Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Экспериментальное и теоретическое моделирование тепловой и гидродинамической структуры конвективных течений в мантии

ВАК РФ 04.00.04, Геотектоника

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата геолого-минералогических наук, Кирдяшкин, Алексей Анатольевич, Новосибирск

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ГЕОЛОГИИ, ГЕОФИЗИКИ И МИНЕРАЛОГИИ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ КОНВЕКТИВНЫХ ТЕЧЕНИЙ В МАНТИИ

04.00.04 - геотектоника 04.00.22 - физика твердой Земли

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

На правах рукописи

КИРДЯШКИН Алексей Анатольевич

Научный руководитель:

д.г.-м.н., академик

Н. Л. Добрецов

НОВОСИБИРСК 1999г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ................................................. 6

Глава 1. ТЕПЛОВАЯ ГРАВИТАЦИОННАЯ КОНВЕКЦИЯ В ГОРИЗОНТАЛЬНОМ

СЛОЕ, ПОДОГРЕВАЕМОМ СНИЗУ, И МОДЕЛИРОВАНИЕ МАНТИЙНОЙ КОНВЕКЦИИ....................................... 17

1.1. Устойчивость конвективных ячеек в горизонтальном слое, подогреваемом снизу

и охлаждаемом сверху.......................... 19

1.2. Нестационарная конвекция в горизонтальном

слое.......................................... 22

1.3. Модели конвекции в мантии..................... 28

1.4. Численное и экспериментальное моделирование тепловой гравитационной конвекции

в мантии...................................... 35

Глава 2. ТЕПЛОВАЯ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ПЕРЕХОДНОГО РЕЖИМА СВОБОДНОЙ КОНВЕКЦИИ И ХАРАКТЕРНОЕ ВРЕМЯ РАЗВИТИЯ КОНВЕКТИВНЫХ ЯЧЕЕК В НИЖНЕЙ МАНТИИ И АСТЕНОСФЕРЕ................................... 54

2.1. Экспериментальная установка................... 54

2.2. Система измерений и измеряемые параметры при исследовании переходного режима............... 56

2.3. Особенности экспериментального изучения переходного режима в горизонтальном слое...... 59

2.4. Влияние числа Прандтля на структуру, течения и теплообмен при тепловой гравитационной конвекции и проблема экспериментального моделирования

мантийной конвекции................................. 61

2.5. Теплообмен и структура течения при

переходном режиме................................... 68

2.6. Время установления стационарного

режима течения. ................................ 76

2.7. Характерное время развития конвективных ячеек

в верхней и нижней мантии........................... 82

2.7.1. Характерное время развития конвективных

ячеек в нижней мантии...................... 82

2.7.2. Характерное время развития конвективных ячеек в астеносфере под центральной частью континента................................. 84

2.7.3. Развитие конвекции в астеносфере под континентом при наличии зоны субдукции..... 86

2.7.4. Время развития конвективных ячеек в астеносфере при раскрытии океана........... 89

Глава 3. ГРАНИЦЫ ТУРБУЛЕНТНОГО РЕЖИМА СВОБОДНОЙ КОНВЕКЦИИ В ГОРИЗОНТАЛЬНОМ СЛОЕ, ПОДОГРЕВАЕМОМ СНИЗУ, И РЕЖИМ НИЖНЕМАНТИЙНОЙ КОНВЕКЦИИ......................... 92

3.1. Экспериментальная установка, система измерений и измеряемые параметры........................... 92

3.2. Теплообмен в конвективной ячейке при больших числах Рэлея................................... 95

3.3. Природа длиннопериодных температурных колебаний

и их временной масштаб......................... 104

3.4. Амплитуда и интенсивность тепловых пульсаций в конвективной ячейке и границы турбулентного режима свободной конвекции

в горизонтальном слое.......................... 110

3.5. Обоснование возможности экспериментального моделирования мантийной конвекции и определение режима нижнемантийной конвекции................ 119

Глава 4. ВРЕМЕННЫЕ И ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ МАСШТАБЫ НЕСТАЦИОНАРНЫХ СВОБОДНОКОНВЕКТИВНЫХ ТЕЧЕНИЙ В ГОРИЗОНТАЛЬНОМ СЛОЕ И ВРЕМЕННЫЕ И ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ МАСШТАБЫ НИЖНЕМАНТИЙНОЙ КОНВЕКЦИИ........................................ 122

