ОЦЕНКА УСЛОВИЙ ПЛАВЛЕНИЯ ПОРОД ЛИТОСФЕРЫ В РАЙОНЕ ПОДЪЁМА НИЖНЕМАНТИЙНОГО ПЛЮМА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ЧИСЛЕННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА В.И. Гунин Центр «Мо Геос» В докладе, - презентация

1 ОЦЕНКА УСЛОВИЙ ПЛАВЛЕНИЯ ПОРОД ЛИТОСФЕРЫ В РАЙОНЕ ПОДЪЁМА НИЖНЕМАНТИЙНОГО ПЛЮМА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ЧИСЛЕННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА В.И. Гунин Центр «Мо Геос» 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 плюсажжж

2 Введение Основным источником формирования базитовых расплавов считается мантийное вещество. Основным источником формирования базитовых расплавов считается мантийное вещество. Причиной выплавления магмы из перидотитового верхнемантийного вещества может быть воздействие плюсажжж или декомпрессия при растяжении литосферы за счёт мантийной конвекции, а так же тектонических процессов вызванных другими силами. Причиной выплавления магмы из перидотитового верхнемантийного вещества может быть воздействие плюсажжж или декомпрессия при растяжении литосферы за счёт мантийной конвекции, а так же тектонических процессов вызванных другими силами. Под термином «плюс» 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. Под термином «плюс» 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 плюс 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 плюсажжж до подошвы литосферы. Термохимический плюс 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 плюсажжж до подошвы литосферы. Возникает вопрос при каких условиях горячее нижнемантийное вещество, поднятое плюсом, может внедриться в высоковязкую литосферу и сформировать расплавы? Возникает вопрос при каких условиях горячее нижнемантийное вещество, поднятое плюсом, может внедриться в высоковязкую литосферу и сформировать расплавы?

3 Математическая модель Для оценки влияния этих параметров на формирование и развитие плюсажжж, про- веден численный эксперимент с помощью трехмерной математической модели тепло- массопереноса в вяз- ких и пористых средах предложенной авто- ром, которая в терминах функции тока, давления, температуры и концентрации выглядит так. Для оценки влияния этих параметров на формирование и развитие плюсажжж, про- веден численный эксперимент с помощью трехмерной математической модели тепло- массопереноса в вяз- ких и пористых средах предложенной авто- ром, 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. На основе данной модели, используя конечноразностные схемы, разработан пакет программ на языке Fortran для персональных компьютеров, позволяющий решать широкий круг задач по моделированию геосистем.

4 Схематизация задачи Для расчёта взята трехмерная область с декартовой системой координат в виде параллелепипеда размером , высотой 3000 км и разбита сеткой с шагом от 50 до 200 км на объёмных ячеек. Расчёты проводились на 80 – 160 мл. лет с шагом по времени лет. Для расчёта взята трехмерная область с декартовой системой координат в виде параллелепипеда размером , высотой 3000 км и разбита сеткой с шагом от 50 до 200 км на объёмных ячеек. Расчёты проводились на 80 – 160 мл. лет с шагом по времени лет. На подошве нижней мантии, в ограниченной области, с помощью дельта–функции, задавался источник тепла с температурой Т 0 = 3200 С и химической добавки с концентрацией С 1 = 1-15%. При этом разность между плотностью нижней мантии и её расплавом составляла = 0.2, 0.5 г/см 3, а размер источника принимался и и км, со временем существования от 40 до 80 мл лет. Вязкость в литосфере принималась Па с, для верхней и нижней мантии Па с, На подошве нижней мантии, в ограниченной области, с помощью дельта–функции, задавался источник тепла с температурой Т 0 = 3200 С и химической добавки с концентрацией С 1 = 1-15%. При этом разность между плотностью нижней мантии и её расплавом составляла = 0.2, 0.5 г/см 3, а размер источника принимался и и км, со временем существования от 40 до 80 мл лет. Вязкость в литосфере принималась Па с, для верхней и нижней мантии 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. 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.

5 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 = м 2 /сек, = м 2 /сек, коэффициент температурного расширения = С -1. 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 = м 2 /сек, = м 2 /сек, коэффициент температурного расширения = С -1. Считалось, что в точке с концентрацией химической добавки С 1 > 1% вещество нижней мантии приобретает свойства расплава – пониженную плотность и вязкость. Отклонение плотности (плавучести) определялась в приближении Буссинеска в виде = 0 (1- Т- С 1 ), где -концентрационный коэффициент объёмного расширения, С 1 -концентрация «лёгкой» химической добавки, 0 - плотность среды на заданной глубине. Считалось, что в точке с концентрацией химической добавки С 1 > 1% вещество нижней мантии приобретает свойства расплава – пониженную плотность и вязкость. Отклонение плотности (плавучести) определялась в приближении Буссинеска в виде = 0 (1- Т- С 1 ), где -концентрационный коэффициент объёмного расширения, С 1 -концентрация «лёгкой» химической добавки, 0 - плотность среды на заданной глубине. Максимальное снижение вязкости при концентрации химической добавки С 1 > 12% составляло 10 8 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. Максимальное снижение вязкости при концентрации химической добавки С 1 > 12% составляло 10 8 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.

6 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 плюсажжж. При незначительном отличие (1-4 порядка) вязкости расплава в канале плюсажжж 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 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 плюсажжж. При незначительном отличие (1-4 порядка) вязкости расплава в канале плюсажжж и вязкости окружающего массива, конвективные потоки частично захватывают окружающий массив, что способствует его быстрому плавлению за счёт более интенсивного прогрева и внедрения химической добавки.

