Численное моделирование термохимической мантийной конвекции и циклическая эволюция континентов и океанов

Анализ результатов. Возникает принципиальный вопрос, каковы причины мантийных переворотов? В рамках термической конвекции было установлено, что эндотермический фазовый переход приводит к появлению аваланшей. В данной работе показано, что добавление химических процессов значительно усиливает цикличность и нелинейность геодинамического процесса. Поскольку скорости химических реакций сильно зависят от температуры и подвода реагентов, который осуществляется конвективным путем, то возможно взаимное термо-химико-конвективное усиление активности. Именно во время переворотов достигается максимальная сонаправленность термической конвекции с процессами дифференциации, происходящими на границах мантийного слоя. А после активной конвективной фазы, когда легкое вещество всплыло наверх, а тяжелые эклогиты переместились на дно, фактор химической плавучести вместе с эндотермическим фазовым переходом тормозит конвекцию в мантии, процессы дифференциации замедляются или прекращаются совсем.

Различие химического состава помогает преодолевать эндотермический барьер на отметке 670 км и учащает перемежающийся пульс мантийной конвекции. Аваланши (которые в термической модели связывают с циклами Вилсона) в термохимической модели соответствуют геологическим циклам Бертрана (175 млн. лет). Только в критически дифференцированной мантии возможно нелинейное усиление прорыва до глобального масштаба, при котором конвекция самоорганизуется в общемантийный переворот. Следует подчеркнуть, что одной заключенной в модели возможности нелинейного взаимодействия всех факторов еще не достаточно для осуществления овертонового режима эволюции. Необходимым условием запуска этого режима является акцентированный первотолчок, который в нашем эксперименте обеспечивает неустойчивое равновесное начальное состояние планеты. Только процесс, начинающийся с мощного переворота, попадает на овертоновую ветвь эволюции.

Существенное различие между овертоном и аваланшем видится в том, что овертон представляет собой систему конвективных ячеек, которые охватывают всю мантию и активно конкурируют между собой в захвате вещества. Вследствие чего формируются акцентированные границы конвективных ячеек, и образуются протяженные системы коллизионных поясов и СОХ, т.е. происходит разбивка поверхностного слоя на литосферные плиты. Прорывы, происходящие в недостаточно дифференцированной мантии, вырастают только до регионального масштаба. Аваланши и плюмы характеризуются резким увеличением скорости лишь в ярко выраженной центральной части, т.е. у аваланшей и плюмов нет собственной внешней границы, в роли последней выступают конвективные границы вмещающей ячейки. Поэтому можно говорить, что плюмы вмонтированы в тектонику плит посредством общих внешних границ. Таким естественным образом, в рамках термохимической модели мантийной конвекции реализуются одновременно и тектоника плит, и тектоника плюмов. Благодаря нелинейному усилению, плюмы всплывают наверх «как бы не замечая» тектонику плит. А в периоды затишья химической активности на передний план выходит постоянно действующая тектоника плит.

Численные эксперименты отражают важное топологическое свойство конвекции в шаровом слое: на погружение вещества требуется затратить больше усилий, чем на всплытие (эффект «заклинивания»). Это свойство проявляется в типичной конфигурации овертонов - один суперсток и 3-5 восходящих суперплюмов. Выполняется известный вариационный принцип механики - принцип минимальных затрат энергии. Коллективное погружение вещества энергетически является более выгодным. Таким образом, сферическая геометрия мантийного слоя способствует реализации течений с общим стоком, необходимым для сборки суперконтинента.

Анализ поверхностной динамики корового вещества, который свидетельствует, что глобальные мантийные перевороты в состоянии собирать суперконтиненты и закрывать океаны, одновременно показывает, что такой «сборки материков» проблематично добиться иными средствами [Котелкин, Лобковский, 2005, 2006, 2007]. В частности, объединение континентов в результате дрейфа без многократного увеличения скорости не обеспечит эффект высокого стояния суперконтинента. Овертоновый режим дает убедительное объяснение циклам Вилсона, результат может улучшиться еще, если ввести обратное влияние коры на мантийную конвекцию и учесть экранирующий эффект, который способствует распаду суперконтинентов [Trubitsyn, 2004; Trubitsyn V.P., Trubitsyn А.P., 2005]. Наряду с глобальными циклами при термохимическом моделировании воспроизводятся также циклы Бертрана и Штилле.

