2.2.3. Неоднородность и динамика мантии
Приведенные в пунктах 2.2.1 и 2.2.2 данные в основном отражают вертикальную скоростную и плотностную неоднородность мантии. В тоже время мантия обладает и латеральными скоростными неоднородностями, что, как ранее отмечалось, исходит из сейсмотомографических данных (Рис. 2.42).
Рис. 2.42. Сейсмотографические срезы различных мантийных глубин
Вариации сейсмических скоростей на одних и тех же глубинных уровнях обычно не превышают 5-7 % относительно "нормальных" (средних) значений для соответствующих глубин, но они отражают проявление плотностной неоднородности, которая может быть связана либо с изменением вещественного состава, либо с флуктуациями температуры. Чаще всего латеральные изменения скоростных (плотностных) характеристик связывают с различиями в температуре (более низкотемпературные участки мантии являются более плотными и обладают, соответственно, повышенными значениями сейсмических скоростей, более нагретые же участки отличаются пониженными скоростями), иногда допускается, что участки с пониженными значениями сейсмических скоростей являются более нагретыми и менее железистыми. Исходя из неизменности химического состава мантии по сейсмотомографическим данным возможно построение её общей температурной модели (Рис. 2.43).
Рис. 2.43. Температурная модель современной мантии
В современной мантии Земли, в общем, можно выделить по две крупнейшие зоны разуплотнения и уплотнения вещества, которые прослеживаются практически от границы мантия-ядро до подошвы литосферы (Рис. 2.44).
Рис. 2.44. Вариации сейсмических скоростей в мантии
Зоны разуплотнения расположены под центральной частью Тихого океана и Африкой, а зоны уплотнения - под периферией Тихого океана. Логично допустить, что разуплотнённые (более горячие) зоны представляют собой области, где вещество испытывает восходящие движения, а уплотнённые (более холодные) зоны - области с нисходящими массопотоками. Первые именуются апвеллингами (от англ. - upwelling), вторые даунвеллингами (англ. - downwelling) [15, 18]. Таким образом, в современной Земле выделяются два крупнейших апвеллинга, называемые ещё суперплюмами, и два крупнейших даунвеллинга, при этом они располагаются антиподально (Рис. 2.45).
Рис. 2.45. Расположение крупнейших современных восходящих и нисходящих мантийных потоков
Вертикальные и латеральные плотностные неоднородности мантии дополнительно свидетельствуют о высокой вероятности проявления в ней конвекции (Рис. 2.46), что предполагалось задолго до появления сейсмической томографии [34].
Рис. 2.46. Мантийная конвекция
В настоящее время практически все исследователи признают наличие в мантии восходящих токов разогретого мантийного вещества, формирующихся на границе мантия-ядро и обладающих скоростью подъёма до 50 см/год, но не все принимают конвекцию (её нижним уровнем обычно считается глубинный рубеж 2900 км, а верхним - астеносферный слой).
К настоящему времени разработаны различные модели мантийной конвекции, проведено их экспериментальное и численное моделирование, при этом моделировалась как чисто тепловая, так и термохимическая конвекция [4, 13, 14, 28-30]. В общем, наиболее популярными являются следующие модели мантийной конвекции, которые предполагают и некоторые особенности глубинной динамики Земли.
а) В мантии проявлена общемантийная (одноярусная) конвекция (Рис. 2.47), которая может быть одно-, дву- и многоячеистой.
Рис. 2.47. Общемантийная конвекция
При одноячеистой конвекции параллельно существуют один апвеллинг и один даунвеллинг, при многоячеистой - более двух ап- и даунвеллингов. При долгом проявлении одноячеистой общемантийной конвекции происходит формирование суперконтинентов (Рис. 2.48).
Рис. 2.48. Условия и время формирования суперконтинентов
В истории Земли "насчитывается" четыре суперконтинента (названия по В.Е. Хаину [34]): Пангея-0 (Пангея - буквально "единая земля") со временем формирования 2,5 млрд. лет назад; Пангея-I - 1,7 млрд. лет назад; Родиния - 1,0 млрд. лет назад; Пангея-II (Вегенеровская) - 0,32-0,2 млрд. лет назад. Пангеям (суперконтинентам) противостоял единый океан - Панталасса (буквально "единое море", забегая вперёд можно отметить, что Тихий океан является "остатком" от Панталассы, омывавшей Родинию). Нетрудно заметить, что периодичность формирования Пангей составляет ~700-800 млн. лет. Данный промежуток времени часто именуется суперконтинентальным циклом или циклом Вилсона, по имени выдающегося канадского геофизика. Формирование суперконтинентов прогнозируется и в будущем. Реконструкции Пангей будут приведены в конце четвёртой главы.
