ОЦЕНКА УСЛОВИЙ ФОРМИРОВАНИЯ УЛЬТРАБАЗИТ

реклама
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 50005000, высотой 3000
км и разбита сеткой с шагом от 50
до 200 км на 414140 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 =
3200С 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
100100 и 200200 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  = 110-6 м2/сек,  = 110-8 м2/сек, коэффициент
температурного расширения  = 510-5 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 100С, что приводило,
при перепаде температур свыше 1100С, 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, 1800С
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
3100С , 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 18002000С. 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 1500С .
Через 80-150 мл лет в
зависимости от размеров источника плюма
и условий при которых формируется линза, температура
расплава падает ниже
температуры плавления (1800С). 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 1800-2000С. 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.
Скачать