В седьмой главе приводятся результаты 3D-экспериментов, моделирующих образование океанических поднятий и объясняющих природу трансформных разломов. Эти исследования регионального масштаба выполнены в прямоугольной расчетной области с применением более мелкой сетки, позволяющей получить необходимую детализацию структуры мантийной конвекции. Развитая вынужденная термическая конвекция в верхней мантии моделировалась на равномерной сетке, содержавшей 513х385х65 узлов, что дает шаг сетки 10.5 км. Для формирования основного течения в виде продольной циркуляции на нижней границе расчетной области задавалось линейное распределение температуры, рис 17.

Рис. 17. Основное течение - вынужденная конвекция в верхней мантии

Моделирование показало, что на фоне основного продольного течения при больших числах Рэлея возникают вторичные поперечные течения в форме валиковой конвекции [Вержбицкий и др., 2007]. Поэтому суммарное движение вещества происходит по сложным винтовым траекториям, в результате чего в потоке образуются ярко выраженные продольные структуры, соответствующие холодным и горячим границам вторичных валиковых течений, рис. 18. Горячие валиковые границы аккуратно разрезают верхнюю мантию на прямолинейные части, и одновременно холодные зоны, располагающиеся в центрах этих частей, служат для них своеобразными «ребрами жесткости». Таким образом, в силу закономерностей конвекции и термоупругости верхняя мантия оказывается разбитой на блоки. С позиций механики сплошных сред становятся понятно как происхождение трансформных разломов, так и наблюдаемое раздельное перемещение участков океанического дна вдоль этих разломов.

Рис. 18. 3D-распределение температуры при Ra=10⁷. Продольная завихренность (справа) иллюстрирует валиковый характер вторичных течений

Для объяснения образования и динамики океанических поднятий было проведено моделирование подъема плюма химической природы и его взаимодействия с термической конвекцией в верхней мантии, рис. 19. Всплытие прорвавшегося из нижней мантии через фазовый барьер легкого вещества индуцирует строго определенную конвекцию в верхней мантии. Растекающееся легкое вещество порождает (рис. 19а) и движет перед собой (рис. 19б) зоны субдукции. После исчерпания потенциала химической конвекции продолжается термическая конвекция, под действием которой всплывшее вещество делится на части, растекание которых ограничено зонами субдукции (рис. 19в). Таким образом, легкое вещество оказывается зажатым термической конвекцией со всех сторон, что создает условия для образования компактных океанических поднятий.

Рис. 19. Деление термической конвекцией всплывшего легкого вещества

(а) - легкое вещество (серого цвета) всплыло на поверхность,

(б) - легкое вещество растекается и индуцирует термическую конвекцию,

(в) - термическая конвекция делит легкое вещество на две части,

(1-8) - вид сверху на поверхностный дрейф (справа налево) легких частиц

В пространственном случае описанной выше термической конвекции (рис. 18) наблюдается поверхностная динамика легкого вещества, представленная на рис. 19 (1-8). Сгусток всплывающих легких частиц начинает дрейфовать согласно вынужденной циркуляции, увеличиваясь в размерах и вытягиваясь в направлении движения, и одновременно происходит разделение частиц на две группы. Таким экспериментом можно объяснить происхождение поднятий Шатского и Хесса, которые располагаются в северо-западной части Тихого океана примерно симметричным образом по разные стороны от Императорского хребта [Котелкин и др., 2004; Вержбицкий и др., 2006].

