Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Влияние континентальной и океанической литосферы на мантийную конвекцию

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Влияние континентальной и океанической литосферы на мантийную конвекцию"

РГб о

2 1 .ЛлР ЬЗД РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ЗЕМЛИ имени О. Ю. ШМИДТА

На празах рукописи УДК 550.311

БЕЛАВИНА Юлия Федоровна .

ВЛИЯНИЕ КОНТИНЕНТАЛЬНОЙ И ОКЕАНИЧЕСКОЙ ЛИТОСФЕРЫ НА МАНТИЙНУЮ КОНВЕКЦИЮ

Специальность 04.00.22.— геофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА—1994

РАБОТА ВЫПОЛНЕНА В ОБЪЕДИНЕННОМ ИНСТИТУТЕ ФИЗИКИ ЗЕМЛИ им. О. Ю, ШМИДТА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

Научные руководители: доктор физико-математических наук

В. П. Трубнцын

кандидат физико-математических наук В. В. Рыков

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

А. О. Гдико

доктор физико-математических наук П. П. Васильев

Ведущая организация: Международный Институт теории

прогноза землетрясений и математической геофизики РАН

Защита диссертации состоится ««^ »_¿¿¿¿¿^¿¿Ятё— 1994 г.

в с-/^» часов на заседании Специализированного Совета-К 002.08.02. при Объединенном Институте физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН по адресу: 123810, Москва д-242, Б. Грузинская, 10

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИФЗ РАН. Автореферат разослан _1994 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета доктор физико-математических наук

В. А. Дубровский

ОБЩАЯ ХАРАКПГРИгапи РАБОТЫ

Глобаяыше геологические - процесса и еоарешаиая тектоническая активность Зешя опрадаляэгся теияснсЗ появекциаЯ в иантка, взвкыодействувщэй с латосферпшш плит тш. Численное иодалнроаяияо апгх явлений требует использования иозршх ЭПУ, поэтоцу на соврвиэкноы этапа исследования глобальная геодипгиика развивается по дпуи основным Нйправлакапш

1. численное иоделарсшшша сбсчД структуры тртхиарной конвекции в сфйрэтасвсгЗ uairnct о nepawsimca влакость»,

2. чзслешша расгаати л прямоутольпсЭ области даух- я частотно трехыергах цодалэй взмаюдейетеяя uairreñmx тэчащй о даступряется «•зтосфорпаня швггеия.

В цастоп^ча вргшя ииеэтея больиоэ часло psfior, посвящангах глобальпсЗ тспяоес?! конвекции в иактсэ Звиет, к а:*, по наделяй оСдрваытцДаоа копаокдая, так и по иодэдпи двухслойной маятгоь Тасга двзольяо sopeso иесладезани процесси образования лнтосфара п qjassmno-oaemariatrrasx хребтах. В работех по расчету структуры so« субдукцйн ыоделяруэтея шюгиэ ссобзгагсстя погруаевдгйел еяавпвчвсксЗ лятосфера. Пра этоа о больввшетвэ работ р&ссыатровяется воквективше течения пресмуцаствэгаш шгя под ксягганеитллъноа, а я? под окяякическоЯ пяитоа.

В тоже вреия , несмотря на значительный прогресс о яэучегся тепловоз конвехцта и лятоеферпих плит, остается ряд пазпше

а

яережжпых проблей. Прямой численное иоделироваюю иеитианше теченхй с вязкостью, зависящей от температуры, давления я словкоЗ реологии (при нелинейном соотнояетош вязкости я напряжения) , о помочью которого, кяк полягялт многие авторы, можно било би количественно получить оснопнче наблпдяямые закономерности,

проведено только &лл ограниченной расчетной области, к поэтому доха па дает бознсяностн описать структуру субокеанической usimxa. D честности, по удается спцосогласрпашю подучить вариация углов наклона погрунавдойсл лптосферы для' конкретна* регионов. Также во находит своего обълсшшия проблема повшшшого океанического теплового потопа по сравнена» с потоком, ндудам чераз континенты.

