21

УДК 551.1:550.83/.87 ТРУДЫ СЕМИНАРА ОТДЕЛЕНИЯ

ДВУХЪЯРУСНАЯ ТЕРМОХИМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КОНВЕКЦИИ МАНТИИ И ЕЕ ГЕОДИНАМИЧЕСКИЕ СЛЕДСТВИЯ

Л.И.Лобковский, В.Д.Котелкин

Институт океанологии РАН, г.Москва

Вестник ОГГГГН РАН, № 3(9)'99  1999 ОИФЗ РАН, ОГГГГН РАН URL:http://www.scgis.ru/russian/cp1251/h_dgggms/3-99/lobkovskiy.htm#begin

Труды семинара Отделения "Проблемы глобальной геодинамики и металлогении"

Содержание

Введение

1. Внутреннее строение Земли по данным сейсмической томографии

2. Общие закономерности геологической эволюция Земли и особенности глобальной геодинамики

3. Модели тепловой конвекции в мантии Земли и глобальной геодинамики

4. Основные положения модели термо-химической двухъярусной конвекции в мантии и некоторые ее следствия

5. Математическая формулировка модели термо-химической конвекции в мантии

6. Некоторые результаты численного моделирования стационарной двухъярусной термической конвекции в мантии

7. Некоторые результаты численного моделирования термохимической мантийной конвекции

8. Некоторые геолого-геофизические следствия термохимической модели глобальной геодинамики

8.1. Цикл Вильсона.

8.2. Плюм-тектоника.

8.3. Средняя мантия.

Заключение

Литература

Введение

К концу 80-х годов в науках о Земле, прежде всего в области теоретической геологии и геодинамики, завершился примерно двадцатилетний период формирования плитотектонической парадигмы, с которой была связана крупнейшая научная революция в геологии, и на первый план в очередной раз выдвинулись проблемы построения общей теории эволюции Земли. В отличии от предыдущих умозрительных попыток создания общей теории развития Земли, на этот раз возникли реальные предпосылки для разработки такой теории на современном количественном уровне с учетом полученных к этому времени принципиально новых геофизических, геохимических и геологических данных. Некоторые ученые в связи с этим даже объявили о создании новой геологической парадигмы, которая должна содержать описание всех эндогенных процессов, происходящих в основных геосферах Земли, - в твердом и жидком ядре, в нижней и верхней мантии, в литосфере и коре [53].

С позиций современной геодинамики очевидно, что количественным каркасом теории эволюции Земли должна служить адекватная трехмерная модель конвективных движений в мантии, поэтому исследования мантийной конвекции в настоящее время привлекают особое внимание специалистов.

В данной работе рассматривается оригинальная модель мантийной конвекции, включающая как тепловой, так и химический факторы плавучести среды, учитывающая дифференциацию вещества на границе ядро-мантия, эклогитизацию базальтовой океанической коры в зонах субдукции, химическую стратификацию мантии, возможность раздельной двухъярусной конвекции в верхней и нижней мантии, развитие двухуровневой системы плюмов - глобальных, зарождающихся на границе ядро-мантия, и региональных, берущих свое начало с границы между верхней и нижней мантией.

Изложение нового подхода предварим кратким анализом фактических данных, в первую очередь по сейсмотомографии и геологической эволюции Земли, являющихся исходными при формулировке и построении нашей модели, а также небольшим обзором существующих моделей мантийной конвекции.

1. Внутреннее строение Земли по данным сейсмической томографии

Полученные в последние 10-15 лет результаты по сейсмической томографии Земли позволили установить в первом приближении ее трехмерное строение [1, 39, 42, 56, 40]. Выявленные латеральные и вертикальные отклонения скоростей сейсмических волн от средних сферически-симметричных значений обычно интерпретируются как следствие соответствующих температурных возмущений в конвектирующей мантии. Высокоскоростные “холодные” сейсмоаномалии отвечают относительно тяжелым погружающимся областям мантии, в то время как низкоскоростные “горячие” сейсмоаномалии - более легким ее частям, испытывающим подъем.

Сравнение наблюдаемой картины распределения сейсмоплотностных аномалий для верхней и нижней мантии показывает весьма сложную внутреннюю структуру, существующую в современной Земле. Прежде всего обращает на себя внимание кольцо высокоскоростного (“холодного”) материала в нижней мантии в диапазоне глубин 700-1700 км, пространственно совпадающее с Тихоокеанским подвижным поясом (за исключением региона Аляски и западной Канады), и ответвляющаяся от него высокоскоростная нижнемантийная область, протягивающаяся вдоль Альпийской-Гималайского коллизионного пояса (рис.1а). Такая картина распределения высокоскоростных сейсмоаномалий в нижней мантии убедительно показывает, что субдукция литосферы под активные окраины Тихого океана имеет очень глубокие корни (прослеживающиеся иногда до поверхности земного ядра) и фактически является отражением глобального нисходящего потока, имеющего ширину порядка первых тысяч километров, так что сама погружающаяся литосфера мощностью около 100 км занимает только малую часть объема в этом потоке. Аналогичная ситуация характерна для внутриконтинентальной субдукции в Альпийско-Гималайском коллизионном поясе. Заметим, что высокоскоростное кольцо постепенно размывается на глубинах, превышающих уровень примерно 1800 км, и в самых низах мантии в диапазоне глубин 2600-2900 км наблюдаются отдельные изометричные высокоскоростные области, отражающие, по-видимому, либо места “сгруживания” на поверхности ядра вещества бывших субдуцировавших литосферных плит, либо самые глубокие зоны нисходящих мантийных потоков (рис.1б). Наиболее крупные области погружающегося субдукционного материала в низах нижней мантии проявлены в виде крупных высокоскоростных сейсмоаномалий в диапазоне 1600-2900 км под восточной частью азиатского континента и под Антарктидой (рис.2).

