Конвекция в мантии Земли

В мантии, безусловно, существует интенсивная и крупномасштабная конвекция, возбуждаемая эндогенными энергетическими источниками, прежде всего энергией гравитационной дифференциации мантийного вещества с небольшим вкладом радиогенного тепла и незначительными (сегодня) добавками приливной энергии. При этом граничные условия на поверхности Земли, связанные с существованием древних и мощных континентальных плит и с возникновением на поверхности конвектирующей мантии охлаждённых и подвижных океанических литосферных плит, накладывают на мантийную конвекцию характерный отпечаток и часто подчиняют её структуру плану расположения литосферных плит и зон субдукции.

Косвенными свидетельствами существования в мантии крупномасштабной конвекции, охватывающей одновременно и верхнюю и нижнюю мантию, являются расчёты плотности вещества в нижней мантии по данным ударного сжатия силикатов. Такие расчёты показали, что при соответствующих давлениях и адиабатической температуре распределение плотности в обеих частях мантии с большой точностью аппроксимируется плотностью океанических лерцолитов — пород, поднятых в трансформных разломах океанского дна. Это свидетельство однородности химического состава мантии одновременно является косвенным показателем существования в ней крупномасштабной конвекции, постоянно перемешивающей её вещество. А есть ли какие-либо прямые доказательства такого процесса?

Таким прямым свидетельством существования единой структуры массообмена, пронизывающего собой, и верхнюю и нижнюю мантии, по-видимому, являются сейсмические наблюдения, показывающие, что шлейфы опускающихся в мантию океанических литосферных плит прослеживаются под зонами субдукции значительно глубже предельного уровня возникновения землетрясений. Они уверенно прослеживаются до 800 км и, возможно, даже до 1 400 км, т.е. уже в самой нижней мантии.

Убедительными доказательствами существования глубинных мантийных конвективных течений, совершенно не связанных с «самодвижением» океанических литосферных плит по зонам субдукции, по-видимому, являются факты раскола Африканского континента по системе Красное море — Аденский залив — Восточно-Африканские рифты; отодвигание Аравии от Африки; расширение Атлантического и, частично Индийского океанов; подъем океанического дна выше поверхности океана в Северной Атлантике (о. Исландия) и на северо-востоке Эфиопии (провинция Афар) и т. д. Все эти явления никак не могут быть связаны с затягиванием тяжёлых океанических плит в мантию, а требуют для своего объяснения привлечения идеи существования самостоятельных конвективных течений мантийного вещества, действующих на подошву литосферных плит снизу. Самым ярким доказательством, по-видимому, является раскол вегенеровской Пангеи на отдельные части — современные материки. Событие это произошло в середине мезозоя, но сам дрейф континентов (и раскол Африки) продолжается до сих пор. Никакими ухищрениями с «самопогружением» в мантию тяжёлых океанических плит, окружавших тогда Пангею, объяснить это явление не удаётся.

Что же касается уже упоминавшейся выше зависимости скорости движения литосферных плит от длины окружающих их зон субдукции, то её можно объяснить совершенно иначе, чем это сделано в работе Д. Форсайта и С. Уеды (1975). Действительно, все быстрые плиты как бы сгруппированы в двух смежных регионах: с одной стороны, это плиты Наска, Кокос, Тихоокеанская и Филиппинская, а с другой — Индийская. Но стоит только предположить, что под юго-восточной частью Тихого океана и под центром Индийского океана в мантии существуют мощные восходящие конвективные потоки, а между ними, где-то под Индонезией и Южной Америкой, -нисходящие потоки, как тот же самый результат получается за счёт простого растекания мантийного вещества под плитами отмеченных регионов. Но в этом случае вязкое зацепление мантийного вещества с подошвой литосферных плит будет уже не тормозить их движение, а наоборот, только способствовать ему. Кстати, судя по карте рельефа земного ядра (см. рис. 12), именно под юго-восточной частью Тихого океана и под центром Индийского океана наблюдаются подъёмы его поверхности, а это является обязательным и верным признаком восходящих конвективных потоков в мантии.