Шшакачоская плита в зонах субдукщш под угле« пододвигается иод континент, поэтоыу, как показал анализ су^эствущах доделай, боз уча то киггшшиталыша плиты полное рошкш задачи иовоэыоаио получить. В связи с в предлагаемой дассортацяшшоЗ работа начато састеыотпчйскоа изучение различных вашктой' шапыодайстшл конвзктивти точапаЛ как с семтштаскша шштаиа, так я с коптипоитамп.

Целью настоящей работы явилось построашо чиелвшдя моделей тепловой когшекцпа d иаптш с учотси шгпшйнтольшзЯ и окошпгшеиоа ШЯТ.

Научная новизна. • Проводош спыосогласопшшьш" рагшти ТОШЮЗОЙ ВОНВеЮфШ В шу5юстц кшс с нсстотздой ВЯЗКОСТЬЮ, TKÍ И с вязкость», зашелщзй от Ъешоратура. Бшодшш специальная шалнз шпшш1 'тсалопах и дохошпвсюи свойств шеововлзкой плата, частично покршвхвдЯ, яидкость, на структуру в интенсивность ксмеокцеи. Результата чпелзшг.а зкепорзшвгоп пепаяьоувтея для изучокая воздайстаал коптапенгольпоА и окааиачоскай латссфзри на доиешиу Зоши н уточняв* слозваазисся прадетошшшш . Делается ензод о тса, что млтапэнталыш лахосфора на ысст? бшъ просто пассивны« й.тагзптси гоодшшкпш, а наоборот, благодаря свска шйстаси csasimcoT шащшю на иаятиВцу® кситвгаст, сшивая кор2стрйЛ;су нштйвщ точашШ.

Практическая значимость работы обусловлена необходимость»

)

юншанил процессов глобальной динамики Зеили. Проваленные меленные эксперименты вклвчавт рассмотрение различных аспектов »аимодействня ' мантийной конвекции с континентальной и жеакическоА литосферой, которое, в конечном счете, формирует •водинвмические структуры земной поверхности. Настоящая работа лугат необходимым этапом для перехода к создания трехмерных юделей иентийноЭ конвекции п движения лктосфериых плит, Изучение истинных окрвил такве ваяно потоку, что тан происходят сложные роцессы превращения в дифференциации веществе, которые ыогут рнвестя к формированию крушима ситебних звлэяеА полезных скупаемых.

Апробация работа. Основные результаты докладывались па 1-ой свсовзноЯ конференции "Строение я геодткаота земной кори п ерхнеП иантаи" (фавраль-аарт 1950 г., Иоогаа), 3-ей Международной вопаико-геофизическая июле (декабрь 1950 г., Звенигород), З-ем 4-о!1 »¿еядународлых совещаниях по тектоника яггосфарных шшт ноябрь 1991 г., Звенигород, ноябрь 1993 г., Коту ар), па сештарах йборатсрта Теоретической гоодяшпгаст Пз-тэ ПланатарноЭ гвофззшга 3®3 РАЯ.

Публакают. По тока диссертации опубликовано 9 работ.

Объем а структуре диссертации. Диссертаций, обедай объем парой составляет маяинсягискых страниц, втигочает введение,,

глав, заключение в библиографию из наименований

■вчествекпих * зарубежных авторов. Работе содервит рисутпотз 2 табляда.

Автор выражает глубокую благодарность свопы ваучним ■ководителям доктору физихо-матеыятическях наук В.П.Трубицыну я

кандидату физяко-гматеиатическнх наук В.В.Рыкову за постановку задели, обсуждение результатов и конкретную пшгщь в вшюлнешш работа. Ч (

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЙ РАБОТЫ

Во введении кратко излагало современное состояние проблемы геодинампческого моделирования иантиЯноО конвекции в движения литосферти шит, цеди исследования и построение дассор^ациошюЗ работы.

В первой главе проводятся обзор литературы в еналяз работ по численному моделирована» коппектавпих тачаний а субокоашгчаской вязкой наитии.

