Численное моделирование термохимической мантийной конвекции и циклическая эволюция континентов и океанов



страница1/5
Дата05.12.2017
Размер3.16 Mb.
ТипАвтореферат
  1   2   3   4   5

На правах рукописи


КОТЕЛКИН Вячеслав Дмитриевич



ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ МАНТИЙНОЙ КОНВЕКЦИИ

И ЦИКЛИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ КОНТИНЕНТОВ И ОКЕАНОВ

Специальности: 25.00.28 - океанология;

25.00.10 – геофизика, геофизические методы

поиска полезных ископаемых


А в т о р е ф е р a т

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Москва – 2008


РАБОТА ВЫПОЛНЕНА НА МЕХАНИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОМ ФАКУЛЬТЕТЕ

МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА ИМ. М.В. ЛОМОНОСОВА

И В ИНСТИТУТЕ ОКЕАНОЛОГИИ ИМ. П.П. ШИРШОВА РАН

Научный консультант: член-корреспондент РАН,

доктор физико-математических наук,

профессор Лобковский Леопольд Исаевич

Официальные оппоненты: член-корреспондент РАН,

доктор физико-математических наук

профессор Трубицын Валерий Петрович,

ОИФЗ, Москва


доктор геолого-минералогических наук,

профессор Гончаров Михаил Адрианович, геологический факультет МГУ, Москва


доктор физико-математических наук

Резник Григорий Михайлович, ИОРАН, Москва




Ведущая организация: Институт динамики геосфер РАН, Москва

Защита состоится “ 16 ” октября 2008 г. в 14 часов на заседании

диссертационного совета Д.002.239.02 при Институте океанологии им. П.П. Ширшова РАН по адресу: 117851 Москва, Нахимовский пр., 36.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН.
Автореферат разослан “ ” сентября 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат физико-математических наук А.И. Гинзбург

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. На Международной Гордоновской Конференции, состоявшейся в 1998 году в Бостоне, среди основных нерешенных проблем наук о Земле было названо выяснение причины неоднократных объединений и расхождений континентов, сопровождаемых образованием и исчезновением океанов. Распад суперконтинентов и раскрытие океанов объясняет модель мантийной конвекции с плавающими континентами В.П. Трубицына, а проблема объединения континентов и закрытия океанов сохраняет свою актуальность.

В монографии 2004 года Л.И. Лобковского, А.М. Никишина, В.Е. Хаина «Современные проблемы геотектоники и геодинамики» отмечается, что, наряду с непрерывно действующей тектоникой плит, наблюдается импульсно действующая тектоника мантийных плюмов, и необходимо найти единый механизм, одновременно объясняющий тектонику плит и тектонику плюмов. Повышенный интерес к изучению плюмов отражают выполненные под руководством Н.Л. Добрецова в Сибирском Отделении РАН физические эксперименты по моделированию суперплюмов типа Гавайского и Исландского (Геология и геофизика, 2005).

В последние годы большое внимание уделяется океаническим поднятиям, таким как поднятия Кергелен (Индийский океан), Онтонг-Джава (Тихий океан) и другие. Однако убедительного физического объяснения их происхождения до сих пор нет, в частности, международная программа глубоководного бурения на возвышенности Шатского (Тихий океан) была отклонена по причине отсутствия непротиворечивой модели её происхождения.

Прогресс компьютерных технологий превратил численное моделирование в один из ведущих методов исследования. Кроме того, временные масштабы, на которых протекает эволюция планет, недоступны физическим экспериментам, и только математическое моделирование дает уникальную возможность продолжения исследований. За рубежом неоднократно проводились и проводятся численные исследования мантийной конвекции на основе термической модели, тогда как расчеты отечественных авторов [Кеонджян, 1980; Монин и др., 1987], выполненные в рамках химико-концентрационной конвекции, не получили поддержки и развития. Диссертация посвящена изучению отмеченных проблем на основе более общей термохимической модели мантийной конвекции и современных компьютерных технологий.