б) В мантии проявлена многоярусная конвекция, со своей системой конвективных течений в верхней и нижней мантии (с границей на глубине 670 км), или в верхней, средней (слой Голицына) и нижней мантии (с глубинными границами 410 и 670 км), при этом верхне- и нижнемантийное вещество не перемешиваются (Рис. 2.49).
Рис. 2.49. Двух- и трёхъярусная мантийная ковекция
в) Эпохи многоярусной и одноярусной (общемантийной) конвекции сменяют друг друга, при этом детонатором перехода из первой системы во вторую может служить прорыв полупроницаемой глубинной границы 670 км накопившимися под ней массами разуплотнённого и разогретого вещества верхней части нижнемантийных апвеллингов (плюмов) и (или) накопившимися над ней массами холодного и уплотнённого вещества субдуцировавших океанских литосферных плит (Рис. 2.50).
Рис. 2.50. Сейсмотографические профили зон субдукции
г) В Земле (не только в мантии) действуют одновременно или после-довательно конвективные системы нескольких рангов, образующие определённую иерархию. Данное представление развивается М. А. Гончаровым, который выделяет геодинамические системы следующих пяти рангов.
- Система нулевого ранга - панглобальная, охватывает твёрдую Землю в целом и связана с её осевым вращением. Она выражается в сочетании с мантийной конвекцией в западном и северном дрейфе континентов, при этом северный дрейф периодически сменяется южным; продолжительность таких циклов составляет - ~800 млн. лет [33].
- Геодинамическая система первого ранга действует в период становления и распада суперконтинентов. Она охватывает всю мантию и состоит из двух конвективных ячеек (под суперконтинентом и под единым океаном), из которых океанская в период распада Пангеи становится двухъярусной, проявляясь раздельно в нижней и верхней мантии.
- Геодинамическая система второго ранга действует лишь в верхней мантии, при этом восходящие потоки располагаются под срединно-океанскими хребтами, а нисходящие - в зонах субдукции и последующей коллизии.
- Геодинамические системы третьего ранга ограничиваются литосферой и астеносферой. Они ответственны за образование активных континентальных окраин - системы "глубоководный желоб - островная дуга - окраинное море".
- Системы четвертого ранга приурочены к осадочным чехлам коры и с ними связано складко-, надвиго- и покровообразование, а также гранитоидный магматизм и региональный метаморфизм в пределах горно-складчатых сооружений [33].
д) Конвекция проявляется лишь в верхней мантии, а нижняя мантия является областью проявления лишь восходящих и нисходящих движений ман-тийного вещества. Данное представление нашло наиболее концентрированное выражение в схеме глобальной динамики Земли японских учёных М. Кумазава, С. Маруяма и др. [34] (Рис. 2.51).
Рис. 2.51. Схема глобальной динамики Земли
Плотностная неоднородность мантии свидетельствует о высокой вероятности проявления в ней плюмов, которые представляют собой столбообразные струи горячего разуплотнённого материала, поднимающегося к подошве литосферы или коры. Диаметр этих струй составляет первые сотни километров, при больших размерах они называются суперплюмами (апвеллингами). Плюмы в верхней своей части грибообразно расширяются, могут разделяться на отдельные самостоятельные струи. Представление о плюмах в науку было введено в 1971-1972 гг. Дж. Морганом (опять-таки задолго до появления сейсмотомографии), при этом он считал, что корни этих структур располагаются на границе мантия-ядро и они - стационарны. Отдельные плюмы могут "прошивать" всю литосферу, и на земной поверхности они будут проявляться вулканическими сооружениями, которые получили название "горячие точки" (hot spot) [33, 34]. В настоящее время плюмам придаётся большое значение как в глубинной динамике Земли (так называемая плюм-тектоника, см. Рис. 2.51), так и в объяснении развития обширных магматических провинций в пределах континентов и океанов, вплоть до выявления взаимосвязи между глобальными периодичностями в эволюции литосферы и биосферы, и периодичностью плюмового магматизма [5, 7]. Современные концепции предполагают возможность зарождения плюмов на различных глубинах (в км) - 2900, 670, в астеносферном слое; их подъём на различную высоту (вплоть до подошвы коры с её дальнейшим прорывом), и они допускают нестационарность положения плюмов, время функционирования которых может достигать 120 млн. лет [33] (Рис. 2.52, 2.53, 2.54, 2.55).
