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

Предлагаемая нами термо-химическая модель мантийной конвекции и глобальной геодинамики, включает элементы некоторых ранее разработанных подходов. Так, мы будем существенно использовать элементы модели гравитационно-химической (или химико-плотностной) конвекции в мантии, которая разрабатывалась в нашей стране, начиная с конца 60-х годов Е.В.Артюшковым, О.Г.Сорохтиным, В.П.Мясниковым, А.С.Мониным, В.П.Кеонджяном и др. [2, , 24, 25, 19, 17, 18, 8, 9], - прежде всего механизм гравитационной дифференциации мантийного вещества на границе ядро-мантия [25]. Для наших целей важно главное положение о том, что в процессе конвективного движения вещество нижней мантии в тонком переходном слое вблизи ядра испытывает дифференциацию на “тяжелую” и “легкую” компоненты. При этом тяжелая фракция стекает в ядро Земли, а легкая накапливается в подошве нижней мантии, создавая гравитационный потенциал для подъема нижнемантийного вещества. В этом состоит механизм постепенного роста земного ядра [25].

При постановке задачи о термо-химической конвекции в мантии наряду с механизмом генерации «легкого» вещества на границе ядро-мантия будем рассматривать также механизм генерации «тяжелого» вещества в верхней мантии за счет фазового перехода «габбро-эклогит», происходящего при погружении базальтовой океанской коры в зонах субдукции.

Кроме того, с самого начала договоримся еще об одном принципиальном исходном положении модели, связанным с признанием “барьерного” характера границы между верхней и нижней мантией, обуславливающего двухъярусный тип мантийной конвекции. Дискуссия о том, какая форма конвекции развивается в мантии Земли, общемантийная или двухъярусная (с раздельными ячейками в нижней и верхней мантии) имеет достаточно длительную историю и в настоящее время сводится к вопросу о геодинамической роли поверхности шпинель-перовскитового фазового перехода, расположенной на глубине 670 км и определяемой как граница между верхней и нижней мантией.

Решающее значение в этой дискуссии в последнее время приобрели результаты экспериментальной петрологии, позволившие установить особенности фазового перехода шпинель-перовскит, в частности, его эндотермическую природу с отрицательным градиентом температуры в уравнении Клайперона-Клаузиуса [34, 57, 45, 46, 33, 30]. При отрицательном градиенте температуры на кривой Клайперона-Клаузиуса дополнительный нагрев или охлаждение среды вблизи границы фазового перехода будет смещать ее соответственно вверх или вниз (рис.7а,б). Учитывая скачок плотности между фазами, такое вертикальное смещение будет приводить к появлению дополнительной архимедовой силы, стремящейся вернуть границу в ее исходное равновесное состояние. Этот механизм и создает барьерный эффект для вертикальной составляющей конвективных движений вблизи границы 670 км. В частности, если относительно холодное вещество субдуцируемой литосферы, достигая границы фазового перехода, охлаждает здесь среду, то эта граница будет смещаться вниз, создавая положительную плавучесть, препятствующую проникновению холодного материала плиты в нижнюю мантию (рис.7а). И наоборот, если мы рассмотрим горячий восходящий поток или плюм из нижней мантии, вещество которого при подходе к границе 670 км нагревает ее, заставляя смещаться вверх, то в результате получим эффект отрицательной плавучести, также препятствующий прохождению горячего вещества из нижней в верхнюю мантию (рис. 7а).

Динамический эффект фазовой границы на глубине 670 км для тепловой конвекции оценивался количественно в ряде работ, основной результат которых состоит в том, что эта граница ведет себя либо как непреодолимый барьер, либо как преодолимое препятствие в зависимости от крутизны температурного градиента на кривой Клайперона-Клаузиуса [36, 37, 35]. Другой важный результат был получен в работе [52], авторы который нашли неустановившийся переходный режим конвекции, при котором фазовая граница в одни периоды времени является реальным барьером для обмена веществом между нижней и верхней мантией, а в другие - допускает проникновение вещества сквозь себя. При этом, как показывает численное моделирование, проникновение субдукционного вещества верхней мантии в нижнюю через фазовую границу их раздела происходит в виде достаточно локализованных вертикальных плюмов [35, 52]. Заметим, что последний результат противоречит геометрической картине накапливающегося ниже границы 670 км и латерально расплывающегося субдукционного вещества, нарисованной японскими авторами на основе данных сейсмической томографии [40, 53] (рис.2).

