Численное моделирование термо-механических процессов в рифтовых зонах СОХ (обзор моделей, состояние проблемы, перспективы)

Заключение

Анализ термических моделей океанической литосферы демонстрирует сложность задачи создания универсальной модели, описывающей характерное строение и термический режим литосферы как во фланговой, так и в осевой областях СОХ. Если первые работы в рамках модели плиты постоянной толщины и с решениями в виде разложения в ряды Фурье [Сорохтин, 1973; McKenzie, 1967; Oldenburg, 1975; Parker and Oldenburg, 1973; Schubert et al., 1975] неплохо объясняли природу генеральных черт рельефа дна океана и теплового потока литосферы СОХ, то в описании термического состояния осевых зон СОХ они были некорректны. В последующих модификациях этих моделей [Sleep, 1974, 1975] удалось избежать особенностей в распределении теплового потока на оси хребта, однако, ограничение области выделении скрытой теплоты плавления узкой зоной на оси спрединга в пределах коры давало в результате распределение температур, не согласующееся с наблюдаемым в осевых зонах СОХ.

Более реальное термическое состояние осевой области с плоской кровлей магматической камеры было получено в дальнейших модификациях этих моделей [Morton and Sleep, 1985; Sleep et al., 1983; Wilson et al., 1988]. Они использовали распределенные источники и стоки тепла в осевой зоне хребта. Однако полученное в этих моделях распределение температур и рассчитанная форма корового очага магмы являлись прямым результатом априорного подбора пространственного распределения источников и стоков тепла, грубо имитировавших эффекты выделения скрытой теплоты плавления и гидротермальной деятельности, и не могли рассматриваться как результаты независимых расчетов.

Следующий класс моделей оказался более успешным в исследовании соотношения мощности литосферы и толщины корового слоя при разных скоростях спрединга и роли гидротермальной деятельности [Chen and Morgan, 1990; Eberle and Forsyth, 1998; Neumann and Forsyth, 1993; Phipps Morgan et al., 1987], а также в анализе природы вариаций мощности генерируемой коры, вызванных изменением скорости спрединга и положения изучаемого участка осевой зоны хребта относительно краев сегмента осевой зоны [Barnouin-Jha et al., 1994, 1997; Chen and Phipps Morgan, 1996; Cordery and Phipps Morgan, 1992, 1993; Phipps Morgan and Chen, 1993; Sotin and Parmentier, 1989; Sparks and Parmentier, 1991, 1993; Sparks et al., 1993; Spiegelman and McKenzie, 1987]. Авторы включили различные механизмы движения расплава через матрицу пород мантии, чтобы объяснить концентрацию базальтового расплава в верхней части осевой зоны (области генерации коры), и все же рассчитанная область миграции расплава оставалась заметно шире области генерации коры, оцениваемой по геофизическим данным. Чтобы преодолеть это противоречие в работе [Sparks and Parmentier, 1991] было высказано предположение о том, что в основании литосферы образуется слой, насыщенный расплавом, который попадает сюда при вертикальной миграции из низов мантии и удерживается породами в кровле этого слоя, слабая проницаемость которых обусловлена их специфичной температурой, которая одновременно близка к солидусу базальта, но ниже ее. Анализ показывает, что перепад давлений, вызванный углублением этого слоя с удалением от оси хребта, достаточен для фокусировки расплава у оси, т.е. для создания здесь источников расплавленного базальта, необходимого для генерации базальтовой коры [Sparks and Parmentier, 1991]. Учет миграции расплава вдоль верхней граничной поверхности этой области плавления помог объяснить и вариации в мощности коры и аномалиях Буге, наблюдаемые вдоль оси СОХ [Magde and Sparks, 1997]. Те же исследования установили, что смещение участков СОХ по трансформным разломам делает картину течения под осевыми областями трехмерной, причем для медленных хребтов в большей степени, чем для быстрых.

