Temperature Distribution at the Border Astenosphere–Lithosphere (Mathematical Model)

Main Article Content

Abstract

The convection of matter in the Earth's upper mantle is considered, which in the Oberbeck–Boussinesq approximation is due to thermogravitational differentiation. Within the framework of this approximation, a 2-D numerical simulation of convective flows of the medium matter was performed. The equation for temperature follows from the entropy balance relation, where, due to taking into account the variable viscosity in the system, there is an effect of energy dissipation. The boundary conditions correspond to the assignment of the temperature generally accepted at the boundary of the upper and lower mantles, and for the lateral boundaries - their thermal insulation. At the asthenosphere–lithosphere boundary, assumptions were made that the heat dynamics is determined by its flow from the asthenosphere layer closest to the boundary, part of the heat dissipation along the boundary, and heat consumption for melting the lithosphere matter. Numerical solution of the constitutive equations is carried out in variables stream function - vorticity. An iterative scheme for their solution is given. The issues of software implementation of the numerical simulation apparatus are discussed. It is shown that under such boundary conditions, a quasi-periodic regime of heat oscillations is formed in the system under consideration.

Article Details

References

Витязев А.В., Печерникова Г.В. Ранняя дифференциация Земли и проблема лунного состава // Физика Земли. 1996. № 6. С. 3–6.
2. Джозеф Д. Устойчивость движения жидкости. М.: Мир, 1981. 638 с.
3. Добрецов Н.Л., Кирдяшкин А.Г. Глубинная геодинамика. Новосибирск: Изд-во СО РАН НИЦ ОИГГМ СО РАН, 1994. 299 с.
4. Занемонец В.Б., Котелкин В.Д., Мясников В.П. О динамике литосферных движений // Физика Земли. 1974. № 5. С. 43–54.
5. Кеонджян В.Н. Модель химико-плотностной дифференциации мантии Земли // Физика Земли. 1980. № 8. С. 3–15.
6. Кирдяшкин А.А., Кирдяшкин А.Г., Сурков А.В. Тепловая гравитационная конвекция в астеносфере под срединно-океаническим хребтом и устойчивость основных глубинных паргенезисов // Геология и геофизика. 2006. Т. 47. № 1. С. 76–94.
7. Коробицына Ж.Л., Овчарова А.С. Применение метода фиктивных областей для задач тепловой конвекции // Тр. Конф. RDAMM-2001. 2001. C. 372–382.
8. Коробицына Ж.Л., Тычков С.А. Численное моделирование процессов тепло- и массопереноса с учетом фазового перехода в геодинамике // ЖВМиМФ. 1997. Т. 37. № 6. С. 733–741.
9. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т. VI. Гидродинамика. М.: Физматлит. 2003. 736 с.
10. Лобковский Л.И., Никишин А.М., Хаин В.Е. Современные проблемы геотектоники и геодинамики. М.: Научный мир, 2004. 612 с.
11. Монин А.Н. История Земли. Л.: Наука, 1977. 228 с.
12. Монин А.С., Сорохтин О.Г. Об объемной гравитационной дифференциации Земли // ДАН СССР. 1981. Т. 259. № 5. С. 1076–1079.
13. Мэтьюз Дж., Финк К. Численные методы. Использование MATLAB. М.: Издательский дом «Вильямс», 2001. 720 с.
14. Оран Э., Борис Дж. Численное моделирование реагирующих потоков. М.: Мир, 1990. 660 с.
15. Пригожин И., Кондепуди Д. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур. М.: Мир, 2002. 461 с.
16. Роуч П.Дж. Вычислительная гидродинамика. М.: Мир, 1980. 618 с.
17. Рычкова Е.В., Тычков С.А. Численная модель тепловой конвекции в верхней мантии Земли под литосферой континентов // Вычислительные технологии. 1997. Т. 2. № 5. С. 66–81.
18. Самарский А.А. Теория разностных схем. М.: Наука, 1983. 616 с.
19. Сорохтин О.Г., Ушаков С.А. Глобальная эволюция Земли. М.: Изд-во МГУ, 1991. 446 с.
20. Темам Р. Уравнения Навье–Стокса. Теория и численный анализ. М.: Мир, 1981. 408 с.
21. Трубицын В.П. Геодинамическая модель эволюции Тихого океана // Физика Земли. 2006, № 2. С. 3–25.
22. Трубицын В.П. Сейсмическая томография и дрейф континентов // Физика Земли. 2008. № 12. С. 83–91.
23. Трубицын В.П., Баранов А.А., Евсеев А.Н., Трубицын А.П., Харыбин Е.В. Влияние низковязкой астеносферы на мантийные течения // Физика Земли. 2006, № 12. С. 11–19
24. Трубицын В.П., Николайчик В.В. Режимы тепловой конвекции Земли // Физика Земли. 1991. № 6. С. 3–12.
25. Трубицын В.П., Белавина Ю.Ф., Рыков В.В. Тепловое и механическое взаимодействие мантии с континентальной литосферой // Физика Земли. 1993. № 11. С. 3–15.
26. Трубицын В.П., Харыбин Е.В. Геодинамическая модель дифференциации мантийного вещества в глубинах Земли // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1988. № 4. С. 83–89.
27. Тычков С.А., Червов В.В., Черных Г.Г. Численная модель трехмерной конвекции в верхней мантии Земли // Физика Земли. 2005. № 5. С. 48–64.
28. Уайли П. Земная мантия // УФН. 1977. Т. 121. № 1. С. 139–156.
29. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей. М.: Мир. 1991. Т. 1. 504 с.
30. Cristensen U. Convection with pressure- and temperature-depend non Newtonian rheology // Geophys. J. Roy. Astr. Soc. 1984. Vol. 77. No. 2. P. 343–384.
31. Davis T.A. UMFPACK Version 4.6 User Guide (http://www.cise.ufl.edu/research/sparse/umfpack), Dept. of Computer and Information Science and Engineering, Univ. of Florida, Gainesville, FL. 2002.
32. Gurnis M., Davies G.F. Numerical study of high Rayleigh number convection in a medium with depth-depend viscosity // Geophys. J. Roy. Astr. Soc. 1985. Vol. 186, No. 85. P. 523–541.
33. Houston M.H. Jr., De Bremaecker J.Cl. ADI solution of free convection in a variable viscosity fluid// J. of Comput. Physics. 1974. Vol. 16. P. 231–239.
34. Lowman J.P., Jarvis G. Mantle convection flow reversals due to continental collisions // Geophys. Res. Lett. 1993. Vol. 20. P. 2087–2090.
35. McKenzie D.P., Roberts J.M., Weiss N.O. Convection in Earth’s mantle: towards a numerical simulation // J. Fluid Mech. 1974. Vol. 62. Part 3. P. 465–538.
36. Schubert G., Anderson C.A. Finite element calculation of very high Rayleigh number thermal convection // Geophys. J. Roy. Astr. Soc. 1985. Vol. 80. P. 298–318.
37. Spohn T., Schubert G. Convective thinning of the lithosphere: a mechanism for rifting and mid-plate volcanism on Earth, Venus and Mars // Tectonophysics. 1983. Vol. 94. P. 67-90.
38. Torrance K.E., Turcotte D.L. Thermal convection with large viscosity variations // J. Fluid Mech. 1971. Vol. 47. P. 113–125.
39. Turcotte D., Emerman S. Mechanism of active and passive rifting // Tectonophysics. 1983. Vol. 94. P. 39–50.
40. Zhong S., Gurnis M., Moresi L. Free-surface formulation of mantle convection–I. Basic theory and application to plume // Geophys. J. Int. 1996. Vol. 127. P. 708–718.