Таким образом, учитывая вышеприведенные данные и соображения, мы приходим к формулировке модели двухъярусной термо-химической конвекции в мантии, характеризующейся следующими тремя главными положениями:

1. основная генерация положительной плавучести (создание относительно легкого вещества) происходит на границе ядро-мантия в результате развивающейся здесь гравитационной дифференциации мантийного вещества;

2. основная генерация отрицательной плавучести (создание относительно тяжелого вещества) происходит в верхней мантии в зонах субдукции океанской коры за счет ее эклогитизации;

3. конвекции имеет две основные моды: двухъярусную, когда ячейки в нижней и верхней мантии развиваются без обмена веществом через разделяющую их фазовую границу; и одноярусную моду, которая характеризуется прорывом через фазовую границу вещества нижней мантии в верхнюю и наоборот.

Рассмотрим теперь некоторые следствия, которые вытекают из данной постановки задачи о термо-химической конвекции в мантии. Одно из них касается качественной схемы мантийных течений, предложенной в работе [13], позволяющей объяснить некоторые важные особенности глобальной эволюции Земли, в частности, развитие полного цикла Вильсона для континентального полушария в период протерозоя-фанерозоя. Суть этой схемы может быть наглядно проиллюстрирована с помощью рис.8, где изображены основные стадии цикла Вильсона и соответствующие им конфигурации мантийных течений.

Первая стадия (рис.8-1) отвечает наличию суперконтинента Пангея и общемантийному восходящему потоку под ним, компенсирующему устойчивое погружение материала в субдукционной области. Существование общемантиийного восходящего потока на этой стадии предполагается как результат накопления достаточно большого объема легкого вещества в подошве мантии, создающего мощную силу положительной плавучести, которая и приводит к возникновению крупного восходящего потока, “прорывающего” фазовую границу между нижней и верхней мантией.

Вторая стадия соответствует распаду Пангеи вследствие действия общемантийного восходящего потока (рис.8-2). Последний выносит легкое вещество с границы ядра в верхнюю мантию, постепенно исчерпывая накопленные в результате дифференциациии “запасы” этого вещества в подошве нижней мантии. В конце рассматриваемой стадии цикла все легкое вещество оказывается в верхней мантии и тем самым исчезает подъемная сила химической плавучести мантийого материала. При этом, доминирующими становятся чисто тепловые эффекты конвекции.

Учитывая барьерный характер фазовой границы между верхней и нижней мантией, можно считать, что в отсутствие фактора химической плавучести (точнее при слабом его проявлении) течение под континентальным полушарием разобьется на отдельные ячейки, существующие в нижней и верхней мантии. Следующая третья стадия цикла (рис.8-3) показывает предпочтительный характер течения в двухслойной системе с двумя взаимосвязанными ячейками, в которых течение осуществляется в противоположных направлениях: против часовой стрелки - в нижнемантийной ячейке, по часовой стрелке - в верхней мантии (здесь рассмотрение проводится для левой части изображаемой системы континентального полушария).

Реализация именно такой конфигурации течения обусловлена следующими факторами. Во-первых, как уже отмечалоась, наиболее устойчивым элементом тепловой конвекции является нисходящий общемантийный поток, отделяющий океаническое полушарие от континентального. Этот поток за счет вязкого сцепления с нижнемантийным веществом континентального полушария будет инициировать течение против часовой стрелки в нижней мантии, как показано на рис.8-3. В свою очередь, нижнемантийный поток за счет вязкого взаимодействия с веществом верхней мантии приведет к вынужденной конвекции в ней по часовой стрелке (рис.8-3).

Описанный механизм вынужденной двухъярусной тепловой конвекции является ключевым элементом модели, так как он дает смену направления течения подлитосферной мантии на противоположное по отношению к ее центробежному движению при распаде Пангеи (рис.8-1). Возникающее центростремительное подлитосферное течение является той силой вязкого волочения, которая заставляет разошедшиеся фрагменты Пангеи вновь собраться в единый суперконтинент (рис.8-4). Этим завершается четвертая стадия цикла Вильсона.

Далее весь цикл повторяется по описанному здесь сценарию, поскольку считается, что к концу четвертой стадии постоянно идущая гравитационная дифференциация на границе ядро-мантия снова приведет к накоплению достаточно большого объема легкого вещества в подошве нижней мантии и создаст тем самым силу химической плавучести, достаточную для формирования мощного общемантийного восходящего потока. Последний снова начнет растаскивать единую Пангею на отдельные континентальные глыбы, в основном, по старым швам.

Рассмотренная схема двухъярусной термохимической конвекции в мантии, описывающая на качественном уровне циклы Вильсона, происходящие в континентальном полушарии, имеет универсальный характер и, следовательно, применима не только в континентальном, но и в тихоокеанском полушарии.

Это означает, что в истории Панталассы наряду с «дивергентными» режимами литосферных плит (характеризующимися преимущественно движением плит от центральных областей тихоокеанского полушария к периферийному субдукционному кольцевому поясу) существовали «конвергентно-дивергентные» режимы, при которых часть плит осуществляла

возвратное движение к центральным областям океана с возникновением здесь

внутренних зон субдукции и островных дуг.