Рис. 2.52. Основные уровни зарождения и строение плюмов
Рис. 2.53. Расположение современных плюмов
Рис. 2.54. Проекция на поверхность Тихоокеанского и Африканского апвеллингов и отдельных плюмов
Рис. 2.55. Соотношение плюмов и мантийной конвекции
Основные данные по мантии
Мантия является наиболее объёмной геосферой твёрдой Земли. По комплексу геофизических данных она подразделяется на ряд оболочек (слоёв). Их сейсмические границы обычно характеризуются некоторым скачком скоростей сейсмических волн. Состав вещества современной мантии многи-ми исследователями отождествляется с веществом пиролита. Его уплотнение с глубиной связывают с фазовыми переходами, при этом химический состав мантии в одном случае считается неизменным, в другом - неоднородным (нижняя мантия в сравнении с верхней - более железистая). В современной мантии выделяются два ослабленных слоя, где вещество находится в частично расплавленном состоянии, - это астеносфера и слой D" (Рис. 2.56).
Рис. 2.56. Расположение ослабленных слоёв в современной мантии
Астеносфера является базисным источников магмообразования, за счёт выплавляющихся здесь базальтовых магм происходит формирование океанской коры. Астеносфера обеспечивает проявление вертикальных (изостазия) и горизонтальных движений литосферных блоков. Последнее возможно за счёт проявления конвекции в мантии. Слой D" занимает пограничное положение с ядром. Он играет двойственную геодинамическую роль. С одной стороны здесь происходит выплавление из мантийного вещества железа и его стекание в ядро. Данный процесс сопровождается выделением тепловой энергии и разуплотнением мантии, что приводит к формированию мощных восходящих потоков разуплотнённого и разогретого материала (апвеллингов - суперплюмов, при меньших масштабах (размерах поднимающихся струй) - плюмов). Восходящие мантийные потоки компенсируются нисходящими потоками, которые представлены материалом субдуцировавших океанских плит (в последнее время некоторыми исследователями первичным считается погружение слэбов,достижение которыми слоя D" вызывает формирование апвеллингов). Температурный контраст между нижней и верхней границами мантии, а также различия по температуре и плотности вещества на одних и тех же глубинных уровнях позволяют с высокой долей вероятности предполагать наличие мантийной конвекции, формы которой могут быть различными.
Вязкость мантийного вещества изменяется в следующих пределах [24, 34]:
- литосфера - 1022-1026 П (Пуаз);
- астеносфера - 1019-1020 П (под океанами), 1020-1021 П (под континентами);
- до глубинного уровня 2000 км вязкость увеличивается до 1024-1025 П, далее она снижается и в слое D" составляет 1019-1020 П (поэтому этот слой иногда называют второй астеносферой), а в слое Берзон (ULVZ) не превышает 103-104 П (для сравнения во внешнем ядре, находящемся в расплавленном состоянии, вязкость составляет первые Пуазы);
1 П = 10-1 Па*с,
- вязкость пресной воды в стандартных условиях - 0,01 П (10-3 Па*с), вязкость базальтовой лавы вулкана Килауэа (Гавайи) - 103 П, вязкость каменной соли (наряду с глинами и углями каменная соль является наименее вязкой породой земной коры) - 109-1010 П.
Выплавление базальтовой магмы в астеносфере и её внедрение в кору, подъём плюмов и проявление плюмового магматизма (преимущественно щелочно-базальтового состава) в коре, а также стекание железа из мантии в ядро представляют собой основные формы дифференциации современной мантии.
Характером мантийных процессов скорее всего определяется и тектоническая асимметрия Земли - её разделение на Индо-Атлантический и Тихоокеанский сегменты (Рис. 2.57), которое прослеживается по сейсмотомографическим данным до границы с ядром.
Рис. 2.57. Главная структурная асимметрия Земли
Индо-Атлантический сегмент включает все континентальные блоки и разделяющие их "малые" океаны, при этом формирование самих континентов и их агломератов в виде Пангей, а также перемещения континентов происходили в пределах только этого сегмента. Тихоокеанский же сегмент представляет собой область саморазвития лишь океанской коры (океанской литосферы). Такое разделение Земли существует по Ю. М. Пущаровскому как минимум последние 1,5 млрд. лет, а возникнуть оно могло на самых ранних этапах развития планеты [17, 21].