Тектоника плавающих континентов
В.П. Трубицын
Земля состоит из мантии и ядра. Половину планеты занимает железное ядро, состоящее из твердо7го внутреннего и жидкого внешнего ядра. Ближе к поверхности находится силикатная мантия - монолитный твердый и очень горячий камень. Если ударить по нему, то пойдет сейсмическая волна- как в твердом теле, а если давить в течение миллиона лет, то он будет деформироваться и течь. Поскольку мы будем рассматривать медленные глобальные геологические процессы, то для нас мантия - это тоже жидкость, но с очень высокой вязкостью. Внешнее ядро имеет вязкость воды, а вязкость мантии на 20 порядков больше. Она сильно меняется по глубине и по латерали. Поскольку вязкость зависит от температуры, а температура на поверхности низкая, то на Земле возникает твердый жесткий литосферный слой, который, в свою очередь, делится на две части. Нижняя часть состоит из мантийного вещества, но более холодного и жесткого. Верхняя часть - это тонкая кора, выплавка, отличающаяся химико-минералогическим составом от вещества мантии. Толщина океанической коры везде равна 6 км, а толщина континентальной коры меняется от 20 до 70 км.
Температура на границе ядро-мантия на глубине 3000 км равна 4000°К. Как это определили? По сейсмическим данным известно, что мантия для обычных быстрых процессов - твердая, а внешнее ядро - жидкое. В этих условиях температура плавления железа составляет 3500 °К, а температура начала плавления силикатов - 4500°К, поэтому температура на границе ядро - мантия должна быть около 4000°К. В центре Земли температура около 5000°К.
Мантийная конвекция и тектоника плит.
Из Земли идет тепловой поток, равный примерно 0.1 Вт/м2. Если бы тепло выносилось с помощью теплопроводности, то его поток был бы равентемпературе 3700°С, деленной на толщину мантии Н - 3000 км и умноженной на коэффициент теплопроводности 3 Вт/мК. В результате получается приблизительно 0.004 Вт/м2, что в 25 раз меньше наблюдаемой величины. Следовательно, тепло выносится не только кондуктивно, но и конвективно. При этом число Нуссельта, характеризующее эффективность конвективного тепло-переноса, Nu = 25. В теории конвекции по числу Нуссельта можно вычислить скорость конвективных течений V ~ 8(£/#)Nu2. При коэффициенте температуропроводности к = Ю-6 м/сек2 скорость течений равна 5 см/год, что соответствует данным наблюдений. Тепловой баланс Земли включает несколько составляющих: 15% тепла дает радиоактивность коры, 50% - радиоактивность мантии, 10% - тепло затвердевания растущего внутреннего ядра, 25% - первичный нагрев В результате ученые сделали вывод, что Земля остывает со скоростью 80 К/млрд. лет.
Во второй половине XX в. Сформировалась концепция, названная тектоникой литосферных плит. Ее суть в том, что в мантии идет конвекция, и океаническая литосфера участвует в конвективном кругообороте вещества. Эта литосфера возникает в срединно-океанических хребтах при застывании магмы, движется по поверхности в виде океанического дна, охлаждается и затем, становясь все более тяжелой, погружается в мантию в зонах субдукции. При этом, благодаря жесткости, литосфера раскалывается продольными (трансформными) разломами на плиты.
Концепция тектоники плит, объясняющая, что большая часть землетрясений происходит на стыках плит, господствует в науке с 1965 г., то есть уже в течение 40 лет. Концепция была сформулирована западными учеными, а в России в первое время многие ее не принимали. Сейчас теория тектоники плит хотя и устаревает, но не отвергается, необходимо только очертить пределы ее применимости. Подобно механике Ньютона и теории относительности, теорию тектоники плит нужно обобщить на процессы другой длительности, только не на быстрые, а наоборот, очень мед- ленные.
Современная тектоника плит не дает объяснения некоторым принципиально важным проблемам. Например, по наблюдениям, мантия под континентами холоднее, чем под океанами. Но континенты можно считать своеобразными тепловыми крышками. Поток, выходящий из мантии через кониненты, равен 30 мВт/м2, а через океаны -90 мВт/м2. Но как же под крышками может быть холоднее?
