Вопрос №8 Геохимические док-ва существования мантийной конвекции

Прежде всего - что такое конвекция вообще? Вот мы поставили на плиту чайник; через некорое время придонный слой воды нагревается от конфорки. Поскольку любое вещество при нагреве расширяется, эта "придонная вода" начинает занимать, при том же весе, несколько больший объем, а потому "всплывает" на поверхность - в соответствии с законом Архимеда. Холодные и, соответственно, "тяжелые" поверхностные слои "тонут", занимая место всплывших у источника тепла; так образуется круговорот, называемый конвекционным током, который будет работать до тех пор, пока вся вода в сосуде не прогреется до одинаковой температуры.

Тот тип конвекционного процесса, который мы только что описали, называют тепловой конвекцией; сам Холл предполагал, что в мантии имеет место именно он, однако в последнее время геофизики отводят главную роль не тепловой, а фазовой конвекции. Дело в том, что существуют и другие (помимо нагрева) способы создать в среде архимедовы силы плавучести, которые породят конвекционный ток. Вспомним описанный в главе 2 процесс гравитационной дифференциации недр. Внутрение слои мантии, потерявшие при контакте с поверхностью ядра часть "ядерного" (богатого железом) вещества, обладают пониженной плотностью и положительной плавучестью; внешние слои мантии, напротив, уплотнились в результате выплавки из них "легкого", силикатного, вещества земной коры и обладают отрицательной плавучестью. Под действием этих архимедовых сил плавучести в мантии и развиваются крайне медленные (порядка нескольких сантиметров в год) конвекционные токи.

Объем вещества, охваченный конвекционным током, называют конвективной ячейкой; весь объем греющегося чайника представляет собой единую ячейку, однако если мы станем нагревать широкий таз двумя удаленными друг от друга горелками, то у нас возникнут две относительно независимые системы циркуляции воды, взаимодействующие между собой. Ячейки бывают двух типов - открытые и закрытые. По краям открытых ячеек происходит подъем, а в центре - опускание вещества, т.е. в поверхностном слое вещество движется от краев к центру, а в придонном - от центра к краям; в закрытых ячейках, соответственно, все наоборот

Литосферные плиты с "впаянными" в них континентами оказываются вовлеченными в движение вещества мантии в поверхностном слое конвективных ячеек и перемещаются вместе с ним (мантийным веществом) от областей его подъема к областям опускания (в кастрюле с кипящим молоком - ячейке закрытого типа - пенка собирается у стенок). В толстостенной сферической оболочке (каковой явлеятся мантия планеты) лишь две схемы организации конвекционного процесса могут быть относительно устойчивыми. Одной, более простой, будет единственная ячейка, охватывающая собою всю мантию, с одним полюсом подъема вещества и одним же полюсом его опускания. В этом случае континенты собираются воедино вокруг полюса опускания, освобождая вокруг полюса подъема "пустое" - океанское - полушарие; такая ситуация существовала, например, во времена Пангеи.

Другая, более сложная, схема действует в наши дни. Это пара открытых ячеек типа "лоскутов теннисного мяча" - очень точное и наглядное определение. Теннисный мяч состоит из двух половинок, соединенных между собой так, что соединительный шов волнообразно изогнут относительно "экватора" двумя гребнями и двумя ложбинами; лоскуты тенисного мяча (в отличие от детского резинового) вытянуты, и их продольные оси взаимно перпендикулярны (рис. 12). Зону подъема вещества, являющуюся одновременно и границей между этими ячейками открытого типа - тот самый волнообразно изогнутый "шов" - и составляет глобальная система срединно-океанических хребтов. Зонами же опускания при такой схеме являются продольные оси ячеек (более или менее перпендикулярные друг другу), вдоль которых должны выстраиваться две цепочки материков. Примерно такая картина и наблюдается на Земле в настояще время: одну группу материков образуют Африка, Евразия и Австралия, другую - Северная и Южная Америка и Антарктида. (Заметим, что в принципе возможна и такая двухъячеистая конвекция, когда граница между ячейками полностью совпадает с экватором планеты, однако это будет просто частный случай крайне малого искривления "шва".)

При одноячеистой конвекции положение полюсов подъема и опускания вещества всегда будет несколько отличаться от идеального (точно по диаметру планеты); там, где соединяющие их "меридианы" будут самыми длинными, образуется застойная область, в которой вещество не теряет железа и потому постепенно оказывается тяжелее окружающей его среды. Через некоторое время оно "проваливается" вглубь мантии, создавая второй полюс опускания, и превращая конвекцию в двухъячеистую. Двухъячеистая конвекция постепенно ослабляется и затем переходит в одноячеистую (одна из ячеек как бы "съедает" вторую), и конвекционный цикл начинается заново. Таким образом, взаиморасположение континентов определяется фазой конвекционного цикла в мантии и наоборот: фаза конвекционного цикла, имевшая место в некую геологическую эпоху, может быть определена, исходя из взаиморасположения континентов, реконструированного палеомагнитными, палеоклиматологическими и иными методами. Понятно, что все эти изменения весьма существенно влияют на климат соответствующей эпохи, а через него - на функционирование ее биосферы.