CC BY
35НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ, 2009, №4
науки о земле
геология
УДК 551.24
Некоторые особенности мантийной конвекции (к дискуссии о мантийных плюмах)
В.С. Шкодзинский
По современным данным о горячей гетерогенной аккреции Земли земное ядро сформировалось раньше мантии в результате быстрого слипания железных частиц под влиянием магнитных сил и изначально имело более высокую температуру. Подогрев ядром мантии обусловил возникновение в ней конвекции. Сильное влияние силы Кориолиса на конвекцию является причиной отсутствия в мантии вертикальных потоков вещества по данным сейсмической томографии. Декомпрессионное переплавление тел эклогитов в суперплюмах обусловило формирование основных магматических очагов в астеносфере и возникновение в ней магмопотоков.
Ключевые слова: конвекция, плюмы, сила Кориолиса, магмы.
According to the modern concept of hot heterogeneous Earth's origin its core ware formed earlier than mantle and had more high temperature. Heating of mantle by core caused origin of mantle convection. Influence ofKoriolis force on the convection caused absence of vertical floods in the mantle according seismic tomography. Decompression melting of eclogites in plumes caused origin of basic magma flows in asthenosphere.
Key words: convectoin, plumes, Koriolis force, magmas.
С существованием мантийной конвекции в настоящее время принято связывать протекание тектонических и магматических процессов на Земле. К суперплюмам обычно относят крупные (поперечником до тысяч километров) восходящие потоки, обусловливающие возникновение глобальных тектонических процессов. Предполагается также существование относительно небольших потоков очень горячего вещества (миниплюмов), с которыми связано формирование «горячих точек» и крупных магматических тел.
Однако в последние годы появляется все больше публикаций, отрицающих существование мантийных плюмов и за рубежом происходит «Великий спор о плюмах» [1]. Одной из причин его являются данные сейсмической томографии [2], которые не выявили существование в мантии узких субвертикальных потоков горячего веще-
ШКОДЗИНСКИИ Владимир Степанович - д.г.-м.н., г.н.с. ИГАБМ СО РАН, [email protected].
ства (рис.1). Для возможности всплывания небольших плюмов под «горячими точками» необходима очень высокая температура их вещества. Однако магмы этих точек не имеют признаков очень высокой температуры [3].
Рис. 1. Распределение областей пониженной (светлое)
и повышенной (темное) скорости распространения сейсмических волн в мантии на околоэкваториальных сечениях Земли по данным [2], примерно соответствующее распределению горячего и более холодного вещества
Не ясна и причина подъема плюмов, поскольку по наиболее распространенной гипотезе холодной гомогенной аккреции Земли ее ядро и мантия образовались в результате гравитационного разделения силикатных и металлических частиц в земных недрах. Первичная температура их была одинаковой, поэтому ядро по этой гипотезе не должно быть более горячим, чем мантия, и не может ее подогревать. Попыткам объяснить подъем плюмов разуплотнением мантийного вещества под влиянием гипотетических потоков летучих компонентов из ядра противоречат бедность этими компонентами железных метеоритов, являющихся обломками ядер мелких планет, и очень высокая вязкость мантийных пород (1017 - 1024 кг/м-с). Она препятствовала бы процессам проникновения летучих компонентов в мантию, если бы существовали их потоки в ядре.
В этой статье предпринята попытка показать, что все трудности проблемы плюмов легко устраняются при учете современных данных о горячей гетерогенной аккреции Земли и влияния силы Кориолиса на мантийную конвекцию. Изучение железных метеоритов свидетельствует о том, что их родительские тела образовались при еще высокой температуре (700 - 800 оС) протопланетного диска [4]. Это обусловлено в двадцать тысяч раз большей скоростью слипания железных частиц под влиянием магнитных сил, чем силикатных частиц под воздействием сил гравитационного притяжения [5]. Поэтому железное ядро Земли образовалось раньше мантии. Большая скорость аккреции обусловила намного более высокую его первичную температуру. Это подтверждается геофизическими данными о существовании скачка температуры на границы мантии с ядром в 700 -3000 оС [6]. Поэтому ядро интенсивно подогревает мантию и для объяснения существования плю-мов нет необходимости предполагать нереальный привнос в нее летучих компонентов.
