В верхней мантии и литосфере
В пределах океанов положение ее кровли близко к 50 км и приближается к поверхности до 10-15 км под срединноокеаническими хребтами. Подошва не выходит за пределы 400 км. На континентах астеносфера крайне неоднородна по строению. Под молодыми горными странами (Альпы, Кавказ, Тянь-Шань) ее кровля поднимается до 80 км, а в рифтовых зонах - до 50-60 км и менее. Под наиболее стабильными областями земной коры - кристаллическими щитами древних платформ - астеносфера выражена слабее. На глубине от 100 до 200 км она представлена сравнительно маломощным слоем, часто состоящим из разобщенных астенолинз. Здесь астеносфера фиксируется с большим трудом лишь только по незначительному падению скоростей поперечных волн.
При изучении астеносферы самым важным был вывод о том, что в астеносфере располагаются очаги генерации базальтовой магмы. В 60-е годы прошлого века, Б.Гутенбергом и другими сейсмологами было доказано, что в астеносфере вещество разуплотнено за счет частичного (1 – 10%) плавления вещества мантии. Позднее установлено, что этот интервал разреза верхней мантии обладает также повышенной электропроводимостью. Вопрос о реологических свойствах вещества астеносферы, способного формировать различные течения в частично расплавленной или аморфизованной части верхней мантии, является ключевым в решении ряда проблем, касающихся истории развития земной коры и литосферы и связано с изучением причин неравномерного разуплотнения мантии, различной степени ее разогрева.
Эндогенные процессы в астеносфере.Астеносфера играет особую роль в развитии Земли.Здесь происходит частичное плавление вещества мантии и возникают расплавы базальтовой магмы.Финалом этого процесса является формирование литосферы и океанической коры.Возникает вопрос.Почему именно на уровне астеносферы получают развитие процессы плавления и возникает базальтовая магма?Как образуются твердая литосфера и океаническая кора?
Почему в отдельных регионах, как, например, под срединноокеаническими хребтами и рифтами оно выражено весьма контрастно, а под щитами древних платформ представлено лишь разобщенными, часто слабовыраженными астенолинзами? Причиной этого являлись не только различия в петрохимическом составе мантии, степени ее истощения, но и, что наиболее важно, геотермический режим, геостатическое давление, а также степень напряженности растяжения - сжатия недр.
Разуплотнению и плавлению особенно благоприятствуют условия растяжения (декомпрессия). Общеизвестно, что состояние вещества в разрезе Земли зависит от его петрохимического состава и термобарических условий (температура-давление). Повышение температуры способствует плавлению минеральных масс, тогда как повышение давления снижает возможности появления расплавов. Граничные условия определяются адиобатическим градиентом и солидусом вещества мантии.
Распределение температуры в верхней мантии и литосфере, включая земную кору, контролируется динамическими обстановками и тепловым режимом, а магматические процессы в астеносфере могут развиваться только при возникновении очагов магмагенерации.
Главной характеристикой этого процесса является температура плавления (солидус) минералов и их смесей на разной глубине,т.е.в разных адиобатических условиях.Например, температура плавления минералов при давлении 1 бар для периклаза составляет – 2530оС, форстерита – 2163оК, энстатита – 1830оК, диопсида – 1664оК, альбита – 1378оК, мусковита – 1000оК. В настоящее время накоплен большой лабораторный опыт плавления основных пород мантии (лерцолитов или перидотитов) при давлении и температуре, соответствующих обстановкам в верхней мантии.Это позволяет расшифровать сущность процессов,происходящих в мантии.При этом следует учитывать,что эти эксперименты позволили установить закономерности изменения солидусов в зависимости от изменений температуры и давления.
В твердой мантии все минералы находятся в кристаллическом состоянии,т.к. значение их солидусов выше адиобатической температуры.Поднимаясь выше в астеносферу,породы попадают в новые термо-барические условия.Снижается температура.Казалось бы,что это должно исключить возможность плавления.Однако,наоборот,на этом уровне мантия начинает плавиться.Причиной этому является снижение давления и,как следствие,снижение значений солидуса.Подобным образом развиваются процессы в астеносфере (рис.4.11).