Этот вывод является принципиально новым для тектоники плит и позволяет совершенно по иному взглянуть на проблему происхождения океанических террейнов островодужного типа, совершающих крупномасштабные перемещения из южных широт Тихого океана в северные (рис.9). С позиций рассматриваемой модели смены режимов мантийной конвекции под тихоокеанским полушарием, описанные в работах Л.П.Зоненшайна [6] и других авторов палеокинематические схемы движения террейнов Тихого океана получают естественное геодинамическое обоснование. Прежде всего становится понятным возникновение островодужных террейнов во внутренних частях Панталассы в периоды конвергентно-дивергентных режимов движения плит. При смене этих режимов на чисто дивергентные образовавшиеся террейны движутся к периферии Панталассы и в конце концов причленяются в виде чужеродных экзотических блоков к континентальным окраинам (рис.9). Таким путем, в частности, могли возникнуть и эволюционировать Омолонский и Эконайский террейны северо-восточной окраины России, террейн Врангелия Северо-Американской окраины и многие другие террейны континентального обрамления Тихого океана. Аналогичным образом, по-видимому, возникли и были перемещены террейны Палеоазиатского океана, океана Тетис и других древних океанов.

Рассмотрим теперь другое качественное следствие, вытекающее из сформулированной выше постановки задачи о двухъярусной термохимической мантийной конвекции. Оно касается образования под границей 670 км особого слоя в нижней мантии, отличающегося от нее по составу и плотности, который условно можно назвать средней мантией или “расширенным слоем Голицына”, имеющим толщину, сопоставимую с мощностью верхней мантии. Природа этого слоя лучше всего может быть понята, если мы вернемся к описанной выше качественной схеме цикла Вильсона и рассмотрим его третью стадию, изображенную на рис.10 в виде фрагмента численного моделирования процесса, который характеризуется установлением двухъярусного режима конвекции и доминированием теплового фактора плавучести. При таком режиме на границе ядро-мантия имеет место “независимый” процесс гравитационной дифференциации, который непрерывно вырабатывает “легкую” добавку к нижнемантийному веществу, которая выносится восходящим потоком в верхние этажи нижней мантии и затем распространяется в латеральном направлении вместе с нижнемантийными течениями (рис.10). С течением времени количество вынесенного в верхние этажи нижней мантии “легкого вещества” будет возрастать, в результате чего под границей 670 км сформируется химически стратифицированный слой, плотность которого будет нарастать сверху вниз (рис.10).. Поскольку коэффициент диффузии различных компонент в твердом мантийном веществе чрезвычайно мал, мощность образующегося слоя будет достаточно велика и, судя по ряду признаков, должна быть сопоставима с верхней мантией.

Таким образом сформулированная модель двухъярусной термохимической мантийной конвекции приводит к принципиальному выводу о необходимости выделения в мантийной оболочке Земли кроме верхней и нижней мантии слоя средней мантии, расположенного под фазовой границей 670 км. Этот вывод созвучен с результатами анализа Ю.М.Пущаровского и Д.Ю.Пущаровского [21] особенностей строения и состава различных геосфер Земли. Средняя мантия, согласно нашей, модели должна быть обогащена “легкой” компонентой нижнемантийного вещества, генерируемой на границе ядро-мантия, и ее средняя плотность должна постепенно нарастает сверху вниз в интервале глубин от 670 км до примерно 1500 км, имея промежуточное значение между плотностями верхней и нижней мантией. Следует подчеркнуть, что именно наличие промежуточного слоя средней мантии, на наш взгляд, объясняет наблюдаемую по данным сейсмической томографии картину накопления огромных масс “тяжелого” субдукционного вещества в слое толщиной порядка 1000 км под “барьерной” фазовой границей 670 км (рис.2). Обладая химической и плотностной стратификацией, средняя мантия не позволяет развиваться неустойчивости в виде вертикальных локализованных плюмов субдукционного вещества, прорывающих фазовую “барьерную” границу 670 км, как это должно быть в соответствии с результатами численных экспериментов [35]. Вместо этого, по-видимому, имеет место процесс сильного торможения субдукционного материала в средней мантии и его расплывания по латерали в пределах этой оболочки.

Подчеркнем, что изложенная выше качественная схема формирования химически стратифицированной средней мантии с особыми свойствами должна рассматриваться как рабочая гипотеза, связанная с предложенной моделью мантийной конвекции, которая дает физически разумное объяснение результатам сейсмической томографии.

В следующем разделе излагается численная модель мантийной конвекции, в основу которой положены рассмотренные выше исходные физические принципы, в частности, “смешанный” термо-химический характер сил плавучести и барьерная роль фазовой границы между верхней и нижней мантией.