Тепловая и химико-плотностная конвекции в мантии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина»

Факультет геологии и геофизики нефти и газа

Кафедра геологии

Курсовая работа на тему

«Тепловая и химико-плотностная конвекции в мантии»

Москва-2013

Содержание

Введение

1. Тепловая конвекция

2. Трудность тепловой конвекции

3. Химико-плотностная конвекция

4. Двухъярусная конвекция

Заключение

Введение

Под геодинамикой мантии будем понимать комплекс сложных процессов, приводящих к движению мантийного вещества и определяющих тектономагматическую активность литосферы. Существуют различные модели геодинамики мантии. Наиболее известны из них: мантийная конвекция. Модель мантийной конвекции на сегодня сравнительно хорошо разработана и обоснована.

1. Тепловая конвекция

Конвекция (лат. -- принесение, доставка) -- это закономерное, кругообразное перемешивание микроскопических частиц среды у приводящее к переносу массы, тепла и многообразным физическим явлениям. Частным случаем конвекции является адвекция, когда процесс носит затухающий характер в связи с недостаточностью Энергии в источнике возмущения среды.

Учение о конвекции возникло применительно к жидкой и газообразной средам. Впервые идея была высказана А. Бенаром (1900), который наблюдал в эксперименте за возникновением регулярной пространственно-периодической структуры конвекционных ячеек в подогреваемом снизу слое жидкости. В 1926 г. Д. Рэлей рассмотрел задачу о конвективной неустойчивости горизонтального слоя жидкости со свободными границами, в котором имеется градиент температуры, и определил порог возникновения или прекращения тепловой конвекции (число Рэлея).

Тепловая конвекция возникает тогда, когда слой жидкости или газа, расположенный в поле силы тяжести, не способен освободиться от вводимого в него тепла путем механизма кондуктивной теплопроводности. Движущей силой конвекционного движения вещества является архимедова сила или сила плавучести.

Для тепловой конвекции сила плавучести будет определяться перегревом или переохлаждением жидкости или газа, т.е. эффектом термического расширения или сжатия частиц вещества. Само же конвекционное движение возникает в результате неустойчивости перегретого или переохлажденного слоя. Критерий неустойчивости определяется значением безразмерного критического числа Рэлея.

Д. Рэлем было установлено, что тепловая конвекция начинается в слое жидкости или газа только тогда, когда число Рэлея равно или Превышает. Дня сферического слоя Ra = 2*. Расчёты, сделанные для мантии Земли, показали, что здесь Ra-106. Отсюда было сделано заключение о том, что в мантии в принципе возможна развитая тепловая конвекция.

Если значение критического числа Рэлея составляет около 103, то возникает т.н. валиковая конвекция, при которой геометрические траектории частиц жидкости в конвекционных ячейках напоминает круги И это первое критическое число Рэлея (R1a). Существует ещё и второе критическое число Рэлея (R2a) равное порядка 104. При переходе через этот рубеж (например, при усилении прогрева слоя снизу) круговая конвекционная система становится неустойчивой и перестраивается в гексагональную систему. Существует ещё и третье критическое число Рэлея (R3a) равное приблизительно, в этом случае возникает трёхмерная система конвекционных течений. Перестройка различных систем тепловой конвекции происходит в направлении повышения эффективности выноса тепла.

2. Трудность тепловой конвекции

литосфера мантия земной геодинамический

Тепловая конвекция была разработана применительно к слою жидкости или газа с постоянной начальной плотностью вещества. Механическое использование её применительно к мантии встречается с рядом непреодолимых трудностей. К основным относятся:

1. малое значение коэффициентов объемного и линейного расширения силикатов;

2. плотностная стратификация мантии с увеличением плотности вещества с глубинной;

3. высокая вязкость материала мантии.

Всё это потребовало создания новой модели конвекции получившей название химико-плотностной или химико-гравитационной конвекции. В последнее время появляется тенденция считать, что в мантии существует смешанная химико-плотностная и тепловая конвекция. Tакой подход более справедлив, т.к. он учитывает все факторы, способствующие возникновению в мантии конвекционного движения вещества.

3. Химико-плотностная конвекция

Химико-плотностная конвекция рассматривалась в трудах многих отечественных учёных Е.В. Артюшкова, Л.С. Моника, Д.Г. Сеидова, О.Г. Сорохтина, Л.И. Лобковского и др. Под ней понимается конвекция, которая вызывается изменением плотности вещества за счет изменения его химического состава.

