Ma (кадр 1404) верхняя группа континентов оказывается разорванной на две правую и левую части, состоящие соответственно из трех и двух континенитов

1400 Ma (кадр 1404) верхняя группа континентов оказывается разорванной на две правую и левую части, состоящие соответственно из трех и двух континенитов.

В течение времени, начиная с t1600 Ma и до t2100 Ma (кадры 1631-2100) континенты оказываются достаточно рассеянными по сфере, оставаясь соединенными в группы по два, три, четыре континента. Затем начинается процесc нового обьединения континентов. К моменту времени, примерно, t2400 Ma (кадр 2405) в нижней правой части образуется суперконтиент из семи континенитов. Но опять, примерно под его серединой, в момент времени t2600 Ma (кадр 2632) возникает горячий восходящий мантийный поток, который в момент времени t2700 Ma (кадр 2730) отщепляет два верхних континента.

К моменту времени, примерно t3000 Ma (кадр 3022), образуются две близко расположенные группы континентов вблизи южного полюса.

В моменты времени, примерно t3388 Ma и t3445 Ma (кадры 3388a и 3445a), на полусфере на южном полюсе четко виден новый суперконтинент, обьединяющий десять из всех двенадцати континентов. На кадре 3388b видно, что на северном полюсе нет континентов. При контурном изображении континентов опять и на фоне теплового потока и на фоне температурного поля четко видно (кадр 3388c), что континенты занимают самые холодные места мантии. Аналогичная картина видна также на кадрах 4290а-4290с. Это обьясняет, почему, несмотря на теплоэкранирующий эффект континенитов, мантия на глубиных 200-300 км под современными континентами на 200^o холоднее, чем под океанами, т.е. почему континентальная литосфера толстая, высоковязкая и прочная.

5. Заключение

Целью работы была первая попытка расчета длительной эволюции системы мантия-плавающие континенты на трехмерной сферической модели, выяснение механизма дрейфа континентов и проверка возможности обьединения и расхождения континентов. Расчет длительной эволюции для трехмерной модели требует очень большого машинного времени и большого быстродействия компьютера. Поскольку авторы имеют возможность проводить расчеты только на пресональных компьютерах, то была взята предельно упрощенная модель и расчеты велись на грубых расчетных сетках Rqj=3263672 и даже Rqj=161632. Поэтому полученные результаты имеют более качественный характер. Кроме того, размерные значения скоростей и времен зависят от выбранного значения температуропроводности. Двукратное уменьшение коэффициента диффузии в два раза увеличит временные интервалы. Модель с переменными параметрами и более мелкой расчетной сеткой может несколько изменить значения теплового потока. Но как показывают расчеты для декартовых двумерных моделей, принципиальные этапы эволюции системы мантия-континенты оказывается одинаковым при изменении шага сетки даже в десятки и более раз.

Расчеты показали, что в принципе континенты дрейфуют не хаотически и не пассивно. Их движение подчиняется уравнениям переноса массы, тепла, импульса и момента импульса в системе мантия-континенты. При этом структура мантийных течений сильно зависит от наличия и движения континентов.

Поскольку нисходящие мантийные течения затягивают к себе плавающие на поверхности континенты, то они большую часть времени находятся на местах этих холодных мантийных потоках и перемещаются вместе с ними. Поскольку каждый нисходящий мантийный поток притягивает к себе все соседние континенты, то имеется тенденция континентов к обьединению. Этот процесс усиливается благодаря тому, что при обьединении континентов обьединяются и сцепленные с ними вязкими силами нисходящие мантийные потоки. В результате возникает обьединенная система нисходящих потоков, способная притянуть к себе даже далекие континенты.

Благодаря теплоэкранированию континентов мантия под суперконтинентом накапливается тепло. Вещество мантии становится легче, холодные нисходящие мантийные потоки ослабевают и под суперконтинентом, вместо нисходящих, возникают горячие восходящие мантийные потоки. Поскольку тепло легче накапливается под серединой суперконтинента, то он чаще должен раскалываться именно посредине.

Очевидно, что может быть много и других процессов, оказывающих влияние на формирование и распад суперконтинентов. Поскольку континенты тормозят выход тепла из мантии, то они частично уменьшают интенсивность конвекции и делают ее менее хаотичной. При взаимодействии мантийной конвекции и континентов конвекция вносит элементы хаоса, а континенты вносят элементы регулирования.