Обратим внимание, что под Северной Атлантикой также существует достаточно крупный восходящий конвективный поток. Об этом, в частности, говорит и раздвижение обрамляющих эту часть океана континентов, и подъем среднего уровня океанического дна, а также карта рельефа земного ядра, по которой чётко отмечается под Северной Атлантикой заметное повышение поверхности ядра Земли, такое же, как и под юго-восточной частью Тихого океана (см. рис. 12). Однако плиты в этом регионе движутся очень медленно — со скоростью раздвижения океана около 2 см/год, тогда как в Тихом океане скорость раздвижения плит достигает 15-18 см/год.

По-видимому, такие различия в скоростях движения плит над восходящими потоками объясняются влиянием самой литосферной оболочки на процесс формирования горизонтальных ветвей конвективных течений в мантии. Так, в мантии под Тихим океаном астеносфера выражена чётко и распространена под всеми без исключения океаническими плитами региона. При этом наименее вязким её слоем является верхняя часть, в которой уже происходит частичное плавление мантийного вещества. Подошва этого слоя залегает приблизительно на глубине около 80 км и совпадает с границей перехода пироксеновых лерцолитов в гранатовые (см. рис. 58).



Но конвективные течения вязкого вещества обычно организуются в такие структуры, чтобы при заданной скорости общего массообмена (а она в рассматриваемой модели определяется процессом дифференциации мантийного вещества) скорость диссипации энергии вязкого трения была бы минимальной. Из этого фундаментального принципа, в частности, вытекает, что в среде с постоянной вязкостью конвективные течения всегда будут стремиться охватить как можно большие объёмы пространства (т. е. будут возникать широкие потоки). В среде же с переменной вязкостью, как, например, в мантии с разной толщиной океанических и континентальных литосферных плит, конвективные течения всегда будут концентрироваться в слоях с минимальной вязкостью вещества.

По этой причине в стратифицированной мантии с чётко выраженной маловязкой астеносферой конвективные течения должны стягиваться в этот слой пониженной вязкости. В результате в нижней мантии и низах верхней мантии будут доминировать вертикальные потоки вещества, а в самой астеносфере сформируются преимущественно горизонтальные течения. Это приводит к тому, что через тонкий астеносферный слой перетекает большая часть вещества конвективных потоков, формируя там сравнительно быстрые, до нескольких десятков сантиметров в год, горизонтальные астеносферные течения. Эти-то течения и влекут за собой относительно тонкие (от 10 до 80 км) океанические плиты Тихого океана от восходящего конвективного потока под Восточно-Тихоокеанским поднятием к нисходящим потокам в мантии, т. е. к зонам субдукции, окружающим этот океан. Такие течения не препятствуют движениям плит, если они вызываются механизмом затягивания океанической литосферы в мантию, ведь в рассматриваемом случае направления движения плит к зонам субдукции действительно совпадают с ожидаемыми направлениями астеносферных течений под этими плитами.

Совершенно иная картина развивается под мощными континентальными плитами, погруженными в мантию на глубину до 200-250 км. Под ними слой астеносферы практически отсутствует или существенно вырожден, поэтому под континентальными плитами должно наблюдаться более равномерное распределение вязкости и горизонтальные составляющие конвективных течений под ними формируются в существенно большем объёме средней и нижней мантии. Но в связи со значительно большими сечениями горизонтальных потоков под континентальными плитами их скорости оказываются соответственно более низкими (порядка нескольких сантиметров в год). Этим скорее всего и объясняются значительно меньшие скорости дрейфа континентов, особенно крупных, прочно «сидящих» своими корнями в мезосфере Земли. Меньшей оказывается и скорость движения спаянных с ними океанических плит.