Для объяснения крупных семейств одновозрастных океанических плато и траппов, наблюдаемых на поверхности, было проведено исследование взаимодействия термохимического плюма с фазовым барьером. Это региональное моделирование выполнено на расчетной сетке, содержащей 385х385х129 узлов. Начальное состояние региона - невозмущенное, и с границы ядро-мантия (из слоя D??) происходит локализованное в пространстве и во времени поступление порции легкого вещества, имитирующее нижнемантийный плюм. Типичный результат численных экспериментов такого рода представлен на рис. 20 в виде пространственных конфигураций всплывающего вещества. Плюмовое вещество однородно, но для наглядности ему по мере всплытия придаются различные оттенки, светлые тона соответствуют положениям вещества в нижней мантии, а темные - в верхней. Вещество начинает всплывать вертикально вверх, на рис. 20а и 20б видна питающая плюм тонкая ножка и растекающаяся вдоль фазовой границы 670 км шляпка плюма. В этот момент подпитка плюма снизу была прекращена, наблюдается дальнейшее растекание вещества, рис. 20в, и затем формируется кольцевая структура, рис. 20г. После чего осевая симметрия уступает место локальным прорывам легким веществом фазового барьера, рис. 20д, и рождается семейство верхнемантийных плюмов. Рис. 20е и 20ж показывают дальнейший подъем легкого вещества в верхней мантии и его растекание вдоль внешней поверхности. Таким образом, при моделировании имеет место дробление нижнемантийного плюма эндотермическим фазовым переходом насемейство верхнемантийных плюмов. Этот результат согласуется с наблюдаемыми семействами близковозрастных океанических плато Онтонг-Джава, Манихики и трапповых провинций Восточно-Марианской, Науру и Пигафетта [Larson, 1997], с излияниями Сибирских и Тунгусских пермо-триассовых траппов. Поэтому можно сделать вывод, что одной из основных причин образования семейств океанических плато и траппов является фазовая граница между верхней и нижней мантией. Расчеты показывают также, что более мощные плюмы, такие как исландский, в состоянии преодолеть фазовый барьер без дробления.

Рис. 20. Дробление нижнемантийного плюма фазовым переходом

На основании результатов региональных экспериментов можно констатировать, что термохимическая модель позволяет успешно воспроизводить не только тектонику плит, но и тектонику плюмов.

Заключение. По результатам численных экспериментов на термохимической модели можно сделать следующие выводы.

Термическая составляющая постоянно поддерживает мантийную конвекцию, формирует её ячеистую структуру и отвечает за тектонику плит.

Эндотермический фазовый переход тормозит вертикальное движение, придает конвекции перемежающийся характер и ведет к расслоению мантии.

Химические процессы, нелинейным образом зависящие от температуры и подвода реагентов, придают движению импульсно-циклический характер.

Термо-химико-конвективное взаимодействие выражается в форме мантийных плюмов и значительно усиливает нелинейный характер конвекции. Тектоника плюмов вложена в тектонику плит так, что внешними границами плюма служат границы термической ячейки, и плюм эффективно подпитывается всей ячейкой.

При раздельной двухъярусной конвекции с интервалом 30ч40 млн. лет происходят перестроения конвективных ячеек в верхней мантии, они сопровождаются слиянием зон субдукции и объясняют закрытие окраинных морей и присоединение островных дуг к материкам (циклы Штилле).

Прорывы, происходящие в слабо стратифицированной мантии, усиливаются только до аваланшей регионального масштаба. Такие аваланши повторяются через 170ч200 млн. лет, что объясняет данные сейсмотомографии. Они вызывают перемещения масс, приводящие к закрытию малых или частичному закрытию больших океанов (циклы Бертрана).

Главный вывод. В критически дифференцированной мантии возможна глобальная самоорганизация конвекции в энергичный общемантийный переворот (овертон). Мантийные перевороты являются веховыми событиями эволюции Земли, они определяют циклы Вилсона в 650ч900 млн. лет, закрывают прежние океаны и производят сборку суперконтинентов. Во время овертонов происходит переформирование срединно-океанических хребтов и коллизионных поясов.

Овертоно-циклический режим мантийной конвекции хорошо воспроизводит основные события геологической истории Земли и объясняет логическую связность и закономерность всей цепи событий.

