Природа Мантийной Конвекции

Природа Мантийной Конвекции. Cуперконтинент

Радиоактивный распад способен возбудить конвективные движения мантийного вещества. Уже А. Холмс (1929) обратил внимание на то, что вызывающую дрейф континентов тепловую конвекцию может порождать распад радиоактивных элементов.Строгое решение задачи о нахождении поля скоростей конвективных движений вещества в мантии Земли получено путем совместного решения уравнения Навье–Стокса для сжимаемой жидкости с уравнениями неразрывности и состояния вещества при граничных и начальных условиях, соответствующих состоянию и строению реальной мантии Земли с учетом существующих фазовых переходов в мантийном веществе и развивающихся в мантии энергетических процессов. Работы С. Чандрасекара (1961) и других исследователей не всегда могли учесть все условия задачи, поэтому находились решения, корректные с точки зрения математики, но для очень грубых моделей Земли, например для моделей, в которых вязкость мантии принималась либо постоянной, либо как монотонная функция радиуса или считалось, что мантия “подогревается” снизу ядром Земли. В результате получались громоздкие решения, лишь схематически отображающие природу реальных явлений.

Применительно к механизмам тектоники плит тепловая конвекция в мантии исследовалась Ф. Рихтером (1973, 1977), Д. Маккензи, Ф. Рихтером (1976), Д.Таркотом, Дж. Шубертом (1985), В.П. Трубицыным и В.В. Рыковым (1994–2000).

Для определения условий возникновения тепловой конвекции в мантии обычно используется критерий Рэлея. Для сферического слоя критическое значение числа Рэлея = 2000. Значение эффективной вязкости мантии Земли принимается как 1023 -1024 пуаз (Ranelli,Fisher, 1894), поэтому для возникновения сквозной тепловой конвекции достаточно сверхадиабатического перепада температуры в 1–10 °С. При этом, правда, возникает вялая конвекция, но реальные значения сверхадиабатических перепадов температуры могут достигать и нескольких десятков градусов, так что в мантии Земли действительно может возбуждаться тепловая конвекция в ее классическом понимании, т.е. за счет подогрева мантийного вещества снизу или в объеме самой мантии.

Радиоактивных элементов для этого процесса слишком мало и единственным источником энергии может быть только процесс химико-плотностной дифференциации мантийного вещества. Однако этот процесс помимо простой генерации тепла в мантии приводит еще и к возникновению плотностных неоднородностей, существенно превышающих эффекты теплового расширения вещества при его нагревании, поэтому необходимо рассматривать не просто тепловую или чисто химико-плотностную конвекцию в мантии, а их комбинацию в виде химико-тепловой плотностной конвекции.

Химико-плотностная конвекция на качественном уровне рассматривалась Е.В.Артюшковым (1968), О.Г. Сорохтиным (1974) и на уровне численного моделирования – А.С. Мониным и др.,1980, Д.Г. Сеидовым и Ю.О. Сорохтиным (1994).Химико-тепловую конвекцию в мантии с эндотермическими фазовыми переходами рассмотрели Л.И. Лобковский и В.Д. Котелкин (2000).

Условие, определяющее начало возникновения химико-плотностной конвекции, можно найти по аналогии с критерием Рэлея для тепловой конвекции. Действительно, безразмерное число Рэлея представляет собой отношение двух факторов: подъемной силы, возникающей при тепловом расширении вещества (т.е. фактора, вызывающего конвекцию), к силам сопротивления сдвиговым деформациям (т.е. к фактору,препятствующему конвекции и характеризующему скорость рассеивания тепловых неоднородностей среды). В качестве фактора, учитывающего скорость рассеивания тепловых неоднородностей при тепловой конвекции, используется коэффициент теплопроводности, в случае химико-плотностной конвекции его заменяет коэффициент диффузии химических неоднородностей. Но коэффициенты диффузии в силикатах D= 10–20–10–22 см2/с на много порядков меньше коэффициентов теплопроводности а=5•10–3 см2/с. Из-за этого модифицированное число Рэлея Rg для химико-плотностной конвекции всегда оказывается на много порядков выше его значений для тепловой конвекции.

Если вещество мантии реагирует на медленные деформации подобно вязкой жидкости, то практически любые изменения химического состава мантийного вещества, возникающие при его дифференциации на поверхности ядра, неизбежно приведут к появлению в мантии конвективных движений, даже если вызванные такой дифференциацией флуктуации плотности лишь незначительно нарушают гравитационную устойчивость мантии и скорость развития такого процесса будет полностью определяться перепадами плотности в мантийном веществе и его вязкостью. В реальных условиях, однако, скорость химико-плотностной конвекции саморегулируется таким образом, что скорость снижения потенциальной энергии Земли (благодаря дифференциации ее вещества) максимальна, а затрата энергии на преодоление сил вязкого трения в среде – минимально.

