Геотектоника с основами геодинамики - Хаин В.Е.
Скачать (прямая ссылка):
R < R1, (4)
где R1 - первое критическое число Рэлея, имеющее порядок 10?.
Таким образом, конвекция в горизонтальном слое возникает не при любой инверсии плотности, а лишь при превышении критического значения R1.
Из формул (1) - (3) следует, что величины, стоящие в числителе критерия Рэлея, представляют собой факторы, способствующие возникновению тепловой конвекции. Это прежде всего степень инверсии плотности ??/?, возрастающая с увеличением разности температур в подошве и кровле слоя и коэффициента объемного теплового расширения. Существенную роль играет и мощность слоя h. Будучи в третьей степени, этот показатель отражает объем конвектирующей массы и выражает тот факт, что в поле силы тяжести большие массы вещества легче поддаются конвекции, чем малые. Для геологов это чрезвычайно существенно: если бы не существовало "барьера мощности", то в конвекцию вовлекалось бы вещество любых, самых тонких слоев, что привело бы к чрезвычайно сложным внутрислойным деформациям.
В знаменателе выражения (1) находятся факторы, препятствующие конвекции. Вязкость ? отражает сопротивление жидкости относительным перемещением ее участков (частиц). Коэффициент температуропроводности ? определяется выражением (3), из которого видно, что его возрастанию способствует увеличение теплопроводности ? и уменьшение теплоемкости единицы объема ?с. В этом показателе как бы отражается конкуренция двух основных механизмов передачи тепла - кондуктивного и конвективного. Чем выше ?, тем больше плотность кондуктивного теплового потока при заданном градиенте температуры. Зато чем выше ?с, тем большее количество тепла переносится единицей объема при конвективном движении.
В последние 20-30 лет в теоретической и экспериментальной конвективной гидродинамике получен важный с точки зрения геологов результат. Он заключается в том, что наряду с первым критическим значением числа Рэлея R1~10? существует второе критическое значение R2~104. В интервале R1 < R < R2 устойчивы стационарные движения в виде конвективных валов. При R>R2устойчивыми становятся трехмерные, в частности гексагональные, формы стационарных конвективных движений. В экспериментах над различными жидкостями установлено, что при переходе через критический рубеж R2 (при усилении подогрева и возрастании разности температур в подошве и кровле слоя, при увеличении мощности или уменьшении вязкости слоя) происходит перестройка конвективных валов в гексагональные ячейки.
В случае, когда вязкость жидкости изменяется по вертикали вместе с изменением температуры, наблюдаются вариации формы гексагональных ячеек. У большинства жидкостей вязкость увеличивается при понижении температуры, т.е. вертикальный градиент вязкости положителен (вязкость возрастает снизу вверх). При этом возникают ячейки с восходящим потоком в центре и нисходящим - по краям ячейки, т.е. по периметру шестиугольника. У некоторых жидкостей и у всех газов вертикальный градиент вязкости при подогреве снизу отрицателен. Вследствие этого в центре ячейки возникает нисходящий поток, а по периферии - компенсирующий восходящий.
Переходя к геологическим аналогиям, необходимо заметить, что в областях развития метаморфических толщ довольно обычны гнейсовые купола и совсем не характерны мульды. По-видимому, это связано с тем, что вязкость горных пород убывает с возрастанием температуры и степени метаморфизма, т.е. в метаморфической толще имеет место положительный вертикальный градиент вязкости. Заслуживает внимания и приуроченность таких куполов к областям высокоградиентного андалузит-силлиманитового типа метаморфизма, где наиболее вероятно превышение второго критического значения R2. В более "холодных" областях преобладает линейная в плане складчатость - возможный результат конвекции в форме валов при R1 < R < R2.
Выделение на поверхности Земли конвективных линейных валов и гексагональных ячеек, а среди последних - ячеек с поднятием или погружением в центре, значительно способствует нашим знаниям об условиях протекания конвекции в недрах Земли.
Напомним, что мы рассматриваем свободную конвекцию. Однако последняя может иметь, если можно так выразиться, разную "степень свободы". Наибольшую "степень свободы" конвекция обнаруживает в уже упомянутом простейшем случае бесконечного горизонтального слоя, равномерно подогреваемого снизу. Никакие посторонние факторы не навязывают в этом случае система форму конвективных ячеек как в плане, так и в вертикальном разрезе.
Рис. 18.2. Схема мантийных течений, по Н.Л. Добрецову, А.Г. Кирдяшкину, 1993. Граница химического и фазового переходов на глубине 670 км разделяет нижне- и верхнемантийное конвективные течения. l1 - толщина верхней мантии, l2 - толщина нижней мантии.
1 - океанская литосфера; 2 - континентальная литосфера; 3 - субдуцировавшая плита и возможные реститы; 4 - граница литосферы; 5 - течения в астеносфере и нижней мантии; 6 - возможные течения в переходной зоне "С"
Рис. 18.3. Гипотетический разрез через мантию Земли, но Н.Л. Добрецову, А.Г. Кирдяшкину (1993), в сравнении с разрезом Т. Ирвина, 1988 (наверху):
