17. Какие особенности физических характеристик вещества подастеносферной мантии воспрепятствуют протеканию тепловой конвекции в ее разрезе? (6 лек)

Считающаяся ныне наиболее перспективной концепция «Тектоники литосферных плит (ТЛП)» также не обходится без допущения нисходящих потоков вещества в разрезе всей мантии, поскольку причину мобильности литосферных плит и, самое главное, причину их «изменчивости» в пространстве и во времени данная концепция объясняет существованием в земных недрах конвекционных, а значит, разнонаправленных перемещений материи и энергии. Объяснить причину мобильности литосферных плит и тектоно-магматической активности на их дивергентных и конвергентных границах действительно трудно объяснить без допущения ведущей роли конвекционных ячеек в недрах Земли, однако в данном случае вопрос заключается совсем в другом, а именно: до какого уровня в разрезе Земли можно «опустить» нисходящую ветвь предполагаемой конвекции, существует ли конвекционный обмен веществ в разрезе подастеносферной мантии или же такой обмен ограничен только разрезом астеносферы планеты – самого «податливого слоя» в разрезе Земли в силу «частичной расплавленности» его вещества и предрасположенности этого вещества к «течению»?

Сторонники концепции ТЛП предполагают существование конвекции в разрезе мантии Земли в целом, при этом «текучая астеносфера» принимается всего-навсего верхней ветьвю «конвейра Холмса» конвекционирующей мантии в целом. К большому огорчению, определяющее большинство ученых в данном случае оперирует обобщенным понятием «мантия Земли», тогда как именно необходимость анализа природы конвекционного круговорота вещества и энергии в недрах планеты требует разграничение частично расплавленной маловязкой астеносферы и твердой и вязкой подастеносферной мантии (нижней мантии и переходного слоя, вместе взятых).

Общеизвестно, что сущность тепловой конвекции заключается в обмене веществ между верхней и нижней ветвями «конвекционирующей жидкости» из-за разительного отличия некоторых физических параметров слагающих этих ветвей веществ, а именно – их температуры и плотности (собственного веса). При этом, в данном случае плотность (вес) вещества является функцией температуры, т.е. именно изменение температуры приводит к изменению плотности частиц вещества, что и является первопричиной конвекционного кругооборота. Так, считается, что частицы жидкости в ее нижней кромке с повышением температуры расширяются, становятся легче окружающей среды и начинают подниматься к верхней кромке, «выталкиваемые» поступающими на их место еще не разогретыми тяжелыми частицами. Заново остыв на верхней кромке жидкости, они становятся снова тяжелее (плотнее) и под действием силы тяжести опять опускаются вниз, чтобы вновь «вытолкнуть» облегченные посредством непрерывно поступающего на уровень нижней кромки тепла частиц вверх.

Указанные условия никак не может быть сохранены применительно к разрезу подастеносферной мантии, что наглядно вытекает из особенностей температуры и плотности вещества в ее (подастеносферной мантии) верхней и нижней кромках.

Так, согласно имеющимся данным, мощность подастеносферной мантии (нижней мантии плюс переходного слоя) примем равной порядка 2500 км. Плотность вещества у ее нижней кромки равна 5,69 г/см³, у верхней – 3,65 г/см³, расчетная температура у подошвы нижней мантии равна 2700°С, у кровли переходного слоя мантии (на подошве астеносферы) – порядка 2100°С (см. рисунок). Из этих параметров вытекает, что температурные и плотностные условия для формирования восходящей ветви конвекционного (конвективного) потока в разрезе подастеносферной мантии имеются: исходное вещество в низах мантии с плотностью 5,69 г/см³ при повышении температуры до 2700°С, разуплотнившись, в принципе может потечь к ее верхней кромке и на этом рубеже приобрести меньшую плотность (3,65 г/см³) и температуру (2100°С). Однако с формированием нисходящей ветви конвекции в разрезе подастеносферной мантии все обстоит иначе. По классической схеме тепловой конвекции, разуплотненные за счет тепла молекулы «жидкости», дойдя до ее верхней кромки, должны не только «остыть», но и заново приобрести исходную плотность, чем и стимулируется в принципе нисходящий поток. В нашем случае данное условие не соблюдается, поскольку уровню кровли подастеносферной мантии заведомо присуща плотность в 3,65 г/см³ и вещество этого рубежа даже сравнительно низком значении температуры (2100°С) не может приобрести исходную плотность (5,69 г/см³).

Как свидетельствует приведенное выше обсуждение вопроса, в подастеносферной мантии отсутствуют необходимые условия для формирования нисходящего потока материи, значит, в этой геосфере никак не может «работать» конвекционный механизм переноса тепла и вещества в его классическом понимании. Если к этому добавить, что возможность конвекционного кругооборота вещества в подастеносферной мантии затруднена еще и в связи с высокими вязкостными свойствами ее вещества, то вывод должен быть однозначен: в разрезе подастеносферной мантии не может существовать механизм конвекционного кругооборота вещества, поскольку физическое состояние слагающего ее вещества (температура, плотность, вязкость) никак не располагает возникновению кругооборота, тогда как эти условия предопределяют только односторонний (вверх) конвективный поток тепла и материи.

Рисунок. Условный разрез подастеносферной мантии