С другой стороны в низах нижней мантии в диапазоне глубин 2300-2900 км выделяются две крупные низкоскоростные (“горячие”) области, одна из которых расположена под западно-центрально-южной частью африканского континента, а другая - под южно-центральной Пацификой. При этом низкоскоростная африканская нижнемантийная область продолжается на северо-запад в Атлантику и на юго восток в Индийский океан. Важно подчеркнуть, что указанные низкоскоростные цилиндрические области в нижней мантии в целом коррелируют с областями аномально высокого рельефа Земли, высокими значениями геоида, а также с двумя основными зонами скопления “горячих точек” (рис.3). Следовательно, несмотря на отсутствие пространственной связи нижнемантийных восходящих горячих” потоков со срединно-океаническими хребтами, они находят свое отражение на поверхности Земли [6].

Другой принципиальный вывод, вытекающий из анализа сейсмотомографических срезов мантии на разных глубинах, состоит в том, что картина распределения сейсмоаномалий кардинально меняется не только и не столько при переходе от верхней мантии в нижнюю, как это считалось ранее, сколько в некоем переходном достаточно мощном слое, низы которого достигают глубины порядка 1500 км [40]. Данная закономерность хорошо просматривается, например, для центрально-северной части Тихого океана, где крупнейшая высокоскоростная область, охватывающая диапазон глубин 1600-2900 км, сменяется низкоскоростной областью выше 1500 км, в которую попадает аномально разогретая Гавайская зона [40]. Заметим, что ниже этого переходного “среднемантийного” слоя “рассасывается” субдукционное высокоскоростное тихоокеанское кольцо. Таким образом появляются серьезные основания выделять в нижней мантии особый переходный слой, который можно назвать средней мантией или “расширенным слоем Голицына”, поскольку его низы расположены значительно глубже традиционного слоя Голицына. Возможная физико-химическая природа этого слоя обсуждается ниже.

Переходя к верхней мантии, прежде всего отметим, что, начиная с глубины около 300 км и до самой поверхности субдукционное тихоокеанское кольцо выражено очень четкой низкоскоростной сейсмоаномалией (за исключением сегмента Южной Америки). Этот кажущийся парадоксальным результат лучше всего объясняется тем обстоятельством, что погружающиеся в верхнюю мантию высокоскоростные плиты имеют более, чем на порядок меньшую толщину ( 100 км) по-сравнению с шириной в плане низкоскоростного кольца (2000-4000 км), происхождение которого, по всей видимости, связано с процессами задугового спрединга, вторичными наведенными конвективными ячейкам, флюидопотокамии и т.д. Поскольку данные глобальной сейсмотомографии имеют разрешение порядка тысячи километров, тонкие литосферные плиты находятся за пределами точности используемого метода в отличии от высокоскоростных областей “накопления” субдукционного материала вблизи границы 670 км, характерная толщина которых составляет несколько тысяч километров (рис.2). Низкоскоростная сейсмоаномальная зона в верхней мантии приурочена также к рифтовым зонам западной Африки и Красного моря и к Северной Атлантике.

Что касается высокоскоростных областей верхней мантии, то они, в основном, соответствуют континентальным щитам и платформам, подстилая их до глубин 200-400 км.

Рельеф границы между ядром и мантией неровный с отклонениями от среднего уровня порядка 6км [55, 39]. Максимально поверхность ядра приподнята в центральной части Индийского океана, в центрально-северной области Тихого океана и в районе Северной Атлантики. В широкой периферической полосе Тихого океана и под северной частью африканского континента поверхность ядра погружена. В погранслое толщиной 20 км между мантией и ядром намечаются скоростные аномалии, которые слабо коррелируются с топографией поверхости раздела ядро-мантия.

Вся область над ядром толщиной 200-300 км (так называемый слой D``) имеет латерально меняющиеся скоростные характеристики. Часть из них может быть вызвана температурными вариациями, но другая, вероятно, обусловлена изменениями состава [56]. В этом переходном слое недавно были обнаружены так называемые ультра-низкоскоростные зоны, с которыми можно связывать лавинное частичное плавление и дифференциацию вещества мантии в самой близости от поверхности ядра [49]. Эти процессы, по-видимому, могут приводить к зарождению суперплюмов на границе ядро-мантия. Отмеченные ультра-низкоскоростные зоны вблизи поверхности ядра в настоящее время выявлены под центральной частью Тихого океана, а также под Аляской, Исландией и Африкой [49].