Введение к работе
Геодинамика занимается установлением и исследованием процессов и сил, порождающих движения в тектоносфере и в глубинных оболочках Земли. Прежде всего, к таким силам относятся термогравитационные силы, обусловливающие свободноконвективные течения в глубинных оболочках Земли и в каналах плюмов, поднимающихся от границы ядро-мантия. Свободноконвективные течения в мантии и мантийные плюмы определяют глобальную тектонику и геодинамику Земли, энергетический баланс, структурные изменения и развитие как отдельных геосфер, так и Земли в целом. Поэтому определение тепловой и гидродинамической структуры мантийных конвективных течений и плюмов представляет собой одну из основных проблем геодинамики.
Объектом исследования является конвектирующая мантия Земли в связи с определением структуры конвективных течений в верхней и нижней мантии, структуры мантийных термохимических плюмов, взаимодействия плюмов с мантийными конвективными течениями и условий их излияния.
Актуальность работы определяется необходимостью решения ключевых задач геодинамики и, в связи с этим, необходимостью: проведения лабораторного теплофизического моделирования нижнемантийной конвекции для определения структуры течения и теплообмена в нижней мантии; экспериментального и теоретического моделирования конвекции в астеносфере для определения структуры конвективных течений и теплообмена в астеносфере под континентом при наличии зоны субдукции и в астеносфере под океаном; расчета тепло- и массообмена мантийных термохимических плюмов и определения их основных параметров; установления условий излияния плюма на поверхность и определения зависимости между процессами тепло- и массообмена на подошве термохимического плюма и процессами образования головы плюма и излияния плюма на поверхность; построения самосогласованных геодинамических моделей мантийной конвекции и мантийных плюмов.
Цель исследований состоит в построении моделей конвективной структуры верхней и нижней мантии и мантийных термохимических плюмов на основе метода теплофизического моделирования с использованием геологических и геофизических данных и в определении основных закономерностей свободноконвективного теплообмена мантии и тепло- и массообмена плюмов на основе построенных геодинамических моделей.
Задачи исследований.
-
На основе экспериментального моделирования определить режим нижнемантийной конвекции и структуру свободноконвективных течений в нижней мантии.
-
На основе экспериментального моделирования определить влияние зоны субдукции на структуру свободноконвективного течения и теплообмен в астеносфере под континентом.
-
На основе экспериментального и теоретического моделирования определить структуру течения в астеносфере под океаном и выяснить влияние скорости движения океанической литосферной плиты на скорость конвективных течений в астеносфере под океаном, касательное напряжение и силу трения, действующую со стороны астеносферного потока на литосферную плиту.
-
Определить температурные условия образования термохимического плюма, рассчитать тепло- и массообмен термохимического плюма для случая кондуктивного теплоотвода от канала плюма в окружающую мантию, выяснить влияние коэффициента диффузии химической добавки, понижающей температуру плавления, на условия формирования термохимического плюма и оценить параметры мантийного термохимического плюма.
-
Определить условия излияния термохимического плюма на поверхность и найти связь между процессами тепло- и массообмена на его подошве, параметрами "тугоплавкого слоя" в литосфере и геологическими проявлениями плюма на поверхности.
-
Рассчитать тепло- и массообмен термохимического плюма, взаимодействующего, подобно Гавайскому, с горизонтальными мантийными свободноконвективными потоками, выяснить влияние диаметра источника плюма на долю тепловой мощности, отданной плюмом верхне- и нижнемантийному горизонтальным течениям, а также оценить кинематическую вязкость расплава и диаметр Гавайского плюма.
Фактический материал. Методы исследования. Основной метод, применяемый в диссертации для исследования мантийной тепловой конвекции и конвективных течений в канале мантийного термохимического плюма, -метод теплофизического моделирования, как лабораторного, так и теоретического. Для определения временных и пространственных масштабов нижнемантийных конвективных течений как в отсутствие, так и при наличии зон субдукции было проведено 400 лабораторных экспериментов. В результате экспериментов получены зависимости температуры и числа Рэлея от времени и снимки картины конвективного течения в горизонтальном слое. Для определения закономерностей гидродинамики и теплообмена в астеносфере под континентом при наличии зоны субдукции проведено 100 экспериментов. Материал лабораторных экспериментов представлен кривыми температуры от времени, измеренными вблизи нагреваемой пластины, и снимками картины конвективного течения вблизи кровли и подошвы слоя. Для определения тепловой и гидродинамической структуры конвективных течений в астеносфере под океаном сделано 100 экспериментов. Экспериментальный материал представлен профилями температуры и скорости, а также данными измерений высоты конвективных валиков у кровли и подошвы слоя. Теоретическое моделирование заключалось в решении уравнений свободной конвекции в приближении Буссинеска для ядра потока в горизонтальном слое, нагреваемом сбоку и охлаждаемом сверху, служащем моделью астеносферы под океаном. При анализе результатов экспериментального и теоретического
моделирования использовались имеющиеся данные о параметрах трансформных разломов и СОХ, физических свойствах верхней и нижней мантии. Теоретическое моделирование мантийных термохимических плюмов состояло в получении балансовых уравнений для потоков тепла и массы и решении системы уравнений тепло- и массообмена для представленной модели термохимического плюма в случае кондуктивного теплоотвода от канала плюма в окружающую мантию и в случае передачи тепла от канала плюма горизонтальному мантийному свободноконвективному потоку. При определении тепловой и гидродинамической структуры термохимического плюма используются данные экспериментального моделирования тепловых и термохимических плюмов (Добрецов и др., 1993, 2006; Кирдяшкин А.Г., Гладков, 1994; Dobretsov et al, 2008). Для оценки параметров термохимического плюма и проверки результатов расчетов использованы фактические данные по объему излияний для плюмов, диаметру их магматических ареалов, данные сейсмических исследований канала Гавайского плюма, оценки глубин для мантийных ксенолитов в щелочных базальтах. Защищаемые положения, выводы и результаты.