Далее, континенты за историю Земли объединялись 3-4 раза и потом всегда расходились. Почему? Согласно теории тектоники плит, континенты жестко зафиксированы в океанических плитах. Действительно, на рисунке 2 видно, что континенты находятся внутри плит и своими границами совпадают с границами плит лишь на активных окраинах. Поэтому в теории тектоники плит континенты - это пассивные легкие включения в плиты, не оказывающие влияния ни на плиты, ни на конвекцию. Но если континенты зафиксированы в океанических плитах, то, что заставляло их плотно объединяться?
На Земле существуют океаны двух типов. В обоих типах на дне в середине находятся хребты, где из недр выдавливается магма, раздвигающая дно океанов. При этом на западной и восточной окраинах Тихого океана имеются глубоководные впадины, где дно уходит в мантию. В Атлантическом океане таких впадин нет, литосфера под ним приморожена к континентам. Она еще недостаточно тяжелая и плавает на мантии. В Атлантическом океане хребет проходит посередине, а в Тихом океане он резко приближен к Южной и Северной Америке (рис. 2).
По геологическим реконструкциям океаны преобразуются друг в друга и смещаются в пространстве. Тектоника плит объясняет это хаосом интенсивной конвекции в мантии Земли. Но хаос или закономерность управляет глобальной тектоникой Земли?
Тектоника плавающих континентов.
В течение последних 50 лет наряду с моделью плит накапливались данные, подтверждающие идею Вегенера о независимом глобальном дрейфе континентов. Новой моделью, обобщающей существующую торию тектоники плит с учетом идеи Вегенера, стала модель мантийной конвекции с континентами, плавающими на мантии среди океанических плит . Океаническая литосфера намораживается или приваривается сначала к откалывающемуся континенту, а затем по мере расхождения континентов последовательно наращивается на затвердевшую часть океанической литосферы. Со стороны Атлантики к Южной Америке плита примерзла, а со стороны Тихого океана оторвалась и погружается в мантию.
Каждая океаническая плита существует на поверхности Земли в среднем 60 млн. лет, а плавучие континенты - более 3 млрд. лет. Тектоника плит объясняет только процессы на временах до 100 млн. лет в уже сформировавшихся глобальных структурах, считая их как данные. Новая модель обобщает теорию тектоники плит на времена в миллиарды лет.
Континенты - тепловые крышки, мантия - котел, плиты - шатуны, - это было известно. Но все забывали о клапанах-регуляторах. Оказывается, континенты являются подвижными регуляторами, перераспределяющими тепловой поток и управляющими глобальными процессами (в частности,тектоникой океанических литосферных плит).
Уравнения переноса для системы "мантия-континенты".
Сформулировать новую модель недостаточно, нужны уравнения для количественного описания глобальной тектоники Земли. Система уравнений конвекции в гравитирующей сфере с переменной вязкостью без континентов известна - это уравнения переноса импульса,энергии и массы для вязкой жидкости. Уравнение Навье-Стокса - это уравнение Ньютона для вязкой жидкости: масса на ускорение равна силам, действующим на элемент жидкости (сила давления со всех сторон, сила вязкого трения и сила тяжести), - тяжелое опускается, легкое поднимается. Уравнение переноса тепла показывает, как
меняется температура, если тепло подводится, диффундирует и генерируется источниками. Уравнение сохранения массы показывает, как изменяется плотность, если вещество сжимается и со стороны притекает масса. В систему уравнений входит тензор вязких сил, зависящих от градиентов скоростей течений. Эта система конвекции известна уже целый век и интенсивно решается. Геофизики нашли новые методы решения, которые в ряде случаев даже превосходят методы, применяемые в технике.
Вышеуказанные уравнения конвекции описывают также возникновение океанической литосферы, потому что вязкость зависит от температуры и давления. Внутри мантии вязкость меньше, а вблизи холодной поверхности становится аномально высокой, поэтому океаническая литосфера возникает в мантии как слой с аномально высокой вязкостью. Отмечу, что в теории она пока не разбита на плиты, а представляет собой сплошную тягучую высоковязкую часть жидкой мантии. (Ведущие ученые США и Европы активно занимаются построением теории конвекции с эффективной вязкостью, учитывающей пластичность и разрушение вещества, чтобы включить в расчеты процесс трансформных расколов океанической литосферы на плиты.)