4.1. Экспериментальная установка, система измерений

и измеряемые параметры......................... 123

4.2. Спектры пульсаций локального теплового потока и картины течения для турбулентного режима свободной конвекции в горизонтальном слое...... 124

4.3. Временные масштабы короткопериодных

пульсаций...................................... 142

4.4. Временной масштаб тепловых пульсаций в мантии

и возможная схема мантийной конвекции.......... 146

4.5. Теплообмен и реология нижней мантии в

ранние периоды развития Земли.................. 153

Глава 5. ВЛИЯНИЕ ЗОН СУБДУКЦИИ НА ТЕПЛООБМЕН И СТРУКТУРУ

ТЕЧЕНИЯ В НИЖНЕЙ И ВЕРХНЕЙ МАНТИИ................ 161

5.1. Экспериментальная установка, система измерений

и измеряемые параметры......................... 162

5.2. Временные масштабы нижнемантийной конвекции при

наличии зон субдукции.......................... 164

5.3. Влияние зон субдукции на гидродинамическую структуру конвекции в нижней мантии............ 173

5.4. Влияние зон субдукции на структуру тепловых гравитационных течений в астеносфере

под континентом................................ 181

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................ 210

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................... 214

ВВЕДЕНИЕ

В данной работе исследуется тепловая гравитационная мантийная конвекция в связи с нестационарным температурным полем в нижнемантийных конвективных ячейках и влиянием зон субдукции на конвективный теплообмен и структуру течения.

Актуальность исследования. Глобальные конвективные движения в глубинных оболочках Земли определяют не только тектонический облик нашей планеты, но и энергетику и развитие Земли в целом. Поэтому изучение мантийной конвекции является одной из основных проблем глубинной геодинамики, интенсивно развивающейся в последние годы. Исследования мантийной конвекции по оценке Национальной Академии наук США принадлежат к направления м_выще]^_^1шож1е1а в науках о Земле [1-3]. В настоящее время большая роль в этих исследованиях принадлежит моделированию глубинных геодинамических процессов, прежде всего, тепловой гравитационной конвекции в мантии.

Под тепловой гравитационной конвекцией (свободной или естественной) понимаются явления тепло- массопереноса при тепловом расширении жидкости в гравитационном поле. Перенос тепла и массы в условиях тепловой гравитационной конвекции играет существенную роль в тепловом режиме атмосферы и океана Земли, атмосфер других планет, конвективных зон звезд, в частности, фотосферы Солнца.

Тепловая гравитационная конвекция является основным механизмом тепло- и массопреноса в верхней и нижней мантии Земли. Нижнемантийные и верхнемантийные конвективные течения, взаимосвязанные между собой, оказывают основное влияние на процес-

сы, протекающие в тектоносфере, под которой в соответствии с [2], понимаются активно взаимодействующие литосфера и астеносфера. Конвективные течения определяют такие важнейшие процессы взаимодействия астеносферы и литосферы, как спрединг океанического дна, субдукция и коллизия литосферных плит, региональные процессы в самой литосфере, включающей в себя земную кору и литосферную мантию: опускания, деформации, расслоение плит, интрузии, вулканизм, метаморфизм.

Поэтому изучение тепловой и гидродинамической структуры мантийной конвекции является весьма важным для понимания сил и процессов, обуславливающих взаимосвязанные тектонические, магматические и метаморфические процессы в тектоносфере и определяющих состав, структуру и эволюцию глубинных слоев Земли.

Глобальные конвективные движения в глубинных оболочках, например, в нижней мантии, недоступны непосредственному наблюдению, и поэтому мантию изучают опосредованными методами. Геохимические изотопные методы свидетельствуют в пользу расс-лоенности мантийной конвекции. Сейсмическая томография позволяет определить закономерности "мгновенного" в геологическом отношении распределения нагретых и холодных масс мантийного вещества. В этих условиях моделирование мантийной конвекции приобретает большое значение для понимания её тепловой и гидродинамической структуры, для определения закономерностей её развития во времени, увязки геохимических и сейсмотомографи-ческих данных.