Вещество кадр Зешш является вязкоупрупш. Под действием сил мсает возникнуть упругое шш вязкое смещение. Упругое сиадапие пропорционально действрщдай свда в не зависит от длительности. Вязкое снещаша пропорционально Брсазпи, поэтому при дяателыш процессах вацзство течет, как вязкая гвддость. Критическая величина враианы, -разграютшовдая ата процессы, определяется

соотаоЕешоа 1 » /ц , где т] - даншгюскол вяакость, ц- иоду ль »

сдвига. Для процесс® глобальней шркуляют в шшш Зашш длптольЕостъа более десяткоз иди. лет систему шпшщ-литосфйра нааао рассматривать,. как вязкую хшдкостъ со сиачкоа шпкоста па грзшщо.

Каа аэсастпо, дкауцаяся окоананасная яятос£-гра щшагмайт участао в хфугосборотз мантаДиого бощзства. В «фздешо-окоапнчакшх зрабтах часть сайзства иантка засктаот. ирлсрсзаясь в тор,ту» гсрсонтаяыю дзштстеск утсиедаизтхея латосфзру. В асша субдукцга латосфаршш. плита изгибается, слусглотсл с шыпзэ и на ЕвпоторсЗ глубгко шшшггся. Позтс:;?

структуру конвективных течений о вязкой мантии без континентов, а таете распределение температур п скоростей деняекия океанической литосферы ысяно рассчитать на основе уравнений тепловоз конвекшга. При ' этой в общем случае в уравнении Навье-Стокса необходимо учитывать сложную реологию литосферы. Ыиогочислетше работы по

изучению конвекции в субокеанической и субконтинентальиой мантии

\

с учетом взаимодействия с литосферой мсвно разделать на три группа в зависимости от способа иодедарования литосферы. В первую группу входят модели, в которых литосфера заменяется кинематичесгаши граничными условиями. Во вторув - модели с эффективным описанием литосферы в вадв фтсировашмх пространственных аномалий вязкости п плотности. Третья группа моделей вклотает свыосогласовашшо расчета мантийной конвекция с учетом вязкой литосфер« и введением реологических соотнопеннй. Однако/ как показывает анализ, несмотря на то, что в этих работах моделируется ряд особенностей мантийных течений и погруиакдайся литосферы, пока на построена единая «одель, которая описывала би основные неблэдаеше закономерности.

Структура конвективных "течений в субокеанической капля зависят от обвей тектонической обстановка в регионе, поскольку ока определяется не только тепловым и механическим взаимодействием конкретной плиты с мантией, но а влиянием окруяаадих- океаническая и континентальных плат. Дяя полного описания структуры конвекции необходимо самосогласованное моделирование тепловой конввкти в вытянутой по горизонтали области, включягчей как субокеаническув, так и субконтинентальну» мантию. Исходя из этого, в настоядай работе стаяилясь задача " изучения тепловой конвекции на стыке кштиирнтзльной и океанической л лит.

- б -

Во второй главе исследуется структура мантийной конвекция с

постоянной вязкостью н эффективными тепловыми граничными условиями, учитывающими коитшшнтальнур литосферу.

При строгом учете контияеатальвой плиты в месте ее нахолдешш необходимо задавать повшенную ва несколько порядков вязкость. Как известно, решение нелинейных дифференциальных уравнений о переменной вязкостью визивает, большие трудности при численной реализации. Поэтому во второй главе предлагается простой приближенный метод аффективного учета теплоэкранируюцих свойств толстой плиты.

Решалась система уравнений тепловой конвекции с постоянной вязкостью, которая включала уравнения дпивашш влзкой вндаостп Стокса , конвективного тешюпероноса и неразрывности. Использовалось приблхшетю Буссшшска, т.е. зависимость плотности от температура учитывалась только в члена, виралавдеи салу плавучести. • • ..

Ыаптия ыодаллровалась в вида двумерной прямоугольной вытянутой по горизонтали области вязкой явддбстн, частично покрытой твердой литосферой (рис.1). В качество граничит условий на боковых грсшщах области задавалась, условия папротеклшш и проскальзшшпш, а такга раванство нулю теплового потока, что соответствует условии периодичности. Шхшш граница тюлз факсироваицу» температуру Т=ДТ и считалась скользкой с Еаярвтекаивеа. Шапишшг Сил Сзхсцрсташсзд в ирострашхвз а адофаршруеаи.

