Мантийная конвекция: тепловой двигатель тектоники плит Земли

Мантийная конвекция является основным механизмом переноса тепла в недрах нашей планеты и ключевым процессом, определяющим её динамику. Разогретый в глубинах мантийный материал расширяется, становится менее плотным и всплывает, в то время как охлаждённый плотный материал на поверхности погружается вниз. Этот циклический процесс формирует эффективную систему планетарного охлаждения. Хотя теплопроводность и излучение также вносят вклад, именно конвекция служит главным способом рассеяния внутреннего тепла Земли и основной движущей силой тектоники плит.

Конвекция непосредственно формирует поверхность планеты. Поднимающиеся потоки переносят тепло к основанию литосферы, вызывая частичное плавление и генерацию магмы, которая формирует новую океаническую кору на срединно-океанических хребтах. Эти зоны характеризуются интенсивной гидротермальной активностью, отводящей тепло через системы «курильщиков». Движущиеся и остывающие литосферные плиты постепенно погружаются, выступая в роли проводящего пограничного слоя глобальной конвективной системы.

Поперечный разрез Земли, показывающий возможные режимы мантийной конвекции

Энергию для этого гигантского теплового двигателя обеспечивают несколько источников. К ним относятся: распад долгоживущих радиоактивных изотопов (уран-235, торий-232, калий-40), остаточное тепло от аккреции планеты и формирования ядра, а также тепло от древних мегастолкновений. В архейскую эру мантия, вероятно, была на несколько сотен градусов горячее, что способствовало её частичному плавлению и более интенсивной конвекции, ускоряющей ранние тектонические процессы.

Эффективность конвекции критически зависит от вязкости мантии — меры её сопротивления течению. Современная вязкость оценивается в 10²⁰–10²¹ Па·с в верхней мантии и достигает 10²¹–10²³ Па·с в нижней мантии. Такие значения позволяют осуществить полный конвективный оборот примерно за 100 миллионов лет. Поскольку вязкость сильно зависит от температуры, более высокая температура в прошлом обуславливала более быстрые и энергичные конвективные циклы.

В геофизике ведутся споры о характере конвекции. Существуют три основные модели. Модель конвекции во всей мантии предполагает единую циркуляционную систему. Модель двухслойной конвекции разделяет циркуляцию в верхней и нижней мантии на границе 670 км. Преобладает гибридная модель: хотя мантия в целом слоиста, субдуцирующие плиты могут проникать в нижнюю мантию, а горячие мантийные плюмы могут подниматься из пограничного слоя D" у ядра.

Поверхностные проявления конвективных ячеек отражены в глобальной тектонике. Зоны субдукции маркируют области нисходящих потоков, а срединно-океанические хребты соответствуют восходящим. Крупномасштабный подъём под Атлантическим и Индийским океанами контрастирует с кольцом опускания по периферии Тихого океана — Тихоокеанским огненным кольцом. Эта планетарная циркуляция осложняется узкими восходящими плюмами.

Реальные данные о разрезе Земли, показывающие движение глубинных пластов породы в мантии. Опускающиеся пласты выделены синим цветом, мантия — желтым, а поднимающаяся расплавленная порода — красным. Опускающиеся плиты, включая одну (вверху слева), спускающуюся из Карибского бассейна, имеют ширину до 930 миль (1500 км) и проникают на глубину до 1800 миль (2900 км) в область D" на границе ядра и мантии. Залегающие глубоко плиты можно обнаружить, измерив время прихода в различные точки земного шара сейсмических сдвиговых волн, возникающих при землетрясениях. Эти волны быстрее проходят через плотные, холодные породы, чем через теплые. (Стив Гранд, Техасский университет/Photo Researchers, Inc.)

Прямые доказательства этих процессов предоставляет сейсмическая томография. Она визуализирует холодные, плотные фрагменты субдуцирующих плит, проникающих глубоко в мантию, вплоть до границы с ядром. Эти структуры, выявляемые по повышенным скоростям прохождения сейсмических волн, служат прямым свидетельством масштабного массопереноса в мантии и подтверждают модель гибридной конвекции.

Историческая эволюция конвективных режимов остаётся областью активных исследований. Периоды, подобные меловому, характеризовались усиленной конвекцией и массовым магматизмом. На ранней, более горячей Земле могли доминировать эпизоды катастрофического опрокидывания мантии, когда скопившиеся холодные плиты быстро погружались, обеспечивая ускоренный отвод тепла. Изучение этой динамики позволяет связать геологическую летопись с эволюцией главного теплового двигателя планеты.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам геологических специальностей, профессиональным геологам-тектонистам, специалистам в области геодинамики и региональной геологии, а также всем, кто интересуется фундаментальными процессами формирования и эволюции земной коры.