Численное моделирование, широко применяемое для исследования тепловой гравитационной конвекции в мантии внесло большой вклад в оценку критериев при выборе моделей (двухслойная, трехслойная конвекция, моделирование в сферической полости). С

помощью численного моделирования сделаны определенные оценки пространственной структуры конвективных течений и некоторых параметров конвекции. Однако, результаты численного моделирования зависят от корректности аппроксимации схем расчета и граничных условий, от корректности численного моделирования, основанного на решении трехмерных уравнений свободной конвекции. Ощутимые ограничения накладываются и на возможности численного расчета при больших числах Рэлея.

Поэтому важную роль должно играть экспериментальное теп-лофизическое моделирование тепловой гравитационной мантийной конвекции, которое позволит устанавливать новые закономерности для гидродинамики и теплообмена в мантии, уточнять и проверять результаты численного моделирования. Ранее экспериментальные исследования были весьма отрывочны и недостаточно подробны для количественного анализа [4].

Одним из главных вопросов, возникающих при лабораторном моделировании мантийной конвекции является определение режима нижнемантийной конвекции,которая влияет на тепловую и гидродинамическую структуру верхнемантийной конвекции. Этот вопрос, в свою очередь,связан с вопросом о влиянии отношения кинематической вязкости V и температуропроводности а, называемого критерием Прандтля Рг=У/а,на режим мантийной конвекции. Конвективные движения в мантии происходят при Рг ~ 1021 — 102 3, и ответ на последний вопрос очень важен для получения корректных и воспроизводимых результатов моделирования мантийной конвекции на лабораторных жидкостях.

В области трехмерной нестационарной конвекции корректное численное моделирование является очень сложным. Необходимо также лабораторное теплофизическое моделирование нестационар-

ного теплообмена и гидродинамики мантийной конвекции и определение ее временных и пространственных масштабов. Кроме того, лабораторное моделирование необходимо для определения закономерностей нестационарного теплообмена при различных геодинамических граничных условиях.

Таким образом, актуальность данной работы определяется необходимостью обоснования возможности и корректности экспериментального моделирования мантийной конвекции; необходимостью проведения лабораторного теплофизического моделирования конвекции в мантии с целью получения новых данных о тепло- массо-обмене в мантии, определения временных и пространственных масштабов мантийной конвекции; необходимостью постановки задач, связанных с исследованием тепловой и гидродинамической структуры мантии при различных геодинамических граничных условиях, что очень важно для дальнейшего развития геодинамики, и в конечном счете, геотектоники.

Цель работы;

- обосновать возможность и корректность лабораторного теплофизического моделирования конвекции в мантии;

- адаптировать метод лабораторного теплофизического моделирования для решения задач геодинамики, связанных с исследованием тепловой и гидродинамической структуры конвективных течений в мантии, и получить теплофизическую модель структуры конвективных течений в мантии.

Задачи исследования:

- экспериментально определить границы Яа = 1"(Рг) турбулентного режима тепловой конвекции в горизонтальном слое вязкой жидкости, подогреваемом снизу, и выявить зависимость режима нижнемантийной конвекции от тепловых пульсаций в нижней

мантии;

на основе теплофизического моделирования выяснить, как влияют зоны субдукции на временные масштабы и структуру конвективных течений в нижней мантии и определить связь теплообмена и структуры течения в астеносфере под континентом с зонами субдукции.

Фактический материал, методы исследования.

Теоретической основой решения поставленных задач являются уравнения тепловой конвекции (уравнения Навье-Стокса) в приближении Буссинеска и теория подобия, применяемые в данной работе при теплофизическом моделировании мантийной конвекции.

Для определения временных масштабов и гидродинамической структуры мантийных конвективных течений проведено 300 экспериментов в горизонтальном слое вязкой жидкости, подогреваемом снизу, длительность каждого - 2-3 часа. Получен экспериментальный материал в виде кривых локального теплового потока, числа Нуссельта и числа Рэлея в зависимости от времени (700 кривых) и 200 снимков картины ячеистого течения. При обработке экспериментальных результатов вычислялись значения амплитуды и интенсивности пульсаций локального теплового потока. Перенесение экспериментальных результатов на мантию осуществлялось на основе теории подобия. Временные масштабы мантийной конвекции оценивались на основе корреляционного метода спектрального анализа [8,9] и соотношения для скорости конвективных течений в горизонтальном слое [43,179]. Пространственные масштабы мантийной конвекции оценивались по снимкам картины течения.