1. Режим нижнемантийной свободной конвекции - развитый
турбулентный, с короткопериодными пульсациями температуры в
нижнемантийных конвективных ячейках, накладывающимися на
длиннопериодные колебания температуры, обусловленные перестройкой
ячеистой структуры нижней мантии.
В зонах субдукции формируются нисходящие конвективные течения в нижней мантии. Нижнемантийные конвективные течения являются результатом суперпозиции основных крупномасштабных конвективных ячеек и конвективных валиков, создающихся в области неустойчивой стратификации у кровли и подошвы нижней мантии. Нисходящим течениям нижнемантийных конвективных валиков могут соответствовать магистральные (или трансокеанские) трансформные разломы.
2. Вследствие охлаждения в зоне субдукции в астеносфере под
континентом создается горизонтальный градиент температуры, под влиянием
которого формируется конвективная ячейка, нисходящее течение ячейки
задается охлаждающей субдуцирующей плитой. Вблизи кровли и подошвы
астеносферы в области неустойчивой стратификации существуют
конвективные валики, направление течения в которых перпендикулярно к
направлению течения в астеносферной ячейке. При числах Рэлея Ra < 5 10
существует режим установившегося течения, при Ra > 5 10 - режим
пограничного слоя, когда вблизи кровли и подошвы астеносферы под
континентом существуют самостоятельные валиковые слои.
Свободноконвективные течения в астеносфере под океаном существуют в режиме пограничного слоя. Существуют две характерные области течения в астеносферном слое под океаном: область пограничного слоя у кровли астеносферы и устойчиво стратифицированная область в ядре потока, где течение плоскопараллельное и горизонтальный градиент температуры
постоянный. Скорость движения литосферных плит влияет на форму профиля скорости течения только в верхней части астеносферы. Касательное напряжение на границе литосфера-астеносфера, вызванное астеносферным конвективным течением, и суммарная сила трения, действующая со стороны астеносферного потока на океаническую литосферную плиту, уменьшаются с увеличением скорости движения океанической литосферы.
-
Термохимический плюм формируется на границе ядро-мантия при локальном поступлении химической добавки, понижающей температуру плавления до величины Т^ < Ті (Ті - температура границы ядро-мантия). Условие образования термохимического плюма: с2> (Тпс - Т{)/к (с2-концентрация химической добавки на границе канала плюма, Гпс - температура плавления "сухой" окружающей мантии (без химической добавки), коэффициент к [С/%] задает снижение температуры плавления вследствие химической добавки). Средний перепад температуры Гпс - Тх уменьшается с увеличением числа Льюиса, и, следовательно, с уменьшением коэффициента диффузии химической добавки в канале плюма. Параметры термохимического мантийного плюма, рассчитанные с использованием полученных средних значений Гпс - Г] обеспечивают его устойчивое существование.
-
Движение в массиве литосферы над кровлей поднимающегося плюма обусловлено разностью давления в расплаве под кровлей плюма и литостатического давления. Критическое касательное напряжение на боковой поверхности массива литосферы возрастает с увеличением диаметра канала плюма dy и разности температуры расплава под кровлей плюма и температуры окружающего массива AT. Высота канала излияния термохимического плюма возрастает с увеличением диаметра канала плюма и перепада AT, и уменьшается с увеличением отношения диаметров кровли и канала плюма.
