551.2:551.14:536.25

Представлена схема зарождения термохимического плюма на границе ядро-мантия, включающая образование вихревых течений во внешнем ядре в поле силы Кориолиса и показывающая их роль в формировании мантийных термохимических плюмов на этой границе. Рассмотрены гидродинамика и теплообмен на границе ядро-мантия в условиях свободной конвекции. Проведено лабораторное моделирование течений, создающихся вблизи подошвы плюма в поле силы Кориолиса для числа Тэйлора Ta=2.8·10⁸. Представлены фотографии течения во вращающейся ампуле при наличии плоского локального нагревателя на подошве ампулы. Эксперименты показали, что под влиянием силы Кориолиса в объеме жидкости во вращающейся ампуле, локально подогреваемой снизу, образуются вихревые течения сложной конфигурации. На основании данных лабораторного моделирования и имеющихся данных теоретического анализа представлены выводы о возможной генерации геомагнитного поля вихревыми течениями заряженных частиц во внешнем ядре Земли в области подошв мантийных плюмов. Рассчитаны параметры отдельного вихря вблизи границы ядро-мантия для диаметра подошвы плюма от 30 км до 80 км.

A scheme of thermochemical plume formation at the core - mantle boundary is presented. It involves the formation of vortex flows in the outer core under the effect of Coriolis force and the influence of these vortices on the formation of mantle thermochemical plumes at the core - mantle boundary. Hydrodynamics and heat transfer at the core-mantle boundary are considered under conditions of free convection. Laboratory modeling of flows created near the plume base in the Coriolis force field was carried out for Taylor number Ta=2.8·10⁸. Photographs are presented of the flow in a rotating crucible in the presence of a flat local heater on the crucible base. Experiments have shown that, under the influence of the Coriolis force, vortices form in the liquid volume in a rotating crucible locally heated from below. These vortices have a complex configuration. Based on laboratory modeling data and available theoretical analysis data, conclusions are presented about the possible generation of a geomagnetic field by vortex flows of charged particles in the outer core in the region of the mantle plume bases. The parameters of a separate vortex near the core - mantle boundary are calculated for plume base diameter from 30 km to 80 km.

доктор геолого-минералогических наук, профессор РАН, заведующий лабораторией, Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН

кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник, Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН

научный сотрудник, Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН

кандидат геолого-минералогических наук, младший научный сотрудник, Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН

младший научный сотрудник, Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН

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. No. 1-4. Pp. 66-92. https://doi.org/10.1016/j.lithos.2007.06.025.

Kirdyashkin A.A., Dobretsov N.L., Kirdyashkin A.G. Thermochemical plumes. Russian Geology and Geophysics. 2004. V. 45. No. 9. Pp. 1057-1073.

Dobretsov N.L., Kirdyashkin A.G. Sources of mantle plumes. Doklady Earth Sciences. 2000. V. 373. No. 5. Pp. 879-881.

Добрецов Н.Л., Кирдяшкин А.Г., Кирдяшкин А.А. Глубинная геодинамика. Новосибирск: Изд-во СО РАН, филиал «Гео». 2001. 409 c.

Kageyama A., Sato T., and the Complexity Simulation Group. Computer simulation of a magnetohydrodynamic dynamo. II. Phys. Plasmas. 1995. V. 2. Pp. 1421-1431. https://doi.org/10.1063/1.871485.

Glatzmaier G.A., Roberts P.H. Three-dimensional convective dynamo solution with rotating and finitely conducting inner core and mantle. Phys. Earth Planet. Inter. 1995. V. 91. Pp. 63-75. https://doi.org/10.1016/0031-9201(95)03049-3.

Glatzmaier G.A., Roberts P.H. An anelastic evolutionary geodynamo simulation driven by compositional and thermal convection. Physica D. 1996. V. 97. Pp. 81-94.

Landeau M., Aubert J., Olson P. The signature of inner-core nucleation on the geodynamo. Earth Planet. Sci. Lett. 2017. V. 465. Pp. 193-204. http://dx.doi.org/10.1016/j.epsl.2017.02.004.

Avery M.S., Constable C.G., Davies C.J., Gubbins D. Spectral methods for analyzing energy balances in geodynamo simulations. Phys. Earth Planet. Inter. 2019. V. 286. Pp. 127-137. https://doi.org/10.1016/j.pepi.2018.10.002.

Buffett B. A matter of boundaries. Nat. Geosci. 2009. V. 2. Pp. 741-742. https://doi.org/10.1038/ngeo673.

Kirdyashkin A.G., Kirdyashkin A.A. 2018. Hydrodynamics and heat and mass transfer in mushroom-shaped heads of thermochemical plumes. Geodynamics & Tectonophysics. V. 9. No. 1. Pp. 263-286. DOI:10.5800/GT-2018-9-1-0348.

Gladkov I.N., Distanov V.E., Kirdyashkin A.A., Kirdyashkin A.G. Stability of a melt/solid interface with reference to a plume channel. Fluid Dynamics. 2012. V. 47. No. 4. Pp. 433-447. https://doi.org/10.1134/S0015462812040023.

Жарков В.Н. Внутреннее строение Земли и планет. М.: Наука. 1983. 415 с.

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

Secco R.A. Viscosity of the outer core. Mineral physics and crystallography: a handbook of physical constants / Ed. T.J. Ahrens. AGU Reference Shelf. V. 2. Washington, DC: American Geophysical Union. 1995. Pp. 218-226. https://doi.org/10.1029/RF002p0218.

Kirdyashkin A.A., Dobretsov N.L., Kirdyashkin A.G. Heat transfer between a thermochemical plume channel and the surrounding mantle in the presence of horizontal mantle flow. Izvestiya, Physics of the Solid Earth. 2009. V. 45. No. 8. Pp. 684-700. https://doi.org/10.1134/S1069351309080084.