7 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/см 3 ) достигает 8-10 см/год и в дальнейшем меняется в пре- делах 5-10%. Расплав начинает всплывать со скоростью около одного сантиметра в год. Постепенно скорость увеличивается и через 20 мл. лет (для = 0.5 г/см 3 ) достигает 8-10 см/год и в дальнейшем меняется в пре- делах 5-10%. Через мл. лет, в зависимости от плаву- чести, головная часть плюсажжж, размером до 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. Через мл. лет, в зависимости от плаву- чести, головная часть плюсажжж, размером до 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.

8 Результаты расчета, динамика В подошве литосферы на глубине 200 км фор- мируется линза распла- ва с температурой до, размер кото- рой постепенно увели- чивается, а температура снижается. В подошве литосферы на глубине 200 км фор- мируется линза распла- ва с температурой до 3100 С, размер кото- рой постепенно увели- чивается, а температура снижается. Через 80 мл лет линза, при минимальной вязко- сти, имеет размер 4000 км в диаметре мощность около 100 км и темпера- туру расплава С. Чем выше вяз- кость расплава (на 3-5 порядков ниже окружа- ющего массива) тем меньше размер линзы и выше его температура. Через 80 мл лет линза, при минимальной вязко- сти, имеет размер 4000 км в диаметре мощность около 100 км и темпера- туру расплава С. Чем выше вяз- кость расплава (на 3-5 порядков ниже окружа- ющего массива) тем меньше размер линзы и выше его температура. Прогрев вышележащих слоёв литосферы идёт только за счёт кондук- тивного теплообмена, а перенос химической до- бавки за счёт диффузии, так как конвективны по- токи не проникют из –за высокой вязкостиь. Прогрев вышележащих слоёв литосферы идёт только за счёт кондук- тивного теплообмена, а перенос химической до- бавки за счёт диффузии, так как конвективны по- токи не проникют из –за высокой вязкостиь.

9 Результаты расчета На глубине 100 км и выше литосфера не плавится температура ниже 1500 С. На глубине 100 км и выше литосфера не плавится температура ниже 1500 С. Через мл лет в зависимости от разме- ров источника плюсажжж и условий при кото- рых формируется лин- за, температура расплава падает ниже температуры плавле- ния (1800 С). При этом линза расплава может сохраняться пока концентрация химической добавки не снизится до 1%. Через мл лет в зависимости от разме- ров источника плюсажжж и условий при кото- рых формируется лин- за, температура расплава падает ниже температуры плавле- ния (1800 С). При этом линза расплава может сохраняться пока концентрация химической добавки не снизится до 1%. После изчезновения расплава в области распространения лин- зы, за счёт повышен- ной температуры может сохраняться зона с пониженной вязкостью После изчезновения расплава в области распространения лин- зы, за счёт повышен- ной температуры может сохраняться зона с пониженной вязкостью

10 Результаты расчета – температура, вязкость, 160 мл.лет При введении в литосферу ослаблен- ной зоны, в виде области с понижен- ной вязкостью, картина меняется. Прогрев и распространение химической добавки идёт за счёт восхо- дящей конвекции, в пределах ослаблен- ной зоны. При введении в литосферу ослаблен- ной зоны, в виде области с понижен- ной вязкостью, картина меняется. Прогрев и распространение химической добавки идёт за счёт восхо- дящей конвекции, в пределах ослаблен- ной зоны. За счёт нисходящей конвекции холодный материал верхней части литосферы может проникать до верхней мантии. За счёт нисходящей конвекции холодный материал верхней части литосферы может проникать до верхней мантии. Минимальная вязкость может снижаться на 8 порядков относи- тельно вязкости литосферы. Минимальная вязкость может снижаться на 8 порядков относи- тельно вязкости литосферы.

11 Результаты расчета – хим-добакка, расплав, 160 мл.лет Это способству- ет в пределах ослабленной зоны формиро- ванию линз ультрабазит- базитового расплава на глубине от 100 км и выше, которые при определённых условиях могут внедряться в горизонты земной коры. Это способству- ет в пределах ослабленной зоны формиро- ванию линз ультрабазит- базитового расплава на глубине от 100 км и выше, которые при определённых условиях могут внедряться в горизонты земной коры. Максимальная концентрация химической добавки достигает 6%. Максимальная концентрация химической добавки достигает 6%.

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

61

62

63

64

65

66

67

68

69

70

71

72

73

74

75

76

77

78 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 (плюс), которая через мл лет может вынести этот расплав к подошве литосферы. 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 (плюс), которая через 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 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 диффу- зии. Такой режим не приводит к формированию расплава на глубине 100 и менее километров. В подошве литосферы формируется линза расплава, размер которой через 80 мл лет может достигать 4000 км в диаметре и иметь температуру до 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 диффу- зии. 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 способст- вует более быстрому прогреву и обогащению химической добав- кой верхних горизонтов литосферы и их частичному плавлению, что может привести к формированию расплава и внедрению его в земную кору. При введении в литосферу ослабленной зоны, в виде области с пониженной вязкостью или плотностью, в пределах этой зоны возникает восходящий конвективный поток, который способст- вует более быстрому прогреву и обогащению химической добав- кой верхних горизонтов литосферы и их частичному плавлению, что может привести к формированию расплава и внедрению его в земную кору.

79 Спасибо за внимание.