3. Модели тепловой конвекции в мантии Земли и глобальной геодинамики

Исторически количественные исследования конвективных движений в мантии развивались на основе хорошо апробированной гидродинамической теории тепловой ковекции в жидкости, нагреваемой снизу, сбоку или изнутри. Хотя отдельные работы по тепловой конвекции в мантии были опубликованы задолго до появления тектоники плит, именно эта мобилистская парадигма, послужила мощным толчком для систематического изучения тепловой мантийной конвекции. Сначала были рассмотрены двумерные модели тепловой конвекции с целью показать принципиальную возможность существования конвективных движений в верхней мантии, согласующихся с движением литосферных плит, которые при этом трактовались как тепловые погранслои [59, 54]. Постепенно исследования тепловой мантийной конвекции усложнялись, описывая многообразный набор ситуаций, связанных с разными режимами конвекции, отвечающими различным числам Рэлея (стационарная ячейковая или валиковая формы конвекции при умеренных числах Рэлея, нестационарные хаотические режимы конвекции при очень больших числах Рэлея) [44, 51]. Другая линия развития конвективных исследований связана с введением переменной вязкости или нелинейной реологии мантийной среды, а также с учетом фазовых переходов [62].

Принципиальное значение имеют результаты исследований трехмерной тепловой конвекции в сферическом мантийном слое, нагреваемом изнутри, которые показали, что трехмерные течения в сферическом слое, как уже отмечалось, самоорганизуются в форме достаточно локализованных и устойчивых в пространстве колец нисходящих потоков, пронизывающих весь слой [31, 32, 41, 56]. Эти кольцевидные полосы нисходящих потоков компенсируются восходящими потоками цилиндрической формы, значительно более изменчивыми во времени и пространстве Обнаруженная асимметрия между нисходящими и восходящими потоками есть фундаментальное свойство тепловой конвекции сильно вязкой жидкости в сферическом слое при ее нагреве изнутри или с нижней границы. Увеличение числа Рэлея приводит к большей хаотизации конвективных движений при сохранении главной структурной особенности конвекции - наличия глобальных нисходящих колец [41]. Выше отмечалось, что эти результаты в целом соответствуют данным сейсмической томографии Земли, и такое совпадение вряд ли можно считать случайным, учитывая абсолютную независимость двух групп данных [56].

В последние годы важный вклад в проблему тепловой мантийной конвекции внесли отечественные ученые. Здесь прежде всего имеются ввиду работы Н.Л.Добрецова и А.Г.Кирдяшкина [3-5] , в которых на основе физического и математического моделирования тепловой конвекции строится последовательная концепция глубинной геодинамики Земли, описывающая, с одной стороны, режимы раздельной тепловой конвекции в верхней и нижней мантии, а с другой – гидродинамические особенности развития мантийных плюмов. При этом даются разнообразные геологические, геохимические и петрологические следствия разработанной концепции глубинной геодинамики.

Большой интерес также представляют работы В.П.Трубицына и В.В.Рыкова [22, 23] и их зарубежных коллег [43], в которых показывается существенное влияние континентов на характер тепловой конвекции в мантии. Проведенное ими численное моделирование тепловой конвекции в мантии с учетом плавающих континентов, частично экранирующих выход тепла из недр Земли, позволило построить возможный механизм смены глобальных нисходящих мантийных потоков на восходящие, связав это с циклами Вильсона [22, 23]. По мнению В.П.Трубицына на основе предложенной модели “тепловой машины” Земли, можно также объяснить основные черты глобальной тектоники и геодинамики Земли [23].

Принципиально иной подход к проблеме глобальной геодинамики и эволюции Земли активно развивается в последнее время японскими учеными, которые, исходя прежде всего из интерпретации данных сейсмической томографии (рис.2), провозгласили создание новой геологической парадигмы, приходящей, по их мнению, на смену тектонике литосферных плит [53, 40]. Суть этого подхода состоит в следующем. Глобальная геодинамика и эволюция Земли определяются взаимодействием трех основных динамических оболочек, в каждой из которых доминирует определенный механизм движений: в верхней оболочке “работает” механизм тектоники плит, в средней оболочке, включающей целиком нижнюю мантию и часть подлитосферной верхней мантии, развивается так называемая “плюм-тектоника”, наконец, в нижней оболочке, совпадающей с ядром Земли, имеет место “тектоника роста ядра”. Центральным механизмом, запускающим и поддерживающим работу «японской машины Земли», является механизм накопления тяжелого вещества субдуцируемых плит на границе между верхней и нижней мантией (рис.2) и его внезапного прорыва в нижнюю мантию в виде глобального нисходящего плюма (“аваланша”), который приводит к образованию компенсирующего глобального восходящего плюма (рис.6). Если такой вынужденный или наведенный восходящий плюм оказывается расположенным под суперконтинентом-Пангеей, он вызывает распад последней на отдельные континенты с образованием между ними океанов. При дальнейшей эволюции геодинамической системы на границе 670 км ( но уже в новых зонах субдукции) продолжается постепенное накопление тяжелого вещества, которое вновь завершается лавинным прорывом его критической массы в нижнюю мантию в виде нового глобального нисходящего плюма. Над ним постепенно формируется новый суперконтинент-Пангея, затем цикл Вильсона повторяется вновь [53]. .

Таким образом, если в модели глобальной геодинамики В.П.Трубицына и В.В.Рыкова[22, 23] Земля уподобляется простой тепловой машине, в которой мантия - это паровой котел, литосферные плиты - движущие части машины, а континенты - клапаны, регулирующие выход тепла, то в альтернативной схеме японских ученых [53,40] машина Земли устроена сложнее, характеризуясь термо-химической, а не чисто тепловой движущей силой конвекции (накопление тяжелого субдукционного вещества с существенной эклогитовой компонентой на границе 670 км), доминирующей ролью внезапно возникающих нисходящих глобальных плюмов и т.д.

Каждая из предложенных схем глобальной эволюции Земли обладает своими преимуществами и недостатками. Так, преимуществом схемы Трубицына-Рыкова является ее количественный характер, подкрепленной численными расчетами. Однако она не учитывает важную роль химического фактора плавучести для развития конвекции в мантии, внутреннюю структуру последней, в частности, роль фазовой границы на глубине 670 км и т.д. С другой стороны, схема лавинообразных нисходящих плюмов (“аваланшей”) японских ученых [53, 40] опирается на большой объем экспериментальных данных (сейсмическая томография, экспериментальная петрология при больших давлениях и т.д.), однако она не доведена до количественного уровня.

Наиболее проработанной схемой глобальной геодинамики, опирающейся на физико-математическое моделирование тепловой конвекции в мантии, на наш взгляд, является отмеченная выше схема Добрецова-Кирдяшкина.

Крупные достижения в области моделирования тепловой мантийной конвекции, достигнутые за последние 10-15 лет, не означают, что при анализе проблемы глобальной геодинамики и эволюции Земли следует ограничиваться рамками чисто тепловой конвекции в мантии. Нам представляется, что, большие перспективы могут быть связаны с более общей термо-химической постановкой проблемы мантийной конвекции и глобальной геодинамики, к рассмотрению которой мы переходим в следующем разделе.