ОЦЕНКА УСЛОВИЙ ФОРМИРОВАНИЯ УЛЬТРАБАЗИТ
advertisement
ОЦЕНКА УСЛОВИЙ ПЛАВЛЕНИЯ ПОРОД ЛИТОСФЕРЫ В РАЙОНЕ ПОДЪЁМА НИЖНЕМАНТИЙНОГО ПЛЮМА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ЧИСЛЕННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА В.И. Гунин Центр «МоГеос» В докладе, по результатам численного эксперимента, выполненного на основе трехмерной математической модели тепломассопереноса в вязких средах, будет дана оценка условий плавления пород литосферы в районе подъёма нижнемантийного плюма Введение Основным источником формирования базитовых расплавов считается мантийное вещество. Причиной выплавления магмы из перидотитового верхнемантийного вещества может быть воздействие плюма или декомпрессия при растяжении литосферы за счёт мантийной конвекции, а так же тектонических процессов вызванных другими силами. Под термином «плюм» понимают глубинные восходящие столбообразные, грибовидные и близкие к ним по форме структуры характеризующиеся перемещением мантийного вещества, обособленного от окружающей среды, повышенной температурой, пониженной плотностью и геохимическими особенностями. Термохимический плюм может образоваться на границе ядро-мантия при наличии теплового потока из внешнего ядра и локальном поступлении химической добавки, понижающей температуру плавления вблизи подошвы нижней мантии. В этом случае происходит плавление нижней мантии и подъём плюма до подошвы литосферы. Возникает вопрос при каких условиях горячее нижнемантийное вещество, поднятое плюмом, может внедриться в высоковязкую литосферу и сформировать расплавы? Математическая модель Для оценки влияния этих параметров на формирование и развитие плюма, проведен численный эксперимент с помощью трехмерной математической модели тепломассопереноса в вязких и пористых средах предложенной автором, которая в терминах функции тока, давления, температуры и концентрации выглядит так. На основе данной модели, используя конечноразностные схемы, разработан пакет программ на языке Fortran для персональных компьютеров, позволяющий решать широкий круг задач по моделированию геосистем. Схематизация задачи Для расчёта взята трехмерная область с декартовой системой координат в виде параллелепипеда размером 50005000, высотой 3000 км и разбита сеткой с шагом от 50 до 200 км на 414140 объёмных ячеек. Расчёты проводились на 80 – 160 мл. лет с шагом по времени 10000 лет. На подошве нижней мантии, в ограниченной области, с помощью дельта–функции, задавался источник тепла с температурой Т0 = 3200С и химической добавки с концентрацией С1 = 1-15%. При этом разность между плотностью нижней мантии и её расплавом составляла = 0.2, 0.5 г/см3, а размер источника принимался 100100 и 200200 и км, со временем существования от 40 до 80 мл лет. Вязкость в литосфере принималась 1023 Па с, для верхней и нижней мантии 1021 - 1020 Па с, В начальных условиях задавалось распределение температуры и плотности, На верхнеё и нижней границах области задавались постоянные значения температуры и плотности, на боковых условия не протекания, распределения температуры и плотности. Условия и допущения Предполагается, что вещество мантии, при характерных для этого процесса временах и нагрузках, ведёт себя подобно ньютоновской несжимаемой, вязкой жидкости. Коэффициенты температуропроводности и диффузии для всей области брались одинаковые = 110-6 м2/сек, = 110-8 м2/сек, коэффициент температурного расширения = 510-5 С-1. Считалось, что в точке с концентрацией химической добавки С1 > 1% вещество нижней мантии приобретает свойства расплава – пониженную плотность и вязкость. Отклонение плотности (плавучести) определялась в приближении Буссинеска в виде = 0(1-Т-С1), где -концентрационный коэффициент объёмного расширения, С1-концентрация «лёгкой» химической добавки, 0плотность среды на заданной глубине. Максимальное снижение вязкости при концентрации химической добавки С1 > 12% составляло 108 раза (восемь порядков). Кроме снижении вязкости при плавление за счёт химической добавки, вязкость снижалась на 2/3 порядка при росте темпера-туры относительно исходного распределения на 100С, что приводило, при перепаде температур свыше 1100С, к макси-мальному снижению вязкости на восемь порядков. Результаты расчета, конвекция