Толщина мигкпзвта прзхс&алась ранней кула, а тепловое и кмгвзчосиоа сасдиэдайспаа с шгзхссЛ иантнай учитывалось в вддз ананасах грошика усло^Л па падоава штата. Кэхтшчвскоа

сцепление с континентом определялось тем, что на части верхней поверхности, занятой континентом (0 < х < 1), задавалось условие на проскальзывания вязких течений , а полного прилипания. Влияние теплового эффекта континентальной плита на структуру тепловой конвекции изучалось сравнением трех моделей ; бесконечно теплопроводной плиты; плиты, на пропускающей тепло, и плита' с эффективной теплопроводностью, эквивалентной теплопроводности толстой плиты.

Показано , что вместо того, чтобы совместно решать уравнения тепловой конвекции в вязкой мантии а уравнение теплопроводности в твврдс» континенте, мешю решать задачу без континенте, поставив на его маете эффективное граяачяоэ условна третьего рода : вт/в?.|в=п * ъ Т(Е=П (1)

Ъ" <*к/ам> (1Л5) (2)

гдэ гЕд.Жц - соответственно теплопроводность контннэнта п мантш, >1

- толпаяа континента •

В пределах при ь —> 0 контхшэнт ко пропускает тепло

(вТ/0?.=О),. а Iгря Ь —> «»о теплояфаидрукзэв воздейстевэ

воптенэнта пропадает (Т«0).

Как известно из теории тепловой конвекции, в сэтянутсгЛ ресчатпоя области со скользким границею! баз штата устанавливается несколько конвективных ячгап, близких к кпадратгек« ~ 1.4). Но осла часть верхней поверхности занята плитой, то благодаря о* тепловску и нахаянчвекоцу взаимодействии с мантией меняется условия на верхней граница.

Численные эксперименты показывают, что при полной теплоизоляции плиты формируется стационарная конвективная структура с ячейкой, занямяпцей всю расчетную область , несмотря

на влияния ив панического сцошшния, стремящегося разбить ячейка . Таким образом, тейповой эффект плиты выражается в вытягивании конвективной ячейки.

Физический сшсл вытягивания ячеек, по-вадкмсыу, состоит в той, что поскольку на верхней границе субокаанической мантии Т-0°С, о на верхней границе субконтшшнтальиой мантии Т=1300°С, то на верхней границе мантии появляется аффективный горизонтальней температурный градиент ¿Я70х . В свою очередь это приводит н появлению горизонтального градиента давления как вблизи верхней границы, так а во всей области. Градиент давленая способствует возникновению горизонтальной скорости вдоль всей верхней граница и значительному увеличению (в 3-5 раз) горизонтальных раздоров конвективной ячейки, охватгша-щузй как субокваначескую, так в субконткнапталькую шштаю.

. При частичной теплоизоляции конвективная структура образуется под воздойстшцш кишурируюфа тешшшх н изхшшчосках 5$фйктов. При зффактшзпои козфйадшнгй Ь < 4возникает ваставдонаркал вытянутая ячзйка даао с учетсы щдшшакая на граница. Ирг Ъ > 4 устанавливается уяа трахвахргвся структура Еэзшиааю от ¡¿хапичосклх свойств пдгга.

Вдшш юхакачаского сцмшниш назду плитой и иотгшеа рассиатрззйпось па моделях прилипания и проскальзывания вязшп тачонаЯ на водоем шахты. При »той шапа задавалась полностью мшюаровадюЗ. В эткх смршал происходит формирование трохлахревоЗ структура точаюй в области с вспвктпьш отаоиашши 11=3.

Во есзх рассгзтризасг^к кодояях сзагшодойстшя вязкой икпзш с СдксарощшноЗ Сссгактеко «ясюЗ ташюзкршзирут&уЛ шштоЗ

I

- 9 -

восходякий поток возникает под континентом. Это обменяется тем, что по сравнетш с окружат&й июли ей температур» под шитой вша в перегретое-легкое вещество всплывает.