Однако уравнения конвекции не включают континенты. Чтобы найти уравнения для движения континентов, нужно знать силы, действующие на континент (кроме силы тяжести и выталкивающей силы). До тех пор, пока эти силы не были известны, ученые пытались определить траекторию движения континента с помощью пассивного маркера в потоке жидкости. Но рассчитать вращение трехмерных континентов и их обратное влияние на мантию очень сложно. Если же мы будем использовать модель плавающих континентов, то силы легко найти по аналогии с теорией корабля. Подобно кораблю, на погруженную в мантию часть поверхности континентов действуют силы сцепления с жидкой мантией. Интеграл от сил вызывает поступательное движение континента вдоль осей х и у, а интеграл от их момента способствует вращению континента. Также используются кинематические соотношения, связывающие скорости и местоположение континентов. Скорости зависят от мантийных течений, а последние зависят от скоростей и место- нахождений континентов. Получается сложная, но замкнутая система уравнений . Причем температуру внутри континентов нужно также рассчитывать с учетом их движений. Система уравнений рассчитывается самосогласованно. Теперь можно узнать, как ведут себя твердые предметы, плавающие на нагреваемой конвективной жидкости с учетом всех механических и тепловых взаимодействий. Причем континентов много, поэтому учитываются также силы их взаимных столкновений и всевозможные повороты, что можно рассчитывать по точным уравнениям даже на сферической Земле.
Важным обстоятельством является то, что в первом приближении континенты можно считать абсолютно твердыми, так как их перемещение много больше, чем их деформация. Но в строгой постановке проблемы интеграл по погруженной поверхности берется с учетом изменения формы континентов, их размеров и даже числа континентов. На каждом временном шаге рассчитываются скорости мантийных течений, температура в мантии и в континентах, а также силы, действующие на каждый континент. Далее, зная эти силы, можно с помощью подпрограммы найти напряжения внутри континентов и их деформацию, что раньше было невозможно. Когда выделяли какую-либо область внутри континента и рассчитывали ее деформацию под действием внутренних сил, то не знали граничных условий области. Теперь же мы можем найти все силы, действующие на каждый континент, и поэтому способны рассчитывать напряжения и деформации (в частности, горообразование) внутри континентов на каждом временном шаге, используя любую реологическую модель. Если в какой-то момент вдоль какой-либо линии рассчитанное напряжение превышает критическое напряжение раскола, то на следующем временном шаге счет ведется уже с большим числом континентов. Новая и простая система уравнений позволяет самосогласованно описывать многие глобальные процессы в Земле (мантийные течения, движения континентов, напряжения и деформации в мантии и континентах, эволюцию температуры).
Землетрясения происходят при накоплении напряжений, которые уже можно рассчитывать, но пока, конечно, очень грубо. Месторождения полезных ископаемых возникали в тех местах, где происходила дифференциация вещества причастичном плавлении. Для этого нужно рассчитать температуру в мантии и ее эволюцию. Если мы по вышеуказанным уравнениям последовательно восстановим геологическую историю Земли, то узнаем, где были горячие восходящие потоки мантийного вещества с дифференциацией вещества, где были прогибы поверхности, осадконакопление и условия для созревания углеводородов, можно будет предсказывать землетрясения и вулканизм. Конечно, пока сделан только первый (хотя и принципиальный) шаг к построению детальной самосогласованной модели эволюции Земли, потребуется учет многих других дополняющих физико-химических процессов.
Для решения дифференциальных уравнений необходимо знать граничные и начальные условия. Граничные условия - простые: верхняя граница мантии - свободна, нижняя (на границе с жидким ядром) - деформируемая со скольжением. На погруженной в мантию поверхности континентов действует условие непрерывности температуры и теплового потока и условие прилипания к движущемуся континенту. В качестве начальных условий для континентов можно взять размеры, форму и местоположение современных континентов. Но как найти начальное распределение температуры в Земле?
