Модель мантийной конвекции с неньютоновской реологией и фазовыми переходами: структура течений и поля напряжений

В работе рассчитана модель мантийной конвекции с фазовыми переходами и неньютоновской вязкостью с внутренними источниками тепла для двумерной декартовой модели. Зависимость вязкости от температуры представлена законом Аррениуса со скачком вязкости 50 на границе между верхней и нижней мантией. Полный перепад вязкости в модели составляет 4.5 порядка. Использование неньютоновской реологии позволило промоделировать процессы размягчения в зоне изгиба и субдукции океанических плит. Порог прочности в модели принимается равным 50 МПа. В результате моделирования изучена структура мантийных течений и пространственные поля напряжений xz и xx в мантии Земли. Модель демонстрирует скачкообразное перемещение зон субдукции и обнаруживает резкие изменения в полях напряжений в зависимости от стадии отделения слэба. По сравнению с предыдущей моделью [Бобров, Баранов, 2014] наблюдается самосогласованное появление жестких движущихся литосферных плит на поверхности. При этом интенсивные течения в верхней мантии вызывают снос верхней части слэбов и их наклон, а также смещение плюмов. Получено, что при пересечении всплывающим плюмом границы между нижней и верхней мантией образуется характерная “двухъярусная” структура плюма: в верхней мантии восходящая струя вещества утоняется, а ее скорость возрастает. Эффект вызывается скачком вязкости на границе и усиливается действием эндотермической фазовой границы, препятствующей проходу вещества плюма из нижней мантии в верхнюю. Рассчитаны величины и характер распределения сдвиговых напряжений xz и надлитостатических горизонтальных напряжений xx. В модели в области погружающихся слэбов напряжения составляют 60–80 МПа, превышая, таким образом, почти на порядок напряжения в других областях мантии. Рассмотрен характер полей напряжений в области прохождения плюмами и слэбами фазовых границ и скачка вязкости. Найдено, что влияние скачка вязкости, а также эндотермической фазовой границы на глубине 660 км выражается в существовании неоднородностей полей напряжений на границе верхней и нижней мантии. Влияние экзотермического фазового перехода на глубине 410 км на поля напряжений при взятых параметрах невелико. В полях напряжений области слэбов выражены значительно сильнее областей плюмов. Это численно показывает, что именно слэбы, а не плюмы, являются основной движущей силой конвекции. Плюмы же частично являются движущей силой, а частично вовлекаются пассивно в конвекцию, организованную погружающимися слэбами.