Почему невозможна конвекция в мантии Земли

Плейттектонисты единодушны, что горизонтальное перемещение плит вызывается конвективным передвижением мантийного вещества, но многочисленные предложенные варианты конвекции принципи­ально различны. Первоначально считалось, что это тепловая конвекция однородного по составу вещества. Позже - химико-плотностная кон­векция, в которой главным источником движения являются плотностные неоднородные вещества, возникающие в результате изменения его химического состава при дифференциации. По-разному принимается и глубина конвектирующего слоя. Сначала авторы этой гипотезы пред­полагали перемещение литосферных плит вследствие течения вещества в астеносферном слое, характеризующемся пониженной прочностью, подстилающегося высокопрочной мезосферой. Считалось, что «глу­бина глубочайших землетрясений (600 - 650 км - И.Р.) зависит от глу­бины залегания мезосферы» [1, с. 156]. То есть конвекция предполага­лась только в верхней мантии! Позже посчитали, что под континентами астеносфера вырождается, а высокопрочная мезосфера вообще отсутст­вует, а конвекция охватывает всю мантию вплоть до ядра. Л.И. Лобков-ский предложил концепцию двухъярусной конвекции тектоники плит, согласно которой в недрах планеты существуют два маловязких слоя - нижнекоровой астенослой и распространенная повсеместно (в том чис­ле и под континентами) подлитосферная астеносфера [27]. Верхний ас­тенослой в коре был выделен с той же целью, чтобы объяснить внутриплитные горизонтальные движения. Позднее он предложил, хотя и двухъярусную, но принципиально иную модель конвекции, когда оба яруса расположены в мантии: «Конвекция имеет две основные моды: двухъярусную, когда ячейки в нижней и верхней мантии развиваются без обмена веществом через разделяющую их фазовую границу; и од­ноярусную моду, которая характеризуется прорывом через фазовую границу вещества нижней мантии и наоборот». Во многих публикациях допускается переход от двухъярусной конвекции к общемантийной, и наоборот.

В последнее десятилетие как подтверждение конвекции в мантии привлекают и данные сейсмической томографии, выявившие в ней об­ласти относительного повышения или понижения скорости сейсмиче­ских волн. В некоторых случаях зоны повышенных скоростей совпа­дают с сейсмофокальной зоной Беньоффа, что послужило основанием считать, что повышение скорости связано с оттоком в мантию охлаж­денной (и поэтому относительно высокоскоростной) литосферной пли­ты. Такие зоны получили название слэбов. Однако ничем не доказано, что относительное повышение скорости в слэбе вызвано их более низ­кой температурой. Правомерно и другое их истолкование - это зоны, характеризующиеся более высокой плотностью вследствие потери ле­тучих. Именно такой причиной автор этих строк объясняет повышение скорости в области фокальной зоны Беньоффа.

Данные сейсмической томографии скорее опровергают, чем под­крепляют конвекцию в мантии Земли. На всех без исключения рисун­ках, где показана общемантийная или двухъярусная конвекция, по­следняя рисуется в виде овальных обращений мантийного материала. На томографических же разрезах скоростные аномалии в мантии имеют различную, часто причудливую форму, не имеющую ничего общего с первоначально предполагаемыми мобилистами конвективными ячей­ками. Объяснять уходящие на глубину до 2700 км зоны повышенной скорости тем, что вплоть до ядра погрузилась охлажденная близ по­верхности литосферная плита (так и не успев разогреться), - значит разрушать идею конвекции, ибо суть последней - избыток тепла внизу, а там оказывается «холодный» слэб! Для возникновения конвекции не­обходима достаточная разность температур, но температура в низах конвектирующего слоя нам неизвестна.

Поскольку представление о конвекции возникло как следствие из предположения Дитца и Хесса о спрединге, сами течения в мантии не­доступны для наблюдения, а такие главнейшие физические параметры процесса, как вязкость мантии и ее температура, нам неизвестны, необ­ходим независимый метод проверки гипотезы конвекции. Таковым ме­тодом является геохимия. Но она свидетельствует против конвекции как в нижней, так и в верхней мантии. Баланс изотопов инертных газов (Не, Хе, Аг) свидетельствует, что обмен между верхней и нижней ман­тией за всю историю Земли не превышал в среднем 3-5 %. Выдвига­ются предположения, что в ходе выделения основного объема земной коры преобладала двухслойная конвекция (независимая в верхней и нижней мантии). Такой вариант конвекции также не проходит, ибо на­коплен огромный геохимический материал, свидетельствующий, что верхние горизонты мантии деплетированы в процессе выплавления земной коры, причем в равной степени как под континентам, так и под океанами, а произошло это в раннем докембрии (~ 3 млрд лет назад). Конвектирующая мантия представляла бы открытую систему в отно­шении изотопов и не давала бы древних возрастов!

Другим доказательством отсутствия «течения» материала в верхах мантии под океанами служит уникальный сейсмический профиль в южной Атлантике - Анголо-Базильский геотраверс [17]. В осевой части Срединно-Атлантического хребта расположен участок, где в пределах коры не обнаружены сейсмические границы, а в верхнем 15-километ­ровом слое мантии фиксированы пониженные значения скорости (7,5 -7,6 км/с). Вся эта информация о структуре коры и мантии, расшифро­ванной до глубины 90 км, свидетельствует против концепции текто­ники плит. Несопоставимы по расслоенности мантии западный и вос­точный фланги хребта - если существует конвекция, то обе стороны растекающейся астеносферы были бы тождественны. Неясно, где под Атлантическим океаном проводить подошву литосферы - кровлю асте­носферы. С.М. Зверев проводит ее по кровле верхнего инверсионного слоя [20]. Но такое решение произвольно, так как в отдельных блоках мантии скорость под «литосферой» снижается, а в других оказывается выше. Да и разделяет эта граница слои, характеризующиеся самыми различными значениями скорости и разным скачком их снижения (с запада на восток: 8,45/7,7; 8,4/8,3; 8,4/8,0; 8,4/7,8; 7,6/7,5; 8,0/7,9; 8,6/8,2; 7,8/7,9; 8,5/8,2; 8,0/8,2; 8,9/7,9). Профиль свидетельствует, что ниже подошвы «литосферы» скорости скачут от 7,7 до 8,3 км/с! При­чем самый резкий скачок приходится на центральную часть Бразиль­ской котловины. Если принять кровлю верхнего инверсионного слоя за кровлю астеносферы, то мы вынуждены будем признать, что последняя крайне неоднородна по физическим свойствам - состоит из разнородно построенных несопоставимых блоков, которые к тому же неоднородны и по вертикали (чередование слоев с разной скоростью). Анголо-Бра­зильский геотраверс разрушил концепцию спрединга как следствия мантийной конвекции. Оказывается, под Срединно-Атлантическим хребтом нет астеносферы - мантия до глубины 90 км состоит из бло­ков, различающихся по физическим свойствам, числу инверсионных слоев, их толщине.

Кора выплавилась в начале земной истории из самых верхних гори­зонтов мантии, которые никуда не передвигались за всю историю Зем­ли, Единственным идущим из ядра глубинным процессом является де­газация водорода, солнечного гелия, окислов углерода и других газов. Пульсирующее их выделение, наряду с дроблением коры глубинными разломами, стало главной причиной происходивших на Земле тектони­ческих и магматических процессов.