Результаты расчётов показали. В области плавления вещества нижней мантии, за счёт пониженной плотности и вязкости, формируется конвективный поток торообразного вида с закручиванием потока в горизонтальной плоскости против часовой во фронтальной и по часовой стрелки в тыловой части плюма. При незначительном отличие (1-4 порядка) вязкости расплава в канале плюма и вязкости окружающего массива, конвективные потоки частично захватывают окружающий массив, что способствует его быстрому плавлению за счёт более интенсивного прогрева и внедрения химической добавки. Результаты расчета - формир. линзы. Расплав начинает всплывать со скоростью около одного сантиметра в год. Постепенно скорость увеличивается и через 20 мл. лет (для = 0.5 г/см3) достигает 8-10 см/год и в дальнейшем меняется в пределах 5-10%. Через 30-40 мл. лет, в зависимости от плавучести, головная часть плюма, размером до 300-500 км, достигает литосферы вязкость которой на 2-3 порядка выше чем в верхней мантии, а температура плавления тугоплавкого слоя на глубине 100, 200 км 1500, 1800С соответственно, и начинает растекаться по её подошве, а при определённых условиях проникает во внутрь. Результаты расчета, динамика В подошве литосферы на глубине 200 км формируется линза расплава с температурой до 3100С , размер кото-рой постепенно увеличивается, а температура снижается. Через 80 мл лет линза, при минимальной вязкости, имеет размер 4000 км в диаметре мощность около 100 км и температуру расплава 18002000С. Чем выше вязкость расплава (на 3-5 порядков ниже окружающего массива) тем меньше размер линзы и выше его температура. Прогрев вышележащих слоёв литосферы идёт только за счёт кондуктивного теплообмена, а перенос химической добавки за счёт диффузии, так как конвективны потоки не проникют из –за высокой вязкостиь. Результаты расчета На глубине 100 км и выше литосфера не плавится температура ниже 1500С . Через 80-150 мл лет в зависимости от размеров источника плюма и условий при которых формируется линза, температура расплава падает ниже температуры плавления (1800С). При этом линза расплава может сохраняться пока концентрация химической добавки не снизится до 1%. После изчезновения расплава в области распространения линзы, за счёт повышенной температуры может сохраняться зона с пониженной вязкостью Результаты расчета – температура, вязкость, 160 мл.лет При введении в литосферу ослабленной зоны, в виде области с пониженной вязкостью, картина меняется. Прогрев и распространение химической добавки идёт за счёт восходящей конвекции, в пределах ослабленной зоны. За счёт нисходящей конвекции холодный материал верхней части литосферы может проникать до верхней мантии. Минимальная вязкость может снижаться на 8 порядков относительно вязкости литосферы. Результаты расчета – хим-добакка, расплав, 160 мл.лет Это способствует в пределах ослабленной зоны формированию линз ультрабазитбазитового расплава на глубине от 100 км и выше, которые при определённых условиях могут внедряться в горизонты земной коры. Максимальная концентрация химической добавки достигает 6%. Выводы При поступлении на ядро-мантийную границу химической добавки снижающей температуру плавления и теплового потока из внешнего ядра, вещество нижней мантии плавится, возникает свободно-конвективный поток, формирующий восходящую структуру (плюм), которая через 30-40 мл лет может вынести этот расплав к подошве литосферы. В подошве литосферы формируется линза расплава, размер которой через 80 мл лет может достигать 4000 км в диаметре и иметь температуру до 1800-2000С. Повышенная вязкость литосферы препятствует проникновению конвективных потоков в её вышележащие слои, поэтому прогрев их идёт за счёт кондукции, а поступление химической добавки за счёт диффузии. Такой режим не приводит к формированию расплава на глубине 100 и менее километров. При введении в литосферу ослабленной зоны, в виде области с пониженной вязкостью или плотностью, в пределах этой зоны возникает восходящий конвективный поток, который способствует более быстрому прогреву и обогащению химической добавкой верхних горизонтов литосферы и их частичному плавлению, что может привести к формированию расплава и внедрению его в земную кору. Спасибо за внимание.