В третьей главе рассчитывалась двумерные модели тепловоз конвекции с переменной вязкостьв в вытянутой по горизонтали области. Решалась следунцвл система уравнений :

0 -- - -щ- * -да1/- - Ро<^> 2 6и (1 = 1.2) (4) ОТ в(т,Т) о ОТ . (51

..ци. + ^'-ш-^-щ)*0 ■ .

= + <6>

где о^- девиаторнал честь тензора напргаетаЗ, р - давление, Т -температура, отсчитываемая от адиабата, соответствующая

компонента скорости, а - коэффициент теплового расширения, е -ускорение сили тяаастя, к - коэффициент температуропроводности, рд - шаупюсть ( г>0хсопв\ у, ц - дшшычэская вязкость (ц в V р, у-юшаматяческая вязкость), б у да дьт а -Суталгя Кронакера.

Для численкоа реализации системы уравнения (4-6), записанных в естестве кшх первмэншх, использовался алгоритм, разработанный В.Рдаогми. Применялась копачно-разностнан итерационная схема, котер ал в целом обеспечивает второй порядок аппроксимации по пространственным переменный и первый - по временя Интегрирование производилось на разнесенной сетке, т.в; значения температура и давления определялись в центрах ячеек, а компонент скорости - в центрах соответствуодих граней. При этом грашпнма условия для Т задавались в дополнительных точках непосредственно на нижней и верхней границах рч^четного поля. За счет »того

увеличивается эффективное число расчетных точек, попадааднх в область температурного пограпслол.

Для проверки точности используемого численного метода били проведены тестовые расчеты и Сопоставлена с яиавдиыися в ■ литературе даншма. Отлпчис ншпях результатов по числу Нуссельта в характерным скоростям па расчетной сетке 30 х 16 составило ив болев 25.

Мшшш моделировалась одпокодаопоптпоЯ вязкой жидкостью. Осиозпсэ отлэтио окаашчасиоа литосфера от остальной манта? заключается в ток, что со влакость акгазопанцдалыю зависит от тмшзратура, изьшшшсъ па несколько порядков. За ока ашгеа скую жггосфору пршшшлась та часть дшиувдгося везэства мантии, которая в дшшпй ысиапт находятся при тошзратурз шш тсыпйротурц солвдуса а поэтому обдздсат поишошюА шшкостьв. Огсаашчасшш катосфора шшдаяась в области, сграшмвяг>оа воотериой с тсапгратуроЗ солвдуоа порядка 1300°С. В рзэтстаз. температурная оааяяшесть юкжоота _аадавалпсь в шда » ц в ц0езр (-4,'б05 Т).

Уесультата чввявята отетаркцаитсп псказивгшт, что шрцмзшш вязкость сально влияэт* из структуру штскцна. В области с есвсктшц отпеаашш а*з иоошкаат сишшцйшшнй реши, при кохорш! «рхичаиотпя,структура псрождот в сдпсл-юаяуэ и обратно.

им по срякшгсто с таковой ЕсшшвцааА о постоянней вааасспз угмачавготсл еФ1скшшость тошетараиоса. 8то езязздо с ЗПйОЕЬЕЗааЗМ сродной вл^&гжь ыясроз частетво шамаарутсл юэазгису саам шашуял сжт:« иаа прасшз, хзта шюсшзя зеак».

В чатвгртеЗ ггаса расвчатнагегся сгрти'ЭД^ «ямеасЗ каааггцаа п шага с ^тио-ввююшшеа шшеош» вря

фиксированном положении континента конечной толщины. Континентальная литосфера, . благодаря происходящим процессам дифференциации веаества, . отличается от мантии по своему химическому и минералогическому составу и имеет плавучесть. Поэтому в рамках рассматриваемой однокомпонентной модели в первом прнблзяегаш ее можно задавать, как фиксированную в пространстве область с повышенной вязкостью.