Отмеченные здесь различия геодинамических реакций океанических и континентальных плит на конвективные течения в мантии, по-видимому, неплохо иллюстрируются уже упоминавшейся выше зависимостью Форсайта-Уеды. Фактически эта зависимость определяет собой связь скорости движения литосферных плит с их строением, размерами континентов и расположением плит относительно восходящих и нисходящих течений в мантии, попытка реконструкции которых показана на рис. 63. Действительно, зависимость Форсайта-Уеды очень чётко разделила крупные литосферные плиты на две различные группы — на континентальные и чисто океанические плиты Тихоокеанского региона. Индийская же плита в этой классификации занимает промежуточное положение, вероятно, потому что впаянные в неё континентальные массивы (Индия и Австралия) относятся к сравнительно небольшим материкам. К тому же Индийская плита, как и все Тихоокеанские плиты, оказались «удачно» расположенной между восходящим и нисходящим потоками в мантии, что в конце концов и обусловило относительно большую скорость её перемещения в сторону Индонезии.



В Северной Атлантике астеносфера существует только под океанским дном, а с востока и запада она оказывается перекрытой мощными континентальными плитами, играющими роль гигантских дамб, препятствующих растеканию в этих направлениях астеносферных течений от расположенных здесь восходящих потоков. Поэтому астеносферные течения в этом регионе могут распространяться только вдоль Срединно-Атлантического хребта.

Однако такое сокращение эффективного сечения астеносферы приводит к существенному увеличению её гидродинамического сопротивления. Действительно, в гидродинамике, как известно, действует закон, аналогичный закону Ома в электротехнике. По этому гидродинамическому закону аналогом электрического напряжения является давление, вовлекающее вязкое вещество в конвективный массообмен, а поток вещества, участвующий в этом массообмене, играет роль силы тока. Отсюда легко находится и гидродинамическое сопротивление среды как частное от деления давления на поток вещества. В нашем случае поток вещества задаётся механизмом дифференциации мантийного вещества на поверхности ядра. Поэтому увеличение гидродинамического сопротивления астеносферы неизбежно приводит к соответствующему повышению избыточного давления, действующего на вещество в этом слое.

В Северной Атлантике действие такого избыточного давления проявляется исключительно наглядно. Прежде всего, с этим явлением связан повсеместный существенный подъем уровня океанского дна в этом регионе. Амплитуда гидродинамического «вздутия» здесь такова, что Срединно-Атлантический хребет над центром восходящего потока поднимается даже выше уровня океана и выходит на дневную поверхность, образуя таким путём о. Исландия. Учитывая, что средняя глубина расположения гребней срединных хребтов обычно достигает 2,5-2,7 км ниже уровня океана, легко рассчитать, что избыточное давление восходящего конвективного потока, приподнявшего дно Северной Атлантики, не превышает 700-800 бар. Интересно отметить, что это избыточное давление в сумме с давлением океанических литосферных плит, соскальзывающих с астеносферной линзы под Атлантическим океаном, также приблизительно равным 700-800 бар, действует на краевые зоны континентальных плит Европы, Гренландии и Северной Америки, создавая там избыточные напряжения сжатия до 1-1,5 кбар.

Эти напряжения часто приводят к таким нежелательным последствиям, как горные удары и выбросы в горных выработках, и даже к возникновению землетрясений в прибрежных зонах континентов, окружающих Северную Атлантику, о чем уже упоминалось выше. Подъём океанского дна в Северной Атлантике приводит к возникновению в этом регионе крупной положительной гравитационной аномалии. Динамическая природа этой региональной аномалии особенно чётко проступает в изостатической редукции, после вычитания из неё поправки за эффект влияния «избыточного» рельефа, т.е. разности между реальным рельефом океанического дна в этом регионе и средним рельефом срединно-океанических хребтов в «невозмущённых» регионах. После выполнения такого пересчёта на нормальный рельеф остаточное гравитационное поле над Северной Атлантикой становится отрицательным (рис. 64), отмечая тем самым дефицит массы в восходящем конвективном потоке под этим регионом.



Полученный результат анализа регионального гравитационного поля над Северной Атлантикой в сочетании с данными о подъёме под этим же регионом уровня рельефа земного ядра (см. рис. 12) и фактом раздвижения океанского дна является веским свидетельством существования здесь мощного восходящего конвективного потока, пронизывающего собой всю мантию от поверхности ядра до поверхности Земли.