Энергетический подход позволяет количественно оценить масштабы конвективного массообмена в мантии. Так, средняя разность плотности между исходным и прошедшим дифференциацию веществом мантии незначительна и равна 0,017 г/см3. Скорость выделения “ядерного” вещества можно определить через производную по времени от эволюционного параметра Земли. В настоящее время из мантии в земное ядро переходит около 1,5•1017 г/год, или около 150 млрд т в год “ядерного” вещества (Fe•FeO). Отсюданаходится современная скорость конвективного массообмена в мантии= 5,95•1018 г/год при средней плотности мантийного вещества около 4,5 г/см3, 1320 км3/год. Это в 5,75 раза больше, чем скорость погружения океанических плит в мантию при тепловой конвекции по механизму Форсайта–Уеды, но тепловая составляющая общей конвекции управляется энергией все того же процесса химико-плотностной дифференциации Земли. Поэтому в мантии Земли существует смешанная плотностная химико-тепловая конвекция.

Если использовать энергетический подход и считать вклад различных источников энергии в конвективный массообмен Земли пропорциональным скорости генерации энергии в мантии, то современная конвекция на 89% является химико-плотностной. Интенсивность конвективного перемешивания мантии со временем менялась по зависимости, близкой к тектономагматической активности Земли.

В архее выделяются два периода повышенной конвективной и тектономагматической активности Земли. Первый из них, связанный с зонной дифференциацией металлического железа, приходится на начало архея. Конвективный массообмен в то время имел в основном тепловую природу и охватывал только верхнюю мантию и ее переходный слой глубиной 400-800 км в достаточно узком тропическом поясе. При этом первый всплеск конвективной (и тектонической) активности Земли возник в раннем архее не столько благодаря большой скорости выделения гравитационной энергии дифференциации, сколько из-за того, что вся эта энергия тогда рассеивалась в малых объемах конвектирующей мантии. В связи с этим существовавшие в раннем архее конвективные структуры должны были быть мелкими, размерами не превышающими нескольких сотен или первых тысяч километров. Следовательно, в раннем архее должно было существовать не менее 80 конвективных структур. Если же учесть, что первые зародыши (ядра) будущих континентальных щитов формировались над нисходящими потоками таких конвективных структур, то можно заключить, что в раннем архее образовалось не менее 80/2 = 40 таких континентальных ядер. Интересно отметить, что приблизительно такое же количество первичных и наиболее древних (сложенных серыми гнейсами, трондьемитами и тоналитами) нуклеаров континентальной коры – 37, выделяется и по геологическим данным (Глуховский, Моралев, 1994). По мере погружения фронта дифференциации размеры конвективных ячеек должны были увеличиваться, отдельные нуклеары – сливаться друг с другом, а их число – сокращаться. Поэтому к концу раннего архея число таких континентальных зародышей уже не должно было превышать 20.

Второй период резко повышенной конвективной и тектономагматической активности Земли в позднем архее был связан с вовлечением в процесс зонной дифференциации помимо железа его окиси с формированием эвтектических сплавов Fe•FeO. Новый всплеск тектономагматической активности Земли стимулировался уже значительным повышением скорости выделения “ядерного” вещества и пропорциональным этому увеличением скорости генерации гравитационной энергии дифференциации земного вещества. К этому времени расширился пояс дифференциации и возросла и масса самой конвектирующей мантии, тогда как число континентальных массивов (будущих архейских щитов) снизилось до 12-14. После такого перехода процесс дифференциации земного вещества активизировался и усилился после начала формирования земного ядра во второй половине позднего архея (3 млрд лет назад). В это же время произошла самая значительная перестройка конвективных течений в мантии – в Земле начала формироваться мощнейшая одноячеистая конвективная структура, приведшая в конце архея к столкновению всех возникших ранее континентальных массивов в единый суперконтинент.

Согласно законам механики об устойчивом вращении свободных тел, сформировавшийся над центром нисходящего мантийного потока суперконтинент должен был располагаться на экваторе Земли. Это произошло 2,6 млрд лет назад и отмечено в геологической летописи Земли наиболее грандиозным диастрофизмом кеноранской орогении. По аналогии с возникшими в последующие геологические эпохи едиными континентальными массивами (Мегагея Штилле и Пангея у Вегенера) назовем этот первый в истории Земли суперконтинент Моногеей.

Выявленная закономерность изменений числа конвективных ячеек в архее правильно передает картину развития конвективных процессов в этот древний период. Из этих оценок вытекает, что в раннем архее могли формироваться только мелкие конвективные ячейки с короткими временами жизни – тектоническими циклами. В связи с мелкомасштабностью раннеархейской конвекции (порядка первых сотен километров) отдельные циклы во времени перекрывались друг другом, создавая непрерывную череду пульсирующих, но глобально не коррелируемых друг с другом процессов. Соответственно этому и многочисленные тектонические циклы раннего архея на древнейших ядрах разных континентов создали мозаичную картину проявлений отдельных и не синхронных друг с другом всплесков тектонической активности.

Первые глобально-синхронные тектонические циклы могли появиться только в позднем архее, когда фронт зонной дифференциации земного вещества уже погрузился на значительные глубины мантии, и в связи с этим возросли размеры конвективных ячеек – до нескольких тысяч километров. Но наиболее ярко синхронность тектонических процессов проявилась лишь в самом конце архея – в момент обособления земного ядра. Согласно обобщению К. Конди, заметная глобальная корреляция тектонических событий в гранит зеленокаменных поясах архея различных щитов проявилась только около 2900 Ма, но лишь на интервале 2700-2600 она стала четкой. При этом последний архейский конвективный цикл, совпадающий с моментом выделения земного ядра, одновременно является и первым наиболее сильным глобальным диастрофизмом кеноранской эпохи – самым грандиозным тектономагматическим событием в истории Земли.

После перехода процесса гравитационной дифференциации земного вещества от механизма зонной сепарации “ядерного” вещества к медленно действующему бародиффузионному механизму дифференциации мантийная конвекция с раннего протерозоя стала более спокойной. После бурных тектонических событий архея наступила сравнительно спокойная и наиболее продолжительная стадия эволюции Земли.

С переходом процесса дифференциации земного вещества от механизма зонной сепарации железа и его соединений к медленно действующему бародиффузионному механизму выделения “ядерного” вещества (Fe•FeO) начиная с раннего протерозоя мантийная конвекция стала более спокойной. С постепенным угасанием бародиффузионного механизма дифференциации мантийного вещества за счет исчерпания запасов “ядерного” вещества в мантии происходит постепенное снижение интенсивности и мантийной конвекции. Активность конвективного массообмена в настоящее время по сравнению с позднеархейским пиком снизилась в 7–8 раз и это снижение продолжится и в будущем.

Энергетический подход позволяет оценить и суммарную массу прошедшего дифференциацию и участвовавшего в конвекции мантийного вещества. Скорость современного конвективного массообмена в мантии - 6•1018 г/год, или 1,9•1011 г/с. За все время тектонической активности Земли (с 4,0•109 лет назад и до наших дней) ее теплопотери, связанные с конвективным переносом тепла, составили около 12,4•1037 эрг, а современный глубинный тепловой поток за вычетом эффекта послеархейского остывания Земли равен 3,39•1020 – 0,25•1020 = 3,14•1020 эрг/с. Отсюда можно определить и суммарную массу мантийного вещества, участвовавшего в конвективном массообмене: она равна 7,5•1028 г. Массы же Земли и современной мантии соответственно равны 5,977•1027 и 4,014•1027 г. К настоящему времени суммарная масса мантийного вещества, прошедшего через конвективный массообмен, приблизительно в 12,5 раза превышает массу Земли и в 18,7 раз – массу современной мантии.

За время действия бародиффузионного механизма (т.е. за все послеархейское время с 2600 Ма до современности), конвективный массообмен в мантии приблизительно равен 3,21•1028 г, что почти в 8 раз превышает массу современной мантии.

Аналогичным путем можно оценить и число существовавших в мантии после архея конвективных циклов. Со времени образования земного ядра около 2,6 млрд лет назад его масса закономерно увеличивалас, тогда как масса мантии Земли упала с 4,76•1027 г на рубеже архея и протерозоя до 4,014•1027 г в настоящее время. Суммарная масса мантийного вещества, участвовавшего в конвекции за последние 2,6 млрд лет, в 7,1 раза превышает среднее значение массы мантии за это же время. Если принять, что при химико-плотностной конвекции в мантии один конвективный цикл соответствует полному обороту мантийного вещества, то в протерозое и фанерозое существовало около 7,1 конвективного цикла.


При химико-плотностном конвективном массообмене в мантии, по-видимому, происходит чередование одноячеистых и двухъячеистых конвективных структур (Сорохтин, 1974; Монин и др., 1987) и можно ожидать, что после архея существовали три одноячеистые и четыре двухъячеистые структуры. Поскольку при возникновении одноячеистых конвективных структур в мантии должны формироваться единые суперконтиненты, то можно ожидать, что после архейского суперконтинента Моногея, т.е. уже в протерозое и фанерозое, должно было существовать еще три суперконтинента: Мегагея Штилле, Мезогея (или Родиния) и Пангея Вегенера и с учетом Моногеи – четыре суперконтинента. Во время функционирования двухъячеистых конвективных структур, такие суперконтиненты должны разрушаться, а их “осколки” должны центробежно дрейфовать друг от друга еще и с учетом силы Кориолиса.

Приведенная оценка числа конвективных циклов в мантии может быть уточнена.

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

Cуперконтинент
Конвекция в Мантии Земли
Dегазация и эволюция. Численное Моделирование Химико-Плотностной Конвекции в Мантии
Воздействие космических факторов на Солнечную систему и ее планеты
Цикл Вильсонa