В качестве температурного возмукения в начальный момент времени использовалось линейное распределение температура по вертикали, соответствующее слабой конвекции с одной вытянутой ячейкой с нисходящим потоком под континентом!

Т = (1-г) + 0.1 31л(1к) Соз[1с(х+3)/3] . (7)

Прз численной реализации задачи вмосто решения уравнений конвекции в двух областях; в континенте и в вязкой области, использовалась кэтодиха сгшозпого счета. Па каядоы временной пага ксчгошеатздьпал лпгосфзра моделировалась как фиксированная в пространства область с псшшшюй па два порядка вязкостью. Цря этом дефорыадш континента нэ учитывалась, т.е. на следующем врекзнпсн шго рассматривалась . опять та- же фиксированная в вростртштЕэ шсскозязкал область.

Учет конечной толщина коптгашнталыюа шшта н скачка вязкости пршодит к форнировапшэ едпяой шгашутоа кштетггагго'З ячзйки в наитии . Структура иоявтсцж! в С7б15йнтгптитагапой иштэт сягазихтетсл •чувствительной г: тантала штаты, Устойчивое состояние

110Щ2ЕХЦШ1 соотпэтствуот Структура ТОЧОНИЯ С ВОСХОЛГЕ7-М ПОТОКОМ в субтапшввталыюй кэнтан.

В нлтсЗ глгсз исаг.эдсвалось совместпоз влияние г^аетнзпто.чшса п саэгангксксЯ шшт аа таплсзую копвеацкв а

мантии. На основании уравнения тепловой конвекции (4)-(6) рассчитывалась эволюция структуры мантийных течений. Численные эксперименты показывахгг, что континентальная литосфера, в противоположность океанической,, обладает стабилизирующим эффектом

5

(рис.2). Это связано, как было указано выше, с возникновением эффективного градиента температуры вдоль верхней поверхности вязкой мантии, что приводит к увеличение аспвктного отнесения квазистационарной ячейки.

В ходе перестройки конвективных течений, вызываемых континентальной и океанической лнтосферныыи плитами, происходит также перераспределение теплового потока, выходящего через верхнюю границу расчетной области. В верхней части рис.2 представлено распределение безразмерного теплового потока на поверхности Земли.

Как известно, средняя плотность теплового потока Земли составляет порядка 80 ыВт/м^. При этом плотность потока из океанов в средней равна 100 ыЗт/Ц2. Поток аз континентов с плотностью 60 иЗт/ы2 слагается из даух примерно равных частой: потока, обусловленного радиоактивностью зл&шнтоз зеиной коры, и потока, поступавшего из конвективного слоя верхней мантии в -конткиантальную литосферу. Поэтому мантвный поток, проходящий через ксктиканти, оказць»отся, примерно в три раза мекьод выходящего через океаны.

Рассчитанные значения теплового потока показывают, что средний океанический тепловой поток превьшает средний континентальный в 3-4 раза. Это мсскет быть обусловлено тем, что интенсивность твидовой конвекции под . континентами понижена в среднем в 3-4 раза. Таким образом, результаты численных экспериментов дают "катчестяекное ! объяснение повышенного

океанического теплового потока по сравнению с континентальнкм.

В рассматриваемых моделях с неподвижном в пространстве кснтинептои, длина которого сравнима или больше разиера конвективной ячейки, и переменной вязкость«», возникают иантайные течения с восходящим потоком под контогаентоы. При неныпих размерах континента из-за общей неустойчивости иантийной конвекции возможна реализация квазистационярных состояний с ннсходяпдаы потоком под континентом.

Геофизические данные для современного этапа тектонической эволюции Земли указывают на то, что под континентами ыантия холоднее и иаксииуи теоловот-о пот ока находится на под окраиной континента, а а средано-океаначеских хребтах. Это объясняется тем, что глобальная структура мантийной конвекции сильно различается на разных этапах эволэдш! а контшшяты на могут быть неподешшыи. С помощью- механического сцашвтшя они затягиваются в цеста с кисходядам шттийпш потокш. В. дальнейшем благодаря указанному шла теояоз1фашфущаау эффекту мантия постепенна прогревается я под коптлнепташ ошггь формируется восходящий поток. Поскольку плопадь Еонтгохйнтов сравнима о поверхностью Зеши, то при ■ указанном двккакяя коптаяетпи ыогут сталкиваться, объединяться я распадаться.