Литература

Добрецов Н. Л., Кирдяшкин А. Г., Глубинная геодинамика, 299 c., НИЦ ОИГГМ СО РАН, Новосибирск, 1994.

Трубицын В. П., Фазовые переходы, сжимаемость, тепловое расширение, теплоемкость и адиабатическая температура в мантии, Физика Земли, (2), 3-16, 2000а.

Трубицын В. П., Основы тектоники плавающих континентов, Физика Земли, (9), 3-40, 2000б.

Трубицын В. П., Бобров А. М., Физика Земли, (9), 27-37, 1993.

Трубицын В. П., Фрадков А. С., Конвекция под континентами и океанами, Физика Земли, (7), 3-14, 1985.

Allegre C. J., Chemical geodynamics, Tectonophysics, 82, 109-132, 1982,

Allegre C. J., Hart S. R. and Minster J. F., Chemical structure and the evolution of the mantle and continents determinated by inversion of Nd and Sr isotopic data, Eath Planet. Sci. Lett., 66, 177-213, 1993.

Anderson D. L., Theory of the Earth, Blackwell Scientific Publications, p. 366, Boston, Oxford, London, Edonburg, Melborne, 1989.

Anderson D. L., Hotspots, basalts and the evolution of the Earth, Science, 213, 82-89, 1981.

Anderson D. L., Isotopic evolution of the mantle, Earth Planet. Sci. Lett., 57, 13-24, 1982.

Becker T. W., Kellogg J. B. and O'Connell R. J., Earth. Planet. Sci Lett., 151, 351, 1999.

Brunet D. and Ph. Machtel, Large-scale tectonic features induced by mantle avalanches with phase, temperature, and pressure lateral variations of viscosity, J. Geophys. Res., 103, 4920-4945, 1998.

Bunge H. P., Richards M. A. and Baumgardner J. R., A sensitivity study of the three-dimansional spherical mantle convection at 10 ⁸ Rayleigh number: Effects of depth-depwendent viscosity, heating mode, and endothermic phase change, J. Geophys. Res., 102, 11,991-12,007, 1997.

Davies G. F., Whole mantle convection and plate tectonics, Geophys. J. Roy. Astron. Soc., 49, 459-486, 1974.

Davies G. F., Earth's neodymium budget and structure and evolution of the mantle, Nature, 290, 208-213, 1979.

Davies G. F., Geophysical and isotopic cobstraints on mantle convection: an interim eynthesis, J. Geophys. Res., 89, 6017-6040, 1984.

Davies G. F. and Richards M. A., J. Geol., 100, 151, 1992.

Davies G. F., Punctuated of plates and plumes through the mantle transition zone, Earth Planet. Sci. Lett., 136, 363-379, 1995.

DePaolo D. J. and Wasserburg G. J., Nd isotopic variations and petrogenic models, Geophys. Res. Lett., 3, 249-252, 1976.

DePaolo D. J. and Wasserburg G. J., Petrogenic mixing models and Nd-Sr isotopic patters, Geochemica et Cosmochemica Acta, 43, 615-627, 1979.

DePaolo D. J., Crustal growth and mantle evolution, Geochemica et Cosmochemica Acta, 44, 1185-1196, 1980.

DePaolo D. J., Nd isotopic studies; Some new perspectives on Earth structure and evolution, EOS, 52, 137-140, 1981.

Ekstrom G. and Dziewonski A. M., The unique anisotropy of the Pacific upper mantle, Nature, 394, 168-172, 1998.

Forte, A. M., and H. K. C. Perry, Geodynamic evidence for a chemically depleted continental tectonosphere, Nature, 290, 1940-1944, 2000.

Grand S. P., Tomographic inversion for shear velocity beneath the north American plate, J. Geophys. Res., 92, 14,065-14,090, 1987.

Grand S. P., Mantle shear structure beneath the Americas and surrounding oceans, J. Geophys. Res., 99, 11,591-11,621, 1994.

Grand S. P., van der Hilst R. D. and Widiyantoro S., Global seismic tomography: a snaapshot of convection in the Earth, GSA Today, 7, 1-4, 1997.

Gurnis M., Large-scale mantle convection and aggregation and dispersal of supercontinents, Nature, 332, 696-699, 1988.

