веществом мантии возникает отрицательная Архимедова сила. При отсутствии трения эта затягивающая сила создает в приповерхностном сечении литосферы напряжение растяжения. Например, если погружающаяся плита опустилась до глубины 400 км, то напряжение растяжения в океанической литосфере перед глубоководным желобом в зависимости от значения угла погружения может достигать 2-3 кбар (т/см2). Следует учитывать, что погружение холодной океанической литосферы на уровень экзотермического фазового перехода в горячей мантии приводит к увеличению ее плотности над этой границей и тем самым к усилению эффекта затягивания плиты в мантию. Так, при достижении IV фазовой границы на глубине 400 км, отвечающей переходу оливина под влиянием высоких давлений из ромбической сингонии (a-фазы) в шпинелевую модификацию (b-фазу), плотность этого минерала увеличивается приблизительно на 8%. Температура опускающейся плиты на глубине рассматриваемого фазового перехода (около 400 км) еще приблизительно на 500 °С ниже температуры окружающей ее горячей мантии. Поэтому рассматриваемый полиморфный переход в ее веществе и соответствующее ему “утяжеление” плиты произойдет на глубине около 380 км и на этих глубинах возникнет дополнительное давление около 0,2 кбар, еще более усиливающее затягивание литосферной плиты в мантию.

Аналогичная картина будет наблюдаться и при пересечении опускающейся плитой фазовой границы V (около 470 км) – давление увеличится на столько же. В противоположность этому при
пересечении плитой эндотермической границы на глубине 670 км ее давление снизится на 0,2 кбар. Однако на этом уровне общее избыточное давление погружающейся плиты около 5-6 кбар. Поэтому эндотермическая граница фазового перехода на глубине 670 км хоть и ослабляет затягивающую силу тяжести океанической литосферной плиты, но вовсе не препятствует ее дальнейшему погружению.

Аналогично этому экзотермические фазовые переходы в мантийном веществе только способствуют подъему более горячих восходящих потоков в мантии. Температура восходящего потока приблизительно на 30 °С выше средней температуры окружающей мантии и в этом случае, граница перехода оливина из a-фазы в b-фазу (IV граница) опустится в этом потоке на 3 км, а в самом потоке возникнет дополнительная подъемная сила с избыточным давлением около 0,05 кбар. Граница же эндотермического фазового перехода на глубине 670 км (граница VI), наоборот, поднимется на подобную высоту и приведет к некому торможению восходящего потока. Учитывая, что вязкость вещества в горячем восходящем потоке существенно ниже, чем в опускающейся и более холодной литосфере, то можно ожидать под этой границей растекания мантийного вещества с его накоплением под ней.

Однако, поскольку восходящие потоки в мантии формируются все-таки на поверхности
земного ядра (на глубинах в 3000 км), их подъемная сила порядка 0,5-1,0 кбар, что намного превышает “запирающее” воздействие эндотермической границы на глубине 670 км. Поэтому глобальная конвекция остается единой для верхней и нижней мантии, хотя “запирающее” воздействие такой границы может несколько осложнять конвекцию и приводить к пульсирующему режиму ее функционирования.

Приведенные оценки сил затягивания океанических плит в мантию позволили Д.Форсайту и С. Уеде (Forsyth, Uyeda, 1975) высказать предположение, что наблюдаемые скорости движения литосферных плит зависят от длины опоясывающих их зон субдукции.

Действительно, “быстрыми” плитами оказались чисто океанические плиты с относительно малой толщиной (от 60 до 80 км) и сравнительно протяженными зонами субдукции. Но по этой же классификации в разряд “медленных” плит попадают почти все континентальные плиты, характеризующиеся большой мощностью (до 250 км), и скрепленные с ними океанические плиты. При этом выяснилась интересная закономерность: чем больше площадь континентальной плиты, тем скорость ее дрейфа оказывалась меньшей, что говорит о том, что мощные континентальные плиты, подобно сидящим на мели айсбергам, своими корнями погружаются в мезосферу мантии, а горизонтальные составляющие мантийных течений под такими плитами либо малы, либо их влияние на большой площади крупных континентов взаимно уравновешиваются.

По сути это все та же тепловая конвекция, движущим началом в которой является не разогрев снизу более холодного вещества, наоборот, охлаждение сверху более горячего вещества.

Таким образом гравитационная неустойчивость океанических литосферных плит сама может породить их движение и создать мантийную конвекцию.

Следует вспомнить исследования движений охлажденных лавовых корок по поверхности расплавленного лавового озера вулкана Килауэ на Гавайях, проведенные столетие назад О. Фишером. Он наблюдал, как эти охлажденные и более тяжелые по сравнению с плотностью горячей магмы корки, подобно микролитосферным плитам, соскальзывают с поверхности огненно-жидкой лавы, образуя, с одной стороны, структуры похожие на срединно-океанические хребты, а с другой - подобие зон субдукции, в которых холодные корки вновь погружаются в раскаленную магму и полностью переплавляются в ней.

