Экспериментальное и теоретическое моделирование тепловой и гидродинамической структуры конвективных течений в мантии

• Автор: Кирдяшкин, Алексей Анатольевич
• Шифр специальности: 04.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 236 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. ТЕПЛОВАЯ ГРАВИТАЦИОННАЯ КОНВЕКЦИЯ В ГОРИЗОНТАЛЬНОМ
СЛОЕ, ПОДОГРЕВАЕМОМ СНИЗУ, И МОДЕЛИРОВАНИЕ МАНТИЙНОЙ КОНВЕКЦИИ
1.1. Устойчивость конвективных ячеек в горизонтальном слое, подогреваемом снизу
и охлаждаемом сверху
1.2. Нестационарная конвекция в горизонтальном
слое
1.3. Модели конвекции в мантии
1.4. Численное и экспериментальное моделирование тепловой гравитационной конвекции
в мантии
Глава 2. ТЕПЛОВАЯ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ПЕРЕХОДНОГО РЕЖИМА СВОБОДНОЙ КОНВЕКЦИИ И ХАРАКТЕРНОЕ ВРЕМЯ РАЗВИТИЯ КОНВЕКТИВНЫХ ЯЧЕЕК В НИЖНЕЙ МАНТИИ И АСТЕНОСФЕРЕ
2.1. Экспериментальная установка
2.2. Система измерений и измеряемые параметры при исследовании переходного режима
2.3. Особенности экспериментального изучения переходного режима в горизонтальном слое

2.4. Влияние числа Прандтля на структуру течения и теплообмен при тепловой гравитационной конвекции и проблема экспериментального моделирования
мантийной конвекции
2.5. Теплообмен и структура течения при
переходном режиме
2.6. Время установления стационарного
режима течения
2.7. Характерное время развития конвективных ячеек
в верхней и нижней мантии
2.7.1. Характерное время развития конвективных
ячеек в нижней мантии
2.7.2. Характерное время развития конвективных ячеек в астеносфере под центральной частью континента
2.7.3. Развитие конвекции в астеносфере под континентом при наличии зоны субдукции
2.7.4. Время развития конвективных ячеек в астеносфере при раскрытии океана
Глава 3. ГРАНИЦЫ ТУРБУЛЕНТНОГО РЕЖИМА СВОБОДНОЙ КОНВЕКЦИИ В ГОРИЗОНТАЛЬНОМ СЛОЕ, ПОДОГРЕВАЕМОМ СНИЗУ, И РЕЖИМ НИЖНЕМАНТИЙНОЙ КОНВЕКЦИИ
3.1. Экспериментальная установка, система измерений и измеряемые параметры
3.2. Теплообмен в конвективной ячейке при больших числах Рэлея
3.3. Природа длиннопериодных температурных колебаний
и их временной масштаб
3.4. Амплитуда и интенсивность тепловых пульсаций в конвективной ячейке и границы турбулентного режима свободной конвекции
в горизонтальном слое
3.5. Обоснование возможности экспериментального моделирования мантийной конвекции и определение режима нижнемантийной конвекции
Глава 4. ВРЕМЕННЫЕ И ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ МАСШТАБЫ НЕСТАЦИОНАРНЫХ СВОБОДНОКОНВЕКТИВНЫХ ТЕЧЕНИЙ В ГОРИЗОНТАЛЬНОМ СЛОЕ И ВРЕМЕННЫЕ И ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ МАСШТАБЫ НИЖНЕМАНТИЙНОЙ КОНВЕКЦИИ
4.1. Экспериментальная установка, система измерений
и измеряемые параметры
4.2. Спектры пульсаций локального теплового потока и картины течения для турбулентного режима свободной конвекции в горизонтальном слое
4.3. Временные масштабы короткопериодных
пульсаций
4.4. Временной масштаб тепловых пульсаций в мантии
и возможная схема мантийной конвекции
4.5. Теплообмен и реология нижней мантии в
ранние периоды развития Земли
Глава 5. ВЛИЯНИЕ ЗОН СУБДУКЦИИ НА ТЕПЛООБМЕН И СТРУКТУРУ
ТЕЧЕНИЯ В НИЖНЕЙ И ВЕРХНЕЙ МАНТИИ
5.1. Экспериментальная установка, система измерений
и измеряемые параметры

1.4. Численное и экспериментальное моделирование тепловой гравитационной конвекции в мантии.
Как видно из обзора, приведенного в параграфе 1.3, сегодня есть ряд геохимических и геофизических данных в пользу расслоенности мантии [90,92-95,98-103,104-115,119-129,137], в пользу того, что верхняя и нижняя мантия - разные части мантии, с разными минеральными фазами, плотностями, вязкостями [132,138-142]. Существуют данные о некоторой химической неоднородности между двумя слоями [2,132].
Ф.Рихтер и Д.Маккензи,У.Кристенсен и Д.Йен построили двухслойную модель в предположении, что граница 670 км отделяет слои различного химического состава или сочетает в себе химическую и фазовую границы, причем в их модели вязкости слоев примерно равны [90,136]. Эти модели показали доминирующую роль вязкостного взаимодействия у границы раздела и возникновение противоположно направленных течений в слоях при одинаковых горизонтальных размерах ячеек.
Структура двухслойной конвекции в двумерном моделировании при йа=3-106 - 3.7-107 зависит от соотношений толщин верхнего и нижнего слоев и их кинематических вязкостей: 11/1 г, V 1/ V 2 [16]. Эффективное число Рэлея для двухслойной системы определялось по суммарной толщине двух слоев 1 = 11+1 г и по меньшей для двух слоев кинематической вязкости. При Иа = 3-10в,11/1г = = 2 или 4 и V1 = V 2 ячейки в обоих слоях имеют одинаковые горизонтальные размеры, движения в подъемных и опускных потоках разнонаправлены, на границе раздела направления течения совпадают, то есть, взаимодействие потоков на границе - вязкое. Этот тип взаимодействия сохраняется вплоть до соотношения