Рис.4.11.Последовательность генерации базальтовой магмы и воникновение литосферы и океанической коры (минералы мантии:эпидот-зеленый,пироксен-коричневый,I-VI-стадии развития процессов в мантии).
I.В твердой мантии все минералы находятся в кристаллическом состоянии.
II.В основании астеносферы начинается процесс плавления пироксена,солидус которого ниже чем у оливина.Возникают капли базальта.
III.Выше процесс усиливается.
IV.В итоге формируются очаги магмагенерации-источники базальтовой магмы.На этой стадии мантия представляет собой сочетание тугоплавких минералов (кристаллы оливина и др.) и родоначальной базальтовой магмы.
V.По ослабленным каналам магма покидает астеносферу и изливается в зоне спрединга на дно океана.
VI.Завершением процесса является возникновение литосферы и океанической коры.Литосфера имеет двухслойное строение.Нижняя подкоровая часть литосферы представлена тугоплавкими минералами мантии,из которой извлечена легкоплавкая базальтовая фаза.Такие породы литосферы называются реститом.Разрез литосферы завершает базальтовая океаническая кора.
Фильм»плавление астеносферы и возникновение базальтовой магмы»Ctrl+щелчок
Механизм формирования подкоровой части литосферы впервые разработан А.П.Виноградовым и А.А.Ярошевским, согласно которому процесс магматической дифференциации пород мантии развивается путем зонного плавления. При этом зону плавления покидают щелочные, щелочноземельные и радиоактивные элементы. Вместе с ними мигрируют Al, Ca, Ti, Zr, Hf, Nb. С базальтовыми расплавами они покидают мантию и далее входят в состав базальтовой земной коры. В ходе последующей магматической дифференциации происходит их перераспределение в континентальной коре. Поэтому подкоровая часть литосферы слагается ультраосновными породами, потерявшими часть литофильных элементов Изменение ювенильной мантии, подверженной магматической дифференциации, приводит к возникновению широкого спектра ультраосновных пород. Высшей стадией таких изменений является рестит, слагающий подкоровую часть литосферы.
Основная масса базальтовых магм поступает из астеносферы в зоне спрединга расходящихся литосферных плит. В зависимости от гипсометрического положения магмагенерирующих очагов здесь продуцируются магмы толеитовых, щелочных, оливиновых и пикритовых базальтов.
Рис.4.12.Строение верхней мантии и литосферы и
происходящие в них процессы
Линия адиабатической температуры мантии пересекается с кривой солидуса мантийных пород на глубинах 80-100 км. Ниже, в зоне фазового перехода базальта в эклогит, из мантии не могут выплавляться базальтовые лавы. Этот уровень, по мнению О.Г.Сорохтина, ограничивает глубину возникновения очагов магмагенерации и процессов магматической дифференциации, приводящей в итоге ко всему многообразию магматических пород в литосфере, в земной коре.
Астеносфера, помимо основных пород, формирующихся в зонах спрединга и слагающих океаническую кору, продуцирует широкий спектр базальтовых лав рифтовых областей, трапповых полей, вулканических островов, хребтов и плато в океанах. К этому ряду относятся также алмазоносные кимберлиты, лампроиты, карбонатиты, щелочно-ультраосновные породы, в том числе апатитоносные нефелиновые сиениты и архейские коматииты. Большое многообразие типов и разновидностей пород, связанных с астеносферным уровнем магмагенерации, обусловлено многими факторами – составом вещества исходной мантии, температурным режимом, особенностями дифференциации магм на их пути к поверхности и др. Огромное значение имеет гипсометрическое положение магмагенерирующих очагов в мантии с различной степенью ее истощения.
