 | Конвекция в Мантии Земли |
Интенсивная и крупномасштабная конвекция мантии, возбуждаемая эндогенными источниками энергии (энергией гравитационной дифференциации мантийного вещества) во много раз превосходит энергию радиогенного тепла и незначительные добавки приливной энергии и энергии сил Кориолиса. Граничные условия на поверхности Земли, связанные с существованием континентальных плит и с возникновением на поверхности конвектирующей мантии охлажденных и подвижных океанических литосферных плит, накладывают на мантийную конвекцию свой отпечаток и подчиняют ее структуру плану расположения литосферных плит и зон субдукции.
Свидетельством существования в мантии крупномасштабной конвекции от верхней до нижней мантии является плотность вещества в нижней мантии по данным ударного сжатия силикатов. Расчеты показали, что при соответствующих давлениях и адиабатической температуре распределение плотности в обеих частях мантии хорошо аппроксимируется плотностью океанических лерцолитов – пород, поднятых в трансформных разломах океанского дна. Это свидетельство однородности химического состава мантии одновременно является косвенным показателем существования в ней крупномасштабной конвекции, постоянно перемешивающей ее вещество.
Прямым свидетельством существования единой структуры массообмена, пронизывающего верхнюю и нижнюю мантии, являются сейсмические наблюдения, показывающие, что шлейфы опускающихся в мантию океанических литосферных плит прослеживаются под зонами субдукции значительно глубже предельного уровня возникновения землетрясений вплоть до 800 км и, возможно, даже до 1400 км ( уже в нижней мантии).
Убедительными доказательствами существования глубинных мантийных конвективных течений, совершенно не связанных с “самодвижением” океанических литосферных плит по зонам субдукции, являются факты раскола Африканского континента по системе Красное море–Аденский залив–Восточно-Африканские рифты; отодвигание Аравии от Африки; расширение Атлантического и частично Индийского океанов; подъем океанического дна выше поверхности океана в Северной Атлантике (о. Исландия) и на северо-востоке Эфиопии (провинция Афар) и т. д. Эти явления не могут быть связаны с затягиванием тяжелых океанических плит в мантию и требуют привлечения идеи существования самостоятельных конвективных течений мантийного вещества, действующих на подошву литосферных плит снизу. Самым ярким доказательством является раскол вегенеровской Пангеи на отдельные части – современные материки. Это событие
произошло в середине мезозоя, но сам дрейф континентов (и раскол Африки) продолжается до сих пор. Никакими ухищрениями с “самопогружением” в мантию тяжелых океанических плит, окружавших тогда Пангею, объяснить это явление не удается.
Зависимость скорости движения литосферных плит от длины окружающих их зон субдукции можно объяснить иначе, чем это сделали Д. Форсайта и С. Уеды (1975). Действительно, все быстрые плиты как бы сгруппированы в двух смежных регионах: с одной стороны, это плиты Наска, Кокос, Тихоокеанская и Филиппинская, а с другой –Индийская. Но стоит только предположить, что под юго-восточной частью Тихого океана и под центром Индийского океана в мантии существуют мощные восходящие конвективные потоки, а между ними, где-то под Индонезией и Южной Америкой, –нисходящие потоки, как тот же самый результат получается за счет простого растекания мантийного вещества под плитами отмеченных регионов. Но в этом случае вязкое зацепление мантийного вещества с подошвой литосферных плит будет уже не тормозить их движение, а способствовать ему. Судя по карте рельефа земного ядра, именно под юго-восточной частью Тихого океана и под центром Индийского океана наблюдаются подъемы его поверхности, а это является обязательным и верным признаком восходящих конвективных потоков в мантии.
Под Северной Атлантикой также существует достаточно крупный восходящий конвективный поток, о чем говорит раздвижение обрамляющих эту часть океана континентов, подъем среднего уровня океанического и карта рельефа земного ядра, по которой отмечается повышение поверхности ядра Земли под Северной Атлантикой, такое же, как и под юго-восточной частью Тихого океана, но плиты в этом регионе движутся со скоростью раздвижения океана около 2 см/год, тогда как в Тихом океане это 15–18 см/год.
Такие различия в скоростях движения плит над восходящими потоками объясняются влиянием самой литосферной оболочки на процесс формирования горизонтальных ветвей конвективных течений в мантии. Так, в мантии под Тихим океаном астеносфера выражена четко и распространена под всеми без исключения океаническими плитами региона. При этом наименее вязким ее слоем является верхняя часть, в которой уже происходит частичное плавление мантийного вещества. Подошва этого слоя залегает на глубине около 80 км и совпадает с границей
перехода пироксеновых лерцолитов в гранатовые.
