МОДЕЛЬ МЕХАНИЗМА ДЕКОМПРЕССИОННОГО ПЛАВЛЕНИЯ В КОНВЕКТИВНО-НЕУСТОЙЧИВОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ЛИТОСФЕРЕ (ПЕРВОЕ ПРИБЛИЖЕНИЕ)

Предложена модель декомпрессионного плавления, сепарации, миграции и замерзания расплава в процессе развития конвективной неустойчивости верхней мантии, позволяющая учесть различие фазовых диаграмм расплава и матрицы и вытекающие особенности поведения расплава, без расчета скорости реакций в многокомпонентной среде, в рамках явного представления о локальном термодинамическом равновесии существующих фаз. Таким образом, дополняется развиваемое нами первое приближение описания процесса конвекции в верхней мантии и формирования крупных эпиконтинентальных осадочных бассейнов, опубликованное ранее.

Вычислительными экспериментами показано, что первичное плавление фертильного вещества верхней мантии происходит интенсивно в узком фронте поднимающегося в восходящем потоке горячего вещества. Далее, вверх от фронта первичного плавления, поднимается деплетированное и частично выплавленное вещество. Дальнейшее плавление деплетированного вещества происходит выше, при меньших давлениях в довольно широком диапазоне глубин (120–77 км). Далее мигрирует расплав уже от двух источников – глубинного, где плавится фертильное вещество, и промежуточного, где плавится вещество деплетированное. Достигнув уровня температур и давлений, соответствующих его солидусу, расплав образует фронт замерзания, примерно такой же узкий, как и фронт первичного плавления. По мере развития восходящего конвективного потока фронт замерзания смещается вверх. В результате под ним формируется довольно толстый (около 40–50 км) слой вещества, насыщенного «базальтовым» компонентом. Важным результатом моделирования является то, что, несмотря на значительные общие объемы выплавляющегося вещества, единовременное содержание расплава в мантии, при осреднении на объемы с линейным размером порядка 1 км, не превышает десятых долей процента. Экстракция базальтовой выплавки, в связи с обеднением мантийного вещества железом, существенно снижает его плотность. При рассчитанных значениях обеднения матрицы базальтовым компонентом 0.1–0.2 дефицит плотности удваивается, по сравнению тепловым расширением вещества. Стало быть, удваивается и число Рэлея, и интенсивность конвекции, что мы и видим в расчетах – после начала плавления конвекция усиливается.

Проведенное опробование модели дает разумную картину, согласующуюся как с известной геолого-геофизической информацией о строении литосферы под развивающимися эпиконтинентальными осадочными бассейнами, так и, в рамках своей детальности, – с результатами моделирования плавления и динамики расплава, полученными путем расчета реакций между компонентами мантийного вещества.

1. Ablesimov N.E., Zemtsov A.N., 2010. Relaxation Effects in Non-Equilibrium Condense Systems. In: Basalts: from Eruption up to Fiber. Institute of Tectonics and Geophysics FB RAS, Moscow, 400 p. (in Russian) [Аблесимов Н.Е., Земцов А.Н. Релаксационные эффекты в неравновесных конденсированных системах // Базальты: от извержения до волокна. М.: ИТиГ ДВО РАН, 2010. 400 с.].

2. Ablesimov N.E., Lipatov V.G., Taltykin Yu.V., Berdnikov N.V., 1988. The Role of Volatiles in Generation of Deep Geophysical Anomalies. Journal of Physics of the Earth 36 (2), S191–S196. https://doi.org/10.4294/jpe1952.36.Proceeding2_S191.

3. Batanova V.G., Savelieva G.N., 2009. Melt Migration in the Mantle beneath Spreading Zones and Formation of Replacive Dunites: A Review. Russian Geology and Geophysics 50 (9), 763–778. https://doi.org/10.1016/j.rgg.2009.08.008.

4. Blokhin A.M., Dorovsky V.N., 1994. Problems of Mathematical Modeling in the Theory of Multi-Velocity Continuum. United Institute of Geology, Geophysics and Mineralogy SB RAS, Institute of Mathematics, Novosibirsk, 183 p. (in Russian) [Блохин А.М., Доровский В.Н. Проблемы математического моделирования в теории многоскоростного континуума. Новосибирск: ОИГГМ СО РАН, Институт математики, 1994. 183 с.].

5. Gorbachev N.S., Kostyuk A.V., Sultanov D.M., 2017. Phase Relations of Fluid-Containing Peridotite at Undercritical and Supercritical Pressures (Experimental Data). In: Physical-Chemical and Petrophysical Researches in the Earth’s Sciences. Proceedings of the Eighteenth International Conference (Moscow, October 2–4, Borok, October 6, 2017). Moscow: IGEM RAS, p. 66–69 (in Russian) [Горбачев Н.С., Костюк А.В., Султанов Д.М. Фазовые соотношения флюидсодержащего перидотита при докритических и сверхкритических давлениях (по экспериментальным данным) // Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле: Материалы Восемнадцатой международной конференции (Москва, 2–4, Борок, 6 октября 2017 г.). М.: ИГЕМ РАН, 2017. С. 66–69].

6. Kelemen P., Hirth G., Shimizu N., Spiegelman M., Dick H., 1997. A Review of Melt Migration Processes in the Adiabatically Upwelling Mantle beneath Oceanic Spreading Ridges. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 355, 283–318. https://doi.org/10.1098/rsta.1997.0010.

7. Keller T., Katz R.F., 2016. The Role of Volatiles in Reactive Melt Transport in the Asthenosphere. Journal of Petrology 57 (6), 1073–1108. https://doi.org/10.1093/petrology/egw030.

8. Keller T., Katz R.F., Hirschmann M.M., 2017. Volatiles beneath Mid-Ocean Ridges: Deep Melting, Channelised Transport, Focusing, and Metasomatism. Earth and Planetary Science Letters 464, 55–68. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2017.02.006.

9. Keller T., Suckale J., 2019. A Continuum Model of Multi-Phase Reactive Transport in Igneous Systems. Geophysical Journal International 219 (1), 185–222. https://doi.org/10.1093/gji/ggz287.

10. Lichtenberg T., Keller T., Katz R.F., Golabek G.J., Gerya T.V., 2019. Magma Ascent in Planetesimals: Control by Grain Size. Earth and Planetary Science Letters 507, 154–165. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2018.11.034.

11. Litasov K.D., 2011. Physicochemical Conditions for Melting in the Earth’s Mantle Containing a C–O–H Fluid (from Experimental Data). Russian Geology and Geophysics 52 (5), 475–492. https://doi.org/10.1016/j.rgg.2011.04.001.

12. Lunev B.V., Lapkovsky V.V., 2018. The First-Approximation Model Showing the Occurrence of Epicontinental Sedimentary Basins Due to Convective Instability of the Thermal Lithosphere. Geodynamics & Tectonophysics 9 (4), 1363–1380 (in Russian) [Лунёв Б.В., Лапковский В.В. Модель первого приближения формирования эпиконтинентальных осадочных бассейнов вследствие конвективной неустойчивости термической литосферы // Геодинамика и тектонофизика. 2018. Т. 9. № 4. С. 1363–1380]. https://doi.org/10.5800/GT-2018-9-4-0400.

13. McKenzie D., 1984. The Generation and Compaction of Partially Molten Rock. Journal of Petrology 25 (3). 713–765. https://doi.org/10.1093/petrology/25.3.713.

14. Perepechko Yu.V., Sharapov V.N., 2014. Conditions of Appearance of the Asthenospheric Layer under Upper Mantle Convection. Doklady Earth Sciences 457, 901–904. https://doi.org/10.1134/S1028334X14070241.

15. Polyansky O.P., Babichev A.V., Reverdatto V.V., Korobeynikov S.N., 2012. Formation and Upwelling of Mantle Diapirs through the Cratonic Lithosphere: Numerical Thermomechanical Modeling. Petrology 20, 120–137. https://doi.org/10.1134/S086959111202004X.

16. Polyansky O.P., Korobeinikov S.N., Babichev A.V., Reverdatto V.V., Sverdlova V.G., 2014. Numerical Modeling of Mantle Diapirism as a Cause of Intracontinental Rifting. Izvestiya, Physics of the Solid Earth 50, 839–852. https://doi.org/10.1134/S1069351314060056.

17. Polyansky O.P., Prokopiev A.V., Koroleva O.V., Tomshin M.D., Reverdatto V.V., Babichev A.V., Sverdlova V.G., Vasiliev D.A., 2018. The Nature of the Heat Source of Mafic Magmatism during the Formation of the Vilyui Rift Based on the Ages of Dike Swarms and Results of Numerical Modeling. Russian Geology and Geophysics 59 (10), 1217–1236. https://doi.org/10.1016/j.rgg.2018.09.003.

18. Polyansky O.P., Prokopiev A.V., Koroleva O.V., Tomshin M.D., Reverdatto V.V., Selyatitsky A.Yu., Travin A.V., Vasiliev D.A., 2017. Temporal Correlation between Dyke Swarms and Crustal Extension in the Middle Palaeozoic Vilyui Rift Basin, Siberian Platform. Lithos 282–283, 45–64. https://doi.org/10.1016/j.lithos.2017.02.020.

19. Polyansky O.P., Reverdatto V.V., Babichev A.V., Sverdlova V.G., 2016. The Mechanism of Magma Ascent through the Solid Lithosphere and Relation between Mantle and Crustal Diapirism: Numerical Modeling and Natural Examples. Russian Geology and Geophysics 57 (6), 843–857. https://doi.org/10.1016/j.rgg.2016.05.002.

20. Rudge J.F., Bercovici D., Spiegelman M., 2011. Disequilibrium Melting of a Two Phase Multicomponent Mantle. Geophysical Journal International 184 (2), 699–718. https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.2010.04870.x.

21. Saxena S.K., Eriksson A.G., 1985. Anhydrous Phase Equilibria in Earth’s Upper Mantle. Journal of Petrology 26 (2), 378–390. https://doi.org/10.1093/petrology/26.2.378.

22. Schmeling H., 2000. Partial Melting and Melt Generation in a Convecting Mantle. In: N. Bagdassarov, D. Laporte, A.B. Thompson (Eds). Petrology and Structural Geology. Vol. 11. Springer, Dordrecht, p. 114–178. https://doi.org/10.1007/978-94-011-4016-4_5.

23. Schmeling H., 2006. A Model of Episodic Melt Extraction for Plumes. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 111 (B3). https://doi.org/10.1029/2004JB003423.

24. Schmeling H., 2010. Dynamic Models of Continental Rifting with Melt Generation. Tectonophysics 480 (1–4), 33–47. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2009.09.005.

25. Sharapov V.N., Perepechko Yu.V., Mazurov M.P., 2006. Mantle-Crust Magmatic-Fluid Systems in Spreading Zones. Russian Geology and Geophysics 47 (12), 1326–1344.

26. Sobolev S.V., Babeyko A.Yu., 1994. Modeling of Mineralogical Composition, Density and Elastic Wave Velocities in Anhydrous Magmatic Rocks. Surveys in Geophysics 15, 515–544. https://doi.org/10.1007/BF00690173.

27. Sobolev A.V., Krivolutskaya N.A., Kuzmin D.V., 2009. Petrology of the Parental Melts and Mantle Sources of Siberian Trap Magmatism. Petrology 17, 253. https://doi.org/10.1134/s0869591109030047.

28. Sparks D.W., Parmantier E.M., 1993. The Structure of Three-Dimentional Convection beneath Oceanic Spreading Centres. Geophysical Journal International 112 (1), 81–91. https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.1993.tb01438.x.

29. Sparks D.W., Parmantier Е.М., 1994. Chapter 4 The Generation and Migration of Partial Melt beneath Oceanic Spreading Centers. International Geophysics 57, 55–76. https://doi.org/10.1016/S0074-6142(09)60092-9.

30. Turner A.J., Katz R.F., Behn M.D., Keller T., 2017. Magmatic Focusing to Mid-Ocean Ridges: The Role of Grain-Size Variability and Non-Newtonian Viscosity. Geochemistry Geophysics Geosystems 18 (12), 4342–4355. https://doi.org/10.1002/2017GC007048.

31. Zhuse T.P., 1981. The Role of Compressed Gases as Dissolvents. Nedra, Moscow, 161 p. (in Russian) [Жузе Т.П. Роль сжатых газов как растворителей. М.: Недра, 1981. 161 с.].