Отметим, что судить о структуре конвективных течений в мантии только по гравитационному полю Земли или формам геоида не всегда удаётся. Действительно, над Северной Атлантикой, несмотря на существование под ней мощного восходящего потока лёгкого мантийного вещества, наблюдаются региональная положительная гравитационная аномалия и соответствующий ей подъем уровня геоида на 60 м. С другой стороны, в мантии под западной частью Тихого океана явно функционирует столь же мощный нисходящий конвективный поток, отмечаемый серией зон поддвига плит. Тем не менее его внешнее проявление в гравитационном поле и геоиде Земли такое же, как и в Северной Атлантике, — здесь также наблюдается положительная гравитационная аномалия и «вздутие» геоида амплитудой до 80 м (см. рис. 1). Объясняется это, по-видимому, тем, что в первом случае доминирует «динамическая» составляющая гравитационного поля, вызванная подъёмом океанского дна за счёт избыточного давления восходящего потока, а во втором — «статическая» составляющая, связанная с избытком массы погрузившихся в мантию холодных (и потому тяжёлых) литосферных плит, хотя и здесь может присутствовать динамическая составляющая.



Если бы литосферная оболочка Земли была однородной, неподвижной и повсеместно характеризовалась постоянной мощностью, то крупномасштабные ундации (волнообразные изгибы поверхности) геоида должны были бы однозначно отражать структуру конвективных движений в мантии. Реальная ситуация, однако, значительно сложнее, поскольку гидродинамические условия в астеносфере под океанами и континентами существенно отличаются друг от друга. Но если пространство между восходящими и нисходящими потоками в мантии перекрыто только океаническими (или только континентальными) плитами, то можно ожидать, что в таких регионах крупномасштабные гравитационные аномалии и ундации геоида останутся наименее искажёнными.

Так, по рельефу геоида на акватории Тихого океана и сопредельных территориях (см. рис. 1) можно чётко выделить две положительные ундации геоида — на западе и юго-востоке океана, хорошо совпадающие с распространёнными там зонами поддвига плит. Между этими «вздутиями» геоида наблюдается широкая полоса пониженных и отрицательных отметок геоида, охватывающая всю центральную и южную части океана. Такой рельеф геоида в Тихом океане, по-видимому, можно уверенно интерпретировать как свидетельство того, что под его пониженными уровнями развиваются восходящие конвективные потоки в мантии, а под положительными ундациями геоида формируются и действуют нисходящие мантийные потоки (рис. 65).



Сопоставление этой интерпретации с картой рельефа земного ядра (см. рис. 12), несмотря на всю схематичность и, вероятно, ещё малую точность, лишь подтверждает правильность этой интерпретации. Действительно, под западными акваториями океана и под Южной Америкой наблюдаются отрицательные формы рельефа ядра — надёжно отмечающие собой корни нисходящих потоков в мантии, тогда как под центральными и южными частями Тихого океана видны подъёмы поверхности ядра — столь же надёжные признаки существования над ними восходящих потоков.

Если приведённое здесь описание геодинамических обстановок Тихоокеанского сектора Земли близко к действительности, то можно ожидать, что восточно-тихоокеанская и южная ветви конвективных течений далее соединяются с мощными восходящими потоками под Индийским океаном, Африкой и Северной Атлантикой (см. рис. 63). В результате создаётся впечатление, что взаимосвязанная цепь восходящих конвективных течений как в теннисном мяче опоясывает единым широким поясом центр нисходящих потоков под западной частью Тихого океана, Индонезией и Северной Австралией.