Для запуска овертонового режима эволюции необходим акцентированный первотолчок, его обеспечивает неустойчивое начальное состояние, в котором планета оказывается в результате быстрой аккреции.

Первый и второй стоки и суперконтиненты располагаются на противоположных сторонах Земли, последующие стоки и суперконтиненты располагаются между предыдущими. Поэтому, начиная с третьего цикла Вилсона, начинает формироваться дипольная структура планеты с континентами в одном полушарии и крупным устойчивым (Тихим) океаном - в другом. Импульсно-периодический характер конвекции приводит к тому, что процесс эволюции носит ступенчатый характер. Прирост коры и ядра, остывание мантии во время переворотов происходят ускоренными темпами. Вследствие остывания вещества активность всех процессов уменьшается и овертоны вырождаются в аваланши.

Региональное термохимическое моделирование объясняет причины и механизм образования характерных океанических структур.

На фоне вынужденной термической конвекции в верхней мантии образуются вторичные валиковые течения. Горячие границы валиковых течений делят мантию на части и проявляются в виде трансформных разломов, а холодные зоны укрепляют эти части и превращают их в целостные блоки, которые перемещаются с относительным сдвигом.

Учет взаимодействия вынужденной термической конвекции в верхней мантии с плюмом химического происхождения позволяет смоделировать образование и динамику океанических поднятий.

Эндотермический фазовый переход приводит к растеканию и дроблению нижнемантийного плюма на несколько верхнемантийных плюмов, что объясняет наблюдаемые на поверхности семейства одновозрастных океанических поднятий и базальтовых плато.

Общий вывод заключается в том, что термохимическая модель позволяет получить картину эволюции Земли, которая согласуется с геологическими, геофизическими и геохимическими данными.

В приложении 1 приведены результаты тестирования алгоритмов.

В приложении 2 показано [Котелкин, Лобковский, 2008], что овертоновый режим конвекции сохраняется при меньшем наклоне фазовой кривой, г=-1.4

МПа/град, если увеличить вклад химических слагаемых, C_light= 1.2 и C_ecl= - 0.44.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих журналах, монографиях и интернет изданиях

1. Котелкин В.Д., Лобковский Л.И Общая теория Мясникова эволюции планет и современная термохимическая модель эволюции Земли // Физика Земли. - 2007. №1. - С. 26-44.

2. Котелкин В.Д., Лобковский Л.И. Причины цикличности глобального геодинамического процесса // Докл. РАН. - 1999. Т. 366. №3. - С. 369-371.

3. Котелкин В.Д., Лобковский Л.И., Вержбицкий Е.В., Кононов М.В. Геодинамическая модель образования возвышенности Шатского (Тихий океан) // Океанология. - 2004. Т. 44. №2. - С. 278-282.

4. Лобковский Л.И., Котелкин В.Д. Двухъярусная термохимическая модель конвекции в мантии и ее геодинамические следствия (С. 29-53) / Проблемы глобальной геодинамики. Под ред. Д.В. Рундквиста. - М.: ГЕОС, 2000. - 246 с.

5. Занемонец В.Б., Котелкин В.Д., Мясников В.П. О динамике литосферных движений // Изв. АН СССР. Физика Земли. - 1974. №5. - С. 43-54.

6. Lobkovsky L.I., Kotelkin V.D. Numerical analysis of geodynamic evolution of the

Earth based on a thermochemical model of the mantle convection // RJES. 2004. V. 6. №1. - P. 1-10. http://rjes.wdcb.ru/v06/tje04144/tje04144.htm

7. Kotelkin V.D., Lobkovsky L.I. Numerical analysis of geodynamic evolution of the Earth based on a thermochemical model of the mantle convection: 3-D model // RJES. 2004. V. 6. №6. - P. 385-389. http://rjes.wdcb.ru/v06/tje04165/tje04165.htm

8. Лобковский Л.И., Котелкин В.Д. Термохимическая модель конвекции в мантии и ее геодинамические следствия (C. 432-442) / Осадочные бассейны: методика изучения, строение и эволюция. Под ред. Ю.Г. Леонова, Ю.А. Воложа. - М.: Научный мир, 2004. - 526 с.