Лабораторные эксперименты, моделирующие обстановки поведения мантийных пород в условиях высоких давления и температуры, показали, что выплавленные при большом давлении базальты содержат больше щелочей, чем меньших.. На основании проведенных опытов разработаны модели генерации базальтовых расплавов. Высокоглиноземистые оливиновые толеиты выплавляются на глубине до 30 км, щелочные оливиновые базальты между 30 и 60 км, а пикритовые –около 90 км. Алмазоносные кимберлиты и родственные им основные породы вероятно связаны с более глубинными магмами. Подробнее вопросы магматизма рассматриваются ниже.
Выводы: Астеносфера играет особую роль в формировании твердой оболочки Земли – литосферы. В ней закладываются основы процессов магматической дифференциации вещества мантии и земной коры.Не меньшее значение имеют геодинамические свойства астеносферы, обеспечивающие возможность перемещения литосферных плит. В астеносфере происходит частичное плавление мантии,возникает базальтовая магма,ее выход к поверхности истощает состав пород мантии,возникает литосфера (рестит) и океаническая кора базальтового состава.
Эндогенные процессы в литосфере и земной коре весьма разнообразны и включают магматизм,метаморфизм,различные формы проявления пликативных и дизъюнктивных дислокаций,землетрясения и многое другоею.Их характеристка будет приведена позднее.
Тепломассоперенос и конвективные течения мантии
Глубокие недра Земли не только генерируют тепловую энергию, но и осуществляют ее выход к поверхности. Благодаря генерации тепловой энергии формируются различные магматические расплавы и флюиды. С ними непосредственно связано образование магматических и метаморфических пород, разуплотнение и уплотнение, растяжение и сжатие вещества оболочек Земли. Преобразование тепловой энергии в кинетическую предопределяет характер тектонических движений и деформацию горных масс. Землетрясения, как и разломы, не могут возникать без накопления потенциальной энергии. Поднятия горных хребтов, движения литосферных плит немыслимы без связи этих процессов с мощнейшими источниками энергии.
Любой геологический процесс связан с источником энергии. Каковы эти источники, где они находятся и каким способом эта энергия доставляется к поверхности?.В каких частях недр Земли генерируется эта энергия? Каков механизм ее генерации и, наконец, каким путем она поставляется к поверхности? Ответы на эти вопросы имеет фундаментальное значение Их решение всегда составляло ключевую проблему на всех этапах развития наук о Земле.
Главную информацию о внутреннем строении Земли получают комплексом геофизических методов (многоканальное сейсмопрофилирование, глубинная сейсмотография, гравиметрия, магнитометрия, магнитотеллургическое зондирование, геотермия). Их дополняют лабораторные эксперименты, позволяющие моделировать обстановки поведения вещества оболочек Земли в условиях различных давления и температуры в ядре и мантии. Комплексное использование этих методов позволило получить объемную картину глубинного строения Земли. Земля не только расслоена на оболочки, но и сами они имеют сложное внутреннее строение, латерально неоднородны по физическому состоянию и петрохимическому составу.
Анализ распространения продольных и поперечных волн позволил получить объемную картину разреза Земли в виде слагающих ее оболочек (геосфер). По незначительным изменениям сейсмических скоростей в пределах ±0,5-3,0% по отношению к их средним фоновым показателям были построены карты-срезы строения Земли на разных глубинах. На каждой из этих карт выявились области-аномалии с характерными для них скоростями прохождения сейсмических волн,т.е. высоко- и низкоскоростные неоднородности. Высокоскоростные интерпретируются как более плотные и холодные тела,а низкоскоростные как менее плотные и более нагретые.Был сделан главный вывод- в разрезе Земли выделяется ряд оболочек.Одновременно по латерали их свойства меняются,т.е.в каждом слое соседствуют аномалии с разной плотностью.На рис.4.13 приводятся карты срезов,начиная с поверхности границы между ядром и мантией вплоть до астеносферы.
На уровне поверхности ядра (2770 км) выделяются яркие красные пятна.Они соответсвуют областям максимальной генерации тепловой энергии в связи с извлечением железа мантии.Здесь породы мантии (красное) сильно нагреты и имеют меньшую плотность по сравнению с другими участками (синее) менее нагретыми,а следовательно более плотными.Прослеживая далее картину в разрезе твердой мантии (глубины 2125-460 км), обращает внимание, что контуры цветных пятен сохраняются.Однако в целом плотности снижаются.Отсюда можно сделать вывод,что в разрезе твердой мантии существуют колонны,отличающиеся по плотности.