Отсутствие в мантии вертикальных потоков вещества по данным сейсмической томографии объясняется влиянием на них силы Кориолиса. Возникновение этой силы обусловлено вращением Земли вокруг своей оси, вследствие которого каждая точка на земной поверхности в районе экватора движется со скоростью У1 = L/t = 4^107м/24^3600 с = 463,5 м/с ^ - длина экватора, t - продолжительность суток), которая сопоставима со скоростью полета пули. На глубине 2900 км в подошве мантии эта скорость снижается до У2 = 252,5 м/с, а в центре Земли -до нуля. Всплывающее вещество под влиянием силы инерции должно стремиться сохранять свою пони-
женную линейную скорость вращения и поэтому будет отклоняться к западу, опускающееся вещество под влиянием изначально высокой скорости должно отклоняться к востоку.
Кинетическая энергия, выделяющаяся за счет силы Кориолиса при перемещениях вещества в мантии, равна AWк = тУ12/2 - тУ22/2, где т - масса вещества. Эта энергия при перемещениях на всю мощность мантии для 1 кг вещества составляет AWк = 1 кг-(463,52 - 252,52)м2с-2/2 = 151006 Дж. Энергия, выделяющаяся при всплы-вании через всю мантию вещества плюма, равна AWв = mвATgh. Коэффициент температурного объемного расширения для астеносферы в = 3-10-5 (о)-1, средняя разница температуры всплывающего вещества и вмещающей мантии АТ = 160о С [7], мощность мантии h = 2,9-106 м. В этом случае для 1 кг всплывающего вещества AW = 1кг-3-10-5(о)-1-160°- 9,81м-с-2-2,9-106м = 136560 Дж. То есть, энергия, выделяющаяся за счет силы Кориолиса, несколько больше таковой, выделяющейся при всплывании разогретого мантийного вещества. Следовательно, всплывание разогретого мантийного вещества и погружение холодного по крайней мере в низких широтах, где величина силы Кориолиса является максимальной, должны происходить не вертикально, как обычно принимается, а в виде сильно наклонных потоков. В случае пропорциональности величин вертикальных, а, и горизонтальных, с, смещений величинам затрачиваемых на них энергий при рассмотренных выше параметрах угол, 91, траектории всплывания с земной поверхностью, найденный из выражения tg91 = а/с = 136560/151006 я 0,9, составляет 91 = 42о. В раннем архее скорость вращения Земли была примерно в 8 раз больше современной. Для этого времени данный угол равен 6о. То есть, разогретое вещество перемещалось почти горизонтально.
Отклонение всплывающего вещества к западу под влиянием силы Кориолиса в низких широтах должно приводить к повышенной скорости отодвигания океанической литосферы в субмеридиональных зонах спрединга от их осей в западном направлении по сравнению с восточным и к возникновению здесь более широких полос новообразованной коры. Для проверки этого предположения внутри наиболее обширных сегментов между трансформными разломами измерялись расстояния по обе стороны от осей субме-ридионально ориентированных зон спрединга до одноименных полосовых магнитных аномалий (9 серий замеров) и границ коры различного возраста (8 серий) в низких широтах (между 50о с. ш.
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ МАНТИЙНОЙ КОНВЕКЦИИ (К ДИСКУССИИ О МАНТИЙНЫХ ПЛЮМАХ)
и 50о ю. ш.). Использованы данные, приведенные в монографии В.Е. Хаина [8] для Атлантического, Индийского и Тихого океанов. Ширина одинаковых по возрасту полос новообразованной коры в западных частях зон спрединга действительно оказалась в 1,05 - 1,3 раза больше, чем в восточных (рис. 2).