Gurnis M. and Zhong S., Generation of long wavelengh heterogeneitiey in the mantle dynamics interaction between plates and convection, Geophys. Res. Lett., 18, 581-584, 1991.

Hoffmann A. W. and White W. M., Mantle plumes from ancient crust, Earth Planet. Sci. Lett., 57, 421-436, 1982.

Jackson I., Elastisity, composition and temperature of the Earth's lower mantle, Geophys. J. Intern., 134, 291-311, 1998.

Jacobsen S. V. and Wasserburg G. J., The mean age of mantle and crustal reservoirs, J. Geophys. Res., 84, 7411-7427, 1979.

Jacobsen S. V. and Wasserburg G. J., Transport models for crust and mantle evolution, Tectonophysics, 75, 163-179, 1981.

Jeanloz R. and Knittle E., Density and composition of the lower mantle, Phil. Trans. Roy. Astr. Soc. L. A328, 337-389, 1989.

Jordan T. H., Lithospheric slab penetration into the lower mantle beneath the Sea of Okhotsk, J. of Geophysics, 43, 473-496, 1977.

Kaban M. K. ans Schwintzer P., Seismic tomography and implications for models of the Earth's mantle, Geoforschung Zentrum Potsdam, Scientific Technical Report STR00/01, 2000.

Kellogg L. H., Hager B. H. and van der Hilst R. D., Science, 263, 1881, 1999.

Lowman J. P. and Jarvis J. T., Mantle convection models of continental collision and breakup incorporating finite thickness plates, Phys. Earth Planet. Inter., 88, 53-68, 1995.

Lowman J. P. and Jarvis J. T., Continental collisions in wide aspect ratio and high Rayleigh number two-dimensional mantle convection models, J. Geophys. Res., 101, 25,485-25,497, 1996.

Machetel P. and Weber P., Intermittent layered convection in a model mantle with an endothermic phase change at 670 km, Nature, 350, 55-57, 1991.

McCulloch, M. T., and V. C. Bennett, Early differentiation of the Earth: an isotopic perspective, Earth's mantle, I. Jackson, Ed., Cambridge Univ. Press, 1998.

O'Nions R. K., Evensen N. M. and Hamilton P. J., Geochemical modeling of mantle differentiation and crustal growth, J. Geophys. Res., 84, 6091-6101, 1979.

O'Nions R. K. and Oxburg E. R., Heat and helium in the Earth, Nature, 306, 429-431, 1983.

Nakanuki T., Yuen D. A. and Honda S., The interaction of plumes with transitions zone under continents and oceans, Earth and Planet. Sci. Lett., 146, 379-391, 1997.

Solheim L. P. and Peltier W. R., Phase boundary deflections at 660-km depth and episodically layered isochemical convection in the mantle, J. Geophys. Res., 99, 15,861-15,875, 1994. Steinbach V., Yuen D. A. and Zhao W., Instability from phase transitions and the timescales of mantle evolution, Geophys. Res. Lett., 20, 1119-1122, 1993.

Tackley P. J., Effects of strongly variable viscosity on three-dimensional compressible convection in planetary planets, J. Gephys. Res., 101, 3311-3332, 1996.

Tackley P. J., Mantle convection and plate tectonics: Toward an integrated physical and chemical theory, Science Print, 2888, 2002-2007, 2000.

Tackley P. J., Stevenson D. J., Glatzmaier G. A. and Schubert G., Effect of multiple phase transitions in three dimension spherical model of convection in Earth's mantle, J. Geophys. Res., 99, 15,877-15,901, 1994.

Trubitsyn V. P., Phase Transitions, Compressibility, Thermal Expansion, and Adiabatic Temperature in the Mantle, Izvestiya, Physics of the Solid Earth, 36, 101-113, 2000a.

Trubitsyn V. P., Principles of the tectonics of floating continents, Izvestiya, Physics of the Solid Earth, 36, 101-113, 2000b.

Trubitsyn V. P. and Bobrov A. M., Evolution of the mantle convection after Breakup of a Supercontinent, Izvestia, Physics of the Solid Earth, 29, 768-778, 1994.

Trubitsyn V. P. and Fradkov A. S., Convection under Continents and Oceans, Izvestia, Physics of the Solid Earth, 21, 491-498, 1985.

Trubitsyn V. P. and Rykov V. V., A 3-D numerical model of the Wilson cycle, J. Geodynamics, 20, 63-75, 1995.