Совершенно иная картина устанавливается в астеносфере (глубины 290-60 км).Появление полей ярко красного цвета свидетельствует о резком изменении физического состояния пород.Их плотность резко уменьшается,на что указывает столь же резкое снижение скоростей сейсмических волн.Это согласуется со свойством астеносферы-частичное плавление и квазипластичное состояние.
Р
Рис.4.13.Сейсмотомографические срезы мантии Земли на уровне основания мантии (Д11) для глубины 2850 км и далее на разных уровнях показывают степень разуплотнения мантии на различных глубинах,(Su W., R.L.Woodward, A.M.Dziewonski): области с различными сейсмическими скоростями: низкоскоростные,горячие
и менее плотные(красное), холодные и более плотные (синее) массы (аномалии)
Таким образом,обработка сейсмотомографических материалов позволила создать серию срезов геосфер, отражающих их неоднородности, а тем самым получить объемную картину внутреннего строения мантии. Аналогичные работы выполнены по ядру.Объемная картина мантии показана на рис.4.14.
Рис.4.14.Объемная сейсмотомографическая модель мантии: красным цветом обозначены низкоскоростные,менее плотные аномалии,фиолетовым-высокоскоростные,более плотные.Разница плотностей + -2% .Разница плотностей обеспечивает всплывание легких масс мантии.Под литосферой оранжевым цветом выделяется наиболее горячая часть астеносферы.На горизонтальной плоскости показано положение континентов и океанов
Рис.4.15.Сейсмотомографический срез поверхности ядра свидетельствует о неравномерном выделении тепловой энергии
при извлечении железа из мантии в слое DII
(красное-максимальное -2%,черное-минимальное +2%).
Рис.4.16.Рельеф поверхности ядра по данным сейсмотомографии.Поднятия рельефа:I-Индоокеанское,II-Тихоокеанское,III-Атлантическое,1-проекция срединноокеанических хребтов.С поднятиями совпадают области максимальной генерации тепловой энергии
Рис.4.17.Обобщенная модель строения Земли.Мантия гравитационно неустойчива.Разница плотностей (+2% -2%) обеспечивает конвективное перемещение вещества мантии.
Рис.4.18. Схема конвективных течений вблизи границы мантия-ядро и зарождение восходящих потоков (апвелингов-суперплюмов) в мантии.Возможно опускание к ядру более плотных,холодных масс мантии (даунвелингов) провоцирует подъем менее плотных,нагретых масс слоя DII – апвелингов (суперплюмов),что дает начало возникновению конвективных течений.
Выявленные неоднородности на уровне разных срезов образуют вертикальные и наклонные тела, пронизывающие мантию вплоть до ее границы с ядром и обладающие разными физическими свойствами. Их открытие явилось важным объективным подтверждением существования конвективных течений в мантии,когда,подчиняясь закону Архимеда. легкие ,разогретые массы должны подниматься к поверхности,а охлажденные,более тяжелые,наоборот,опускаться в недра планеты вплоть до ядра.Доказательство реальности вертикальных перемещений (конвективных течений) нагретых масс являются многие примеры деятельности современных вулканов, также проявления массового магматизма в земной коре.Подобные взгляды существенно упрочняют фундаментальные позиции теории литосферных плит и глобальной геодинамики.
Важнейшим условием генерации эндогенной энергии являются процессы глубинной дифференциации вещества мантии на границе с ядром.Наиболее активные участки фиксируются низкоскоростными аномалиями (красное на глубине 2900-2700 км). Земля не только генерирует огромное количество энергии,но и поставляет ее к поверхности и в земную кору.Возникает естественный вопрос.Каким образом эта энергия поступает к поверхности?