Поскольку чяслеппно расчеты проводилась при ибподшш1»м континенте, то результаты ногут бить пртшненн для иаяткЗноЗ копвскция па окр,типа кмпжапта, котсрй долгов вретл хшходался в . пеподапяпоа состоятся. Втсрш вринвроа исяет бить состояние глобальной тсплозсЯ капшгади и нокеят серед »распадоа суверконтипопта.

Для прайЕгаямзго злата шлшсш скороста дажаняя континента

на структуру конвекция и выяснения причин наклона погружающихся плит в пятой главе были таете проведены численные эксперименты на модели вынужденного движения континента с заранее• заданной скоростью. Скачала континент находился в крайнем левом положении, затем он переставлялся в новое положение (рис.3). Оказалось, что в определенные моменты времени возникают структуры с нисходящим направленным под континент мантийным потоком, типа зон субдукции.

Прямой эффект движения континента состоит в надвигании на зону субдукции и смешении желоба в сторону океана. Континент передвинулся, но для перестройки конвективных течений во »сем объеме мантии требуется определенное время. Поэтому несмотря па то, что желоб сместился направо (в сторону океана), субокеаначесхая ячейка еще заходит под континент.

Физической причиной, отклошдааей погружавдувся плиту от вертикального положения, является суцэствоваиие горизонтальней составляющей мантийного потока относительно литосферы, направленной в сторону континента. Таким образом, только пра движущейся континенте возникает наклонные зона субдукцда (высоковязхие нисходящие потоки), идуцае под копткваят. Щи втов глобальное распределение теплового потока соответствует вабладаемому потоку с максимумом в срйдшшо-оке акическах хребтах а пошшенному в зонах субдукции в под континентом.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведаны числаиные расчатм тепловой конвекции В мантии с одновременным самосогласованным учетом влияния континентальной в океанической плит. Предложен новый эффективный способ моделирования континентов, у спорящий численный счет.

2. К антикакталькыа плиты оказывает существенное влияние на

»

.структуру маптнйких течения :

а) механический эффект сцепления; мезду мантией и плитой привода« к формированию многовяхревой структуры тепловой конвекцгш в вытянутой по горизонтали области,

б) теплоэкрзнирукций эффект континентов создает горизонтальный градиент температуры вдоль верхней границы мантии, что способствует возникновению вытянутой по горизонтали конвективной ячейки , охватывающей как субокеаническую, так и субконтшюнтальную пакта».

3. Учет зависимости вязкости от температуры существенно изменяет, структуру тепловой конвекции н дает возможность эМйктивно описать океанические плиты, как высоковязкую область кантик. Пвреыэнная вязкость несколько усиливает настационарность конвекции в мантки, континентальние га или ты, частично подавляя конвекцию, создают стабнлизируюцяй аффект.

4. Рассчиташшо распределения теплового потока континентов и океанов дают качественное объяснение проблеш повшанного в 3-4 раза сростего океанического теплового потока по сравнению с ясятшюютлыюм. Это нажег Сыть ббусловлйио тем, что интенсивность тепловой коявекцда под яопвшентамк понижена в среднем в тра-чвпфа раза. ■ *

5. фиксированном в пространство ястипеите, ■ размера которого сравгокн ила Сольпо горизонтального размера конвективной ячейки, напболоа устсЯчивоа состояние коявзкщш соответствует восходиаятяЗпсну потсп¡7 Е&соства под коптшшнтсы. Подобная структура мятпйпсй гшваядаи мозот воэяяаать под-, бол.—ли ийггайЕгая, долго паходгатклюя п псноятсгнон состоянии (пггврзкзр, пород распадом супаркияетзата), Пр-л этсн псзерсшостгай

тепловой поток оказывается максимальным на окраине континента.