В этой связи проблему можно разбить на две части. Одна - построить геофизическую модель современной Земли с привязкой к конкретным структурам. В данном случае начальные условия будут определяющими. Вторая проблема - построить эволюционную геологическую модель, показывающую, какие глобальные процессы в Земле были возможны (согласуются с законами переноса энергии, массы и импульса) и какие были невозможны. В частности, модель должна объяснить, как сформировались современные глобальные структуры Земли. Решение этих проблем потребует усилий и может привести к большему внедрению физики и компьютерных технологий в геологию и объединению геофизиков, геологов, геохимиков и минерологов.
Мгновенная геофизическая модель современной Земли
По данным о временах пробега сейсмических волн ученые США сделали сейсмическую томографию мантии. Скорости сейсмических волн зависят от плотности и упругих модулей, которые, в свою очередь, зависят от давления, температуры и химического состава. Эти зависимости частично известны по лабораторным данным и теоретическим расчетам. Данные о вариациях сейсмических скоростей были пересчитаны в латеральные вариации температуры, и в результате было найдено трехмерное распределение температуры во всей мантии . При этом нами сначала была специально взята не последняя сейсмическая модель, а модель десятилетней давности, чтобы сравнить результаты с новейшими независимыми сейсмическими данными.
Распределение температуры выбирается в качестве начального условия, и начинается численный счет системы уравнений конвекции с континентами. Заметим, что начальное условие для скоростей мантийных течений и континентов не нужно, так как в уравнении Навье-Стокса коэффициент при производной по времени очень мал и скорости подстраиваются к распределению температуры уже в первый шаг по времени. В результате решения уравнений горячие легкие области должны всплывать, холодные - опускаться. Должна сформироваться структура мантийной конвекции, поверхность мантии деформироваться, и все континенты придти в движение.
На рисунке 1 была представлена модель мантийных течений и распределения температуры, рассчитанные по уравнениям мантийной конвекции с плавающими континентами. В этой трехмерной модели (в отличие от более детальных двумерных) пока не видны тонкие плюмы, поскольку шаг расчетной сетки в сферической модели пока приходится брать большим, чем толщина плюмов.
В начальном температурном распределении были плохо видны вариации толщины океанической и континентальной литосферы. Но при решени
Посмотрим, какую картину дает решение уравнений для поверхности Земли. Модель позволяет рассчитать тепловой поток, скорости мантийных течений и скорости континентов. На рисунке 4 рассчитанное распределение теплового потока сравнивается с данными измерений в 100 тысячах пунктов земной поверхности . Видны места повышенного теплового потока в Тихом океане, Атлантике и в Индийском океане. Для ряда мест измерений не проводилось, а расчеты свидетельствуют о потоке для всей земной поверхности.
Согласие данных измерений и расчетов доказывает, что основная причина мантийных течений - тепловая конвекция, а не дифференциация вещества (или химическая конвекция), как иногда полагается. Если бы легкие плотностные неоднородности были вызваны не повышенной температурой, а химическим составом, то в месте их подъема не было бы повышенного теплового потока, не было бы магм, а была бы лишь холодная химическая аномалия, что противоречит наблюдениям. Сейсмические и температурные аномалии в мантии (например, рис. 1) хорошо коррелируют с максимумами конвективного теплового потока на поверхности (рис. 4), чего не было бы при химической конвекции.
Как видно на рисунке 4, рассчитанные скорости движения континентов качественно согласуются с данными последних спутниковых GPS-измерений. Проведенные расчеты мантийной конвекции с плавающими континентами позволяют дать объяснение наблюдаемому движению. Евразия движется на восток и вращается по часовой стрелке. Северная Америка движется на запад и тоже вращается, но против часовой стрелки. Почему? Раньше этот вопрос не ставили, считая все перемещения результатом хаоса многих процессов. Но из расчетов следует, что Евразия затягивается нисходящими мантийными потоками на юго-восток, а Африка толкает Евразию на северо-восток, что приводит ее к вращению. Северная Америка дрейфует на запад, но наталкивается своей южной частью на океанический хребет. При этом нисходящий мантийный поток на западе Канады продолжает тянуть Северную Америку на запад. В результате возникает момент сил, вращающий континент.