Цель работы. 1. Создать математическую модель термохимической мантийной конвекции, способную воспроизвести основные события геологической истории Земли, такие как образование и распад суперконтинентов, раскрытие и закрытие океанов.

2. Разработать надежные и эффективные алгоритмы для численной реализации двумерного и трехмерного вариантов этой модели.

3. Использовать графические и динамические возможности современных компьютерных технологий и создать программы для быстрой обработки и визуализации результатов непосредственно во время численных экспериментов.

4. С помощью прямых численных экспериментов найти и исследовать сценарий эволюции, лучше всего отвечающий геологической истории Земли.

5. Установить основные закономерности глобального геодинамического процесса, выяснить роль отдельных составляющих факторов, определить причинно-следственные связи при формировании континентов и океанов.

Научная новизна. Количественные исследования эволюции Земли традиционно проводились и проводятся на основе модели тепловой конвекции в мантии. Общая и более адекватная термохимическая модель мантийной конвекции использовалась очень редко для анализа эволюции Земли ввиду больших вычислительных трудностей. Имеющиеся в литературе результаты, ограничены расчетами в декартовых координатах отдельных фрагментов термоконцентрационной конвекции. В настоящей работе в рамках термохимической модели конвекции развита новая двумерная теория экваториальных течений, которая позволила впервые провести математическое моделирование полной эволюции Земли с момента её аккреции и с учетом криволинейной геометрии мантийного слоя. В ходе моделирования был открыт новый конвективный феномен – общемантийный переворот (овертон), который убедительно объясняет причину образования суперконтинентов и перестроения океанов. В работе впервые проведено трехмерное моделирование овертонового режима эволюции Земли, в результате которого установлен ряд новых свойств и закономерностей глобального геодинамического процесса.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Основные события геологической эволюции Земли описываются термо-химической моделью мантийной конвекции, учитывающей эндотермический фазовый переход на границе верхней и нижней мантии и процессы дифференциации на внутренней и внешней границах мантийного слоя.

2. В термохимической модели возможен резкий общемантийный переворот (овертон), который происходит, когда дифференциация верхней и нижней мантии достигает критического уровня. Шаровая геометрия и фазовый барьер способствуют самоорганизации конвекции в структуру с глобальным общим стоком, который закрывает океаны и производит “сборку” суперконтинента, одновременно происходит переформирование срединно-океанических хребтов и коллизионных поясов.

3. Циклы Штилле (30–40 млн. лет) обусловлены слиянием конвективных ячеек в верхней мантии, а циклы Бертрана (170–200 млн. лет) – региональными аваланшами. Циклы Вилсона (650–900 млн. лет) определяются овертоновым режимом мантийной конвекции. Необходимым условием для запуска овертонового режима конвекции является неустойчивое начальное состояние планеты. Процесс эволюции имеет ступенчатый характер, самые существенные изменения происходят ускоренными темпами во время переворотов, при дальнейшем остывании Земли овертоны будут вырождаться в аваланши.

4. После двух циклов Вилсона положение стока начинает стабилизироваться, в результате чего формируется асимметричная дипольная структура Земли с пульсирующим континентальным и устойчивым (Тихий океан) океаническим полушариями.

5. Химические процессы придают конвекции импульсный характер. Термо-химико-конвективное взаимодействие приводит к резкому локальному усилению активности, которое выражается в виде мантийных плюмов. Плюмы “вмонтированы” в тектонику плит таким образом, что их внешними границами служат границы вмещающей ячейки, вследствие чего плюмы эффективно используют для своей подпитки и сброса вещества большую площадь термической ячейки.

6. Трансформные разломы на дне океанов обусловлены горячими границами вторичных валиковых течений, которые возникают на фоне вынужденной термической конвекции в верхней мантии. Учет взаимодействия вынужденной верхнемантийной конвекции с плюмом химического происхождения позволяет смоделировать образование и динамику океанических поднятий. Эндотермический фазовый переход приводит к дроблению нижнемантийных плюмов и образованию семейств одновозрастных океанических поднятий и базальтовых плато.