Конвективные течения в мантии. Самостоятельной задачей проблемы энергетического баланса Земли является механизм транспортировки энергии. Возможно несколько способов ее передачи. Маловероятно, что эффективным механизмом переноса тепла из глубоких областей Земли могут быть теплопроводность и кондуктивный перенос тепла. Подсчитано, что теплоперенос посредством теплопроводности через мантию потребовал бы около 5 млрд. лет, т.е. больше чем время существования Земли. Перенос тепла излучением также невозможен, так как лучевая энергия поглощается вмещающей средой. Наиболее эффективным способом передачи энергии является конвективный тепломассоперенос.
Рис.4.19.Способы передачи энергии (сверху) и снизу опыт, имитирующий возникновение конвективных течений в жидкости:упорядоченная одноячеистая(слева) и хаотическая,неупорядоченная (справа)конвективные течения
Конветивные течения принимают форму замкнутых ячей, что можно проверить на простом опыте. Читатель может в этом убедиться, проведя опыт подогрева воды в кастрюле на газовой горелке (рис.).Когда придонная температуры начнет повышаться, в толще воды возникает температурный градиент и направленный вверх поток тепла. Капли и струи нагретой воды начнут подниматься вверх, растекаться по поверхности, и, охлаждаясь, будут опускаться вдоль стенок емкости.
В конвекцию вовлекается весь слой жидкости, а возникающая конвекция оказывается упорядоченной и одноярусной. Если использовать несколько горелок, то тогда конвекция станет неупорядоченной (хаотичной). Однако в обоих случаях конвекцией будет охвачена вся толща воды, а сама конвекция одноярусной. В другом опыте используем двухслойную модель несмешивающихся жидкостей (вода, масло). По мере нагревания возникают два уровня конвекции, в каждом из которых будут формироваться самостоятельные ячеи. В этом случае конвекция является двухуровенной или двухярусной.
Под конвекцией понимается движение масс жидкости, возникающее вследствие гравитационной неустойчивости, обусловленной контрастом плотности и температуры в различных частях жидкостей.Конвективные течения в мантии – единственный механизм, объясняющий глубинную дифференциацию вещества Земли. Если бы глубинное тепло поступало к поверхности кондуктивным путем обычной теплопроводности, то оно за все время существования планеты не достигло бы поверхности, а накапливалось в ее недрах, доведя их до полного расплавления. Конвективный тепломассоперенос гарантирует Землю от перегрева.
Легкие поднимающиеся массы называются плюмами или апвелингами,а опускающиеся-даунвелингами.При подходе плюмов к литосфере они могут растекаться под ней и реализоваться своим магматизмом в виде отдельных вулканов («горячие точки»), трапповых полей на континентах или вулканических плато в океанах, а также в рифтовых областях.Спрединг в осевых частях срединноокеанических хребтов также обусловлен деятельностью крупных плюмов.Их местоположение контролируется положением ослабленных проницаемых зон в литосфере и коре.
Круговорот вещества мантии зависит от рисунка круговых конвективных течений.
Рис.4.20.Модель конвективных течений в мантии,объясняющая формирование океанической коры над восходящим плюмом,ее перемещение по обе стороны от зоны спрединга и,наконец,погружение охлажденной литосферы в мантию в зоне субдукции
Смотри фильм»тектоника плит»Ctrl+щелчок
Таким образом в мантии Земли ,подобно проделанным опытам с жидкостями,возникают конвективные течения. Однако этот процесс оказывается очень сложным, что обусловлено многими факторами. (генерация энергии на разных уровнях и разной интенсивности, высокая вязкость пород, расслоенность и латеральная неоднородность слоев мантии и коры), обусловленными различиями петрохимического состава пород, их плотности и нагретости. Восходящие течения в мантии берут начало на границе мантии и ядра, где происходит химико-плотностная гравитационная дифференциация вещества, приводящая к наращиванию ядра и обогащению мантии кремнеземом, глиноземом, окисями магния и кальция и др.