В основе идеи химико-плотностной конвекции лежит модель распада твёрдых растворов с выделением из силикатов мантии «ядерного» вещества по механизму бародиффузии (см. главу 5). Наиболее активно дифференциация мантийного вещества начинается на глубинах порядка 2000 км (в нижней мантии), где температура и давление возрастают до некоторых критических значений, а именно: температура мантии приближается к температуре плавления мантийного вещества, а давление к тому критическому значению, когда начинается распад железосодержащих минералов. Например,

Fe₂SiO₄ = Fe₂O+SiO₂ +O

Процесс распада минералов под действием сверхвысоких давлений существейно активируется температурой, которая способствует образованию вакансий и дислокаций в кристаллах. На глубине 2000 км температура мантии составляет порядка 3000 К.

В слое D'' концентрация «ядерного» вещества в межкристалли- ческих и межзерновых пространствах достигает своего максимума. Учитывая, что в условиях сверхвысоких давлений в расплав переходят оксиды железа и чистое железо при сохранении силикатных зёрен мантии в твёрдом состоянии.

Для определения возможности возникновения и характера общемантийной химико-плотностной конвекции можно воспользоваться известными из гидродинамики параметрами. Прежде всего, рассмотрим применительно к мантии число Рэлея, которое, как говорилось, определяет возможность возникновения самой конвекции.

Учитывая плотностную стратификацию мантии и определяющую роль диффузии при распаде железосодержащих минералов в низах мантии, О.Г. Сорохтин предлагает заменить традиционное число Рэлея на модифицированное, т.е. приспособленное к условиям мантии (Rg).

Расчёты показывают, что < Rg<, т.е. Rg на много порядков превышает критическое число Рэлея и может приниматься бесконечным (О.Г. Сорохтин, С.А. Ушаков, 1991). Однако это не означает, что конвекция должна быть интенсивной. При заданных значениях вязкости и перепадах плотности химико-плотностная конвекция в мантии должна развиваться с максимально возможной скоростью, но она может быть и низкой, если вязкость мантии достаточно высокая, а перепады плотности незначительные.

С учётом вязкости вещества мантии, число Рейнольдса будет иметь очень низкие значения -. Известно, что малые числа Рейнольдса (R«1) соответствуют ламинарному движению потока, а большие-- турбулентному. Поэтому в мантии возможно лишь упорядоченное, плавное, ламинарное движение вещества. Об этом же свидетельствует ещё одно безразмерное число

Для мантии число Прандтля очень велико, примерно равно Большие значения этого показателя свидетельствуют о медленном, ламинарном течении в мантии.

По аналогии с тепловой конвекцией предположим, что размер конвекционной ячейки при общемантийной химико-плотностной конвекции, будет равен =1,5h, где h = 3* см, тогда =4,5* см, т.е. примерно 4,5-5 тыс. км. Проецируя эти размеры

на поверхность земного шара, можно заключить, что количество конвекционных ячеек в современной мантии должно быть ограничено 4-6 ячейками. Действительно, предполагается существование восходящих мантийных потоков (апвеллингов) под Северной Атлантикой, Африкой, в Индийском океане, в юго-восточных и в восточных частях Тихого океана. Нисходящие мантийные потоки (да- унвеллинги) намечаются под западной частью Тихого океана (восточная и юго-восточная окраины Азии), под Южной Америкой, под Австралией и Новой Зеландией.

4. Двухъярусная конвекция

Наряду с общемантийной моделью химико-плотностной конвекции существуют и альтернативные модели. Одна из наиболее распространённых моделей - двухъярусная конвекция. Она подразумевает существование самостоятельных конвекционных систем в нижней мантии и в верхней мантии.

В нижней геосфере возникает свободная химико-плотностная, тепловая конвекция в результате проявления бародиффузионного механизма в недрах мантии. В верхней геосфере (преимущественно в астеносфере) возбуждается вынужденная конвекция, как реакция на конвекционные процессы в нижней мантии. Характер конвекции определяет формы и размеры конвекционных ячеек.

Ю.M Пущаровским высказывается идея о существовании многоуровневой глубинной конвекции, названной им каскадной. Автор идеи исходит из того, что тепломассопотоки, идущие из области раздела мантии и ядра разномасштабны и разноинтенсивны. Лишь некоторые из них достиг ают подошвы литосферы (В), тогда как другие локализуются на самых разных глубинных уровнях и являются гетерохронными. На приводимом рисунке показаны три фазы каскадной конвекции: А - слабая конвекция в нижней мантии, возникающая при малом избытке тепла и химическом составе вещества близком к составу ядра; Б - более сложная конвекционная структура, когда большой запас плавучести материи приводит к выносу её к границе верхней мантии, В - конвективное возмущение, которое затрагивает и верхнюю мантию, где мощный тепломассопоток сильно дифференцирован.

Заключение

Конвекция в мантии рассматривается в качестве основного геодинамического процесса земных недр. Поэтому рассмотрение геодинамики мантии будет сосредоточено как раз на этом, широко распространенном в природе, механизме переноса массы и тепла.

Размещено на Allbest.ru