Теоретическая и практическая значимость. Открытие овертонового режима мантийной конвекции и исследование пространственной структуры овертонов имеют фундаментальное значение для наук о Земле.

Непосредственную практическую значимость имеет региональное моделирование, но его корректность зависит от знания начального состояния региона и окружающей обстановки. Только полномасштабное моделирование может дать объективную информацию о начальных и граничных условиях, необходимых для региональных исследований.



Изложенные в седьмой главе результаты региональных исследований представляют как теоретический, так и практический интерес. Сдвиги дна океанов, происходящие вдоль трансформных разломов, играют ведущую роль в тектонической активности литосферы. Правильное понимание природы и структуры вторичных движений необходимо для оценки сейсмического состояния региона и предсказания катастрофических землетрясений.

Взаимодействие нижнемантийного плюма с эндотермической фазовой границей определяет способы излияния платобазальтов, знание которых помогает поиску полезных ископаемых. Нижнемантийное вещество обогащено металлами, и неотъемлемой частью траппового магматизма являются процессы рудообразования.

Компьютерные видеозаписи, полученные в ходе численных экспериментов, используются в качестве учебных материалов для студентов геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, они также переданы в геологический музей им. В.И. Вернадского и музей Землеведения МГУ.

Достоверность результатов. Алгоритмы, используемые для численных экспериментов, прошли три стадии тестирования. Алгоритмы для всех уравнений модели, которые по отдельности являются линейными, тестировались по аналитическим решениям. Совместное интегрирование в целом нелинейной системы уравнений тестировалось посредством расчета гидродинамических течений, хорошо исследованных экспериментально. Расчеты с учетом нелинейных физико-химических превращений сравнивались с результатами зарубежных авторов по термической конвекции и с экспери-ментами Н.М. Рубцова по распространению фронтов медленного горения.

Полученные результаты подтверждаются независимыми эмпирическими данными. Овертоновый режим соответствует данным исторической геологии по циклам Вилсона и датам образования суперконтинентов.

Начальное состояние и интенсивный стартовый переворот хорошо согласуются, как с новыми космохимическими и астрофизическими данными по аккреции планет, так и с зафиксированными в раннеархейских коматиитах и базальтах следами мощной тепловой волны, пришедшей из глубины Земли.

Результаты диссертации подтверждаются геофизическими данными по тектонике плит, гравитационным аномалиям, тепловому потоку, моментам инерции, а также последними данными сейсмотомографии мантии.

Ступенчатый характер модельного процесса совпадает с исследованиями геохимиков по эпизодическому обогащению континентальной коры.

Результаты регионального моделирования соответствуют океанологическим данным по трансформным разломам и семействам одновозрастных океанических поднятий.



Личный вклад автора. Все результаты, представленные в работе, получены лично автором или при его непосредственном участии. Вся математическая часть работы: формулировка модели, постановки задач, вывод уравнений для экваториальных течений, разработка численных алгоритмов, программ визуализации, проведение расчетов и обработка результатов целиком выполнены автором диссертации.

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на конференциях:

• Международные Зоненшайновские конференции, 6-я (1998) и 7-я (2001).

• Теоретический семинар Отделения геологии, геофизики, геохимии и горных наук РАН (1998-1999гг.) под руководством акад. Д.В. Рундквиста.

• Межведомственные Тектонические Совещания, 1998-2008 гг.

• (Четвертые) Геофизические чтения имени В.В. Федынского, 2002 г.

• Школы-семинары «Современные проблемы аэрогидродинамики» под руководством акад. Г.Г. Черного, 11-я (2003), 13-я (2005) и 14-я (2006).

• Ломоносовские Чтения в МГУ им. М.В. Ломоносова.

Работа и результаты обсуждались на научных семинарах и совещаниях в Объединенном Институте Физики Земли им. О.Ю. Шмидта, в Институте Геохимии и Аналитической Химии им. В.И. Вернадского, в Геологическом Институте, в Международном Институте Теории Прогноза Землетрясений и Математической Геофизики, в Институте Динамики Геосфер, в Институте Океанологии им. П.П. Ширшова, в Институте Механики и на Механико-математическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова.



Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, семи глав, заключения, двух приложений и списка использованной литературы. Общий объем диссертации – 275 страниц, работа содержит 129 рисунков, список литературы включает 383 наименования.

Благодарности. Автор благодарен своему Учителю – Вениамину Петровичу Мясникову, в геофизической школе которого он приобщился к интереснейшей научной проблематике, где были заложены теоретические основы и привиты практические навыки исследования.

Автор благодарит Леопольда Исаевича Лобковского за полезное и плодотворное научное общение, за точный и своевременный выбор направления работы, во многом предопределивший успех моделирования, а также выражает ему свою искреннюю признательность за добросовестное выполнение обязанностей научного консультанта.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
В первой главе излагаются математические основы и современные направления геодинамического моделирования, представленные на рис.1. Важные результаты по перемежающейся конвекции были получены американскими авторами с помощью элегантных спектральных методов, рис. 1а. По мере усложнения задач, интерес к спектральным методам угас, свое практическое превосходство доказала мультигридная методика. Нелишне напомнить, что мультигридный подход был сформулирован советскими математиками [Федоренко, 1961; Бахвалов, 1966], а американские вычислители “открыли” его только в 80-е годы [Wesseling, 1992]! Выяснилось, что применение последних достижений вычислительной математики ограничивают особенности, которые традиционные сферические координаты имеют на полярной оси. Поэтому ведущие зарубежные специалисты осваивают новые координаты для работы в шаровой области.

Достижения японских специалистов, рис. 1б, представляет расчет мантийной конвекции с числом Рэлея 108 и изменяющейся в пределах шести порядков вязкостью. Хорошо виден сложный тонкоструктурный характер возникающих неоднородностей, которые удается разрешить благодаря “Yin-Yang” методу, использующему две сферические системы координат, скрещенные таким образом, что полярные области одной системы накрываются экваториальной зоной другой. Вычисления (на двух сетках размером 512х512х1536 узлов) проводятся на земном симуляторе, который состоит из 5 120 процессоров производительностью 8 Gflops (суммарно 40 Tflops) и общей памятью – 10 Tb.



Американские вычислители идут дальше и применяют полуортогональные координаты. Разбиение сферы на шесть квадратов (“cubed sphere” technique), реализовано усилиями интернациональных коллективов [Stemmer et al., 2006; Choblet et al., 2007]. Современный уровень США в моделировании мантийной конвекции отражает программа «TERRA», развиваемая Баумгарднером. Сфера разбивается гранями икосаэдра с последующей триангуляцией (до 42 млн. узлов), применяется метод конечных элементов. Этот подход требует высококвалифицированной математической подготовки. Вычисления проводятся по мультигридной схеме, распараллеливание алгоритма для эффективного использования возможностей массивного суперкомпьютера Cray T3E (1024-процессора, производительность 115.8 Gflops) осуществил Бунге. На рис. 1д показано распределение сверх-адиабатической температуры при моделировании с учетом сжимаемости мантии, эндотермического фазового перехода на 670 км, dP/dT=–4MPa/K, и высоких чисел Рэлея, Ra=1.1*108.

Рис. 1. Современные исследования на основе 3D-моделирования конвекции в шаровом слое:

а – аваланши [Tackley, 1996]. б – плюмы [Kageyama, Yoshida, 2005], в – дрейф континентов [Трубицын, 2005], г – тороидальное движение плит [Bercovici, 2003], д – эндотермический фазовый переход [Bunge et al., 1997], е - дегазация мантии [Baumgardner et al., 2005].
Сохраняется повышенный интерес к моделированию реологического поведения мантийного вещества. Однако мнения, какие реологические свойства – псевдопластичные или дилатантные – необходимо учитывать [Zhong et al., 2003; Wang, Wu, 2006; van Keken et al., 2002], расходятся. Проведя множество расчетов, [Bercovici, 2003] обнаружил, что только “экзотическая” (не монотонная) реология мантийного вещества в состоянии одновременно воспроизвести данные о локализации сдвиговых напряжений и спутниковые данные о тороидальном вращении плит, рис. 1г. В диссертации используется изовязкая реология, в связи с чем, можно отметить, что при моделировании конвекции на Венере лучшее соответствие эмпирическим данным получилось как раз в случае постоянной вязкости.