Ясно также, что под Северной Атлантикой существует мощный восходящий поток, о чем мы уже говорили выше. Но как он связан с только что описанной системой конвективных течений: через Северную Америку или Европу? Пока это не совсем ясно. Скорее через Северную Америку, поскольку под Западной Европой и Северной Африкой (особенно вдоль Средиземноморского и Альпийско-Гималайского подвижных поясов) ещё сохранились реликты некогда мощных нисходящих конвективных потоков, предопределивших в своё время закрытие океана Тетис. Остаётся неясной ситуация с Африкой. С одной стороны, её сравнительно высокое стояние над уровнем океана и геологические данные определённо указывают на расколы и продолжающееся раздвижение Восточно-Африканской рифтовой зоны, что легче объяснить существованием под континентом восходящих потоков. Но, судя по карте рельефа земного ядра, оснований таких потоков здесь не обнаруживается. Поэтому остаётся предположить, что большая (западная) часть Африканской плиты как бы отрывается от Сомалийского блока (вероятно, по ослабленным старым шовным зонам) и дрейфует на запад за счёт действия на её подошву горизонтальных мантийных течений, идущих от восходящего потока в Индийском океане к нисходящему потоку под Южной Америкой. Но это только предположение.

Вообще же литосферные плиты стремятся перемещаться под влиянием конвективных течений из областей развития восходящих потоков к местам существования нисходящих потоков мантийного вещества, обычно совпадающим с участками погружения океанических плит в мантию. Таким перемещениям плит, правда, часто препятствует их жёсткость и взаимодействие плит друг с другом. Тем не менее можно ожидать, что отмеченная закономерность все же проявляется. Данные о направлениях и скоростях дрейфа плит имеют важное значение для выявления общего плана структуры мантийной конвекции. При этом необходимо помнить, что у нас нет абсолютной системы отсчёта движения плит и все определения их перемещений носят только относительный характер — по отношению к другим плитам. Вероятно, такие реконструкции удобнее было бы строить в системе отсчёта наименее подвижного из континентов, например Антарктиды, находящейся со времён позднего палеозоя вблизи полюса (в кайнозое континент уже никогда не покидал полюса).

Интересно отметить ещё одну особенность конвективных движений в мантии. При возникновении одноячеистой конвективной структуры все континентальные массивы дрейфуют в сторону нисходящего потока, образуя над ним единый суперконтинент типа Моногеи, Мегагеи или Пангеи. После образования такого суперконтинента он, естественно, оказывается как бы окружённым со всех сторон зонами субдукции, по которым океанические плиты омывающего его единого океана, Панталассы, погружаются в мантию. При обычной скорости поддвига плит около 5-10 см/год уже через несколько десятков миллионов лет эти плиты опускаются до уровня ядра, где подвергаются полному разрушению (дезинтеграции) благодаря действию бародиффузионного механизма дифференциации окислов железа и насыщения их расплавами межгранулярных пространств в мантийном веществе.

Вещество погружающихся плит всегда остаётся несколько более холодным, а следовательно, и более плотным по сравнению с окружающей их мантией. Поэтому естественно ожидать, что под зонами субдукции мантийное вещество будет вдавливаться в ядро, образуя там подобия корней нисходящих потоков (рис. 66). Отсюда следует, что после дифференциации дезинтегрированное мантийное вещество этих корней в виде жидкой «магматической каши» должно «стекать» с них (т.е. подниматься) в обе стороны от участков погружения бывших океанических литосферных плит в ядро. По этой причине под центром незадолго до этого возникшего суперконтинента постепенно начинают накапливаться крупные массы прошедшего дифференциацию и поэтому более лёгкого мантийного вещества. В результате через время порядка первых десятков миллионов лет под суперконтинентом на месте бывшего нисходящего потока возникает мощный восходящий конвективный поток, приподнимающий и взламывающий находящуюся над ним литосферную оболочку, а это приводит к расколу суперконтинента и центробежному дрейфу его материковых осколков в разные стороны от его бывшего центра. Однако и в этом случае «работает» рассмотренная Ю. Г. Леоновым (2001) пассивная модель континентального рифтогенеза.



Этим механизмом, по-видимому, объясняется неустойчивость всех возникавших в прошлые геологические эпохи суперконтинентов и чрезвычайно короткое время (не более 100 млн лет) их существования как единых материков. Фактически эта зависимость, являющаяся правилом, может быть объяснена лишь с точки зрения механизма глобальной химико-плотностной конвекции.