Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://hit-conf.imec.msu.ru/2012/abstracts/Kirdyashkin.doc Дата изменения: Sun Jun 14 09:32:08 2015 Дата индексирования: Sat Apr 9 23:42:13 2016 Кодировка: koi8-r

МАНТИЙНЫЕ ТЕРМОХИМИЧЕСКИЕ ПЛЮМЫ: ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И УСТОЙЧИВОСТЬ


А.Г. Кирдяшкин, А.А. Кирдяшкин, И.Н Гладков, В.Э. Дистанов


Институт геологии и минералогии СО РАН, Новосибирск


В докладе представлены результаты экспериментальных и теоретических
исследований процесса плавления в объеме кристаллического тела над
локальным источником тепла. Задача о плавлении в объеме кристаллического
тела была поставлена с целью понять природу и условия устойчивого
существования мантийных плюмов, являющихся регуляторами тепловой машины
Земли. Мантийные плюмы представляют собой каналы магматического расплава,
окруженные массивом мантии [1]. В докладе приведены результаты исследования
характера потери устойчивости границы канала плюма, гидродинамической
структуры течения расплава в канале, её влияния на форму и расположение
границы канала и на интенсивность теплообмена между каналом и окружающим
массивом. Термохимический плюм образуется на границе ядро-мантия при
наличии теплового потока из внешнего ядра и локальном поступлении
химической добавки, понижающей температуру плавления вблизи подошвы мантии.
В области теплового пограничного слоя при понижении температуры плавления
ниже температуры границы ядро-мантия происходит плавление мантии и подъём
плюма [2]. Источником химической добавки могут служить реакции
железосодержащих минералов нижней мантии с водородом и/или метаном,
выделяющимися на ядро-мантийной границе [1, 2]. При концентрации добавки на
границе расплав-твердое тело (границе канала плюма) c2 температура
плавления мантийного вещества Tпх = Tпс - kc2, где Tпс - температура
плавления мантии без химической добавки, коэффициент k(њС/%) характеризует
величину понижения температуры плавления при увеличении концентрации
добавки на 1 весовой процент.
Представлены результаты лабораторного моделирования термохимического
плюма [1]. Канал плюма выплавляется в массиве парафина над локальным
тепловым источником при локальном введении в парафин "химической добавки" -
гексадекана. Обнаружено, что диаметр канала остается практически постоянным
по мере подъема плюма. Когда кровля плюма достигает слоя, температура
плавления которого выше, чем температура расплава в канале ("тугоплавкого"
слоя), у подошвы этого слоя формируется грибообразная голова плюма. На
основе предложенной модели термохимического плюма исследованы
геодинамические процессы, протекающие при его выплавлении до выхода на
поверхность, установлены геодинамические условия его излияния и
представлена модель излияния расплава в крупных магматических провинциях
[1]. На основе экспериментального моделирования, балансовых соотношений для
массы и тепловой энергии и закономерностей тепло- и массообмена при
свободной конвекции выведена система уравнений тепло- и массообмена
термохимического плюма. Определены параметры термохимического плюма,
поднимающегося от границы ядро-мантия [1-3].
Теоретический анализ тепло- и массообмена термохимического плюма
показывает существование характерного расстояния от границы ядро-мантия
хтх. Минимальное значение xтх = 195 км. При x < xтх плюм поднимается как
термохимический. При x > xтх подъем плюма в мантии происходит как
выплавление теплового плюма, в присутствии химической добавки, понижающей
температуру плавления. Моделирование теплового плюма, над локальным
источником тепла, проводилось в массивах октадекана, эйкозана и парафина
[4]. После выхода на поверхность канал теряет устойчивость. Он представляет
собой систему конвективных ячеек, соединённых между собой сужениями,
имеющими острые края. Площадь сужения в 2.5 раза меньше площади поперечного
сечения ячейки. Течение в ячейках - турбулентное. Опускное течение у
границы канала существует по всей поверхности ячейки за исключением
локального подъёмного потока, проплавляющего массив в области, периметр
которой примерно в 9 раз меньше, чем периметр поперечного сечения ячейки. В
области сужения происходит тепловое и гидродинамическое взаимодействие
подъёмного и опускного течения, повышение температуры опускного потока, и
подъёмный поток переходит на диаметрально противоположную сторону канала. В
этой области происходит динамическое повышение давления, равное повышению
давления в ячейке над диафрагмой-сужением, имеющей более низкую среднюю
температуру, чем нижняя ячейка. Форма канала и структура течения в нем
изменяются в зависимости от величины относительной мощности Ка = N/N1, где
N - тепловая мощность источника плюма, N1 - тепло, отданное каналом плюма в
окружающий массив [4].
Работа выполнена при поддержке РФФИ (? 11-05-00543 и ? 10-08-00441).

ЛИТЕРАТУРА.

1. Dobretsov N.L., Kirdyashkin A.A., Kirdyashkin A.G., Vernikovsky V.A.,
Gladkov I.N. Modelling of thermochemical plumes and implications for the
origin of the Siberian traps. Lithos, 2008, 100, 66-92.
2. Кирдяшкин А.А., Добрецов Н.Л., Кирдяшкин А.Г. Термохимические плюмы.
Геология и геофизика, 2004, т.45, ?9, с.1057-1073.
3. Кирдяшкин А.А., Добрецов Н.Л., Кирдяшкин А.Г. Теплообмен между каналом
термохимического плюма и окружающей мантией при наличии горизонтального
мантийного потока. Физика Земли, 2009, ?8, с.66-82.
4. Гладков И.Н., Дистанов В.Э., Кирдяшкин А.А., Кирдяшкин А.Г. Об
устойчивости границы раздела расплав-твердое тело на примере устойчивости
канала плюма. Изв. РАН. МЖГ, 2012.