В последние годы появляется все больше работ, в которых фигурирует название термохимическая конвекция. Важность роли химических превращений в нижних горизонтах мантии, изучению которой положила начало отечественная геологическая школа, наконец-то, в связи с различием состава извержений в горячих точках и срединно-океанических хребтах [Hansen, Yuen, 2000], прояснилась для западных исследователей. Стоит подчеркнуть, что в настоящей работе под термохимической конвекцией понимаются химические изменения, происходящие непосредственно во время конвекции. Тогда как в статьях западных авторов этот же термин используется, когда исследуется движение неоднородной среды без химических реакций, которое в российской терминологии называется концентрационной или композиционной конвекцией. Современный уровень “химического” моделирования отражает работа [Baumgardner et al., 2005], рис. 1е, в которой авторы с помощью пассивных трассеров пытаются объяснить деплетированность верхней мантии за счет извлечения из нее элементов на формирование континентальной коры.

Фундаментальное значение имеют проводимые под руководством В.П. Трубицына исследования роли, которую играют континенты в эволюции Земли. Согласно численному прогнозу в следующий раз континенты сойдутся вместе в районе Южного полюса, рис. 1в.

Во второй главе излагается геофизическая и геохимическая информация об эволюции Земли, которая используется при численном моделировании. Новейшие астрофизические и космохимические данные свидетельствуют [Витязев, Печерникова, 1996, 2003], что существенный нагрев недр допланетных тел, дегазация, плавление и дифференциация примитивного вещества происходили одновременно с их формированием, т.е. за миллионы и первые десятки миллионов лет. Раннее образование ядра и мантии Земли необходимо учитывать при задании начального состояния, которое играет существенную роль в выборе эволюционного пути.

При моделировании обнаружилось принципиальное противоречие между геофизическими и геохимическими данными. Геофизические данные (размер плит, гравитационные аномалии, тепловой поток) находили объяснение в рамках общемантийной схемы конвекции, тогда как геохимические данные свидетельствовали о раздельной конвекции в верхней и нижней мантии. Лежащая на глубине 670 километров граница, разделяющая верхнюю и нижнюю мантии, обусловлена эндотермическим фазовым переходом мантийного вещества из шпинелевой γ-фазы в перовскит и магнезиовюстит



(Mg,Fe)2SiO4 → (MgFe)SiO3 + (MgFe)O.

Толщина переходной области составляет 4 км, плотность растет на 0.39 г/см3, фазовая кривая имеет отрицательный наклон, величину которого экспериментаторы сначала относили к диапазону γ=–(2÷3) МПа/К [Liu, 1976; Ito, 1977; Jeanloz, Thompson, 1983; Ito, Takahashi, 1989; Кусков, Фабричная, 1990]. При отрицательном наклоне фазовой кривой вертикальные движения тормозятся, поскольку фазовая граница в холодном нисходящем потоке смещается вниз, рис. 2а, а в горячем восходящем – вверх, рис. 2б. В земной мантии более плотное вещество расположено снизу, поэтому граница раздела стремится вернуться в показанное пунктиром,



Рис. 2. Тормозящий эффект эндотерми-ческого фазового перехода, T2>T1.