Глобальная эволюционная геологическая модель Земли.
По геологическим и палеомагнитным данным ученые восстановили дрейф континентов за последние 600 млн. лет. На рисунке 5 показана реконструкция объединения и расхождения континентов, начиная с распада Пангеи для времен 420, 180, 120 и 70 млн. лет назад. Все континенты были объединены в Пангею 250 млн. лет назад, а еще раньше были разъединены. Полный цикл объединения и разъединения равен 500-800 млн. лет. Рис. 6 показывает, какие решения дает система уравнений мантийной конвекции с плавающими континентами. В них использовано лишь начальное состояние, за которое взята современная Земля (с начальными условиями по данным сейсмической томографии и положениям континентов), и проведен расчет на будущее. Решение показывает, что континенты (включая острова Мадагаскар и Калимантан) будут двигаться не хаотично, а со временем объединятся в новый суперконтинент.
Конечно, пока нельзя верить тому, что современные континенты объединятся точно в рассчитанном месте и в рассчитанный момент. Это -первая предварительная модель, показывающая принципиальную возможность расчета будущего лика Земли.
Поскольку вязкость мантии ~1022 Па • с, то континенты плавают по мантии не свободно, а сильно сцеплены с ней. Сцепление максимально в тех местах, где температура ниже. Каждый континент большую часть времени находится на своем нисходящем мантийном потоке, поскольку континенты постоянно притягиваются к холодным зонам субдукции горизонтальными мантийными течениями. Однако, когда континент плывет к соседнему большему нисходящему мантийному потоку, он тянет за собой и свой нисходящий мантийный поток. Когда сходятся два континента, под ними возникает двойной нисходящий мантийный поток, который с еще большей силой притягивает к себе другие континенты. В результате возникает суперконтинент над единой системой мощных нисходящих мантийных потоков. Но и это состояние неустойчиво, оно квазиравновесное, и, как будет показано ниже, суперконтинент неизбежно распадается.
Приведенные результаты численного эксперимента объединяют важнейшие явления глобальной тектоники: почему под теплозапирающими континентами измеренная температура не выше, а на 200°С ниже, чем под океанами. Каждый континент постоянно затягивается мантийными течениями на нисходящий поток и, как показали расчеты, в среднем большую часть времени проводит на самых холодных местах мантии. Именно поэтому континентальная литосфера остается холодной и на три порядка более вязкой. Низкая температура континентальной литосферы вместе с эффектом плавучести и сухостью предохраняет ее (включая глубокие корни континентов) от перемешивания в мантии в течение миллиардов лет.
Как же распадаются суперконтиненты? На рисунках 7 и 8 показаны результаты расчета двумерной модели конвекции в жидкости с переменной вязкостью. Несмотря на предельную просто ту, эта модель объясняет ряд принципиально важных процессов глобальной эволюции Земли. Имеется кювета с вязкой жидкостью, нагреваемой снизу. Вязкость зависит от давления и температуры. В жидкости возникает тепловая конвекция Рэлея-Бинара с несколькими конвективными ячейками. При низком нагреве все они имеют примерно равные размеры и порядок толщины слоя. Ставим две легкие толстые пластины по обе стороны от какого-либо нисходящего мантийного потока и на компьютере начинаем считать их эволюцию по ранее полученным дифференциальным уравнениям. На рисунке 7 видно, как холодная высоковязкая океаническая литосфера затягивается внутрь жидкости нисходящими конвективными мантийными потоками. Оба континента также движутся к ближайшему нисходящему потоку, но, будучи плавучими, не погружаются в жидкость, а объединяются над потоком. Далее происходит следующее. Сплошная кривая на рисунке 7 - это рассчитанный относительный тепловой поток, выходящий из мантии. Он высокий -над восходящими мантийными потоками, и низкий - над нисходящими. Над каждым континентом тепловой поток в 2-3 раза ниже среднего, так как континенты препятствуют выходу тепла из Земли. Континенты сошлись над холодным нисходящим мантийным потоком, но тепло продолжает идти со дна горячей мантии. Поскольку малоподвижный суперконтинент тормозит выход тепла из мантии, мантия под ними начинает нагреваться, становиться легче, и вместо холодного нисходящего под суперконтинентом возникает горячий восходящий мантийный поток, раскалывающий суперконтинент. Континенты расходятся в разные стороны. Весь цикл занимает примерно 0.5 млрд. лет. (Недавно в США проведены лабораторные эксперименты, подтверждающие эти результаты, хотя и с меньшими деталями, чем дает численная модель.) Заметим, что если большой континент (подобно Африке) будет долго находиться на одном месте, то и под ним возникнет горячий восходящий мантийной поток. Тогда литосфера под континентом начнет истончаться и разрушаться.