В реальных условиях и давление сжатия океанической литосферы в месте ее контакта с пассивной окраиной континента, и напряжение растяжения литосферы перед зоной поддвига плит могут отличаться от простых оценок, что связано с взаимодействием плит друг с другом и с мантийным
веществом. Поскольку в этой модели плиты перемещаются по отношению к неподвижной мантии, обязательно возникнут силы вязкого трения с мантийным веществом и противодействующие их перемещениям касательные напряжения торможения. Свой тормозящий вклад вносит также трение плит в зонах субдукции и активных частях трансформных разломов. В результате движение плит оказывается значительно заторможенным, а соответствующие силы затягивания плит в мантию -существенно ослабленными.

Поскольку величина сил вязкого торможения возрастает с увеличением скорости перемещения плит, их движение происходит с постоянными скоростями в несколько сантиметров в год. В стационарном случае сумма движущих сил полностью уравновешивается суммой тормозящих сил.

Мантийная конвекция: достаточно ли для ее возбуждения описанных механизмов “самодвижения” океанических литосферных плит? Следует помнить, что рассмотренный механизм перемещения литосферных плит мог действовать только с 2,6 млрд лет назад, поскольку в архее, как и на Венере сейчас, зон субдукции не существовало, а их функцию выполняли зоны скучивания и надвигания базальтовых пластин на края континентальных щитов.В настоящее время ежегодно по зонам субдукции в мантию погружается 7,6•1017 г/год, или около 230 км3/год охлажденных пород океанических литосферных плит. Анализ теплопотерь Земли свидетельствует, что основные потери эндогенного тепла происходят и происходили через океаническую кору в процессе формирования океанических плит. Тектоническое развитие Земли по законам тектоники литосферных плит началось только в раннем протерозое после выделения земного ядра ( 2,6 млрд лет назад). За это время было потеряно около 5,32•1037 эрг тепловой энергии. В настоящее же время через океаническое дно теряется около 3,09•1020 эрг/с, или 9,75•1027 эрг/год тепловой энергии, но поскольку океанические плиты образуются за счет кристаллизации и охлаждения мантийного вещества, а их средняя температура при этом меняется мало, то в первом приближении можно принять, что теплопотери оказываются пропорциональными массам образовавшихся и погрузившихся в мантию литосферных плит. Учитывая, что средняя плотность океанических плит 3,3 г/см3, можно оценить, что за последние 2,6млрд лет в мантию погрузилось около 1,25•1012 км3, или 4,13•1027 г литосферных плит.

Масса современной конвектирующей мантии (без континентальной коры) равна 4•1027 г и за время действия механизма тектоники литосферных плит в 2600 Му в мантию Земли погрузилось литосферных плит несколько больше, чем масса самой мантии и вещество мантии по крайней мере один раз успело полностью “прокрутиться” в конвективном цикле (после архея существовало шесть таких конвективных циклов).

Механизмы “самодвижения”литосферных плит могут создать крупномасштабную конвекцию с заметным массообменом в мантии. Однако по сути рассмотренная конвекция является типично тепловой с тем лишь отличием от классического случая, что в ней ведущую роль играет не подъем разогретого мантийного вещества в земных недрах, а, наоборот, погружение охлажденного на поверхности пограничного слоя мантии, т.е. океанических литосферных плит.

Для длительного функционирования этой конвекции как тепловой конвекции, к веществу мантии необходимо подводить энергию не меньшую, чем ее теплопотери. При этом интенсивность конвективного массообмена в мантии (т.е. средние скорости движения океанических плит или средняя интенсивность тектонической активности Земли) будет полностью контролироваться скоростью генерации в мантии энергии. Связано это с сильной экспоненциальной зависимостью вязкости мантийного вещества от температуры, а следовательно, и от подвода к нему тепловой энергии: при снижении скорости генерации тепла в мантии ее вязкость будет повышаться и возрастут силы вязкого трения, препятствующие движению плит по рассмотренным здесь механизмам. И наоборот, при поступлении дополнительной энергии вязкость мантии и силы трения уменьшаются, а скорость “самодвижения” плит возрастает.

Поэтому тектоническая активность Земли в рамках этой модели движения плит строго определяется генерацией тепловой энергии в глубинах мантии (без учета радиоактивной энергии, выделяющейся в континентальной коре), т.е. фактически описывается тепловым потоком через океаническое дно. Все остальные факторы (сила Кориолиса, приливное влияние Луны) – второстепенны. Основной вклад в глубинный тепловой поток вносит процесс химико-плотностной дифференциации земного вещества на плотное окисно-железное ядро и остаточную силикатную мантию. Следовательно, и тепловая конвекция в мантии должна в основном определяться этим же процессом.

source -Sorokhtin O. http://www.evolbiol.ru/sorohtin10.pdf

see also http://plate-tectonic.narod.ru/earthdifferentiationphotoalbum.html - Изменeниe внутреннeй структуры Земли в течение ee истории

Природа Мантийной Конвекции. Cуперконтинент
Природа Мантийной Конвекции.
процессы в оболочках Земли
Современные представления о механизме тектоногенеза
Динамическaя активность магм как основнaя движущaя силa глобальных тектонических процессов