И менее плотные(красное), холодные и более плотные (синее) массы (аномалии)

Таким образом,обработка сейсмотомографических материалов позволила создать серию срезов геосфер, отражающих их неоднородности, а тем самым получить объемную картину внутреннего строения мантии. Аналогичные работы выполнены по ядру.Объемная картина мантии показана на рис.4.14.

Рис.4.14.Объемная сейсмотомографическая модель мантии: красным цветом обозначены низкоскоростные,менее плотные аномалии,фиолетовым-высокоскоростные,более плотные.Разница плотностей + -2%.Разница плотностей обеспечивает всплывание легких масс мантии.Под литосферой оранжевым цветом выделяется наиболее горячая часть астеносферы.На горизонтальной плоскости показано положение континентов и океанов

Рис.4.15.Сейсмотомографический срез поверхности ядра свидетельствует о неравномерном выделении тепловой энергии

при извлечении железа из мантии в слое D II

(красное-максимальное -2%,черное-минимальное + 2%).

Рис.4.16.Рельеф поверхности ядра по данным сейсмотомографии. Поднятия рельефа:I-Индоокеанское,II-Тихоокеанское,III-Атлантическое,1-проекция срединноокеанических хребтов.С поднятиями совпадают области максимальной генерации тепловой энергии

Рис.4.17.Обобщенная модель строения Земли. Мантия гравитационно неустойчива. Разница плотностей (+ 2% -2%) обеспечивает конвективное перемещение вещества мантии.

Рис.4.18. Схема конвективных течений вблизи границы мантия-ядро и зарождение восходящих потоков (апвелингов-суперплюмов) в мантии. Возможно опускание к ядру более плотных,холодных масс мантии (даунвелингов) провоцирует подъем менее плотных,нагретых масс слоя DII – апвелингов (суперплюмов),что дает начало возникновению конвективных течений.

Выявленные неоднородности на уровне разных срезов образуют вертикальные и наклонные тела, пронизывающие мантию вплоть до ее границы с ядром и обладающие разными физическими свойствами. Их открытие явилось важным объективным подтверждением существования конвективных течений в мантии,когда,подчиняясь закону Архимеда. легкие,разогретые массы должны подниматься к поверхности,а охлажденные,более тяжелые,наоборот,опускаться в недра планеты вплоть до ядра.Доказательство реальности вертикальных перемещений (конвективных течений) нагретых масс являются многие примеры деятельности современных вулканов, также проявления массового магматизма в земной коре.Подобные взгляды существенно упрочняют фундаментальные позиции теории литосферных плит и глобальной геодинамики.

Важнейшим условием генерации эндогенной энергии являются процессы глубинной дифференциации вещества мантии на границе с ядром.Наиболее активные участки фиксируются низкоскоростными аномалиями (красное на глубине 2900-2700 км). Земля не только генерирует огромное количество энергии,но и поставляет ее к поверхности и в земную кору.Возникает естественный вопрос.Каким образом эта энергия поступает к поверхности?

Конвективные течения в мантии. Самостоятельной задачей проблемы энергетического баланса Земли является механизм транспортировки энергии. Возможно несколько способов ее передачи. Маловероятно, что эффективным механизмом переноса тепла из глубоких областей Земли могут быть теплопроводность и кондуктивный перенос тепла. Подсчитано, что теплоперенос посредством теплопроводности через мантию потребовал бы около 5 млрд. лет, т.е. больше чем время существования Земли. Перенос тепла излучением также невозможен, так как лучевая энергия поглощается вмещающей средой. Наиболее эффективным способом передачи энергии является конвективный тепломассоперенос.

Рис.4.19.Способы передачи энергии (сверху) и снизу опыт, имитирующий возникновение конвективных течений в жидкости:упорядоченная одноячеистая(слева) и хаотическая,неупорядоченная (справа)конвективные течения

Конветивные течения принимают форму замкнутых ячей, что можно проверить на простом опыте. Читатель может в этом убедиться, проведя опыт подогрева воды в кастрюле на газовой горелке (рис.).Когда придонная температуры начнет повышаться, в толще воды возникает температурный градиент и направленный вверх поток тепла. Капли и струи нагретой воды начнут подниматься вверх, растекаться по поверхности, и, охлаждаясь, будут опускаться вдоль стенок емкости.

В конвекцию вовлекается весь слой жидкости, а возникающая конвекция оказывается упорядоченной и одноярусной. Если использовать несколько горелок, то тогда конвекция станет неупорядоченной (хаотичной). Однако в обоих случаях конвекцией будет охвачена вся толща воды, а сама конвекция одноярусной. В другом опыте используем двухслойную модель несмешивающихся жидкостей (вода, масло). По мере нагревания возникают два уровня конвекции, в каждом из которых будут формироваться самостоятельные ячеи. В этом случае конвекция является двухуровенной или двухярусной.

Под конвекцией понимается движение масс жидкости, возникающее вследствие гравитационной неустойчивости, обусловленной контрастом плотности и температуры в различных частях жидкостей.Конвективные течения в мантии – единственный механизм, объясняющий глубинную дифференциацию вещества Земли. Если бы глубинное тепло поступало к поверхности кондуктивным путем обычной теплопроводности, то оно за все время существования планеты не достигло бы поверхности, а накапливалось в ее недрах, доведя их до полного расплавления. Конвективный тепломассоперенос гарантирует Землю от перегрева.