9. Вержбицкий Е.В., Кононов М.В., Котелкин В.Д. Геотермический режим и геодинамика Северо-Восточной части Тихого океана // Океанология. - 2007. Т. 47. №5. - С. 756-769.

10. Вержбицкий Е.В., Кононов М.В., Котелкин В.Д. Тектоника плит северной части Тихого океана // Вулканология и сейсмология. - 2007. №6. - С. 3-18.

11. Вержбицкий Е.В., Лобковский Л.И., Кононов М.В., Котелкин В.Д. Генезис океанических возвышенностей Шатского и Хесса (Тихий океан) по геолого-геофизическим данным и результатам численного моделирования // Геотектоника. - 2006. №3. - С. 82-93.

12. Котелкин В.Д. Процессы переноса в периодическом слое катализатора // ДАН СССР. - 1989. Т. 306. №4. - С. 920-924.

13. Котелкин В.Д. Обратная задача аэродинамики при выборе декартовых ко-ординат в качестве зависимых переменных // МЖГ. - 1994. №1. - С. 147-157.

14. Котелкин В.Д., Мясников В.П. Влияние деформации засыпки на течение газа в химическом реакторе с неподвижным слоем катализатора // ДАН СССР. - 1979. Т. 247. №1. - С. 170-174.

15. Евтушенко А.И., Котелкин В.Д. Массоперенос в периодическом слое катализатора // Вестн. Моск. ун-та. Математика, механика. - 1990. №2. - С. 98-102.

16. Есаков Ю.П., Котелкин В.Д. Гидродинамическая модель реактора с неподвижным слоем катализатора // ДАН СССР. - 1986. Т. 289. №6. - С. 1445-1449.

17. Рубцов Н.М., Котелкин В.Д. Закономерности распространения нетеплового пламени на примере реакции термического распада треххлористого азота при низких давлениях // ТОХТ. - 2002. Т. 36. №4. - С. 405-417.

18. Rubtsov N.M., Kotelkin V.D. On the nature of the upper limit of isothermal flame propagation in the branching-chain decomposition of nitrogen trichloride // Mendeleev Commun. 2001. №2. - P. 61-64.

19. Rubtsov N.M., Kotelkin V.D. Transition from isothermal to chain-thermal flame-propagation regimes in the branching-chain decomposition of nitrogen trichloride // Mendeleev Commun. 2002. №1. - P. 33-36.

20. Лобковский Л.И., Котелкин В.Д., Волож Ю.А. Двухъярусная термохимическая конвекция в мантии и ее следствия, касающиеся строения, эволюции и геодинамики Земли / Тектоника, геодинамика и процессы магматизма и метаморфизма. М.: ГЕОС, 1999. - С. 374-377.

21. Лобковский Л.И., Котелкин В.Д. Геодинамика мантийных плюмов, их взаимодействие с астеносферой и литосферой и поверхностное проявление в рифто- и траппообразовании / Общие вопросы тектоники. Тектоника России. - М.: ГЕОС, 2000. - С. 304-308.

22. Лобковский Л.И., Котелкин В.Д. Перемежающаяся термоэклогитовая конвекция в мантии с учетом фазового перехода на глубине 670 км, сравнение с данными сейсмотомографии / Тектоника неогея: общие и региональные аспекты. - М.: ГЕОС, 2001. - С. 378-381.

23. Лобковский Л.И., Котелкин В.Д. Численное моделирование глобальной эволюции Земли на протяжении 4 млрд. лет в рамках термохимической модели мантийной конвекции / Тектоника и геодинамика континентальной литосферы - М.: ГЕОС, 2003. - С. 352-357.

24. Котелкин В.Д., Лобковский Л.И. Циклические закономерности эволюции Земли в рамках термохимической модели мантийной конвекции / Общие и региональные проблемы тектоники и геодинамики - М.: ГЕОС, 2008. - С. 437-441.