6. Учет двшшния континента, наезкаицаго на яелоб, способствует изменению утла погруяения литосферной плиты в зонах субдукдии от почти вертикального до наклонного.

7, Континенты не являются пассивными элементаии глобальной геодинамики. Благодаря тепловому и маханическоиу влиянию они могут изменять структуру н интенсивность тепловой конвекции в мантии.

Основные положения и результаты диссертации опубликованы в работах :

1. Течения в мантии, вызванные обменои веществом на верхней границе. // Деп. ВИНИТИ N 5918-В8Э. 1939. 35 с. Бе лавина Ю.Ф., Фрадков A.C.

2. Вынужденная конвекция под двккущайск плитой с учетом ыессообмена. // Деп. ВИНИТИ N 665-ВЭО. 1990. 31 с. Белавина Ю.Ф., Фрадков A.C.

3. Влияние субдукдаи на конвекцию в субокаакической мантии. // Изв. ДН СССР. Сизяка Земли. 1990. N 11. С.34-44. Трубицын В.П.. Срадков A.C., Белавина Ю.Ф.

' 4. Субсмеаничаская конвекция, вызванная скачком плотности при эатвардовашш литосферы. // Деп. ВИНИТИ N I064-B91. 1991. 21 с. Трубицын В.П., Фрадков Д.С. Белавина S.O.

5. Влияние скачка вязкости на субокаакнчаскую конвекцию, вызванную соскальзыванием литосферной плиты. // Деп. BWWTH N 1282-В91.1991. 15 С. ТрубИШН В.П.. Фрадков A.C., Белавина Ю.®.

6. Гводанаикчвскив модели зон субдукция. // Физика Земли. РАН. 1992. V 7. С.3-34. Трубицын В.П., Белавина Ю.в.

7. Тепловое и механическое взаимодействие мантии с

коятшгаиталькой литосферой // Физика Земля. РАН. 1S93. N 11. С.3-13, Трубищт В.П., Белагяша D.O., Тыков В.В.

3, Взаимодействие ыпнтпйпой конвекции с континентальной и океанической шмтеш // Доалада Российской Академии Наук. 1994. 7.334. Н 3. Трубицын В.П., Бал&впна D.O., Рыков В.В.

9. Тепловая конвекция в наитии с переменной вязкость» и вкггаипташюЯ плитой колотое размеров. // Стайка Зешш. РАН. 1994 ( прагата к почата в Н Б ). Трубицын В.П., Болавипз D.O., Pinten B.B.

Н

*> т«0 т=о

т*

0 * а зе

Рис Л. Схематичное изображение модели рзаимод&йстви* вязкой мантии с континентальной плитоА. Плита длим»« ^ выступает над поверхностью мантии, Т*- температура подошвы плиты.- толщина мантии, с1 - тожцииа плитн.

а (га1л) Я 3.012

Ц (га») » 19.03

п э

г»

з

• -1»

^ ^ *

/> -

У

I

•»•л. ^

-Л " ■ ^ -V _ —Г»

.V- -Г »: » „

— -о--кг^Ф^¿Г -г »' - ^ ^ V;-" —- — -ч, ^

А? к Г.'!": ' ,--,= - / ' '' - 0 ^

. чл к »,- - -

л* я"" * ^' * • .г' яг-.*' 4»^Е?*?

■ < ■■■ » ! ........... ......У .............................. -.....

0.0

о.го

ига

1.ГО

2.00

СО

Рис.2. Структура конвективных речений а мантии о вязкостью, экспоненциально завпспцоЯ от температуры, и неподвижной континентальной плитой.'Стрелками обозначены вектора скорости, длина стрелки пропорциональна воличино скорости. В верхней части рисунка приведено распределение по горизонтали безразмерного.теплового потока.

а <в1л) - о.1бб

0 (аах) - 24.91

„ ННЦГч-'''» ♦

V ^ / ^ 0.Ш

,4-

1.03

1.®

2.00

Й. бо

Рио.З. Структура конвективных точений в подели вынужденного движения континента с заранее эацыоюи скоростью. Обозначения, как на рис.2.