20 40 60 80 100 Ширина восточных полос,%
Рис. 2. Соотношение ширины западных и восточных полос одновозрастной коры в зонах спрединга (в процентах к суммарной ширине восточных полос):
1 и 2 - расстояния от оси спрединга до одноименных
магнитных аномалий: 1 - в сегменте к югу от трансформного разлома Вальдивия (Тихий океан), 2 - в сегменте к юго-востоку от о-ва Маврикий (Индийский океан); 3 - 7 - расстояния от оси спрединга до границ коры одинакового возраста: 3 - сегмент южной части Индийско-Аравийского хребта (Индийский океан), 4 - первый сегмент севернее Фолклендско-Агульясского трансформного разлома, 5 - первый сегмент севернее трансформного разлома Риу-Гранди, 6 - первый сегмент южнее трансформного разлома Чейн, 7 - первый сегмент севернее трансформного разлома Вима; 8 - пятый сегмент севернее этого разлома; 9 - третий сегмент севернее разлома Риу-Гранде; 10 - четвертый сегмент севернее Фолклендско-Агульясского разлома (Атлантический океан).
Построен по данным [8]
Существование в мантии закономерных отклонений потоков вещества от вертикальных под влиянием силы Кориолиса объясняет отсутствие в ней по данным сейсмической томографии вер-
тикальных струй понимающегося разогретого вещества (рис. 1). Постоянное воздействие отклоняющихся к западу больших масс поднимающегося вещества должно приводить к общему перемещению литосферы в этом направлении. Геологические признаки такого перемещения описываются в литературе еще с начала прошлого столетия [9] и рассматриваются как доказательства существования западного дрейфа литосферы. На основании анализа трендов движения «горячих точек» скорость этого дрейфа оценена в 0,11о за миллион лет [10].
С отклонением к западу поднимающегося вещества должны быть связаны примерно в 2 раза большая скорость движения плит в западном направлении по сравнению с восточным в Тихом океане и положение срединно-океанического хребта в его восточной части. Отклонением опускающегося вещества к востоку обусловлено в среднем более крутое погружение субдукцион-ных плит в западном направлении по сравнению с восточным.
Изучение состава ксенолитов в кимберлитах свидетельствует о том, что мантия в основном сложена ультраосновными породами (90-95%) и эклогитами. В свете модели горячей аккреции Земли эклогиты образовались из захоронявшихся среди кумулатов расплавов магматического океана. В некоторых кимберлитовых трубках мантийные ксенолиты представлены только эклогитами. Следовательно, объем тел эклогитов может достигать многих тысяч кубических километров. При подъеме нижнемантийного вещества содержащиеся в нем тела эклогитов, вследствие на 150 - 200о более низкой температуры их плавления по сравнению с ультраосновными породами, должны в первую очередь переплавляться под влиянием огромной декомпрессии и формировать очаги основных магм в астеносфере. Существование таких очагов в мантии давно предполагается различными исследователями на основании присутствия признаков глубинного магматического фракционирования в базитах. Полученные в этой работе результаты объясняют их природу.
Значительно меньшая плотность основных расплавов по сравнению с мантийными породами и их высокая подвижность должны были приводить к всплыванию этих расплавов в виде наклонных струй и «капель» относительно небольшого диаметра с образованием магматических пород «горячих точек» и других геодинамических об-становок. Скорость всплывания расплавов из маг-магических очагов, W, отражает формула Стокса
W = 2ДрgR2/9n. В ней Ар - разница плотностей среды и тела, принимаем ее равной 600 кг/м3; g = 9,81 м/с2 - ускорение силы тяжести; R - радиус всплывающего тела, принимаем его равным 1 км = 103 м; п - вязкость среды, равная для наиболее высокотемпературной астеносферы 1017 кг/мх. В этом случае W = 1,308^10-8 м/с. С глубины 100 км = 105 м тело расплава всплывет за 105:(1,308^10-8) = 0,764-1013 с ~ 2,4^105 лет. Тело расплава радиусом 10 км всплывет с этой глубины за 2400 лет.
Если всплывает не шарообразная «капля», а субвертикальная протяженная колонна небольшого сечения, что наиболее вероятно, то скорость подъема должна увеличиться примерно пропорционально величине частного от деления длины колонны на ее радиус. Время подъема в этом случае будет составлять десятки - сотни лет и сопоставимо с периодичностью извержений вулканов. Эти приближенные оценки показывают реальность процессов всплывания в астеносфере крупных тел расплава, возникших за счет декомпрес-сионного плавления тел эклогитов.
Существование этих локальных потоков магмы в наклонно поднимающихся суперплюмах приводит к образованию конкретных магматических тел в верхних частях земной коры. Площадь магматических провинций в земной коре определяется размерами суперплюмов нижнемантийного вещества. Размер магматических тел и их состав обусловлены параметрами магмопотоков. Если подъем нижнемантийных суперплюмов обусловлен процессами остывания первично более горячего вещества ядра, то возникновение магмопотоков отражает протекание процессов гравитационной дифференциации вещества мантии, стимулированное процессами термальной конвекции.
Геологическая роль мантийных магмопото-ков примерно соответствует роли, отводившейся мантийным миниплюмам. Для возникновения маг-мопотоков не нужна очень высокая температура, в образовавшихся путем декомпрессионного плавления магмах она может быть на 200 - 300о С ниже, чем в астеносфере, вследствие расходования тепла системы на декомпрессионное плавление. Это хорошо согласуется с признаками неперегретости большинства магм, связанных с магмопотоками (присутствие вкрапленников и трендов магматического фракционирования). Первично основной преимущественно толеитовый состав магматических очагов в астеносфере хорошо объясняет
наиболее широкое распространение толеитовых базитов не только в океанах, но и на платформах с мощной литосферой. Многочисленность тел эклогитов в мантии, судя по обилию ксенолитов такого состава в кимберлитовых трубках, свидетельствует о большом количестве одновременно возникающих мантийных магмопотоков и полностью объясняет множественность одновременно формирующихся магматических тел в активных океанических областях и в других районах подъема суперплюмов.
Приведенные данные, таким образом, подтверждают реальность существования мантийной конвекции. Но существуют не вертикальные поднимающиеся потоки разогретого вещества, а сильно наклонные крупные струи (суперплюмы). Конвекция является термальной. Кроме супер-плюмов, должны существовать потоки расплавов из глубинных очагов основных магм в астеносфере. С этими магмопотоками связано образование и главные характеристики конкретных магматических тел, возникавших над суперплюмами.
литература
1. Иванов А.В. Обойдет ли Россию «великий спор о плюмах»? // Геол. и геофиз. -2006. - Т. 47, № 3. -С. 417-420.
2. Su W., WoodwardR.L., Dzewonski A. M. Degree 12 model of shear velocity heterogeneity in the mantle // Journ. Geophys. Res. - 1994. - V. 99, № B4. - P. 6945 - 6980.
3. Сорохтин О.Г., Ушаков С.А. Развитие Земли. -М.: Изд-во МГУ, 2002. - 506 с.
4. Kelly W.R., Larimer J.W. Chemical fractionations in meteorites. VIII. Iron meteorites and the cosmochemical history of the metal phase // Geochim at Cosmochim Acta. - 1977. - V. 41, № 1. - P. 93-112.
5. Harris P.G., Tozer D.C. Fractionation of iron in the Solar system // Nature. - 1967. - V. 215, № 5109. - P. 1449-1451.
6. BukowinskiiM.S.T. Taking the core temperature // Nature. - 1999. - № 6752. - P. 432-433.
7. ДобрецовН.Л., КирдяшкинА.Г., КирдяшкинА.А. Глубинная геодинамика. - Новосибирск: ГЕО, 2001. -409 с.
8. Хаин В.Е. Тектоника континентов и океанов. -М.: Научный мир, 2001. - 606 с.
9. Ломизе М.Г., Захаров В.С. Глобальная асимметрия в размещении островных дуг и распад Пангеи // Геотектоника. - 1999. - № 2. - С. 3-16.
10. Uyeda S., Kanamori H. Back-are opening and the model of subduction // Journ. Geophys. Res. - 1979. - V 84, № B3. - P. 1049-1061.