Конвективные течения вязкого вещества обычно организуются в такие структуры, чтобы при заданной скорости общего массообмена (а она в рассматриваемой модели определяется процессом дифференциации мантийного вещества) скорость диссипации энергии вязкого трения была бы минимальной. Из этого фундаментального принципа вытекает, что в среде с постоянной вязкостью конвективные течения всегда будут стремиться охватить как можно большие объемы пространства (т. е. будут возникать широкие потоки). В среде с переменной вязкостью, как в мантии с разной толщиной океанических и континентальных литосферных плит, конвективные течения всегда будут концентрироваться в слоях с минимальной вязкостью вещества, поэтому в стратифицированной мантии с четко выраженной маловязкой астеносферой конвективные течения будут стягиваться в данный слой пониженной вязкости. В результате в нижней мантии и низах верхней мантии будут доминировать вертикальные потоки вещества, а в самой астеносфере сформируются преимущественно горизонтальные течения.
Это приводит к тому, что через тонкий астеносферный слой перетекает большая часть вещества конвективных потоков, формируя там о быстрые (несколько десятков сантиметров в год) горизонтальные астеносферные течения. Эти течения влекут за собой относительно тонкие (от 10 до 80 км) океанические плиты Тихого океана от восходящего конвективного потока под Восточно-Тихоокеанским поднятием к нисходящим потокам в мантии, т. е. к зонам субдукции, окружающим океан. Такие течения не препятствуют движениям плит, если они вызываются механизмом затягивания океанической литосферы в мантию - в рассматриваемом случае направления движения плит к зонам субдукции совпадают с ожидаемыми направлениями астеносферных течений под этими плитами.
Иная картина под мощными континентальными плитами, погруженными в мантию на глубину до 200–250 км. Под ними слой астеносферы отсутствует или вырожден и под континентальными плитами наблюдается более равномерное распределение вязкости и под ними формируются горизонтальные составляющие конвективных течений в средней и нижней мантии в значительно больших объемах, но в связи со значительно бoльшими сечениями горизонтальных потоков под континентальными плитами их скорости оказываются низкими (порядка нескольких сантиметров в год). Этим объясняются меньшие скорости дрейфа континентов, особенно крупных, прочно “сидящих” своими корнями в мезосфере Земли. Уменьшается и скорость движения спаянных с ними океанических плит.
Отмеченные здесь различия геодинамических реакций океанических и континентальных плит на конвективные течения в мантии иллюстрируются зависимостью Форсайта–Уеды, которая определяет связь скорости движения литосферных плит с их строением, размерами континентов и расположением плит относительно восходящих и нисходящих течений в мантии.
Зависимость Форсайта–Уеды четко разделила крупные литосферные плиты на две различные группы – на континентальные и чисто океанические (в Тихоокеанском регионе). Индийская плита занимает промежуточное положение, потому что впаянные в нее континентальные массивы (Индия и Австралия) относятся к сравнительно небольшим материкам. К тому же Индийская плита, как и Тихоокеанские плиты, “удачно” расположена между восходящим и нисходящим потоками мантии, что и обусловило солидную скорость ее перемещения в сторону Индонезии.
В Северной Атлантике астеносфера существует только под океанским дном, а с востока и запада она оказывается перекрытой мощными континентальными плитами, играющими роль гигантских дамб, препятствующих растеканию в этих направлениях астеносферных течений от расположенных здесь восходящих потоков, поэтому астеносферные течения распространяются здесь только вдоль Срединно- Атлантического хребта.
Однако такое сокращение эффективного сечения астеносферы приводит к увеличению ее гидродинамического сопротивления. В гидродинамике действует закон, аналогичный закону Ома в электротехнике, по которому аналогом электрического напряжения становится давление, вовлекающее вязкое вещество в конвективный массообмен, а поток вещества, участвующий в этом массообмене, играет роль силы тока. Поэтому очень просто найти гидродинамическое сопротивление среды как частное от деления давления на поток вещества. В физике Земли поток вещества задается механизмом дифференциации мантийного вещества на поверхности ядра. Поэтому увеличение гидродинамического сопротивления астеносферы неизбежно приводит к повышению избыточного давления, действующего на вещество в этом слое.
В Северной Атлантике с избыточным давлением связан повсеместный подъем уровня океанского дна. Амплитудагидродинамического “вздутия” такова, что Срединно-Атлантический хребет над центром восходящего потока поднимается выше уровня океана и выходит на дневную поверхность, образуя о. Исландия. Учитывая, что средняя глубина расположения гребней срединных хребтов обычно достигает 2,5−2,7 км ниже уровня океана, легко рассчитать, что избыточное давление восходящего конвективного потока, поднявшего дно Северной Атлантики, 700−800 бар. Это избыточное давление в сумме с давлением океанических литосферных плит, соскальзывающих с астеносферной линзы под Атлантическим океаном, также равно 700−800 бар и действует на краевые зоны континентальных плит Европы, Гренландии и Северной Америки, создавая там избыточные напряжения сжатия до 1−1,5 кбар. Эти напряжения часто приводят к горным ударам и выбросам в горных выработках, и даже к возникновению землетрясений в прибрежных зонах континентов, окружающих Северную Атлантику.
Подъем океанского дна в Северной Атлантике приводит к возникновению крупной положительной гравитационной аномалии. Динамическая природа этой региональной аномалии четко выражена в изостатической редукции после вычитания из нее поправки за эффект влияния “избыточного” рельефа (разности между реальным рельефом океанического дна и средним рельефом срединно-океанических хребтов). После такого пересчета остаточное гравитационное поле над Северной Атлантикой становится отрицательным, отмечая тем самым дефицит массы в
восходящем конвективном потоке под этим регионом.
Анализ регионального гравитационного поля над Северной Атлантикой в сочетании с данными о подъеме уровня рельефа земного ядра и фактом раздвижения океанского дна свидетельствуют о наличии здесь мощного восходящего конвективного потока, пронизывающего всю мантию от поверхности ядра до поверхности Земли, но несмотря на существование мощного восходящего потока легкого мантийного вещества, здесь наблюдаются также региональная положительная гравитационная аномалия и соответствующий ей подъем уровня геоида на 60 м.
С другой стороны, в мантии под западной частью Тихого океана явно функционирует столь же мощный нисходящий конвективный поток, отмечаемый серией зон поддвига плит. Тем не менее его внешнее проявление в гравитационном поле и геоиде Земли такое же, как и в Северной Атлантике, – здесь также наблюдается положительная гравитационная аномалия и “вздутие” геоида амплитудой до 80 м. Объясняется это тем, что в первом случае доминирует “динамическая” составляющая гравитационного поля, вызванная подъемом океанского дна за счет избыточного давления восходящего потока, а во втором – “статическая” составляющая, связанная с избытком массы погрузившихся в мантию холодных (и потому тяжелых) литосферных плит, хотя и здесь может присутствовать динамическая составляющая.
Если бы литосферная оболочка Земли была однородной, неподвижной и характеризовалась бы постоянной мощностью, то крупномасштабные ундации (волнообразные изгибы поверхности) геоида должны были бы однозначно отражать структуру конвективных движений в мантии. Реальная ситуация сложнее, поскольку гидродинамические условия в астеносфере под океанами и
континентами существенно отличаются друг от друга. Но если пространство между восходящими и нисходящими потоками в мантии перекрыто только океаническими (или только континентальными) плитами, то можно ожидать, что в таких регионах крупномасштабные гравитационные аномалии и ундации геоида останутся наименее искаженными.
Так, по рельефу геоида по акватории Тихого океана можно выделить две положительные ундации геоида – на западе и юго-востоке океана, хорошо совпадающие с распространенными там зонами поддвига плит. Между этими “вздутиями” геоида наблюдается широкая полоса пониженных и отрицательных отметок геоида, охватывающая всю центральную и южную части океана.
Такой рельеф геоида в Тихом океане свидетельствует о том, что под его пониженными уровнями развиваются восходящие конвективные потоки в мантии, а под положительными ундациями геоида действуют нисходящие мантийные потоки.
Сопоставление этой интерпретации с картой рельефа земного ядра подтверждает правильность такой интерпретации. Действительно, под западными акваториями океана и под Южной Америкой наблюдаются отрицательные формы рельефа ядра – надежно отмечающие собой корни нисходящих потоков в мантии, тогда как под центральными и южными частями Тихого океана видны подъемы поверхности ядра – столь же надежные признаки существования над ними восходящих потоков.
Если приведенное здесь описание геодинамических обстановок Тихоокеанского сектора Земли близко к действительности, то можно ожидать, что восточно-тихоокеанская и южная ветви конвективных течений далее соединяются с мощными восходящими потоками под Индийским океаном, Африкой и Северной Атлантикой. В результате взаимосвязанная цепь восходящих конвективных течений опоясывает единым широким поясом центр нисходящих потоков под западной частью Тихого океана, Индонезией и Северной Австралией.
Ясно также, что под Северной Атлантикой существует мощный восходящий поток, но связан ли он с описанной системой конвективных течений через Северную Америку или Европу, пока не известно. Есть склонность полагать эту связ через Северную Америку, поскольку под Западной Европой и Северной Африкой (особенно вдоль Средиземноморского и Альпийско-Гималайского подвижных поясов) еще сохранились реликты некогда мощных нисходящих конвективных потоков, предопределивших в свое время закрытие океана Тетис. Н ясна ситуация с Африкой.