Диаметр головы плюма, формирующейся за счет плавления вдоль подошвы "тугоплавкого" слоя в литосфере, возрастает с увеличением времени /, отсчитываемого от момента достижения кровлей плюма подошвы "тугоплавкого" слоя до излияния плюма, и от тепловой мощности источника плюма N. Для представленной модели взаимодействия плюма с литосферой тепловая мощность источника для континентальных платобазальтовых провинций МакКензи и Центрально-Атлантической и океанических лавовых плато Онтонг-Джава и Манихики iV = 7 10 -2-10 Вт. Тепловая мощность, соответствующая объему излияний Тунгусской синеклизы, составляет 7-10 -10 Вт, и время подготовки излияния t\ = 6.1 - 8.7 млн лет. Для объема излияний Эмейшаньских траппов N= 1 10 -10" Вти/^ 5-6.8 млн лет.
5. Согласно модели взаимодействия канала плюма с горизонтальными
мантийными течениями, в области мантийного потока, набегающего на
плюмовый канал, происходит нагрев и плавление мантийного вещества.
Расплав со средней скоростью потока v пронизывает канал плюма и
кристаллизуется на его противоположной стороне. Тепло и химическая
добавка, переданные каналом плюма мантийному потоку, уносятся от канала
закристаллизовавшимся мантийным веществом со скоростью v. Доля тепловой мощности, отданной каналом Гавайского плюма нижнемантийному горизонтальному течению, уменьшается при увеличении диаметра источника плюма. Диаметр подошвы Гавайского плюма может составлять 63 - 97 км, что согласуется с имеющимися данными картирования канала Гавайского плюма на основе записей обменных PS-волн.
Научная новизна исследований. Личный вклад.
- на основе экспериментальной диаграммы режимов свободной
конвекции показано, что режим нижнемантийной конвекции - турбулентный;
на основании экспериментальных зависимостей T(f), спектров пульсаций
температуры и снимков картины течения определена структура конвективных
течений в нижней мантии, оценены их временные и пространственные
масштабы;
- на основе измеренных профилей температуры и картины течения
установлено существование двух режимов течения в горизонтальном слое
жидкости, охлаждаемом сбоку, моделирующем астеносферу под континентом
при наличии зоны субдукции, и определена конвективная структура
астеносферы под континентом при наличии зоны субдукции;
на основании экспериментальных профилей температуры и теоретического анализа получено поле температуры в астеносферном слое в условиях медленного спрединга; на основе экспериментальных профилей скорости и теоретического решения получено поле скорости свободноконвективного течения в астеносфере под движущейся океанической плитой, получено выражение для касательного напряжения на границе литосфера-астеносфера и оценена суммарная сила трения, действующая со стороны астеносферного потока на океаническую литосферную плиту;
с использованием распределения температуры, создающегося в нижней мантии при свободной конвекции, установлены температурные условия формирования термохимического плюма на границе ядро-мантия, на основании балансовых соотношений для потоков тепла и массы получены основные уравнения тепло- и массообмена термохимического плюма и с использованием параметрического подхода определены основные параметры мантийного термохимического плюма;
рассматривая движение в массиве над кровлей поднимающегося плюма как течение Пуазейля, установлены геодинамические условия излияния плюма на поверхность, получены соотношения для касательного напряжения в массиве литосферы над кровлей плюма и высоты канала излияния, определено влияние разности температуры AT и размеров канала плюма на критическое касательное напряжение в литосфере над кровлей плюма и высоту канала излияния плюма и оценена высота канала излияния;
- представлена модель прорыва плюма на поверхность для случая, когда
кровля плюма достигает подошвы "тугоплавкого" слоя в литосфере, и с
помощью баланса тепловых потоков в голове плюма определен ее диаметр в
зависимости от тепловой мощности источника плюма и времени /; оценена
мощность для континентальных платобазальтовых провинций МакКензи и Центрально-Атлантической и океанических лавовых плато Онтонг-Джава и Манихики, а также мощность, соответствующая объемам излияний Сибирских и Эмейшаньских траппов;
построена модель взаимодействия канала плюма с горизонтальными мантийными свободноконвективными течениями, на основе которой:
получены уравнения тепло- и массообмена термохимического плюма, находящегося под влиянием горизонтальных мантийных потоков;
на основе локальных коэффициентов теплообмена между каналом плюма и горизонтальным нижнемантийным конвективным потоком определена тепловая мощность, отданная Гавайским плюмом верхней и нижней мантии;
на основании балансовых уравнений для теплообмена между каналом плюма и окружающей мантией и закономерностей свободноконвективного теплообмена в нижней мантии оценены теплопроводность, динамическая вязкость, число Рэлея и максимальная скорость горизонтальных течений в нижней мантии, и на основе анализа этих параметров определены кинематическая вязкость расплава в канале плюма и его диаметр.