положение равновесия и тормозит перемещение вещества. В 1990 г. появились новые результаты экспериментов [Ito et al.], согласно которых отрицательный наклон


фазовой кривой достигает больших значений γ=–4.МПа/К±2.МПа/К. В 1991 г. [Machetel, Weber] провели численное исследование термической конвекции в расширенной постановке, при которой схема конвекции не постулируется априори, а находится в процессе моделирования. Варьируя наклон фазовой кривой, авторы установили (в осесимметричном случае при числе Рэлея 106), что при γ=0 наблюдается общемантийная конвекция, при которой за 1 млрд. лет обмен веществом между верхней и нижней мантиями колеблется в интервале от 40% до 60%. Когда γ =–4 МПа/К, конвекция является раздельной двухъярусной, обмен веществом составляет 2%, а перепад температур в области фазового перехода равняется примерно 750ºК. Открытием стало чередование общемантийной и двухъярусной конвекции при γ=–2.МПа/К. Авторы назвали это явление перемежающейся конвекцией. При перемежающейся конвекции большую часть времени обмен веществом находится примерно на уровне 10%, но в короткие периоды общемантийной конвекции подскакивает до 80% так, что его среднее значение равно 22%.

Результаты французских исследователей были воспроизведены канадскими [Peltier, Solheim, 1992] и обобщены на 3D случай американскими [Tackley et al., 1993] учеными. Повторяющиеся с интервалом 600-800 млн. лет массированные прорывы вещества из верхней мантии в нижнюю, чем-то похожие на сход с гор снежных лавин, получили название аваланшей (или аваланчей).

Следует уточнить, что хотя геохимики и видят верхнюю и нижнюю мантии как различные резервуары, они одновременно отслеживают и значительный обмен между этими резервуарами. [Hofmann, 1989] на основе Nb/U и Cе/Rb отношений нашел, что масса резервуара, из которого извлекаются элементы для формирования коры, составляет 35÷75% всей мантии. Такой же результат следует из анализа благородных газов и редкоземельных элементов. Массовый баланс, вычисленный [Allegre et al., 1986] для 40Ar, показывает, что только 50% этого изотопа поступило в атмосферу Земли из верхней мантии (40Ar-парадокс). Анализируя геохимические результаты, Хофманн обнаружил, что временные зависимости для всех элементов свидетельствуют о том, что длительные периоды постоянных изотопных отношений чередуются с короткими интервалами изменяющихся отношений. Периоды постоянных отношений хорошо объясняются существованием раздельной двухъярусной конвекции, а интервалы изменяющихся отношений соответствуют общемантийной конвекции. Хофманн назвал периоды интенсивного обмена МОМО-эпизодами (mantle overturn and major orogenies), т.е. мантийными переворотами.

В последнее время в связи с прорывами фазового барьера, обнаруженными при сейсмотомографии мантии, рис. 3, дискуссия о схемах конвекции возникла снова.




Рис. 3. Глубины погружения субдуцируемых плит [Rubie, van der Hilst. 2001]
В.П. Трубицын и В.В. Рыков [2002] полагают, что данные геохимии, которые отражают интегральный эффект за всё время эволюции, можно примирить с современными сейсмическими данными, если считать, что прежде конвекция в мантии была расслоенной, а сейчас из-за остывания Земли происходит переход к общемантийной конвекции.

Каталог: common -> img -> uploaded -> files -> vak -> announcements -> fiz mat
announcements -> Влияние глобализации мировой экономики на Формирование региональной экономической политики
announcements -> Горные почвы евразии как палеоклиматический архив позднеледниковья и голоцена 03. 00. 27 Почвоведение
announcements -> Геолого-геофизические исследования и модели природных резервуаров баренцево-карского региона с целью наращивания ресурсной базы углеводородов
announcements -> Влияние структурного состояния на кинетику локализованного усталостного разрушения конструкционных сталей
fiz mat -> Проблемы состояния озонового слоя атмосферы, его долговременной эволюции, а также причин этой эволюции и её последствий для с
fiz mat -> Пространственно-временнáя динамика атмосферного озона и связанных с ним газовых примесей 25. 00. 29 Физика атмосферы и гидросферы
fiz mat -> Методология прогноза сильных землетрясений по потоку сейсмичности на примере северо-западной части тихоокеанского пояса
fiz mat -> Излучение верхней атмосферы земли в средних широтах азиатского континента и его региональные особенности


Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4   5


База данных защищена авторским правом ©geo.ekonoom.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница