Экспериментальное и теоретическое моделирование свободноконвективных течений и термохимических плюмов в мантии Земли тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.03, доктор геолого-минералогических наук Кирдяшкин, Алексей Анатольевич

• Кирдяшкин, Алексей Анатольевич
• доктор геолого-минералогических наук
• 2010

Оглавление диссертации доктор геолого-минералогических наук Кирдяшкин, Алексей Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Моделирование мантийной конвекции и мантийных плюмов: обзор исследований.

1.1. Границы режимов конвекции. Нестационарная свободная конвекция в горизонтальном слое, подогреваемом снизу и охлаждаемом сверху.

1.2. Модели конвекции в мантии.

1.3. Некоторые данные о распределении температуры в мантии и о важнейших фазовых переходах.

1.4. Обсуждение возможности двухслойной модели мантийной конвекции в связи с вопросом о влиянии фазового перехода 670 км на расслоение мантии.

1.5. Моделирование мантийной конвекции.

1.5.1. Численное моделирование мантийной конвекции.

1.5.2. Экспериментальное моделирование мантийной конвекции.

1.5.3. Моделирование конвекции в астеносфере.

1.6. Моделирование погружения плит в мантию.

1.7. Моделирование мантийных плюмов.

ЧАСТЬ I. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КОНВЕКЦИИ В НИЖНЕЙ МАНТИИ И АСТЕНОСФЕРЕ.

Глава 2. Экспериментальное моделирование влияния интенсивности теплообмена на режим свободноконвективных течений в нижней мантии.

2.1. Структура свободноконвективного течения и закономерности теплообмена вблизи поверхности теплообмена при больших числах Прандтля.

2.2. Экспериментальная установка.

2.3. Структура течения и теплообмен при развитии турбулентного режима течения в горизонтальном слое, подогреваемом снизу

2.4. Закономерности изменения амплитуды и интенсивности пульсаций температуры и границы турбулентного режима течения в горизонтальном слое.

2.5. Возможность корректного экспериментального моделирования мантийной конвекции и режим конвекции в нижней мантии.

2.6. Выводы и результаты.

Глава 3. Структура свободноконвективных течений в нижней мантии по данным экспериментального теплофизического моделирования.

3.1. Экспериментальная установка.

3.2. Временные и пространственные масштабы турбулентных свободноконвективных течений в горизонтальном слое, нагреваемом снизу и охлаждаемом сверху.

3.3. Временные масштабы пульсаций температуры в нижней мантии

3.4. Экспериментальная установка для моделирования нижнемантийной конвекции при наличии зон субдукции.

3.5. Теплообмен и структура течения в нижней мантии при наличии зон субдукции.

3.6. Выводы и результаты.

Глава 4. Моделирование свободноконвективных течений в астеносфере под континентом и океаном.

4.1. Модель астеносферы под континентом при наличии зоны субдукции.

4.2. Экспериментальное моделирование влияния субдукции на тепловую и гидродинамическую структуру конвективных течений в астеносфере под континентом.

4.3. Модель конвективных течений в астеносфере под срединноокеаническим хребтом.

4.4. Экспериментальная установка и система измерения температуры и скорости.

4.5. Экспериментальные профили скорости течения и температуры в горизонтальном слое, нагреваемом сбоку и охлаждаемом сверху.

4.6. Свободная конвекция в горизонтальном слое при постоянном горизонтальном градиенте температуры и подвижной верхней границе (теоретическое решение).

4.7. Сопоставление теоретического решения с данными экспериментальных исследований.

4.8. Поля скорости и температуры в астеносфере в области СОХ по данным экспериментального и теоретического моделирования

4.8.1. Поле температуры в астеносфере под медленноспрединговым СОХ.

4.8.2. Профили скорости в астеносфере под СОХ и величина силы трения на границе океаническая литосфера-астеносфера.

4.9. Выводы и результаты.

ЧАСТЬ И. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МАНТИЙНЫХ

ТЕРМОХИМИЧЕСКИХ ПЛЮМОВ.

Глава 5. Модель мантийного термохимического плюма. Параметры термохимических плюмов.

5.1. Модель формирования мантийного термохимического плюма.

5.2. Определяющие критерии тепло- и массообмена термохимического плюма.

5.3. Теплообмен термохимического плюма.

5.4. Массообмен термохимического плюма.

5.5. Результаты решения задачи о тепло- и массообмене термохимического плюма.

5.6. Оценки тепловой мощности термохимических плюмов.

5.7. Параметры термохимического плюма.

5.8. Выводы и результаты.

Глава 6. Моделирование прорыва термохимического плюма па поверхость.

6.1. Распределение давления в поднимающемся плюме.

6.2. Условия формирования канала излияния.

6.3. Касательное напряжение гкр и критическая высота массива над кровлей плюма при прорыве плюма на поверхность.

6.4. Диаметр и время формирования головы плюма на подошве тугоплавкого" слоя в литосфере.

6.5. Характеристика Сибирских траппов в рамках модели термохимического плюма.

6.6. Выводы и результаты.

Глава 7. Взаимодействие между каналом термохимического плюма и горизонтальными мантийными свободноконвективными течениями.

7.1. Тепловая и гидродинамическая структура свободно-конвективного течения в канале термохимического плюма.

7.2. Теплообмен термохимического плюма с горизонтальным мантийным потоком.

7.3. Массообмен термохимического плюма с горизонтальным мантийным потоком.

7.4. Решение задачи о тепло- и массообмене термохимического плюма.

7.5. Теплообмен между каналом плюма и окружающей мантией.

7.6. Оценки параметров нижней мантии и диаметра Гавайского плюма.

7.7. Выводы и результаты.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментальное и теоретическое моделирование свободноконвективных течений и термохимических плюмов в мантии Земли»

В работе представлено экспериментальное и теоретическое моделирование конвективных течений в верхней и нижней мантии Земли и мантийных термохимических плюмов. Объектом исследования является конвектирующая мантия Земли в связи с определением структуры конвективных течений в верхней и нижней мантии, структуры мантийных термохимических плюмов, взаимодействия плюмов с мантийными конвективными течениями и условий их излияния.

Актуальность исследования.

Геодинамика занимается установлением и исследованием процессов и сил, порождающих движения в тектоносфере и в глубинных оболочках Земли. Прежде всего, к таким силам относятся термогравитационные силы, обусловливающие свободноконвективные течения в глубинных оболочках Земли и в каналах плюмов, поднимающихся от границы ядро-мантия. Свободноконвективные течения в мантии и мантийные плюмы определяют глобальную тектонику и геодинамику Земли, энергетический баланс, структурные изменения и развитие как отдельных геосфер, так и Земли в целом. Поэтому определение тепловой и гидродинамической структуры мантийных конвективных течений и плюмов представляет собой одну из основных проблем геодинамики.

Под термогравитационной конвекцией (свободной или естественной) понимаются явления тепло- массопереноса при тепловом расширении жидкости в гравитационном поле. Свободная конвекция является представляет собой один из основных глубинных геодинамических процессов. Конвективными движениями определяются основные процессы взаимодействия литосферы и астеносферы: спрединг океанического дна, образование трансформных разломов, погружение литосферных плит в зонах субдукции. Однако геодинамические процессы в глубинных оболочках Земли недоступны непосредственному наблюдению^ и решающее значение в исследованиях глубинных геодинамических процессов, ответственных за движения и взаимодействия в тектоносфере, приобретают опосредованные методы. На фоне огромного объема геохимических и геофизических данных, меняющихся представлений о составе, структуре и движениях в глубинных оболочках и большого числа аргументов как в пользу однослойной, так и двухслойной моделей мантийной конвекции метод теплофизического моделирования приобретает большое значение для исследования мантийных свободноконвективных течений и создания физически обоснованных геодинамических моделей конвектирующей мантии.

Корректное численное моделирование трехмерных нестационарных свободноконвективных течений в мантии, численные расчеты течений в канале мантийного плюма представляют собой очень сложную задачу. Определенный задел создан в установлении структуры мантийных течений с учетом ряда усложнений и допущений в так называемых моделях термохимической конвекции. Однако, несмотря на усложнения расчетов и детализацию моделей, используемых в численном моделировании мантийных течений, многие фундаментальные задачи, касающиеся моделирования геодинамических процессов, еще требуют своего решения. Необходимо определить структуру течения и теплообмен в нижней мантии, эта задача требует привлечения экспериментального теплофизического моделирования, поскольку, как указано выше, корректное численное моделирование трехмерной нестационарной конвекции в горизонтальном слое, подогреваемом снизу и охлаждаемом сверху, служащем моделью нижней мантии, является весьма сложной задачей.

Конвективные движения в астеносфере в большинстве работ по численному моделированию описываются как вынужденные течения, создающиеся субдуцирующей плитой, и не рассматривается горизонтальный градиент температуры, как основной контролирующий фактор астеносферного течения. Пока остается открытым вопрос о том, какие режимы свободноконвективного течения могут существовать в астеносфере, не изучено влияние зоны субдукции на свободноконвективные течения в астеносфере под континентом и не определены поля температуры и скорости в астеносфере под океаном в режиме пограничного слоя. Численные эксперименты в определенной мере дополнили представления о структуре течения в астеносфере под континентом и океаном, однако, не дают детальной трехмерной структуры течения в астеносфере в области СОХ, и замкнутая геодинамическая модель конвектирующей астеносферы пока не построена. Отсюда следует, что, кроме численного моделирования, для решения проблемы астеносферной конвекции необходимо экспериментальное теплофизическое моделирование свободноконвективных течений в астеносфере под континентом при наличии зоны субдукции и в астеносфере под океаном в области СОХ. С определением тепловой и гидродинамической структуры астеносферных течений тесно связана одна из основных проблем геодинамики - определение общего баланса сил, управляющих движениями плит. Для дальнейших конструктивных поисков решения этой проблемы необходимо определить одну из основных сил - силу трения на границе литосфера-астеносфера. Результаты экспериментального и теоретического моделирования конвекции в астеносфере под океаном необходимы для оценки суммарной силы трения, действующей со стороны астеносферного потока на плиту.

Мантийные плюмы и их геологические проявления на поверхности в настоящее время являются объектом интенсивных исследований в геодинамике, геотектонике, геологии. В численном моделировании плюмы представляют собой восходящие конвективные потоки, создающиеся на границе ядро-мантия вследствие очень высокого сверхадиабатического перепада температуры. Вопрос о термохимической природе мантийных плюмов и роли тех или иных компонентов в их формировании продолжает обсуждаться. Однако не выяснены условия формирования и важнейшие параметры термохимических плюмов. Требует решения задача детального расчета тепло- и массобмена термохимических плюмов как для случая кондуктивного теплоотвода от плюма в окружающую мантию, так и для взаимодействия плюма с горизонтальными свободноконвективными мантийными течениями. До настоящего времени в качестве основного способа взаимодействия плюма с мантийной конвекцией указывался отклонение (сдвиг) плюма горизонтальным мантийным потоком, то есть, чисто механическое воздействие мантийного потока на плюм. Однако, процессы тепло- и массопереноса, происходящие при взаимодействии горизонтальных свободно-конвективных мантийных потоков с каналом термохимического плюма, пока не исследованы. В связи с этим требует своего решения и задача определения основных параметров плюма, находящегося, подобно Гавайскому, под влиянием горизонтальных мантийных течений. Эти оценки необходимы как для создания завершенной геодинамической модели такого плюма.

Вслед за вопросами о формировании и динамике подъема плюма в мантии требуют анализа геодинамические процессы, происходящие при излиянии плюма на поверхность, то есть, приобретает актуальность задача определения условий формирования канала излияния плюма. Важной задачей геодинамики является определение времени роста и размера головы плюма, поднявшегося из глубоких слоев мантии к литосфере, и в настоящее время ведется активный поиск подходов к ее решению. Во всех работах по экспериментальному и численному моделированию плюмов со структурой типа "голова на ножке" плюм поднимается за счет разности плотностей материала плюма и окружающей мантии, без рассмотрения свободноконвективных течений в канале плюма и тепло- и массообмена на его подошве. На современном этапе исследований' уже требуется определить связь между диаметром, временем формирования головы плюма на подошве "тугоплавкого слоя" и тепловой мощностью источника, что позволяет найти связь между процессами тепло- и массообмена на его подошве, параметрами "тугоплавкого слоя" и проявлениями плюма на поверхности. Актуальность установления таких зависимостей определяется необходимостью охарактеризовать большие магматические провинции в рамках модели термохимического плюма, что представляется весьма важным для разработки моделей и дальнейшего решения современных проблем металлогении и рудообразования.

Таким образом, актуальность работы определяется необходимостью решения ключевых задач геодинамики и, в связи с этим, необходимостью: проведения лабораторного теплофизического моделирования нижнемантийной конвекции для определения структуры течения и теплообмена в нижней мантии; экспериментального и теоретического моделирования конвекции в астеносфере для определения структуры конвективных течений и теплообмена в астеносфере под континентом при наличии зоны субдукции и в астеносфере под океаном; расчета тепло- и массообмена мантийных термохимических плюмов и определения их основных параметров; установления условий излияния плюма на поверхность и определения зависимости между процессами тепло- и массообмена на1 подошве термохимического плюма и процессами образования головы плюма и излияния плюма на поверхность; построения самосогласованных геодинамических моделей мантийной конвекции и мантийных плюмов.

Цель исследований состоит в построении моделей конвективной структуры верхней и нижней мантии и мантийных термохимических плюмов на основе метода теплофизического моделирования с использованием геологических и геофизических данных и в определении основных закономерностей свободноконвективного теплообмена мантии и тепло- и массообмена плюмов на основе построенных reo динамических моделей.

Задачи исследований.

1. На основе экспериментального моделирования определить режим нижнемантийной конвекции и структуру свободноконвективных течений в нижней мантии.

2. На основе экспериментального моделирования определить влияние зоны субдукции- на структуру свободноконвективного течения и теплообмен в, астеносфере под континентом.

3. На основе экспериментального и теоретического моделирования определить структуру течения в астеносфере под океаном и выяснить влияние скорости движения океанической литосферной плиты на скорость конвективных течений в астеносфере под океаном, касательное напряжение и силу трения, действующую со стороны астеносферного потока на литосферную плиту.

4. Определить температурные условия образования термохимического плюма, рассчитать тепло- и массообмен термохимического плюма для случая кондуктивного теплоотвода от канала плюма в окружающую мантию, выяснить влияние коэффициента диффузии химической добавки, понижающей температуру плавления, на условия формирования термохимического плюма и оценить параметры мантийного термохимического плюма.

5. Определить условия излияния термохимического плюма на поверхность и найти связь между процессами тепло- и массообмена на его подошве, параметрами "тугоплавкого слоя" в литосфере и геологическими проявлениями плюма на поверхности.

6. Рассчитать тепло- и массообмен термохимического плюма, взаимодействующего, подобно Гавайскому, с горизонтальными мантийными свободноконвективными потоками, выяснить влияние диаметра источника плюма на долю тепловой мощности, отданной плюмом верхне- и нижнемантийному горизонтальным течениям, а также оценить кинематическую вязкость расплава и диаметр Гавайского плюма.

Фактический материал. Методы исследования.

Основной метод, применяемый в диссертации для исследования мантийной тепловой конвекции и конвективных течений в канале мантийного термохимического плюма, - метод теплофизического моделирования, экспериментального и теоретического! Для определения временных и пространственных масштабов нижнемантийных конвективных течений как в отсутствие, так и при наличии зон субдукции было проведено 400 лабораторных экспериментов. В результате экспериментов получены зависимости температуры и числа Рэлея от времени и снимки картины конвективного течения в горизонтальном слое. Период короткопериодных пульсаций температуры в нижнемантийных конвективных ячейках определялся на основе критерия гидродинамической гомохронности (Кутателадзе, Боришанский, 1959) с использованием корреляционного метода спектрального анализа (Дженкинс, Ватте, 1971). Уравнения свободноконвективного тепло- и массообмена в горизонтальном слое в приближении Буссинеска (Джалурия, 1983) проанализированы для чисел Прандтля Рг » 1 на основе теории подобия.

Для определения структуры течения и теплообмена в астеносфере под континентом при наличии зоны субдукции проведено 100 экспериментов. Материал лабораторных экспериментов представлен кривыми температуры от времени Т(() и снимками картины конвективного течения вблизи кровли и подошвы слоя. На основании измеренных профилей температуры и снимков картины течения определялись режимы свободноконвективного течения в астеносфере под континентом. Экспериментальное моделирование конвекции в астеносфере под СОХ проведено на установке, представляющей собой горизонтальный слой жидкости, нагреваемый сбоку и охлаждаемый сверху. Для определения тепловой и гидродинамической структуры конвективных течений в астеносфере под океаном сделано 100 экспериментов. Экспериментальный материал представлен профилями температуры и скорости, а также данными измерений высоты конвективных валиков у кровли и подошвы слоя. На основании этих данных определялась структура течения и устанавливались закономерности изменения скорости течения и температуры в режиме пограничного слоя. Теоретическое моделирование заключалось в решении уравнений свободной конвекции в приближении Буссинеска для ядра потока в горизонтальном слое, нагреваемом сбоку и охлаждаемом сверху, служащем моделью астеносферы под океаном. Профили температуры в астеносфере под медленноспрединговым СОХ получены на основании профилей температуры, измеренных для неподвижной кровли слоя, и преобразования координаты, учитывающего линейный масштаб для режима пограничного слоя (Джалурия, 1983; Шлихтинг, 1969). При анализе результатов экспериментального и теоретического моделирования использовались имеющиеся данные о параметрах трансформных разломов и СОХ (Кирдяшкин А.Г., 1989; Хаин, Ломизе, 2005). Построение профилей скорости конвективных течений в астеносфере под СОХ осуществлялось на основе полученного теоретического решения и экспериментальных профилей скорости. При этом использованы физические свойства астеносферы, приведенные в работах

Жарков, 1983; Справочник., 1969; Физические свойства., 1984; Физические свойства., 1988; Anderson et al., 1992; Dobretsov, Kirdyashkin A.G., 1998). Тепловой поток, скорость спрединга, высота Срединно-Атлантического хребта приняты согласно данным (Международный геолого-геофизический атлас.; Bonatti et al., 2003; Small, Sandwell, 1994; Sclater et al., 1980).

Теоретическое моделирование мантийных термохимических плюмов состояло в получении балансовых уравнений для потоков тепла и массы и решении системы уравнений тепло- и массобмена для представленной модели термохимического плюма в случае кондуктивного теплоотвода от канала плюма в окружающую мантию и в случае передачи тепла от канала плюма горизонтальному мантийному свободноконвективному потоку. Для решения этих систем используется параметрический подход, когда определяются взаимосвязи большого числа параметров и находятся их значения, при которых обеспечивается устойчивое существование термохимического плюма. Локальные коэффициенты теплоотдачи, на основании которых оценивалась тепловая мощность, отданная верхне- и нижнемантийному горизонтальным потокам, определены с использованием решения (Turcotte, Schubert, 1982).

В основу моделирования термохимических плюмов положены следующие фактические данные. При анализе процессов тепло- и массообмена в канале термохимического плюма используются данные экспериментального моделирования плюмов (Добрецов и др., 1993, 2006; Dobretsov et al., 2008; Кирдяшкин А.Г., Гладков, 1994). Оценки параметров термохимических плюмов сопоставлялись с имеющимися данными экспериментального и теоретического моделирования плюмов (Добрецов и др., 1993; Dobretsov, Kirdyashkin A.G., 1998) и существующими геологическими оценками (Зоненшайн, Кузьмин, 19936; Larson, Olson, 1991), для оценки тепловой мощности плюмов использовались геологические данные по объему излияний плюмов (Сейферт, 1991; Vogt, 1976; Vogt, 1979). Для проверки результатов использованы оценки глубин для мантийных ксенолитов в щелочных базальтах (Ащепков и др., 1996; Ионов и др., 1993; Литасов и др., 2000; Ionov et al., 1993; Irving, 1980; Kopylova et al., 1995; Stosch et al., 1995). Для определения тепловой-мощности континентальных платобазальтовых провинций МакКензи и Центрально-Атлантической и океанических лавовых плато Онтонг-Джава и Манихики использованы геологические оценки диаметра (Ernst, Buchan, 2002; Ernst et al., 2005), для Тунгусской синеклизы - данные по объему излияний (Vasil'ev et al., 2000). При расчетах параметров Гавайского плюма, взаимодействующего с горизонтальными мантийными течениями, полученные оценки диаметра сопоставлялись с данными сейсмических исследований (Li et al., 2001), а также принимались во внимание данные по топографии Гавайского поднятия (Zhong, Watts, 2002). Перепад температуры в нижней мантии принимался в соответствии с экспериментальными данными (Boehler, 2000), использовались значения теплоты плавления по экспериментальным данным (Fukuyama, 1985; Kojitani, Akaogi, 1997) и учитывались оценки, принятые в численном моделировании (Breuer, Spohn, 2006; Gerya, Burg, 2007; O'Neil et al, 2005; Turcotte, Schubert, 1982).

Защищаемые положения, выводы и результаты.

1. Режим нижнемантийной свободной конвекции - развитый турбулентный, с короткопериодными пульсациями температуры в нижнемантийных конвективных ячейках, накладывающимися на длиннопериодные колебания температуры, обусловленные перестройкой ячеистой структуры нижней мантии.

В зонах субдукции формируются нисходящие конвективные течения в нижней мантии. Нижнемантийные конвективные течения являются результатом суперпозиции основных крупномасштабных конвективных ячеек и конвективных валиков, создающихся в области неустойчивой стратификации у кровли и подошвы нижней мантии. Нисходящим течениям нижнемантийных конвективных валиков могут соответствовать магистральные (или трансокеанские) трансформные разломы.

2. Вследствие охлаждения в зоне субдукции в астеносфере под континентом создается горизонтальный градиент температуры, под влиянием которого формируется конвективная ячейка, нисходящее течение ячейки задается охлаждающей субдуцирующей плитой. Вблизи кровли и подошвы астеносферы в области неустойчивой стратификации существуют конвективные валики, направление течения в которых перпендикулярно к направлению течения в астеносферной ячейке. При числах Рэлея Ra < 5 ■ 105 существует режим установившегося течения, при Ra > 5 ■ 105 - режим пограничного слоя, когда вблизи кровли и подошвы астеносферы под континентом существуют самостоятельные валиковые слои.

Свободноконвективные течения в астеносфере под океаном существуют в режиме пограничного слоя. Существуют две характерные области течения в астеносферном слое под океаном: область пограничного слоя у кровли астеносферы и устойчиво стратифицированная область в ядре потока, где течение плоскопараллельное и горизонтальный градиент температуры постоянный. Скорость движения литосферных плит влияет на форму профиля скорости только в верхней части астеносферы. Касательное напряжение на границе литосфера-астеносфера, вызванное астеносферным конвективным течением, и суммарная сила трения, действующая со стороны астеносферного потока на океаническую литосферную плиту, уменьшаются с увеличением скорости движения океанической литосферы.

3. Термохимический плюм формируется на границе ядро-мантия при локальном поступлении химической добавки, понижающей температуру плавления до величины Тт < Т\ (Т\ - температура границы ядро-мантия). Условие образования термохимического плюма: Сг> (Тпс - Т\)/к (сг~ концентрация химической добавки на границе канала плюма, Тпс — температура плавления "сухой" окружающей мантии (без химической добавки), коэффициент к [°С/%] задает снижение температуры плавления вследствие химической добавки). Средний перепад температуры Тпс - Т\ уменьшается с увеличением числа Льюиса, и, следовательно, уменьшением коэффициента диффузии химической добавки в канале плюма. Параметры термохимического мантийного плюма, рассчитанные с использованием полученных средних значений Тис - Гц обеспечивают его устойчивое существование.

4. Движение в массиве литосферы над кровлей поднимающегося плюма обусловлено разностью давления в расплаве под кровлей плюма и литостатического давления. Критическое касательное напряжение на боковой поверхности массива литосферы возрастает с увеличением диаметра канала плюма (1\ и разности температуры расплава под кровлей плюма и температуры окружающего массива А Т. Высота канала излияния термохимического плюма возрастает с увеличением диаметра канала плюма й\ и перепада АТ и уменьшается с увеличением отношения диаметров кровли и канала плюма йх!й\ ■

Диаметр головы плюма, формирующейся за счет плавления вдоль подошвы "тугоплавкого" слоя в литосфере, возрастает с увеличением времени (, отсчитываемого от момента достижения кровлей плюма подошвы "тугоплавкого" слоя до излияния плюма, и от тепловой мощности источника плюма N. Для представленной модели взаимодействия плюма с литосферой тепловая мощность источника для континентальных платобазальтовых провинций МакКензи и Центрально-Атлантической и океанических лавовых плато Онтонг-Джава и Манихики N = 7 • 10п-2 • 1012 Вт. Тепловая мощность, соответствующая объему излияний Тунгусской синеклизы, составляет 7 • 1011 - 1012 Вт, и время подготовки излияния = 6.1 - 8.7 млн лет. Для объема излияний Эмейшаньских траппов N-1 • 10й- 1012 Вт и ^ = 5-6.8 млн лет.

5. Согласно модели взаимодействия канала плюма с горизонтальными мантийными свободноконвективными течениями, в области мантийного потока, набегающего на плюмовый канал, происходит нагрев и плавление мантийного вещества. Расплав со средней скоростью потока V пронизывает канал плюма и кристаллизуется на его противоположной стороне. Тепло и химическая добавка, переданные каналом плюма мантийному потоку, уносятся от канала закристаллизовавшимся мантийным веществом со скоростью V. Доля тепловой мощности, отданной каналом Гавайского плюма нижнемантийному горизонтальному течению, уменьшается при увеличении диаметра источника плюма. Диаметр подошвы Гавайского плюма может составлять 63 - 97 км, что согласуется с имеющимися данными картирования канала Гавайского плюма на основе записей обменных Р8-волн.

Научная новизна исследований. Личный вклад.

- на основе экспериментальной диаграммы режимов свободной конвекции показано, что режим нижнемантийной конвекции - турбулентный; на основании экспериментальных зависимостей Т([), спектров пульсаций температуры и снимков картины течения определена структура конвективных течений в нижней мантии, оценены их временные и пространственные масштабы;

- на основе измеренных профилей температуры и картины течения установлено существование двух режимов течения в горизонтальном слое жидкости, охлаждаемом сбоку, моделирующем астеносферу под континентом при наличии зоны субдукции, и определена конвективная структура астеносферы под континентом при наличии зоны субдукции;

- на основании экспериментальных профилей температуры и теоретического анализа получено поле температуры в астеносферном слое в условиях медленного спрединга; на основе экспериментальных профилей скорости и теоретического решения получено поле скорости свободноконвективного течения в астеносфере под движущейся океанической плитой, получено выражение для касательного напряжения на границе литосфера-астеносфера и оценена суммарная сила трения, действующая со стороны астеносферного потока на океаническую литосферную плиту;

- с использованием распределения температуры, создающегося в нижней мантии при свободной конвекции, установлены температурные условия формирования термохимического плюма на границе ядро-мантия, на основании балансовых соотношений для потоков тепла и массы получены основные уравнения тепло- и массообмена термохимического плюма и с использованием параметрического подхода определены основные параметры мантийного термохимического плюма;

- рассматривая движение в массиве над кровлей поднимающегося плюма как течение Пуазейля, установлены геодинамические условия излияния плюма на поверхность, получены соотношения для касательного напряжения в массиве над кровлей плюма и высоты канала излияния, определено влияние разности температуры АТ и размеров канала плюма на критическое касательное напряжение в литосфере над кровлей плюма и высоту канала излияния плюма и оценена высота канала излияния;

- представлена модель прорыва плюма на поверхность для случая, когда кровля плюма достигает подошвы "тугоплавкого" слоя в литосфере, и с помощью баланса тепловых потоков в голове плюма определен ее диаметр в зависимости от тепловой мощности источника плюма и времени оценена тепловая мощность для континентальных платобазальтовых провинций МакКензи и Центрально-Атлантической и океанических лавовых плато Онтонг-Джава и Манихики, а также мощность, соответствующая объемам излияний Сибирских и Эмейшаньских траппов;

- построена модель взаимодействия канала плюма с горизонтальными мантийными свободноконвективными течениями, на основе которой:

- получены уравнения тепло- и массообмена термохимического плюма, находящегося под влиянием горизонтальных мантийных потоков;

- на основе локальных коэффициентов теплообмена между каналом плюма и горизонтальным нижнемантийным конвективным потоком определена тепловая мощность, отданная Гавайским плюмом верхней и нижней мантии;

- на основании балансовых уравнений для теплообмена между каналом плюма и окружающей мантией и закономерностей свободноконвективного теплообмена в нижней мантии оценены оценены теплопроводность, динамическая вязкость, число Рэлея и максимальная скорость горизонтальных течений в нижней мантии, и на основе анализа этих параметров определены кинематическая вязкость расплава в канале плюма и его диаметр.

Теоретическое и практическое значение.

Экспериментальные исследования свободной конвекции в горизонтальном слое позволили найти условия корректного лабораторного моделирования мантийной конвекции. Результаты проведенных исследований обеспечивают развитие теории мантийной конвекции. На основе экспериментального и теоретического моделирования представлена трехмерная структура конвективных течений и определены закономерности теплообмена в нижней и верхней мантии. Полученные результаты дают основу для определения тепловой и гидродинамической структуры мантии с учетом ее сложного слоистого строения и влияния зон субдукции и зон спрединга.

Определена величина силы трения, действующей со стороны астеносферного потока на океаническую литосферную плиту и направленной в сторону движения плиты, и тем самым определена составляющая движущей силы плиты, транспортирующая плиту к зоне субдукции, что необходимо для определения) общего баланса сил, управляющих динамикой тектоносферы. Данные экспериментального моделирования конвекции в астеносфере под океаном применены для определения полей устойчивости основных глубинных парагенезисов, а также размеров и конфигурации области частичного плавления в астеносфере (Кирдяшкин A.A. и др., 2006 - исследования к.г.-м.н. Н.В. Суркова).

Результаты моделирования термохимических плюмов представляют важную составляющую теории мантийных плюмов. На основе представленной модели термохимического плюма стал возможным расчет тепло- и массообмена мантийных плюмов как в случае кондуктивного, так и свободноконвективного теплоотвода от канала плюма в окружающую мантию и определение их базовых параметров. Модель взаимодействия плюма с горизонтальным мантийным потоком позволяет вывести основные уравнения тепло- и массообмена термохимического плюма, и оценить основные параметры нижней мантии и диаметр канала плюма. Эта модель объясняет причину высоких отношений 3Не/4Не для таких современных действующих плюмов, как Гавайский и Исландский и других плюмов, взаимодействующих с горизонтальными мантийными течениями. Результаты теоретического моделирования излияния плюмов на поверхность позволяют охарактеризовать плюмы, ответственные за образование больших магматических провинций, в рамках модели термохимического плюма, что дает основу для решения проблемы связи деятельности плюмов с процессами металлогении и рудообразования.

Результаты диссертационного исследования, относящиеся к мантийным свободноконвективным течениям и термохимическим плюмам, находят практическое применение в сфере высшего геологического образования, они входят в основу курса "Геодинамика", читаемого автором для магистрантов геолого-геофизического факультета НГУ, и могут использоваться для создания современных курсов геотектоники и геодинамики в российских университетах.

Апробация работы и публикации.

Исследования по теме диссертации проводились в рамках программ СО РАН согласно планам НИР (2004-2006, 2007-2009 гг.), а также были поддержаны грантами СО РАН (7 грантов), РФФИ (12), Президента Российской Федерации (4), РФСОН (3). Результаты, представленные в диссертации, выносились на обсуждение на международных и всероссийских совещаниях и конференциях: Международных научно-студенческих конференциях (Новосибирск, 1993-1996), научной конференции РФФИ "Геодинамика и эволюция Земли" (Новосибирск, 1996), Международном симпозиуме "Мантийные плюмы и металлогения" (Петрозаводск, 2002), Всероссийской научной конференции, посвященной 10-летию РФФИ "Геология, геохимия и геофизика на рубеже XX и XXI веков" (Москва, 2002), XXXVI, XXXVII и XXXIX Тектоническом совещаниях (Москва, 2003, 2006; Новосибирск, 2004), молодежных конференциях, посвященных М.А. Лаврентьеву (Новосибирск, 2001, 2003, 2004), заседании Президиума СО РАН (Новосибирск, 2004), Международном совещании "Актуальные проблемы рудообразования и металлогении" (Новосибирск, 2006), ГУ Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2006), Всероссийском совещании "Разломообразование и сейсмичность в литосфере: тектонофизические концепции и следствия" (Иркутск, 2009).

По теме диссертации опубликовано 35 работ, из них 18 статей в рецензируемых научных журналах, входящих в Перечень ведущих периодических изданий ВАК, и 16 тезисов в трудах совещаний и конференций. Кроме того результаты лабораторного и теоретического моделирования конвективных течений в нижней мантии и астеносфере, полученные автором, представлены в монографии

H.J1. Добрецов, А.Г. Кирдяшкин, A.A. Кирдяшкин "Глубинная геодинамика" (Новосибирск: Изд-во СО РАН, филиал «ГЕО», 2001).

Работы соискателя, в основу которых положены результаты, представленные в диссертации, отмечены наградами Российской академии наук. В 2006 г. за цикл работ "Термохимические плюмы и их основные параметры" автору была присуждена медаль Российской академии наук для молодых ученых РАН в области геологии, геофизики, геохимии и горных наук, и в 2007 г. присуждена премия имени М.А. Лаврентьева для молодых ученых в номинации "За выдающийся вклад в развитие Сибири и Дальнего Востока".

Структура и объем диссертации. Диссертация общим объемом 325 страниц состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы из 456 наименований и включает 90 рисунков и 5 таблиц. Диссертация состоит из двух частей: первая часть включает три главы и посвящена экспериментальному и теоретическому моделированию конвективных течений в мантии, во второй части, также состоящей из трех глав, представлены результаты теплофизического моделирования мантийных термохимических плюмов. В начале каждой главы помещена аннотация, в конце каждой главы приведены выводы и результаты.

Заключение диссертации по теме «Геотектоника и геодинамика», Кирдяшкин, Алексей Анатольевич

7.7. Выводы и результаты

Процессы тепло- и массопереноса в канале термохимического плюма, расположенного под океанической плитой вдали от оси СОХ, происходят в условиях горизонтальных мантийных свободноконвективных течений, протекающих через плюм. С использованием данных экспериментального моделирования свободноконвективных течений в нижней и верхней мантии и данных экспериментального и-теоретического моделирования тепловых и термохимических плюмов построена модель взаимодействия канала плюма с горизонтальными свободноконвективными течениями в верхней и нижней мантии. Согласно этой модели, в области мантийного потока, набегающего на плюмовый канал (в лобовой части канала плюма), происходит нагрев и плавление мантийного вещества. Расплав со средней скоростью потока v пронизывает канал плюма и кристаллизуется на его противоположной стороне (в кормовой части канала). Тепло и химическая добавка, переданные каналом плюма мантийному потоку, уносятся от' канала закристаллизовавшимся мантийным веществом со скоростью v. Предложенная теплофизическая модель взаимодействия плюма с горизонтальным мантийным потоком позволила вывести основные уравнения тепло- и массообмена термохимического плюма, находящегося, подобно Гавайскому плюму, вдали от СОХ.

Решена многопараметрическая задача о тепло- и массообмене термохимического плюма, взаимодействующего с горизонтальным мантийным потоком. Тепловая мощность источника плюма на границе ядро-мантия возрастает с увеличением концентрации добавки с\ и доли расплава в канале плюма ср. С увеличением числа Льюиса Le от 100 до 1000 тепловая мощность плюма при ср = const уменьшается. Концентрация добавки с\, понижающей температуру плавления на подошве плюма, уменьшается с увеличением доли расплава в канале плюма ср. Для диаметра источника плюма ds = 100 км тепловая мощность N = 3 • 108 кВт достигается при следующих значениях параметров: v\ = 2 м2/с, ср ~ 0.5, с\ = 2 - 3% и 175 < Le < 510 (2 • 10"9 м2/с < D < 5.7 • 10"9 м2/с). Рассмотренная модель тепло- и массообмена термохимического плюма при наличии горизонтальных мантийных потоков позволяет понять причину высоких отношений 3Не/4Не для Гавайского плюма и других плюмов, взаимодействующих с горизонтальными мантийными течениями.

На основе локальных коэффициентов теплообмена между границей канала плюма и горизонтальным нижнемантийным конвективным потоком составлен баланс тепловых потоков от канала плюма в верхнюю и нижнюю мантию. Согласно тепловому балансу для термохимического плюма, тепловая мощность, отданная плюмом в окружающую мантию, равна сумме тепловой мощности, затраченной на нагрев набегающего мантийного потока в лобовой области канала плюма, и тепловой мощности, затраченной на плавление вещества мантийного потока. С использованием этого теплового баланса определена тепловая мощность, отданная плюмом нижней и верхней мантии для тепловой мощности источника Гавайского плюма N\, равной 3-Ю11 Вт. Доля тепловой мощности, отданной каналом плюма в нижнюю мантию, уменьшается от 67 до 27% (от мощности источника N\~ 3 • 1011 Вт) при увеличении диаметра источника плюма ds от 50 до 120 км.

На основании балансовых уравнений для теплообмена между каналом плюма и окружающей мантией и закономерностей свободноконвективного теплообмена в нижней мантии оценены теплопроводность, число Рэлея, вязкость для нижней мантии, скорость горизонтального нижнемантийного течения. На основе анализа параметров нижней мантии, сделанного с использованием ограничений, накладывающихся на число Рэлея для нижней мантии, базирующихся на экспериментальном моделировании в горизонтальном слое, и ограничений для кинематической вязкости расплава, основанных на оценках параметров плюма, оценены кинематическая вязкость расплава в канале плюма и его диаметр.

Для теплоты плавления В = (3 - 6) • 105 Дж/кг и коэффициента теплового объемного расширения /? = 3 • 10"5 °С"' получены следующие оценки для нижней мантии: Л = 7 - 12 Вт/м • °С, 11а = 106 - 1.9 • 107, т] = (0.35 - 6.3) • 1021 Па • с, утах - 1.1 - 2.9 см/год, и оценки параметров канала плюма: с1$ = 63 - 93 км, У\ = 0.3 - 8.1 м2/с. Для В - (3 - 4) • 105 Дж/кг и р = 10"5 °С"' получены следующие значения: Л = 10 - 12 Вт/м ■ °С, Ыа = (1 - 6.6) • 10б, 77 = (0.24 - 2.1) • 1021 Па • с, утах =12- 2.4 см/год; = 76 — 97 км, У\ = 0.7 — 4.4 м /с. Диаметр подошвы Гавайского плюма может быть равным с1$ = <1г = 63 — 97 км. Размеры канала Гавайского плюма, найденные на основе анализа записей обменных РБ-волн (1Л е1 а1., 2000): наибольший размер канала ПЛЮМа йщах

94 км и наименьший размер с!т\п — 50 км. Таким образом, оценки диаметра канала Гавайского плюма, полученные на основе расчета теплообмена между каналом плюма и горизонтальными мантийными потоками, протекающими через плюм, согласуются с размерами канала этого плюма, найденными с помощью сейсмических исследований. Для этих оценок диаметра канала плюма средние доли тепловой мощности, отведенной от канала плюма в верхнюю и нижнюю мантию, примерно равны.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации с использованием метода теплофизического моделирования построены модели конвективной структуры мантии и мантийных термохимических плюмов. На основе построенной системы геодинамических моделей определены основные закономерности свободноконвективного теплообмена в мантии и тепло- и массообмена термохимических плюмов. Метод теплофизического моделирования с использованием геологических и геофизических данных позволил решить поставленные задачи, являющиеся ключевыми для геодинамики: определить структуру течения и теплообмен в нижней и верхней мантии, рассчитать тепло- и массообмен мантийных термохимических плюмов, определить их взаимодействие с мантийными конвективными течениями и основные параметры, определить связь между процессами тепло- и массообмена на подошве плюма и геологическими проявлениями плюма на поверхности.

Экспериментальное и теоретическое моделирование позволило установить трехмерную структуру течения в верхней и нижней мантии, оно показало, что структура мантийных течений является результатом взаимодействия крупномасштабных ячеистых течений и конвективных валиков, создающихся в мантии в области неустойчивой стратификации у границ раздела. Нисходящим течениям нижнемантийных конвективных валиков могут соответствовать магистральные (или трансокеанские) трансформные разломы, трансформные разломы меньшего масштаба соответствуют опускным потокам астеносферных валиков. Экспериментальная трехмерная картина течений в нижней мантии и астеносфере может быть использована для верификации и уточнения результатов численных экспериментов.

Результаты теоретического моделирования, полученные для астеносферы под океаном, применимы для исследования тепловой и гидродинамической структуры слоя С. Полученные в диссертации профили температуры и скорости в астеносфере под океаном могут использоваться для построения' геодинамических моделей различных океанических областей. Профили температуры в астеносфере под СОХ уже нашли свое применение в задачах петрологии для определения полей устойчивости основных глубинных парагенезисов и размеров и конфигурации области частичного плавления в астеносфере под СОХ. Экспериментальное и теоретическое моделирование позволяет получить выражение для касательного напряжения на границе литосфера-астеносфера, обусловленного астеносферным течением, которое дает возможность определить величину силы трения, действующей на океанические литосферные плиты со стороны астеносферного потока. Оценки силы трения (движущей силы плиты) могут использоваться в задачах расчета динамики зон субдукции.

Представленная в работе геодинамическая модель термохимического плюма может быть применена для расчета тепло- и массообмена мантийных плюмов. Аналогия между теплообменом и массообменом при свободной конвекции позволяет получить основные уравнения тепло- и массообмена термохимического плюма на основе балансовых соотношений для тепловых потоков и массовых потоков химической добавки, составленных для указанной модели. В результате решения этой системы уравнений можно определить основные параметры плюмов, такие как тепловая мощность источника плюма, время и скорость подъема, характерные перепады температуры, кинематическая вязкость расплава и коэффициенты диффузии химической добавки в канале плюма.

Полученные в работе зависимости диаметра головы плюма и объема расплава от тепловой мощности источника уже позволили оценить тепловую мощность источника для континентальных платобазальтовых провинций МакКензи и Центрально-Атлантической и океанических лавовых плато Онтонг-Джава и Манихики, а также оценить тепловую мощность и время подготовки излияния для Тунгусской синеклизы и Сибирских траппов в целом. Эти зависимости дают возможность охарактеризовать плюмы, ответственные за образование больших магматических провинций, в рамках модели термохимического плюма. Так, для известного объема излияний плюма оценивается тепловая мощность его источника, и, наоборот, для известной тепловой мощности источника оценивается объем излияний для соответствующего времени от образования плюма на границе ядро-мантия до его излияния на поверхность (времени подготовки излияния).

Предложенная в работе модель взаимодействия плюма с горизонтальным мантийным потоком позволила вывести основные уравнения тепло- и массообмена термохимического плюма, находящегося, подобно Гавайскому плюму, вдали от СОХ. Для плюмов, находящихся под влиянием горизонтальных мантийных течений, на основании балансовых соотношений для потоков тепла и тепловой мощности, отдаваемой каналом плюма в нижнюю мантию, можно оценить теплопроводность, число Рэлея, вязкость нижней мантии и скорость горизонтального нижнемантийного течения. Анализ этих параметров с учетом возможных оценок перепада температуры в нижней мантии позволяет оценить кинематическую вязкость расплава в канале термохимического плюма и диаметр канала плюма.

Несомненно, исследования мантийной тепловой конвекции и мантийных термохимических плюмов будут продолжены. В области экспериментального и теоретического моделирования мантийной конвекции и мантийных плюмов это, прежде всего исследование влияния свободноконвективных течений на динамку зон субдукции, исследование режимов теплообмена термохимических плюмов, а также влияния термохимических плюмов на конвективную структуру мантии. Здесь можно выделить следующие задачи:

- расчет теплообмена между субдуцирующей океанической литосферой, континентом и конвектирующей астеносферой, подстилающей континент, а также исследование теплового и гидродинамического взаимодействия субдуцирующей плиты со слоем С;

- определение величины всех основных сил, действующих в зоне субдукции, в том числе, определение величины силы трения в вязком слое на границе субдуцирующей плиты;

- выяснение влияния движущих сил субдукции и параметров вязкого слоя на скорость субдукции;

- определение влияния тепловой мощности источника и тепловой мощности, отданной плюмом в окружающую мантию, на форму канала плюма и на режимы свободноконвективного течения в канале плюма;

- выяснение влияния термохимических плюмов, взаимодействующих со свободноконвективными горизонтальными мантийными течениями, и тем самым, обусловливающих перекристаллизацию мантийного вещества, на конвективную структуру мантии.

Список литературы диссертационного исследования доктор геолого-минералогических наук Кирдяшкин, Алексей Анатольевич, 2010 год

1. Акимото С. Система Mg0-Fe0-Si02 при высоких давлениях и температурах — фазовые равновесия и упругие свойства // Верхняя мантия / Под. ред. А. Ритсемы. Пер. с англ. М.: Мир, 1975. С. 60-80.

2. Анфилогов В.Н., Хачай Ю.В. Возможный вариант дифференциации вещества на начальном этапе формирования Земли // Докл. РАН. — 2005. Т.403. - № 6. — С.803-807.

3. Анфилогов В.Н., Хачай Ю.В. Гидроэкструзия возможный механизм движения диапиров, куполов и мантийных плюмов // Геохимия. - 2006. - № 8. - С.873-878.

4. Ащепков И.В., Литасов Ю.Д., Литасов К.Д. Ксенолиты гранатовых перидотитов из меланефелинитов хребта Хэнтэй (Южное Забайкалье): свидетельство подъема мантийного диапира // Геология и геофизика. 1996. -Т.37. -№ 1.-С. 130-147.

5. Бердников B.C., Кирдяшкин А.Г. Структура свободноконвективных течений в горизонтальном слое жидкости при различных граничных условиях // Структура пристенного пограничного слоя. Новосибирск: ИТФ СО АН СССР, 1987. С.50-71.

6. Берч Дж., Шерер Дж., Спайсер Г. Справочник для геологов по физическим константам. Пер. с англ. М.: ИИЛ, 1949. - 303 с.

7. Ботт М. Внутреннее строение Земли. Пер. с англ. М.: Мир, 1974. 373 с. Бояринцев Д.М. Теплопередача через жидкостные и газовые прослойки // ЖТФ. - 1950. - Т. XX. - Вып. 9. - С. 1084-1097.

8. Булашевич Ю.П., Хачай Ю.В. О связи выделения аргона и гелия из мантии с термической эволюцией Земли // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1974. - № 7.-С.3-9.

9. Булашевич Ю.П., Хачай Ю.В., Ферштатер Г.Б. О влиянии конвекции на дифференциацию вещества мантии Земли // Докл. АН СССР. 1989а. - Т. 305.- № 2. С.310-313.

10. Гончаров М.А. От тектоники литосферных плит к геодинамике иерархически соподчиненных геосфер // Отечественная геология. - 1999. - № 3. - С. 10-14. Гончаров М.А., Талицкий В.Г., Фролова Н.С. Введение в тектонофизику. - М.: КДУ, 2005.-496 с.

11. Добрецов H.JI. Введение в глобальную петрологию. Новосибирск: Наука, 1980. -200 с.

12. Добрецов H.JI. Глобальные петрологические процессы. М.: Недра, 1981. 236 с.

13. Добрецов H.JL, Ащепков И.В., Симонов В.А., Жмодик С.М. Взаимодействие пород верхней мантии с глубинными флюидами и расплавами в Байкальской рифтовой зоне // Геология и геофизика. 1992. - № 3. С. 3-19.f

14. Добрецов H.JI., Кирдяшкин А.Г. Применение двухслойной конвенции к структурным особенностям и геодинамики Земли // Геология и геофизика. -1993.-Т.34.-№ 1. С.3-26.

15. Добрецов Н.Л., Кирдяшкин А.Г. Об источниках мантийных плюмов // ДАН. -2000. Т.373. - № 1. - С.84-86.

16. Добрецов Н.Л., Кирдяшкин А.Г., Гладков И.Н. Проблемы глубинной геодинамики и моделирование мантийных плюмов // Геология и геофизика. -1993. Т.34. № 12.-С.5-21.

17. Добрецов Н.Л., Кирдяшкин А.Г. Глубинная геодинамика. Новосибирск: Изд-во СО РАН, НИЦ ОИГГМ СО РАН, 1994. - 299 с.

18. Добрецов Н.Л., Кирдяшкин А.Г. Моделирование процессов субдукции // Геология и геофизика. 1997. - Т.38. - № 5. - С.846-856.

19. Добрецов Н.Л., Кирдяшкин А.Г., Гладков И.Н. Проблемы глубинной геодинамики и моделирование мантийных плюмов // Геология и геофизика. -1993.-Т.34.-№12.-С.5-21.

20. Добрецов Н.Л., Кирдяшкин А.Г., Кирдяшкин A.A. Параметры горячих точек и термохимических плюмов // Геология и геофизика. 2005. -Т.46. - № 6. - С.589-602.

21. Кирдяшкин A.A., Кирдяшкин А.Г. Возникновение турбулентной свободной конвекции в горизонтальном слое и режим конвекции в нижней мантии Земли //Докл. РАН. 1998. - Т.362. - № 3. - С.404-406.

22. Кирдяшкин A.A., Добрецов H.JI., Кирдяшкин А.Г. Термохимические плюмы //

23. Геология и геофизика. 2004. - Т.45. - № 9. - С. 1057-1073.

24. Кирдяшкин A.A., Добрецов H.JI., Кирдяшкин А.Г., Гладков И.Н., Сурков Н.В.

25. Гидродинамические процессы при подъеме мантийного плюма и условияформирования канала излияния // Геология и геофизика. 2005. - Т.46. - № 9. 1. С.891-907.

26. Кирдяшкин A.A., Кирдяшкин А.Г., Сурков Н.В. Термогравитационная конвекция в астеносфере под срединно-океаническим хребтом и устойчивость основных глубинных парагенезисов // Геология и геофизика. 2006. - Т.47. -№ 1. - С.76-94.

27. Кирдяшкин А.Г. Структура тепловых гравитационных течений вблизи поверхности теплообмена: Дисс. .докт. техн. наук. Новосибирск, 1975. -295 с.

28. Кирдяшкин А.Г. Структура тепловых гравитационных течений у поверхности теплообмена // Модели в механике сплошных сред. Новосибирск: ИТПМ СО АН СССР, 1979. С.69-90.

29. Кирдяшкин А.Г. Тепловые гравитационные течения и теплообмен в астеносфере. Новосибирск: Наука, 1989. - 81 с.

30. Кирдяшкин А.Г., Гладков H.H. Тепловые плюмы и горячие точки Земли // Докл. РАН. 1994. - Т.339. - № 2. - С.250-252.

31. Кирдяшкин А.Г., Добрецов H.JL Моделирование двухслойной мантийной конвекции //Докл. РАН. 1991. - Т. 18. - С.946-949.

32. Кирдяшкин А.Г., Семёнов В.И., Бердников B.C., Гапонов В. А. Струкура температурного поля в вертикальном слое при тепловой гравитационной конвекции // Теплофизика высоких температур. 1982. - Т.20. - № 5. - С.922-928.

33. Котелкин В.Д., Лобковский Л.И. Общая теория Мясникова эволюции планет и современная термохимическая модель эволюции Земли // Физика Земли. — 2007. № 1 - С.26-44.

34. Котелкин В.Д. Численное моделирование термохимической мантийной конвекции и циклическая эволюция континентов и океанов. Автореф. дис.д-ра физ.-мат. наук. М., 2008.- 37 с.

35. Котелкин В.Д., Лобковский Л.И. Циклические закономерности эволюции Земли в рамках термохимической модели мантийной конвекции / Общие и региональные проблемы тектоники и геодинамики — М.: ГЕОС, 2008. — С.437-441.

36. Кутателадзе С.С., Кирдяшкин А.Г., Ивакин В.П. Турбулентная естественная конвекция у вертикальной изотермической пластины // Докл. АН СССР. 1974.- Т.217. № 6. - С. 1270-1273.

37. Лобковский Л.И., Котелкин В.Д. Двухъярусная термохимическая модель конвекции в мантии и ее геодинамические следствия / Проблемы глобальной геодинамики М.: ГЕОС, 2000. - С.29-53.

38. Лобковский Л.И., Котелкин В.Д. Численное моделирование глобальной эволюции Земли на протяжении 4 млрд. лет в рамках термохимической модели мантийной конвекции / Тектоника и геодинамика континентальной литосферы- М.: ГЕОС, 2003. С.352-357.

39. B.Ю., Лиджи М., Лодоло Э., Перцев А.Н., Соколов С.Ю., Шуто Ф. Морфоструктура района острова Буве // Докл. РАН. 1995. - Т. 342. - № 3.1. C.354-357.

40. Международный геолого-геофизический атлас Атлантического океана / Под ред. Г.Б. Удинцева. М.: Мингео СССР, АН СССР, ГУГК при Совете министров СССР, 1989-1990. - 154 с.

41. Молоденский С.М. Приливы, нутация и внутреннее строение Земли. М.: ИФЗ АН СССР, 1984.-215 с.

42. Мясников В.П., Маркарян Е.Г. Гидродинамическая модель эволюции Земли // Докл. АН СССР. 1977. - Т.237. - № 5. С. 1055-1058.

43. Мясников В.П., Савушкин В.Д. Метод малого параметра в гидродинамической модели эволюции Земли // Докл. АН СССР. 1978а. Т. 238. - № 5. - С. 10831086.

44. Мясников В.П., Савушкин В.Д. Структура поверхностных движений в гидродинамической модели эволюции Земли // Докл. АН СССР. 19786. -Т.239. - № 4. - С.807-810.

45. Мясников В.П., Савушкин В.Д. Распределение температур в поверхностном слое для гидродинамической модели эволюции Земли // Докл. АН СССР. -1978в. Т.239. - № 5. - С. 1074-1077.

46. Мясников В.П., Савушкин В.Д. Структура переходной зоны ядро-мантия в гидродинамической модели эволюции Земли // Докл. АН СССР. 1978г. -Т.240. - № 4. - С.813-816.

47. Пущаровский Ю.М. Строение, энергетика и тектоника мантии Земли // Вестник РАН. 2005. - Т.75. - № 12. - С. 1115-1122.

48. Пущаровский Ю.М., Пущаровский Д.Ю. Геосферы мантии Земли // Геотектоника. 1999. - № 1. - С.3-14.

49. Пущаровский Ю.М., Пущаровский Д.Ю. Средняя мантия Земли // Геотектоника. 2008. - № 1. - С.3-11.

50. Рингвуд А.Е. Происхождение Земли и Луны. Пер. с англ. Л.: Недра, 1982. -287 с.

51. Сейферт К. Мантийные плюмы и горячие точки // Структурная геология и* тектоника плит, т. II. М.: Мир. 1991. С.19-38.

52. Соболев Н.В. Глубинные включения в кимберлитах и проблема состава верхней мантии. Новосибирск: Наука, 1974. - 263 с.

53. Сорохтин О.Г., Ушаков Г.Д. Глобальная эволюция Земли. М.: Изд-во МГУ, 1991.-466 с.

54. Справочник физических констант горных пород / Под ред. С. Кларка. М.: Мир, 1969.-543 с.

55. Толстихин И.Н. Изотопы гелия в природе // Геология и полезные ископаемые Кольского полуострова. Новые идеи и подходы к изучению геологических образований. Апатиты., 2002. Т.З. С.28-50.

56. Трубицын В.П. Фазовые переходы, сжимаемость, тепловое расширение, теплоемкость и адиабатическая температура в мантии // Физика Земли. — 2000а. № 2. С. 3-16.

57. Трубицын В.П. Основы тектоники плавающих континентов // Физика Земли. — 20006. № 9. - С.3-40.

58. Трубицын В.П. Тектоника плавающих континентов // Вестник РАН. 2005. -Т.75. - № 1. -С.10-21.

59. Трубицын В.П., Евсеев А.Н., Баранов A.A., Трубицын А.П. Мантийная конвекция с эндотермическим фазовым переходом // Физика Земли. 2007. - № 12.-C.3-13.

60. Трубицын В.П., Евсеев А.Н., Баранов A.A., Трубицын А.П. Влияние эндотермического фазового перехода на массообмен между верхней и нижней мантией // Физика Земли.- 2008а. № 5. - С.3-16.

61. Трубицын В.П., Евсеев А.Н., Баранов A.A., Трубицын А.П. Структура конвекции при раз-личной ширине зон фазовых переходов. // Физика Земли. -20086.-№8.-С.3-14.

62. Тычков С.А., Рычкова Е.В., Василевский А.Н., Червов В.В. Тепловая конвекция в верхней мантии континентов и ее эффект в геофизических полях //Геология и геофизика. 1999а. - Т.40. - № 9. - С.1275-1290.

63. Тычков С.А., Рычкова Е.В., Василевский А.Н. Тепловая конвекция в верхней мантии Земли под литосферной плитой переменной мощности //Физика Земли. 19996.-№9.-С.38-51.

64. Тычков С.А., Василевский А.Н., Рычкова Е.В. Эволюция плюма под континентальной литосферой с резкими вариациями толщины //Геология и геофизика. 1999в. - Т.40. - № 8. - С.1182-1196.

65. Физические свойства минералов и горных пород при высоких термодинамических параметрах / Под ред. М.П. Воларовича. М.: Недра, 1988. -255 с.

66. Хаин В.Е. Крупномасштабная цикличность в тектонической истории Земли и ее возможные причины // Геотектоника. 2000. - № 6. - С.3-14. Хаин В.Е. Глобальная геодинамика на пороге нового века // Геотектоника. -2002.-№ 4. С.3-13.

67. Хаин В.Е., Гончаров М.А. Геодинамические циклы и геодинамические системы разного ранга: их соотношение и эволюция в истории Земли // Геотектоника. -2006. № 5. - С.3-24.

68. Хаин В.Е., Ломизе М.Г. Геотектоника с основами геодинамики. М.: КДУ, 2005. - 560 с.

69. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука: 1969. - 742 с.

70. Эккерт Р.Э., Дрейк P.M. Теория тепло- и массообмена. Пер. с англ. М.: Госэнергоиздат, 1961. - 680 с.

71. Ярмолюк В.В., Кузьмин М.И. Корреляция эндогенных событий и вариаций климата в позднем кайнозое Центральной Азии // Стратиграфия. Геологическая корреляция. 2006. - Т.14. - № 2. - С.3-25.

72. Allegre C.J., Hart S.R., Minster J.F. Chemical structure of the mantle and continents, determined by inversion of Nd and Sr isotopic data: Theoretical methods, part I // Earth Planet. Sci. Lett. 1983. - V.66. - P.177-190.

73. Allegre C.J., Hamelin В., Provosti A., Dupre B. Topology in isotopic multispace and origin of mantle chemical heterogeneites // Earth Planet. Sci. Lett. 1988. - V.8. -P.319-337.

74. Allegre C.J., Hofmann A., O'Nions R. The argon constraints on mantle structure // Geophys. Res. Lett. 1996. - V.23. - N 24. - P.3555-3557.

75. Allegre C.J., Othman D.B., Polve M., Richard P. The Nd-Sr isotopic correlation in mantle materials and1 geodynamic consequences // Phys. Earth Planet. Inter. 1979. -V.19. - P. - 293-306.

76. Anderson O.L., Isaak D., Oda H. High-temperature elastic constant data on mineralsrelevant to geophysics // Rev. Geophys. 1992. - V.30. - N 1. - P.57-90.

77. Arquis E., Rady M. Study of natural convection heat transfer in a finned horizontalfluid layer // Inter. J. Therm. Sci. 2005. - V.44. - N 1. - P.43-52.

78. Balachandar S., Yuen D.A., Reuteler D. Time-dependent three-dimensionalcompressible convection with depth-dependent properties // Geophys. Res. Lett. 1992. -V.19.- P.2247-2250.

79. Ballmer M.D., van Hunen J., Ito G., Tackley P. J., Bianco T. A. Non-hotspot volcano chains originating from small-scale sublithospheric convection // Geophys. Res. Lett. 2007. V. 34. -N L23310., doi:10.1029/2007GL031636.

80. Ballmer M.D., Ito G., van Hunen J., Tackley P.J. Small-scale sublithospheric convection reconciles geochemistry and geochronology of 'Superplume' volcanismin the western and south Pacific // Earth Planet. Sci. Lett. 2010. - V.290 - P.224-232.

81. Barfod D.N., Ballentine C.J., Halliday A.N., Fitton J.G. Noble gases in the Cameroon line and the He, Ne, and Ar isotopic compositions of HIMU mantle // J. Geophys. Res. 1999. - V.104. - P.29509-29527.

82. Barnouin-Jha K., Parmentier E. M., Sparks D. W. The contribution of buoyant mantle upwelling and melt generation to crustal production at oceanic spreading centers // J. Geophys. Res. 1997. - V. 102. - N B6. - P.l 1,979-11,989.

83. Billen M.I., Gurnis M., Simons M. Multiscale dynamics of the Tonga-Kermadecsubduction zone // Geophys. J. Int. 2003. - V.153. - P.359-388.

84. Bina C.R., Hellfrich G. Phase transition Clapeyron slopes and transition zobe seismicdiscontinuity topography//J. Geophys. Res. 1994. - V.99. - P.15853-15860.

85. Boehler R. High-pressure experiments and the phase diagram of lower mantle andcore materials // Rev. Geophys. 2000. - V.38. - N 2. - P.221-245.

86. Bonatti E., Ligi M., Brunelli D., Cipriani A., Fabretti P., Ferrante V., Gasperini L.,

87. Ottolini L. Mantle thermal pulses below the Mid-Atlantic Ridge and temporalvariations in the formation of oceanic litosphere // Nature. 2003. - V.423. - P.499505.

88. Boutilier R. R., Keen C. Small-scale convection and divergent plate boundaries // J. Geophys. Res. 1999. - V.104. - N B4. - P.7389-7404.

89. Breuer D., Spohn T. Viscosity of the Martian mantle and its initial temperature: constraints from crust formation history and the evolution of the magnetic field // Planet. Space Sci. 2006. - V. 4. - P. 153-169.

90. Bunge H.-P., Richards M.A., Lithgow-Bertelloni C., Baumgardner J.R., Grand S., Romanowicz B. Time scales and heterogeneous structure in geodynamic earth models // Science. 1998. - V.280. - P.91-95.

91. Cadec O., Kyvalova H., Yuen D.A. Geodynamic implications from the correlation of surface geology and seismic tomographic structure // Earth Planet. Sci. Lett. 1995. -V.136.-P. 615-627.

92. Caress D. W., Burnett M. S., Orcutt J. A. Tomographic image of the axial low-velocity zone at 12°50'N on the East Pacific rise // J. Geophys. Res. 1992. - V.97. -N B6. - P.9243-9263.

93. Chandrasekhar S. Hydrodynamic and hydromagnetic stability. Clarendon Oxford, 1961.-654 p.

94. Choblet G., Parmentier E. M. Mantle upwelling and melting beneath slow spreading centers: effects of variable rheology and melt productivity // Earth. Planet. Sci. Lett. -2001. V.184. - N 3-4. - P.589-604.

95. Christensen U.R. Dynamic phase boundary topography by latent heat effects // Earth. Planet. Sci. Lett. 1998. - V. 54. - N 1-4. - P.295-306.

96. Christie S.L., Domaradzki J.A. Numerical evidence for nonuniversality of the soft/hard turbulence classification for thermal convection" // Phys. Fluids A. 1993. - V.5. - P.'412-422.

97. Class C., Goldstein S.L. Evolution of helium isotopes in the Earth's mantle // Nature. -2005. V.436. - P.l 107-1112.

98. Conrad C. P., Bilek S., Lithgow-Bertelloni C. Great earthquakes and slab pull: interaction between seismic coupling and plate-slab coupling // Earth Planet. Sci. Lett. 2004. - V. - 218. - P. 109-122.

99. Cooper C.M., Lenardic A., Moresi L. The thermal structure of stable continental lithosphere within a dynamic mantle // Earth Planet. Sci. Lett. 2004. - V.222. -P.807-817.

100. Cox R.T. Hawaiian volcanic propagation and Hawaiian swell asymmetry: evidence of northwestward flow of the deep upper mantle // Tectonophysics. 1999. - V.310. -N 1-4. - P.69-79.

101. Cserepes L., Rabinowicz M. Gravity and convection in a two-layer mantle // Earth Planet. Sci. Lett. 1985. - V. 71. - P. 193-207.

102. Cserepes L., Rabinowicz M., Rosemberg-Borot C. Threedimensional infinite Prandtlnumber convection in one and twolayers with implications for the Earth's gravityfield // J. Geophys. Res. 1988. - V.93. - N 10. - P. 12009-12025.

103. Cserepes L., Christensen U.R., Ribe N.M. Geoid height versus topography for aplume model of the Hawaiian swell // Earth Planet. Sci. Lett. 2000. - V.178. - P.2938.

104. Cserepes L., Yuen D.A, Schroeder B.A. Effect of the mid-mantle viscosity and phase-transition structure on 3D mantle convection // Phys. Earth Planet. Inter. -2000.-V.118.-N 1-2.-P.135-148.

105. Davies G.F. Geophysical and isotopic constraints on convection: an interim synthesis //J. Geophys. Res. 1984. - V.89. - P.6017-6040.

106. Davies G.F., Richards M.A. Mantle convection // J. Geology. 1992. - V.100. - N 2. -P. 151-206.

107. Dobretsov N.L., Kirdyashkin A.G. Experimental modelling of two-layer mantle convection // Ofioliti. 1993. - V.8. - N 1. - P.61-81.

108. Dobretsov N.L., Kirdyashkin A.G. Deep-level geodynamics. Rotterdam, Brookfield: A.A. Balkema Publishers, 1998. - 328 p.

109. 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. - V.100. - P.66-92.

110. Dumoulin C., Choblet G., Doin M.P. Convective interactions between oceanic lithosphere and asthenosphere: Influence of a transform fault // Earth Planet. Sci. Lett. 2008. - V.274. - P.301-309.

111. Duncan R.A., Richards M.A. Hotspots, mantle plumes, flood basalts, and true polar wandering // Rev. Geophys. -1991. V.29. - P.31-50.

112. Eberle M. A., Grasset O., Sotin C. A numerical study of the interaction;between the mantle wedge, subducting slab, and overriding plate // Phys. Earth Planet. Inter. -2002. V.134. - P.191—202.

113. Elkins-Tanton L.T., Hager B.H. Melt intrusion as a trigger for lithospheric foundering and the eruption of the Siberian flood basalt // Geophys. Res. Lett. 2000. -V.27. P.3937— 3940.

114. Elkins-Tanton L.T. Continental magmatism caused by lithospheric delamination // GSA Special Volume. Plates, plumes, and paradigms. / Eds. Foulger G.R., Natland J.H., Presnall D.C., Anderson D.L. — 2005. V.388. 881 p:

115. Ernst R.E, Buchan K.L. Maximum size and distribution in time and space of mantle plumes: evidence from large igneous provinces // J. Geodynam. 2002. - V.34. -P.309-342.

116. Ernst R.E., Buchan K.L., Campbell I.H. Frontiers in large igneous province research // Lithos. 2005. - V.79. - P.271-297.

117. Flanagan M.P., Shearer P.M. Global mapping of topography on transition zone velocity discontinuities by stacking SS precursors // J. Geophys. Res. 1998. - V.103. - P.2673-2692.

118. Fukao Y., Maruyama S., Obayashi M, Inoue H. Whole-mantle P-wave tomography // J. Geol. Soc. Japan. 1994. - V. 100. -N 1. - P.7-29.

119. Fukao Y., To A., Obayashi M. Whole mantle wave tomography using P and PP-Pdata//J. Geophys. Res. 2003. - V. 08. - N Bl. doi:10.1029/2001JB000989.

120. Fukao Y., Widiyantoro S., Obayashi M. Stagnant slabs in the upper and lower mantletransition region // Rev. Geophys. 2001. - V.39. - N 3. - P.291-323.

121. Fukuyama H. Heat of fusion of basaltic magma // Earth Planet. Sci. Lett. 1985.,1. V.73. N 2-4. - P.407-414.

122. Funiciello F., Faccenna C., Giardini D, Regenauer-Lieb K. Dynamics of retreating slabs: 2. Insights from three-dimensional laboratory experiments // J. Geophys. Res.2003. V.108. - N B4. - P.2207, doi:10.1029/2001JB000896.

123. Funiciello F., Faccenna C., Giardini D. Role of lateral mantle flow in the evolution of subduction system: insights from 3-D laboratory experiments // Geophys. J. Int.2004. V.157. - P.1393-1406.

124. Garnero E.J., McNamara A.K. Structure and dynamics of Earth's lower mantle // Science. 2008. - V.320. - N 5876. - P.626-628.

125. Georgen J. E., Lin J. Three-dimensional passive flow and temperature structure beneath oceanic ridge-ridge-ridge triple junctions // Earth. Planet. Sci. Lett. 2002. -V.204. - N 1-2. - P.l 15-132.

126. Gollub T.P., Benson S.V. Many routes to turbulent convection // J. Fluid. Mech. -1980. V.100. - pt 3 .- P.449-470.

127. Griffiths R.W., Campbell I.H. Stirring and structure in mantle starting plumes // Earth Planet. Sci. Lett. 1990. - V.99. - P.66-78.

128. Griffiths R. W., Campbell I. H. Interaction of mantle plume heads with the Earth's surface and onset of small-scale convection // J. Geophys. Res. 1991. - V.96. - N Bll.-P.18,295-18,310.

129. Griffiths R.W., Richards M.A. The adjustment of mantle plumes to changes in plate motion // Geophys. Res. Lett. 1989. - V.16. - P. 437-440.

130. Gurnis M., Hall C., Lavier L. Evolving force balance during incipient subduction // Geochem., Geophys., Geosys. 2004. - V.5. - N 7. Q07001, doi: 10.1029/2003GC000681. P. 1 -31.

131. Haggerty S.E. Superkimberlites: a geodynamic diamond window to the Earth's core // Earth Planet. Sci. Lett. 1994. - V.122. - P.57-69.

132. Hall C. E., Gurnis M., Sdrolias M., Lavier L.L., Muller R.D. Catastrophic initiation of subduction following forced convergence across fracture zones // Earth. Planet. Sci. Lett. 2003. - V.212. - P. 15-30.

133. Han L., Gurnis M. How valid are dynamic models of subduction and convection when plate motions are prescribed? // Phys. Earth Planet. Inter. 1999. - V.110. -P.23 5-246.

134. Hartnady C.J.H., Le Roex A.P. Southern Ocean hotspot tracks and the Cenozoic absolute motion of the African, Antarctic and South American plates // Earth Planet. Sci. Lett. 1985. - V.75. - P.245-257.

135. Herzberg C., Zhang J. Melting experiments on anhydrous peridotite KLB-1: compositions of magmas in the upper mantle and transition zone // J. Geophys. Res. -1996. V.101. - N B4. - P.8271-8295.

136. Heuret A., Funiciello F., Faccenna C., Lallemand S. Plate kinematics, slab shape and back-arc stress: A comparison between laboratory models and current subduction zones // Earth. Planet. Sci. Lett. 2007. - V.256. - P.473-483.

137. Hill R.I. Starting plumes and continental break-up // Earth Planet. Sci. Lett. 1991. -V.104. - N 2-4. - P.398-416.

138. Hilton D.R., Porcelli D.R. Noble gases as mantle tracers // Treatise on geochemistry. V. 2. The mantle and core / Eds. Holland H., Turekian K. Amsterdam: Elsevier, 2003. P.277-318.

139. Hofinann AW. Mantle geochemistry: the message from oceanic volcanism // Nature. 1997.- V.385.-P.219-29

140. Hofmeister A.M. Mantle values of thermal conductivity and the geotherm from phonon lifetimes // Science. 1999. - V.283. - P.1699-1705.

141. Honda S.A. Simple parametrized model of Earth's thermal history with the transition from layered to whole mantle convection // Earth Planet. Sci. Lett. 1995. - V.131. -P.357-369.

142. Jacoby W. R. Paraffin model experiment on plate tectonics // Tectonophysics. 1976. - V.35. -P.103-113.

143. Kârason H., Van der Hilst, R.D. Constraints on mantle convection from seismic tomography // The History andi dynamics of global 'plate motion. Geophysical Monograph. Washington: American Geophysical Union, 2000. V.121. P.277-288.

144. Karason H., Van der Hilst R. Tomographic imaging of the lowermost mantle with differential times of refracted and diffracted core phases (PKP, Pm) H J- Geophys. Res. 2001. - V. 106. - N B4. - P.6569-6587.

145. Katsura T., Yamada H., Shinmei T., Kubo A., Ono S., Kanzaki M., Yoneda A., Ito E., Funakoshi K., Utsumi W. Postspinel transition in Mg2Si04 // Eos Trans. AGU. 2005. 86(52). Fall Meet. Suppl. Abstract MR44A-01.

146. Kek V., Muller U. Low Prandtl number convection in layers heated from below // Int. J. Heat Mass Trans. 1993. - - V.36. - P.2759-2804.

147. Kido M., Yuen D.A.The role played by a low viscosity zone under a 660 km discontinuity in regional mantle layering // Earth Planet. Sci. Lett. 2000. - V.181. — P.573-583.

148. Kikuchi Y., Shioyama T., Kawara Z. Turbulent heat transport in a horizontal fluid layer heated internally and from below // Int. J. Heat Mass Trans. 1986. - V. 29. -N3.-P.451-461

149. Kirdyashkin A.G. Thermogravitational and thermocapillary flows in a horizontal liquid layer under the conditions of a horizontal temperature gradient // Int. J. Heat Mass Trans. 1984. - V.27. - N 8. - P. 1205-1218.

150. Kirdyashkin A.G., Sharapov V.N., Vasilieva A.I. Heat and mass transfer dynamics in the near-bottom layer under marine-nodule formation // Modern Geology. 1987. -V.ll. - P.219-233.,

151. Krishnamurti R. On the transition to turbulent convection, part 1 // J. Fluid Mech. -1970a. V.42. - pt.l. - P.295-307.

152. Krishnamurti R. On the transition to turbulent convection, part 2 // J. Fluid Mech. -1970b. V.42. - pt.2. - P.309-320.

153. King S.D., Anderson D.L. Edge-driven convection // Earth Planet. Sci. Lett. 1998. -V. 160. - P.289-296.

154. Kincaid C., Olson P. An experimental study of subducting slab migration // J. Geophys. Res. 1987. - V.92. - P.13,831-13,840.

155. Kincaid C., Sparks D. W., Detrick R. S. The relative importance of plate-driven and buoyancy-driven flow at mid-ocean ridges // J. Geophys. Res. 1996. - V.101. - N B7.-P.16,177-16,194.

156. C., Van der Hilst R.D., Engdahl E.R., Burdick S. A new global model for P wave speed variations in Earth's mantle // Geochem., Geophys., Geosys. 2008. - V.9. Q05018, doi: 10.1029/2007GC001806.

157. Magde L.S., Kincaid C., Sparks D.W., Detrick R.S. Combined laboratory and numerical studies of the interaction between buoyant and plate-driven upwelling beneath segmented spreading centers // J. Geophys. Res. 1996. -V.101. - NB10. -P.22,107-22,122.

158. Manea V., Gurnis M. Subduction zone evolution and low viscosity wedges and channels // Earth Planet. Sci. Let. 2007. - V.264. - P.22^15.

159. Manghnani M.H., Ramananantoandro R., Clark S.P. Compressive shear velocities in granulite facies rocks and eclogites to 10 kb // J. Geophys. Res. 1974. - V.79. -P.5427-5466.

160. Maruyama S. Plume tectonics // J. Geol. Soc. Japan. 1994. - V.100. - N 1. - P.24-34.

161. Malkus W.V.R. The heat transport and spectrum of thermal turbulence // Proc. R. Soc. Lond. A 31. 1954b.- A225.- N 1161.- P.196-212.

162. Malkus W.V.R. Non-periodic convection at high and low Prandtl number // Mem. Soc. Roy. Sci. Liege. 1973.- V.4.- P. 125-128.

163. Mazaud A., Laj C. The 15 m.y. geomagnetic reversal periodicity: A quantitative test // Earth Planet. Sci. Lett. 1991. - V. 107. - P.689-697.

164. McNamara A.K., van Keken P.E. Cooling of the Earth: a parameterized convection study of whole vs. layered models // Geochem. Geophys. Geosyst. 2000. - V.l. - N 2000GC000045.

165. Monnereau M., Quere S. Spherical shell models of mantle convection with tectonic plates // Earth Planet. Sci. Lett. 2001. - V.184. - P.575-587.

166. Montelli R., Nolet G., Dahlen F., Masters G., Engdahl R., Hung S. Finite-frequency tomography reveals a variety of plumes in the mantle // Science. 2004. - V 303. - P 338-343.

167. Morgan J.P., Morgan W.J., Price E. Hotspot melting generates both hot spot volcanism and a hotspot swell? // J. Geophys. Res. 1995. - V.l00. - N B5. - P.8045-8062.

168. Mori Y., Uchida Y. Forced convective heat transfer between horizontal flat plates // Jnt. J. Heat Mass. Transfer. 1966. - V.9. - P.803-817.

169. Murakami M., Hirose K., Sata N., Ohishi Y., Kawamura K. Phase transition of

170. MgSi03 perovskite in the deep lower mantle // Science. 2004. - V.304. - P.855-858.

171. Nakagawa T., Tackley P.J. The interaction between the post-perovskite phase change and a thermo-chemical boundary layer near the core-mantle boundary //Earth Planet. Sci. Lett. 2005.- V.238. - P.204- 216.

172. Nolet G., Karato S-I., Montelli R. Plume fluxes from seismic tomography // Earth Planet. Sci. Lett. 2006. - V.248. - P.685-699.

173. Olson P., Singer H. Creeping plumes // J. Fluid Mech. 1985.- V.158. - P.511-531. O'Neil C.J., Moresi L., Jaques A.L. Geodynamic controls on diamond deposits: implications for Australian occurrences // Tectonophysics. - 2005. - V.404. - P.217-236.

174. O'Nions R.K., Evensen N.M., Hamilton P.J. Geochemical modeling of mantledifferentiation and crustal growth // 1979. - V.84. - P.6091-101.

175. O'Nions R. K., Tolstikhin I. N. Limits on the nass flux between lower and uppermantle and stability of layering // Earth Planet. Sci. Lett. 1996. - V.139. - P.213222.

176. Parsons B., McKenzie D. Mantle convection and the thermal structure of the plates // J. Geophys. Res. 1978. - V.83. - N. B9. - P.4485-4496.

177. Peltier W.R., Jarvis G.T. Whole mantle convection and thermal evolution of the Earth // Phys. Earth Planet. Inter. 1982. - V.29. - P.281-304.

178. Phillips B.R., Bunge H.-P. Heterogeneity and time dependence in 3-D spherical mantle convection models with continental drift // Earth Planet. Sci. Lett. 2005. -V.233. - P.121—135.

179. Phillips B.R., Bunge H.-P. Supercontinent cycles disrupted by strong mantle plumes // Geology. 2007. - V.35. - N 9. - P.847-850.

180. Pietruszka A. J., Rubin K.H., Garcia M.O. 226Ra-230Th-238U disequilibria of historical Kilauea lavas (1790-1982) and the dynamics of mantle melting within the Hawaiian plume // Earth Planet. Sci. Lett. 2001. - V.186. - P. 15-31.

181. Porcelli D., Halliday A.N. The core as a possible source of mantle helium // Earth Planet. Sci. Lett. 2001. - V. 192. - N 1. - P.45-56.

182. Puster P., Jordan T.H. How stratified is mantle convection? // J. Geophys. Res. -1997. V. 102. - N B4. - P.7625-7646.

183. Ratcliff J.T., Tackley P J., Schubert G.,. Zebib A Transitions in thermal convection with strongly variable viscosity // Phys. Earth Planet. Inter. 1997. - V.102. - P.201-212.

184. Ratcliff J. T., Bercovici D., Schubert G., Kroenke L. W. Mantle plume heads and the initiation of plate tectonic reorganizations // Earth Planet. Sci. Lett. 1998. - V.156. -N3-4.-P. 195-207.

185. Resovsky J., Trampert J. Using probabilistic seismic tomography to test mantle velocity-density relationships // Earth Planet. Sci. Lett. 2003. - V.215. - N 1-2. -P.121-134.

186. Ribe N.M. Dynamical geochemistry of the Hawaiian plume // Earth Planet. Sci. Lett. 1988. - V.88. - N 1/2. - P.37-46.

187. Ribe N.M., Stutzmann E., Rena Y., van der Hilst R. Buckling instabilities of subducted lithosphere beneath the transition zone // Earth Planet. Sci. Lett. 2007. -V.254. - P. 173-179.

188. Richards M.A., Griffiths R.W. Deflection of plumes by mantle shear flow // Geophys. J. Int. 1988. - V.94. - N 3. - P.367-376.

189. Romanowicz B. 3D structure of the Earth's lower mantle // C. R. Geoscience. 2003. - V.335. - P.23-35.

190. Rona P.A. Hydrothermal mineralization at seafloor spreading centers // Earth Sci. Rev. 1984. - V.20.-P.l-104.

191. Rossby H.T. A' study of Benard convection with and without rotation // J. Fluid Mech. 1969. - V.36.- Pt.2.- P.309-335.

192. Samuel H., Bercovici D. Oscillating and stagnating plumes in the Earth's lower mantle // Earth Planet. Sci. Lett. 2006. - V.248. - P.90-105.

193. Schellart W.P. Influence of the subducting plate velocity on the geometry of the slab and migration of the subduction hinge // Earth Planet. Sci. Lett. 2005. - V.231. -P. 197-219.

194. Schubert G., Turcotte D.L., Olson P. Mantle convection in the Earth and planets. Cambridge University Press, 2001. 940 p.

195. Shemenda A. I. Subduction: insights from physicl modeling. Boston, London: Kluwer academic publishers, 1994. - 215p.

196. Shen Y., Wolfe C.J., Solomon S.C. Seismological evidence for a mid-mantle discontinuity beneath Hawaii and Iceland // Earth Planet. Sci. Lett. 2003. - V.214. -N 1-2.-P.143-151.

197. Silveston P.L. Warmedurchgang in waagerecten Flussigkeitsschichten// Forch. ing. wes.- 1958.- V.24.- N 29. P.59.

198. Simmons N.A, Forte A.M., Grand S.P. Constraining mantle flow with seismic and geodynamic data: a joint approach // Earth Planet. Sci. Lett. 2006. - V.246. - P. 109124.

199. Sinton J.M., Detrick R.S. Mid-ocean ridge magma chambers //J. Geophys. Res. -1992. V.97. - N Bl. - P.197-216

200. Sleep N.H. Hotspots and mantle plumes: some phenomenology // J. Geophys. Res. -1990. V.95. - N B5. - P.6715-6736.

201. Small Ch., Sandwell D.T. Imaging mid-oceanic ridge transition with satellite gravity // Geology. 1994. - V.22. - N 2. - P. 123-126.

202. Sobolev A.V., Hofmann A.W., Sobolev S.V., Nikogosian I.K. An olivine-free mantlesource of Hawaiian shield basalts //Nature. 2005. - V.434. - P.590-597.

203. Solheim L.P, Peltier W.R. Avalanche effects in phase transition modulated thermalconvection // J. Geophys. Res. 1994. - V.99. - N B4. - P.6997-7018.

204. Solheim L.P., Peltier W.R. Phase boundary deflections at 660-km depth andepisodically layered isochemical convection in the mantle // J. Geophys. Res. 1994.- V.99.-NB8. -P.15861-15875.

205. Spakman W. Tomographic images of the upper mantle below Central Europe and Mediterranian // Terra Nova. 1990. - V.2661. - P.542-554.

206. Spakman W., Van der Lee S., Van der Hilst R. Travel-time tomography of the European-Mediterranian mantle down to 1400 km // Phys. Earth Planet. Inter. 1993.- V.79. P.3-74.

207. Sparks D. W., Parmentier E. M. Melt extraction from the mantle beneath spreadingcenters // Earth Planet. Sci. Lett. 1991. - V.105. - N 4. - P.368-377.

208. Sparks D. W., Parmentier E. M. The structure of three-dimensional convectionbeneath oceanic spreading centers // Geophys. J. Int. 1993. - V.112. - N 1. - P.8191.

209. Stein C., Schmalzl J., Hansen U. The effect of rheological parameters on plate behaviour in a self-consistent model of mantle convection // Phys. Earth Planet. Inter.- 2004. V.142. - P.225-255.

210. Steinberger B. Slabs in the lower mantle results of dynamic modelling compared with tomographic images and the geoid // Phys. Earth Planet. Inter. - 2000a. - V.l 18.- N 3-4. P.241-257.

211. Tackley P.J. Self-consistent generation of tectonic plates in time-dependent, threedimensional mantle convection simulations. 2. Strain weakening and asthenosphere //

212. Geochem. Geophys. Geosyst. 2000b. - V.L - N 2000GC000043.

213. Tackley P.J. The observational signature of deep mantle chemical layering: aresuperplumes thermochemical? // Role of the Superplumes in the Earth System fromcentral core to surface including evolution of life: Abstract. Tokyo, Japan, 2002.1. P.398-402.

214. Tackley P.J., Xie S. The thermo-chemical structure and evolution of Earth's mantle: Constraints and numerical models // Phil. Trans. R. Soc. Lond. A. 2002. - V.360. -P.593-2609.

215. Tackley P.J., Xie S., Nakagawa T. Hernlund J.W. Numerical and laboratory studiesof mantle convection: philosophy, accomplishments and thermo-chemical structureand evolution // Earth's Deep Mantle: Structure, Composition, and Evolution/ AGU

216. Geophys. Monograph. V.160. P.83-99. doi: 10.1029/160GM07.

217. Takahashi E. Melting of a dry peridotite KLB-1 up to 10 14 GPa: implications on theorigin of peridotitic upper mantle // J. Geophys. Res. 1986. - V.91. - N B9. 1. P.9367-9382.

218. Takeshita T., Segawa T., Glazier J.A., Sano M. Thermal turbulence in mercury // Phys. Rev. Lett. 1996. - V.76.- P.1465-1468.

219. Theerthan A.S., Arakeri J.H. Planform structure and heat transfer in turbulent free convection over horizontal surfaces // Phys. Fluids. 2000. - V. 12 - N 4. - P.884-894.

220. Thybo H., Nielsen L. Perchuc E. Seismic scattering at the top of the mantle transition zone // Earth Planet. Sci. Lett. 2003. - V.216. - P.259-269.

221. Toth J., Gurnis M. Dynamics of subduction initiation at preexisting fault zones // J. Geophys. Res. 1998. - V. 103. - N B8. - P. 18,053-18,067.

222. Trampert J., Deschamps F., Resovsky J., Yuen D. Probabilistic tomography maps chemical heterogeneities throughout the lower mantle // Science. 2004. - V.306. - N 5697. - P.853 - 856

223. Trubitsyn V.P., Rykov V.V. A 3D numerical model of the Wilson cycle // J. Geodynam. 1995. - V.20. - N 1. P.63-75.

224. Trubitsyn V., Kaban M.K, Rothacher M. Mechanical and thermal effects of floating continents on the global mantle convection // Phys. Earth Planet. Inter. 2008. -V.171. - P.313-322.

225. Tsuchiya T., Tsuchiya J., Umemoto K., Wentzcovitch R.M. Phase transition in MgSi03 perovskite in the earth's lower mantle // Earth Planet. Sci. Lett. 2004. -V.224. - P.241-248.

226. Ueda S. Subduction zones: An introduction to comparative subductology // Tectonophysics. 1982. - V.81. - P.133-159.

227. Van Ark E., Lin J. Time variation in igneous volume flux of the Hawaii-Emperor hot spot seamount chain //J. Geophys. Res. 2004. - V.109. - N-Bll. - B11401, doi: 10.1029/2003JB002949.

228. Van der Hilst R.D., Engdahl E.R., Spakman W., Nolet G. Tomographic imaging of subducted lithosphere below northwest Pacific island arcs // Nature. 1991. - V.353. - P.37-42.

229. Van der Hilst R., Seno T. Effect of relative plate motion on the deep structure and penetration depth of slabs below the Izu-Bonin and Mariana island arcs // Earth Planet. Sci. Lett. 1993. - V.120. - P.395-407.

230. West B. P., Wilcock W. S. D., Sempere J. -C., Geli L. Three-dimensional structure of asthenospheric flow beneath the Southeast Indian Ridge // J. Geophys. Res. 1997. -V.102. - N B4. - P.7783-7802.

231. White R., McKenzie D. Magmatism at rift zones: The generation of volcanic continental margins and flood basalts // J. Geophys. Res. 1989. - V.94. - N B6. -P.7685-7729.

232. Whitehead J.A. Convection models: laboratory versus mantle // Tectonophysics. -1976. V.35. - N 1-3. - P.215-228.

233. Whitehead J.A. Dislocations in convection and the onset of chaos // Phys. Fluids. -1983. V.26. - N 10. - P.2889-2909.

234. Whitehead J.A., Luther D.S. Dynamics of laboratory diapir and plume models // J. Geophys. Res. 1975. - V.80. - NB5. -P.705-717.

235. Willis G.E., Deardorff J.W. Measurements on the development of thermal turbulencein air between horizontal plates // Phys. Fluids. 1965. - V.8. - N 12. - P.2225-2229.

236. Willis G.E., Deardorff J.W. Confirmation and renumbering of the discrete heat fluxtransitions of Malkus // Phys. Fluids. 1967a. - V. 10. - P. 1861- 1866.

237. Willis G.E., Deardorff T.W. Development of short-period temperature fluctuations inthermal convection // Phys. Fluids. 1967b. - V.10.- N 5.- P.931-937.

238. Willis G.E., Deardorff J.W. The oscillatory motions of Rayleigh convection // J.

239. Fluid Mech. 1970. - V.44. - pt.4.- P.661-672.

240. Wysession M.E. Imaging cold rock at the base of the mantle: the sometimes fate of slabs? // Subduction: top to bottom. AGU. 1996. P.369-384.

241. Zerr A., Boehler R. Melting of (Mg,Fe)Si03-perovskite to 625 kbar: Indication of a high melting temperature in the lower mantle // Science. 1993. - V.262. - P.553-555.

242. Zerr A., Boehler R. Constraints on the melting temperature of the lower mantle from high pressure experiments on MgO and magnesiowilstite // Nature. 1994. - V.371. -P.506-508.

243. Zerr A., Diegeler A., Boehler R. Solidus of the Earth's deep mantle // Science. 1998. - V.2.-N81.-P.243-245.

244. Zhang J., Libchaber A. Periodic boundary motion in thermal turbulence // Phys. Rev. Lett. 2000. V.84. - N 19. - P.4361-4364.

245. Zhang S., Yuen D.A. The influences of lower mantle viscosity stratification on three-dimensional spherical-shell mantle convection // Earth Planet. Sci. Lett. 1995. -V.132. - P.157-166.

246. Zhao D. Seismic structure and origin of hotspots and mantle plumes // Earth. Planet. Sci. Lett. 2001. - V.192. - N 3. - P.251-265.

247. Zhong S., Gurnis M. Dynamic feedback between a continantlike raft and thermalconvection // J. Geophys. Res. 1993. - V.98. - P.12219-12232.

248. Zhong S., Gurnis M. Role of plate and temperature-dependent viscosity in phasechange dynamic // J. Geophys. Res. 1994a. - V.99. - P. 15903-15932.

249. Zhong S., Gurnis M. Controls on trench topography from dynamic models ofsubducted slabs // J. Geophys. Res. 1994b. - V.99. - P. 15-695.

250. Zhong S., Gurnis M. Mantle convection with plates and mobile, faulted plate margins

251. Science. 1995. - V.267. - P.838-843.

252. Zhong S., Gurnis M. Interaction of weak faults and non-Newtonian rheology produces plate tectonics in a 3D model of mantle flow // Nature. 1996. - V.383. -P.245-247.

253. Zhong S., Gurnis M. Dynamic interaction between tectonic plates, subducting slabs, and the mantle // Earth Interactions. 1997. - V.l. - Paper 1-003. - P.l-18. http://EarthInteractions.org.

254. Zhong S., Zuber M.T., Moresi L.N., Gurnis M. The role of temperature dependent viscosity and surface plates in spherical shell models of mantle convection // J. Geophys. Res. 2000. - V. 105. - P. 110630-111082.

255. Zonenshain L.P., Kuzmin M.I., Bocharova N.Yu. Hot-field tectonics // Tectonophysics. 1991. - V. 199. - P. 165-192.