Теоретическое и практическое значение. Экспериментальные исследования свободной конвекции в горизонтальном слое позволили найти условия корректного лабораторного моделирования мантийной конвекции. Результаты проведенных исследований обеспечивают развитие теории мантийной конвекции. На основе экспериментального и теоретического моделирования представлена трехмерная структура конвективных течений и определены закономерности теплообмена в нижней и верхней мантии. Полученные результаты дают основу для определения тепловой и гидродинамической структуры мантии с учетом ее сложного слоистого строения и влияния зон субдукции и зон спрединга.
Определена величина силы трения, действующей со стороны астеносферного потока на океаническую литосферную плиту и направленной в сторону движения плиты, и тем самым определена составляющая движущей силы плиты, транспортирующая плиту к зоне субдукции, что необходимо для определения общего баланса сил, управляющих динамикой тектоносферы. Данные экспериментального моделирования конвекции в астеносфере под океаном применены для определения полей устойчивости основных глубинных парагенезисов, а также размеров и конфигурации области частичного плавления в астеносфере (Кирдяшкин А.А. и др., 2006 -исследования Н.В. Суркова).
Результаты моделирования термохимических плюмов представляют важную составляющую теории мантийных плюмов. На основе представленной модели термохимического плюма стал возможным расчет тепло- и массообмена мантийных плюмов как в случае кондуктивного, так и свободноконвективного теплоотвода от канала плюма в окружающую мантию и определение их базовых параметров. Модель взаимодействия плюма с
горизонтальным мантийным потоком позволяет вывести основные уравнения тепло- и массообмена термохимического плюма, и оценить основные параметры нижней мантии и диаметр канала плюма. Эта модель объясняет причину высоких отношений Не/ Не для таких современных действующих плюмов, как Гавайский и Исландский и других плюмов, взаимодействующих с горизонтальными мантийными течениями. Результаты теоретического моделирования излияния плюмов на поверхность позволяют охарактеризовать плюмы, ответственные за образование больших магматических провинций, в рамках модели термохимического плюма, что дает основу для решения проблемы связи деятельности плюмов с процессами металлогении и рудообразования.
Результаты диссертационного исследования, относящиеся к мантийным свободноконвективным течениям и термохимическим плюмам, находят практическое применение в сфере высшего геологического образования, они входят в основу курса "Геодинамика", читаемого автором для магистрантов геолого-геофизического факультета НГУ, и могут использоваться для создания современных курсов геотектоники и геодинамики в российских университетах.
Апробация работы и публикации. Результаты, представленные в диссертации, выносились на обсуждение на международных научно-студенческих и молодежных конференциях (Новосибирск, 1993-1996, 2001, 2003, 2004), заседании Президиума СО РАН (Новосибирск, 2004), Межведомственных Тектонических совещаниях (Москва, 2003, 2006; Новосибирск, 2004), международных и всероссийских совещаниях и конференциях, охватывающих проблемы геотектоники и геодинамики, плюмов и металлогении (Новосибирск, 1996, 2006; Москва, 2002; Петрозаводск, 2002; Иркутск, 2009), а также теплообмена (Москва, 2006).
По теме диссертации опубликовано 35 работ, из них 18 статей в рецензируемых научных журналах, входящих в Перечень ведущих периодических изданий ВАК, и 16 тезисов в трудах совещаний и конференций. Кроме того результаты лабораторного и теоретического моделирования конвективных течений в нижней мантии и астеносфере, полученные автором, представлены в монографии Н.Л. Добрецов, А.Г. Кирдяшкин, А.А. Кирдяшкин "Глубинная геодинамика" (Новосибирск: Изд-во СО РАН, филиал «ГЕО», 2001). Работы соискателя, в основу которых положены результаты, представленные в диссертации, отмечены наградами Российской академии наук. В 2006 г. за цикл работ "Термохимические плюмы и их основные параметры" автору была присуждена медаль Российской академии наук для молодых ученых РАН в области геологии, геофизики, геохимии и горных наук, и в 2007 г. присуждена премия имени М.А. Лаврентьева для молодых ученых в номинации "За выдающийся вклад в развитие Сибири и Дальнего Востока".
Структура и объем диссертации. Диссертация общим объемом 325 страниц состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы из 456 наименований и включает 90 рисунков и 5 таблиц.
Благодарности. Автор благодарен д.г.-м.н., академику РАН
Н.Л. Добрецову за обсуждение работы, внимание и поддержку на различных
этапах ее выполнения, д.т.н. А.Г. Кирдяшкину, д.г.-м.н. А.И. Чепурову, к.г.-
м.н. В.Э. Дистанову, Н.В. Суркову, н.с. И.Н. Гладкову за обсуждение
результатов работы в ходе ее выполнения. Автор благодарен д.г.-м.н.
А.Д. Дучкову, И.Ю. Кулакову, В.А. Кутолину, В.А. Симонову,
О.П. Полянскому, д.ф.-м.н. В.Ю. Тимофееву, Ю.В. Хачаю за плодотворные дискуссии и конструктивную критику.