Кинетическую энергию литосферные плиты получают за счет постепенного охлаждения литосферы и увеличения ее толщины и плотности. Подошва литосферы понижается в сторону от источника энергии (выхода плюма по оси срединноокеанического хребта), а сама плита получает дополнительную энергию тяги, увлекающую ее к нисходящему конвективному потоку мантии. Здесь в зоне субдукции утяжеленная, потерявшая плавучесть литосфера погружается в мантию и, увлекаемая общим нисходящим потоком, продавливается вплоть до средней, а возможно и нижней мантии. Об этом свидетельствуют положение очагов глубокофокусных землетрясений и тяжелые массы охлажденной субдуцированной литосферы, по данным сейсмотомографии.
Достигая ядра, холодные погружающиеся массы замыкают конвективные течения. Тем самым обозначается глобальная система конвективных течений в мантии. Предполагают, что конвекцией охвачено также внешнее ядро, где происходит ее обмен веществом и энергией с внутренним ядром.Тепловая энергия, ее выход к поверхности, как и возникновение конвективных течений, рассматриваются в качестве фундаментальной основы современных представлений о строении и развитии Земли - базы новой геодинамической парадигмы.
Тектоника литосферных плит открывает путь к решению двух главнейших проблем геологии. Она объясняет причины и условия формирования океанов и континентов с характерными для них океаническим и континентальным типом разреза земной коры. Их формирование и развитие - процесс очень сложный. Можно констатировать, что важнейшими процессами в эволюции Земли являлись формирование океанической коры в зонах спрединга и ее переработка в континентальную кору в условиях субдукции и последующей коллизии (коагуляции) континентальных масс. Эти процессы были предопределены режимом конвективных течений в мантии.Регионы с континентальной корой и литосферой периодически сходились, что приводило к формированию суперконтинента. Примером может служить позднепалеозойская Пангея Вегенера. Аналогичные суперконтиненты возникали в конце архея, палео- и мезопротерозоя. Затем континенты вновь подвергались деструкции, а в зонах их раздвига возникали океаны. Земная кора, начиная с мезозоя, развивается по этому пути. Примером могут служить молодые Атлантический, Индийский и Северный Ледовитый океаны.
Таким образом, рисунок термического поля поверхности Земли, геотермическая зональность астеносферы, положение субвертикальных неоднородностей, характеризующихся разными сейсмическими скоростями, и особенности рельефа поверхности ядра однозначно свидетельствуют о развитии в Земле системы восходящих конвективных потоков. Они обеспечивают глубинную дифференциацию вещества Земли и приводят в движение литосферные плиты. Субвертикальное строение зон разуплотнения указывает на направление тепловых потоков, обозначающих положение восходящих конвективных струй нагретого вещества мантии. Одновременно погружающиеся холодные массы океанической литосферы – веское доказательство реальности существования нисходящих конвективных потоков. При этом следует иметь ввиду, что погружающиеся слэбы образованы скоплением относительно холодных, компактных масс океанических литосфер.
Они контрастно выделяются по сейсмотомографическим показателям. Иное строение имеют апвелинги и различные плюмы. Их корни могут находиться на разных уровнях в мантии, а сами они проявляются в различной форме, в виде апвелингов (суперплюмов) и их отщеплений. При подходе к литосфере они могут приобретать грибовидную форму и, в свою очередь, формировать дочерние плюмы - следы горячих точек и полей. Плюмы возникают над зонами субдукции (островные дуги и задуговые бассейны), а также при отрыве нижней части субдуцирующих литосфер (астеносферные окна). Не случайно, поэтому столь разнообразны по петрохимическому составу и масштабам проявления различные ассоциации магматических пород, о чем будет сказано ниже.
Выводы.В заключение можно считать доказанным дифференциацию вещества Земли не только по ее радиусам при образовании оболочек, но и по латерали на разных уровнях.В этом процессе ведущая роль принадлежала переходному слою между ядром и мантией (Д11), где генерировалась основная часть энергии, запускавшая процесс конвективного тепломассопереноса.Важнейшим фактором являлись фазовые минералогические преобразования в твердых растворах вещества твердой мантии на разных глубинах.Интенсивная и крупномасштабная конвекция ответственная за перемещение литосферных плит и возникновение океанической и континентальной земной коры.