Интересным результатом оказывается то , что расходящимися континентами в мантии при t=300 Ma возникает структура, сов падающая со структурой дна Атлантического океана по многим деталям. В центре океана имеется хребет, где поднимется горячее вещество и тепловой поток составляет 200 мВт/м2, что в 7 раз меньше теплового потока, выходящего через континенты. Высоковязкая океаническая литосфера утолщается с удалением от хребта, соответственно углубляется дно океана. С другой стороны от расходящихся континентов возник Тихий океан с глубоководными желобами над зонами субдукции. Рисунок 8 показывает, что при t = 400 Ma (примерно еще через 50 млн. лет) в расширенном Атлантическом океане литосфера оторвется от континентов и начнет погружаться под них. Атлантический океан по структуре станет похож на современный Тихий океан.
Пунктирная кривая на рисунке 8 - рассчитанный рельеф дна океанов. В момент раскола суперконтинента все континенты поднимаются, и соответственно, уровень океана понижается и остается низким в течение примерно 100 млн. лет, пока континент природу и длительность эр палеозоя, мезозоя и кайнозоя. Когда континенты находились наверху, господствовала преимущественно сухопутная находятся на восходящем мантийном потоке. Этот результат помогает понять природу и длительность эр палеозоя, мезозоя и кайнозоя. Когда континенты находились наверху, господствовала преимущественно сухопутная жизнь мезозоя. Когда континенты оказывались вблизи нисходящих мантийных потоков, уровень океана относительно них повышался, что соответствует эре с развитой морской жизнью палеозоя и кайнозоя. Низкий уровень океана в докембрии мог быть связан с существованием суперконтинента Родинии, что хорошо согласуется с данными о глобальном изменении уровня Мирового океана.
Тектоника плит объясняет глобальные изменения уровня океана относительно пассивных континентов подъемом воды вследствие возникновения системы океанических хребтов в результате хаотических конвективных процессов. Как видно на рисунке 7, причиной являются подъемы и опускания континентов (в зависимости от их нахождения на восходящих или нисходящих мантийных потоках). При этом между расходящимися континентами возникает хребет, но именно суперконтинент прогревает мантию и создает эти восходящие горячие мантийные потоки и хребты.
На рисунках 7 и 8 показано, насколько велико тепловое и механическое влияние континентов на мантию. Представленный численный эксперимент доказывает новую физическую закономерность. Бенар в 1900 г. открыл, что при нагревании жидкости в ней возникают упорядоченные конвективные ячейки. Если на жидкости плавают еще и толстые большие пластины (в геологии -континенты), то их тепловое и механическое взаимодействие с жидкостью приводит к дополнительным упорядоченным квазипериодическим движениям. Система "мантия континенты" эволюционирует между двумя квазиравновесными состояниями: первое - когда континент находится вблизи своего нисходящего мантийного потока, второе - когда почти все континенты объединены в суперконтинент над единой системой нисходящих мантийных потоков.
Результаты численного эксперимента объясняют характерные особенности трехмерного распределения температуры в современной Земле. На рисунке 1 видны небольшие аномально холодные области. Это - остатки океанических литосферных плит, погрузившихся в мантию и еще не успевших разогреться и растаять. Более крупными аномалиями являются два гигантских горячих восходящих потока - под Африкой и Тихим океаном. Их до сих пор объясняли хаосом мантийной конвекции. Решение уравнений переноса энергии, массы и импульса в применении к мантии с плавающими континентами показывает, что горячие мантийные потоки должны возникать под суперконтинентами. Их время - около 1 млрд. лет, поэтому современный горячий поток под Африкой мог возникнуть 250 млн. лет назад под Пангеей. Горячий поток под Тихим океаном мог возникнуть под суперконтинентом Родиния 900 млн. лет назад и остаться после расхождения континентов.
Приведу результат еще одного численного эксперимента. Юго-восточная окраина Евразии отличается от других континентов. Там есть много зон субдукции и краевых морей, отделенных от океана островами (Японские, Тайвань и др.). На Тихоокеанской окраине Южной Америки также существуют зоны субдукции, но краевых морей и островов нет. Эту проблему можно объяснить с помощью новой модели плавающих континентов. Для этого на конвективную жидкость была помещена одна пластина, моделирующая Евразию. Под действием мантийных течений Евразия приближается (но еще не подошла) к нисходящему мантийному потоку - зоне субдукции. Поскольку размеры Евразии больше размера конвективной ячейки, часть течений под ней направлена в другую сторону. В результате она движется со скоростью около 2 см/год, что в 3-4 раза меньше скорости горизонтальных течений, тянущих литосферу к зоне субдукции.
Численный эксперимент показал, что между Евразией и зоной субдукции возникает зона растяжения и от континента откалывается небольшой кусок, который быстро оказывается на месте нисходящего мантийного потока (в зоне субдукции).Эксперимент соответствует геологическим данным об отрыве Японских островов от Евразии 15-25 млн. лет назад. Возникает Японское море с растянутой истонченной океанической литосферой и, соответственно, с повышенным локальным тепловым потоком.
Модель мантийной конвекции с плавающими континентами позволяет предсказать судьбу Японского моря, Японии и других островов. Сейчас Япония находится в зоне субдукции. Евразийский континент, продолжая замедленно двигаться, упирается в эту зону, частично сдвигая ее в сторону океана. Затем примерно через 30-50 млн. лет окраинное море исчезнет, и Япония вместе с другими островами примкнет к Евразии .
Поскольку за время своего существования Японские острова растут за счет вулканических пород, то после их присоединения увеличится и Евроазиатский континент. Магма, излившаяся на океаническое дно в небольших объемах < 20 км3, затянется в мантию в зонах субдукции, поэтому более крупные осколки континентов (типа Японских островов) послужат зародышами новых островных дуг. После закрытия моря на окраине Евразии вместо зоны растяжения возникнет зона сжатия и вырастут горы типа Анд Южной Америки. Такая эволюция напряженного состояния определяет тектонику и общую сейсмическую обстановку этих регионов.
Численные эксперименты позволяют понять и описать историю почти всех континентов и эволюцию мантии под ними. Так, необычно сложную тектонику и сейсмическую обстановку запада Северной Америки ученые США объясняют хаосом мантийной конвекции, благодаря которой под неподвижный континент сначала ушла тяжелая плита Фаралон, а теперь тонет и легкий горячий океанический хребет.
Однако модели с плавающими континентами показывают, что это не хаос, а решение уравнений переноса энергии, массы и импульса. Северная Америка на 50 млн. лет раньше оторвалась от Пангеи . Как показывает детальное моделирование, Северная Америка уже прошла стадию растяжения Евразии и сжатия Южной Америки и теперь надвигается на океанический хребет, откалывающий от нее Калифорнию. Континент приплыл к хребту со своим нисходящим мантийным потоком, который, в свою очередь, стал затягивать океанический хребет под Северную Америку. Поэтому Тихий океан - несимметричный .
Таким образом, модель мантийной конвекции с плавающими континентами позволяет понять и количественно описать многие ранее непонятные глобальные процессы в Земле. Модель не отвергает тектонику плит, а лишь обобщает ее и указывает пределы ее применения. Плиты временно (на -100 млн. лет) примерзают к пассивным окраинам континентов и уходят в мантию под континенты на их активных окраинах. Долгоживущие континенты (-3 млрд. лет) играют роль тепловых клапанов, регулирующих глобальные процессы в Земле, формирующие наблюдаемые структуры, и управляющих самой тектоникой плит.
Работа выполнялась при поддержке гранта РФФИ 02-05-64723 и контракта Министерства образования и науки РФ.