В работах [Chen and Phipps Morgan, 1996; Henstock et al., 1993; Phipps Morgan and Chen, 1993] была сделана попытка применить полученные выше результаты для объяснения природы формирования подосевого корового очага магмы. Они объединили анализ широкомасштабных течений расплава и мантии с рассмотрением детальной структуры термического режима и полей деформаций приосевой коровой части хребта. Авторы показали, что в рамках стационарной модели можно подобрать такое распределение источников расплавленного базальта и тепла в осевой области внутри корового слоя, которое отвечало бы устойчивому существованию здесь магматического очага при больших и средних скоростях спрединга. Однако поле скоростей расплавленного базальта, использованное в модели, с прохождением базальта через кровлю линзы, подобно струе воды в фонтане, и температуры этого базальта T =1670^oC, выглядят экзотическими, и предполагают скорее качественный, чем количественный характер рассчитанного в модели корового распределения температур и формы очага. Как и в предыдущих моделях, размеры линзы расплава, а значит во многом и форма корового очага магмы, остаются предопределенными, и не следуют из численных расчетов.

В целом, стационарные модели термического состояния осевых зон СОХ позволили провести анализ довольно сложных 2-х и 3-х мерных интегральных моделей формирования термического режима осевых зон с учетом процессов сегрегации и миграции расплава к осевой зоне, образования коры и рельефа поверхности литосферы. Однако тепловой эффект выделения или поглощения скрытой теплоты плавления базальта трактуется в них очень грубо: через условия на тепловой поток на оси хребта, априорное задание источников и стоков тепла в осевой зоне и через задание нереально высоких температур расплава. По этой причине стационарные модели не подходят для анализа эволюции термического режима осевой зоны хребтов, возникновения и развития коровых очагов магмы, так как в указанных процессах поглощение скрытой теплоты при плавлении пород и выделение ее при их затвердевании играет определяющую роль. Эти же процессы определяют и существенную нестационарность моделей формирования корового очага магмы [Галушкин, Дубинин, 1993, 1994; Галушкин и др., 1994а, 1994б].

Разработанная нами модель позволила численно воспроизвести процесс перехода нестационарного поля температур, формируемого повторяющимися внедрениями осевых интрузий (шириной 5-50 м раз в 1000-10000 лет), в квазистационарное температурное распределение в коровом слое осевой зоны центра спрединга. Наш анализ подтвердил выводы предшествующих работ о том, что скорость спрединга (частота внедрений в нашей модели), наряду с гидротермальным теплообменом в коре имеют определяющее значение для образования и существования корового очага магмы и эволюции его формы. В частности, при малой частоте внедрения интрузии, отвечающей полускоростям спрединга меньшим 1,5 см/год, существование устойчивого корового очага магмы маловероятно. Перерыв между внедрениями в 100 тыс. лет и более также приводит к исчезновению магматической камеры. Наличие линзы расплавленного базальта с периодически обновляемым составом, расположенной в верхней части магматической камеры помогает объяснить плоский характер кровли осевой камеры.

Рассмотренная модель дала возможность в первом приближении представить пространственно-временной масштаб процессов формирования осевой коровой магматической камеры и термического состояния корового слоя осевой зоны СОХ. Как и предшествующие модели, она безусловно нуждается в усовершенствовании. Оно видится в следующих шагах: 1) расширение области счета по глубине с 6 до 100 км; 2) состыковка решения для дискретного спрединга коры с решением непрерывного течения несжимаемой мантии в клине; 3) выбор подходящей температуры внедрения базальтовых коровых интрузий на оси (температура порядка ликвидуса базальта); 4) подбор кривой солидуса базальта, возможно как функция состава магмы; 5) более тщательный подбор кривой солидуса вещества мантии для определения подошвы литосферы; 6) анализ соотношения толщины коры и литосферы при разных скоростях спрединга; 7) рассмотрение линзы расплава в очаге как аналога подлитосферного слоя, обогащенного расплавом.

Таким образом, несмотря на большое число имеющихся моделей, решение проблемы формирования термического режима осевых областей СОХ, возникновения и эволюции осевых коровых очагов магмы еще далеко от завершения.