ГЛУБИННЫЕ ПРОЦЕССЫ ЗЕМЛИ И ИХ ПОВЕРХНОСТНЫЕ ПРОЯВЛЕНИЯ

Роль континентов в динамике Земли

Долгое время было распространено мнение, что движение плит определяется главным образом тепловой конвекцией в мантии. При этом считалось, что континенты пассивно дрейфуют под действием вязких течений и их обратное влияние на конвекцию мантии не существенно. Однако, как впервые установлено американским геофизиком М. Гурнисом, континенты могут существенно влиять на структуру мантийной конвекции. Проведенный им численный эксперимент показал, что континенты соединяются в местах нисходящего потока вещества. Мощная континентальная плита перекрывает поток тепла из мантии, ее температура растет, под плитой возникает восходящий поток, и континенты расходятся в разные стороны. Эта модель, будучи двумерной, не могла показать всей сложной картины движения континентов.

И тогда российские ученые В. Трубицын и В. Рыков предприняли попытку создать трехмерные численные модели мантийной конвекции с плавающими континентами. Эта попытка оказалась успешной. В качестве модели Земли была принята коробка с вязкой жидкостью, нагреваемая снизу и изнутри. В такой коробке при достаточном перепаде температуры между дном и поверхностью возникает тепловая конвекция, при которой горячее вещество устремляется вверх, а холодное погружается на дно. Возникают так называемые ячейки Бенара. На поверхность коробки накладывались контуры континенов. Математически задача сводилась к совместному решению уравнений сохранения импульса, энергии и массы, а также уравнений движения твердого тела, описывающих движение континентов. Моделирование показало, что континенты устремляют ся в направлении нисходящего потока, стягиваясь друг к другу. Собранные вместе над нисходящим потоком вещества континенты начинают играть роль крышки, не выпускающей тепло на поверхность. Первоначально холодное, нисходящее вещество начинает нагреваться, становится легче и приблизительно через 100-200 миллионов лет на этом месте образуется восходящий мантийный поток, который и приводит к расколу "суперконтинента". Таким образом, континенты меняют существующую систему конвективных движений и оказывают влияние на потоки вещества вплоть до самого ядра. Образовавшиеся "осколки" расходятся в стороны, чтобы вновь собраться через сотни миллионов лет над другим нисходящим потоком. Хотя модель не учитывала сферичности Земли, что существенно при моделировании континентального дрейфа, она выявила много примеров, наблюдаемых в природе. Так, на на одном из рисунков можно разглядеть прообраз Тихого океана с огромным грибом восходящего мантийного вещества, очень похожим на обнаруженный с помощью глобальной сейсмической томографии.

Численные эксперименты, без которых сегодня практически невозможно описать течение сложных внутримантийных процессов, продемонстрировали весь цикл дрейфа континентов от их сближения и объединения в единый "суперконтинент" до его распада и расхождения континентов. И всему виной оказались сами континенты: именно они перестроили структуру мантийных течений. Так с помощью численного моделирования удалось понять механизм формирования наблюдаемых структур земной поверхности.