Основной метод исследования конвекции в мантии, применяемый в данной работе, - теплофизическое моделирование, как лабораторное, так и теоретическое. Лабораторное теплофизическое

моделирование осуществлялось на экспериментальной установке, представляющей собой горизонтальный слой вязкой жидкости, подогреваемый снизу и охлаждаемый сверху. Влияние зон субдукции на мантийную конвекцию моделировалось путем введения в горизонтальный слой тонкостенных трубчатых охладителей у охлаждающей поверхности теплообмена. Теоретическое моделирование заключалось в анализе уравнений Навье-Стокса (тепловой гравитационной конвекции) на основе теории подобия и решении уравнений Навье-Стокса в приближении Буссинеска методом последовательных приближений [202].

При моделировании привлекались данные экспериментов по режимам свободной конвекции в горизонтальном слое и спектрам турбулентных пульсаций [10-13,31-33]. При анализе результатов экспериментального и теоретического моделирования использовались оценочные данные по перепадам температуры, числам Рэлея и физическим свойствам мантии [1,2,5-7,14-30].

Защищаемые положения, основные выводы и результаты:

1. Экспериментально полученная диаграмма режимов нестационарной трехмерной свободной конвекции в горизонтальном слое, подогреваемом снизу, показывает, что есть две границы Ва=Т(Рг) турбулентного режима тепловой конвекции. Граница Вау|=1.7-105 определяется началом роста амплитуды перемежающихся короткопе-риодных пульсаций локального теплового потока, накладывающихся на длиннопериодные, обусловленные перестройкой ячеистой структуры. Граница Яаум = 106 определяется интенсивными короткопе-риодными тепловыми пульсациями и отвечает режиму развитой тепловой турбулентности.

Границы турбулентного режима свободной конвекции не зависят от числа Прандтля Рг = V/а уже при Рг > 102, и поэтому оп-

ределяющим критерием свободноконвективных движений в мантии является число Рэлея Ra = Вg Дт13/а V.

2. Согласно карте режимов конвекции, при современных оценках числа Рэлея для нижней мантии, режим конвекции в нижней мантии - или развивающийся, или развитый турбулентный. В любом случае он - нестационарный, и обусловлен короткопериод-ными тепловыми пульсациями в нижнемантийных конвективных ячейках, накладывающимися на длиннопериодные колебания, которые в свою очередь определяются структурной перестройкой мантийной конвекции.

Определяющий временной критерий нестационарной мантийной конвекции - число гомохронности Но 1 = ut/1 - для короткопери-одных тепловых пульсаций имеет среднее значение 7.1 и не зависит от числа Прандтля, что позволяет оценить характерный период тепловых пульсаций в нижнемантийных конвективных ячейках. Это характерное время сопоставимо с циклами Уилсона, определяемыми периодическим распадом и собиранием суперконтинентов, "от Пангеи до Пангеи". Характерный период низкочастотных колебаний, связанных со структурной перестройкой нижнемантийных ячеек, соизмерим с возрастом Земли.

3. Согласно полученным экспериментальным данным, зоны субдукции не сказываются на временных масштабах нижнемантийной конвекции, но существенно влияют на конвективную ячеистую структуру: обуславливают нисходящие течения в верхней и нижней мантии и задают пространственное расположение ячеек, их размеры и форму.

Эксперименты показывают, что восходящее течение в нижней мантии формируется посередине между двумя зонами субдукции, нисходящие течения - задаются зонами субдукции. Конвективная

структура между двумя зонами субдукции организуется в результате взаимодействия основного ячеистого течения и валиков, оси которых параллельны основному течению. Продольный размер результирующего течения соответствует расстоянию 1_ между зонами субдукции, а поперечный размер - ширине двух валиков.

Высота основного ячеистого течения соизмерима с толщиной нижней мантии ( ~ 2200 км), высота валиков - с полутолщиной нижней мантии ( ^1100 км), толщина теплового пограничного слоя у границ 670 и 2900 км может составлять ~ 150-300 км.

4. При погружении океанической литосферы под континент, в астеносфере под континетом в условиях горизонтального градиента температуры создается плоско