Легкие поднимающиеся массы называются плюмами или апвелингами,а опускающиеся-даунвелингами.При подходе плюмов к литосфере они могут растекаться под ней и реализоваться своим магматизмом в виде отдельных вулканов («горячие точки»), трапповых полей на континентах или вулканических плато в океанах, а также в рифтовых областях.Спрединг в осевых частях срединноокеанических хребтов также обусловлен деятельностью крупных плюмов.Их местоположение контролируется положением ослабленных проницаемых зон в литосфере и коре.

Круговорот вещества мантии зависит от рисунка круговых конвективных течений.

Рис.4.20.Модель конвективных течений в мантии,объясняющая формирование океанической коры над восходящим плюмом,ее перемещение по обе стороны от зоны спрединга и,наконец,погружение охлажденной литосферы в мантию в зоне субдукции

Смотри фильм»тектоника плит»Ctrl+щелчок

Таким образом в мантии Земли,подобно проделанным опытам с жидкостями,возникают конвективные течения. Однако этот процесс оказывается очень сложным, что обусловлено многими факторами. (генерация энергии на разных уровнях и разной интенсивности, высокая вязкость пород, расслоенность и латеральная неоднородность слоев мантии и коры), обусловленными различиями петрохимического состава пород, их плотности и нагретости. Восходящие течения в мантии берут начало на границе мантии и ядра, где происходит химико-плотностная гравитационная дифференциация вещества, приводящая к наращиванию ядра и обогащению мантии кремнеземом, глиноземом, окисями магния и кальция и др.

Кинетическую энергию литосферные плиты получают за счет постепенного охлаждения литосферы и увеличения ее толщины и плотности. Подошва литосферы понижается в сторону от источника энергии (выхода плюма по оси срединноокеанического хребта), а сама плита получает дополнительную энергию тяги, увлекающую ее к нисходящему конвективному потоку мантии. Здесь в зоне субдукции утяжеленная, потерявшая плавучесть литосфера погружается в мантию и, увлекаемая общим нисходящим потоком, продавливается вплоть до средней, а возможно и нижней мантии. Об этом свидетельствуют положение очагов глубокофокусных землетрясений и тяжелые массы охлажденной субдуцированной литосферы, по данным сейсмотомографии.

Достигая ядра, холодные погружающиеся массы замыкают конвективные течения. Тем самым обозначается глобальная система конвективных течений в мантии. Предполагают, что конвекцией охвачено также внешнее ядро, где происходит ее обмен веществом и энергией с внутренним ядром.Тепловая энергия, ее выход к поверхности, как и возникновение конвективных течений, рассматриваются в качестве фундаментальной основы современных представлений о строении и развитии Земли - базы новой геодинамической парадигмы.

Тектоника литосферных плит открывает путь к решению двух главнейших проблем геологии. Она объясняет причины и условия формирования океанов и континентов с характерными для них океаническим и континентальным типом разреза земной коры. Их формирование и развитие - процесс очень сложный. Можно констатировать, что важнейшими процессами в эволюции Земли являлись формирование океанической коры в зонах спрединга и ее переработка в континентальную кору в условиях субдукции и последующей коллизии (коагуляции) континентальных масс. Эти процессы были предопределены режимом конвективных течений в мантии.Регионы с континентальной корой и литосферой периодически сходились, что приводило к формированию суперконтинента. Примером может служить позднепалеозойская Пангея Вегенера. Аналогичные суперконтиненты возникали в конце архея, палео- и мезопротерозоя. Затем континенты вновь подвергались деструкции, а в зонах их раздвига возникали океаны. Земная кора, начиная с мезозоя, развивается по этому пути. Примером могут служить молодые Атлантический, Индийский и Северный Ледовитый океаны.

Таким образом, рисунок термического поля поверхности Земли, геотермическая зональность астеносферы, положение субвертикальных неоднородностей, характеризующихся разными сейсмическими скоростями, и особенности рельефа поверхности ядра однозначно свидетельствуют о развитии в Земле системы восходящих конвективных потоков. Они обеспечивают глубинную дифференциацию вещества Земли и приводят в движение литосферные плиты. Субвертикальное строение зон разуплотнения указывает на направление тепловых потоков, обозначающих положение восходящих конвективных струй нагретого вещества мантии. Одновременно погружающиеся холодные массы океанической литосферы – веское доказательство реальности существования нисходящих конвективных потоков. При этом следует иметь ввиду, что погружающиеся слэбы образованы скоплением относительно холодных, компактных масс океанических литосфер.

Они контрастно выделяются по сейсмотомографическим показателям. Иное строение имеют апвелинги и различные плюмы. Их корни могут находиться на разных уровнях в мантии, а сами они проявляются в различной форме, в виде апвелингов (суперплюмов) и их отщеплений. При подходе к литосфере они могут приобретать грибовидную форму и, в свою очередь, формировать дочерние плюмы - следы горячих точек и полей. Плюмы возникают над зонами субдукции (островные дуги и задуговые бассейны), а также при отрыве нижней части субдуцирующих литосфер (астеносферные окна). Не случайно, поэтому столь разнообразны по петрохимическому составу и масштабам проявления различные ассоциации магматических пород, о чем будет сказано ниже.

Выводы.В заключение можно считать доказанным дифференциацию вещества Земли не только по ее радиусам при образовании оболочек, но и по латерали на разных уровнях.В этом процессе ведущая роль принадлежала переходному слою между ядром и мантией (Д11), где генерировалась основная часть энергии, запускавшая процесс конвективного тепломассопереноса.Важнейшим фактором являлись фазовые минералогические преобразования в твердых растворах вещества твердой мантии на разных глубинах.Интенсивная и крупномасштабная конвекция ответственная за перемещение литосферных плит и возникновение океанической и континентальной земной коры.

Поиск по сайту: