В. Н. Анфилогов

Институт минералогии УрО РАН, г. Миасс

 

 

Тектоника плит как альтернатива предшествующим ей представлениям фиксизма, возникла в 1962 г. после публикации статей Г. Хесса и Р. Дица [6, 9], где они, по-видимому, впервые представили спрединг океанического дна как результат круговых конвективных движений в мантии. При этом Р. Диц отметил, что “Концепция, выдвигаемая нами – ее можно назвать теорией раздвигания дна или теорией спрединга – является в значительной мере интуитивной… Поскольку эта модель вытекает из самой концепции, мы не принимали никаких попыток ее обоснования” [6, стр. 26]. С тех пор прошло 40 лет, но никаких попыток укрепить доказательную базу этой концепции сделано не было.

Мы не рассматриваем здесь результаты геологических исследований, полученные при изучении дна океанов и строения срединно-океанических хребтов, которые трактуются в пользу тектоники плит. Их интерпретация базируется на тех же интуитивных представлениях, допускающих круговую свободную конвекцию в кристаллической мантии Земли. Не являются доказательной базой и многочисленные попытки математического моделирования свободной конвекции в мантии и результаты экспериментального изучения конвекции в вязких жидкостях [7], поскольку остается недоказанной допустимость использования критериев подобия, разработанных для процессов тепломассопереноса в жидкостях к твердому веществу мантии. К сожалению требуемое подобие свойств кристаллической мантии и модельных жидкостей отсутствует.

Первым условием подобия, которое должно соблюдаться для вещества мантии и для жидкости, является однородность этих сред. Это означает, что при отсутствии гравитационной нестабильности в мантии должно иметь место адиабатическое распределение плотности. Поэтому, при расчете числа Рэлея мы не имеем права использовать среднюю плотность вещества мантии, если в ней существуют неоднородности (минералы с разной плотностью), в которых отклонения плотности выше ее температурного градиента, обусловленного неравномерным нагревом мантии. В противном случае не будет соблюдено геометрическое подобие – первая обязательная предпосылка подобия физических явлений. Второе очень серьезное нарушение геометрического подобия обусловлено неоднородным распределением плотности мантии по глубине. В интервале от 70 до 1000 км в мантии наблюдается, по крайней мере четыре скачка плотности, связанных с фазовыми переходами [3]. В соответствии с принципами подобия, мы не имеем права строить конвективные модели, в которых вертикальный размер конвективных ячеек больше интервала между переходными зонами. Наконец, третье серьезное нарушение подобия заключается в принципиальном различии физических свойств твердого тела и жидкости и связанного с этим отсутствием физического подобия в тепловом движении атомов в твердом теле и в жидкости [1].

Таким образом интуитивная концепция Г. Хесса и Р. Дица и вся гигантская конструкция тектоники плит, построенная на этой концепции за 40 лет после выхода их знаменитых статей не имеет достаточного физического обоснования. В связи с этим возникает необходимость поиска альтернативных механизмов, объясняющих существование мощных вертикальных потоков вещества в мантии.

Обратимся теперь к концепции мантийных плюмов. А. Ф. Грачев определяет мантийный плюм как источник тектонической и магматической активности, корни которого могут находиться в нижней мантии, вплоть до границы ядро-мантия. Размеры плюма могут достигать 2000 км в диаметре [5]. Концепция мантийных плюмов не отвергается тектоникой плит, сторонники которой считают, что такие гигантские вертикальные потоки вещества могут существовать одновременно с круговыми конвективными потоками. Мы не будем обсуждать вопрос о том, как совмещаются эти взаимоисключающие концепции, поскольку выше показали, что концепция конвективных движений является физически несостоятельной. Отметим один очень важный фактор, которым оперирует концепция мантийных плюмов. Этим фактором является величина напряжения, которое обеспечивает движение вещества в плюме и которое, по мнению А. Ф. Грачева, равно 100–800 МПа [5]. Нетрудно подсчитать, что напряжение, которое возникает в гипотетической мантийной конвективной ячейке с вертикальным размером 700 км, при разнице температуры на ее верхней и нижней границах равной 1000 °С и которое, якобы, двигает литосферные плиты размером в несколько тысяч км, не превышает 1.2 × 10^-5 Па.

Возникает вопрос, каким образом в мантии возникают такие избыточные по отношению к литостатическому давлению напряжения. Естественным источником этих напряжений являются фазовые переходы, которые происходят в мантии в интервале глубин от 300 до 1000 км. Предполагается, что на глубине около 650 км γ-Mg₂SiO₄ распадается на периклаз и MgSiO₃ со структурой перовскита. Если к границе этой переходной зоны снизу подходит тепловой поток, то реакция разложения форстерита пойдет в обратном направлении, что приведет к увеличению объема мантийного вещества. Увеличение объема на 1 % при давлении в переходной зоне равном 25 ГПа приведет к появлению в ней избыточного давления, равного 250 МПа.

Механические свойства вещества, находящегося под высоким всесторонним давлением, резко отличаются от его свойств при нормальном давлении [4, 7]. При высоких температурах оно становится пластичным, причем предел пластичности с повышением температуры резко снижается. Для лерцолита при давлении 1000–2000 МПа предел пластичности уменьшается от 1700 МПа при температуре 325 °С до 50 МПа при температуре 1280 °С [8]. В этих условиях вещество мантии, находящееся в переходной зоне под действием избыточного давления, будет выдавливаться в направлении меньшего литостатического давления, а на его место будет поступать материал из нижележащего слоя мантии. Таким образом, в переходной зоне формируется непрерывный вертикальный поток вещества, образующий мантийный плюм. Когда этот поток нагретого вещества мантии достигнет уровня 100–60 км от поверхности Земли, вещество плюма начнет плавиться. При плавлении объем увеличивается и в зоне плавления также создается избыточное давление. Одновременно происходит новое резкое снижение предела пластичности, который при содержании расплава в зоне плавления равном 20 % падает до величины 5 МПа [2]. Смесь, состоящая из расплава базальта и кристаллов рестита, начнет выдавливаться из зоны плавления вверх. При движении смеси расплав будет отделяться от кристаллов и подниматься к поверхности. Таким образом создаются условия для мощных извержений базальта, характерных для мантийных плюмов.