Мантийна конвекция и реология

Задвижвана от вътрешна топлина, твърдата мантия пълзи и конвектира в продължение на милиони години, а начинът, по който мантийната скала се деформира – нейната реология – определя интензивността, стила и модела на този планетарен поток.

Definition

Мантийната конвекция е бавният, задвижван от плаваемост поток на твърдата мантия, който пренася вътрешната топлина на Земята към повърхността; реологията е описание на това как мантийната скала се деформира под напрежение, главно чрез термично активирано пълзене, което определя вискозитета, управляващ този поток.

Scope

Тази тема обхваща термичната конвекция в мантията и реологията, която я контролира: управляващите уравнения на пълзящия поток, задвижван от плаваемост, числото на Рейли и началото и интензивността на конвекцията, ролята на вътрешното и базалното нагряване, както и стиловете на конвекция от слоеста до цялостна мантия. Тя разглежда механизмите на деформация на мантийните минерали, дифузионното и дислокационното пълзене, силната температурна и зависимост от налягането на вискозитета, както и влиянието на фазовите преходи върху потока. Акцентът е върху това как реологията на твърдата скала управлява конвективния пренос на топлина.

Core questions

• Какви уравнения управляват пълзящия поток, задвижван от плаваемост в мантията?
• Как числото на Рейли контролира началото и интензивността на конвекцията?
• Чрез какви механизми на пълзене се деформира твърдата мантийна скала?
• Как температурата, налягането и фазовите преходи оформят конвективния стил?

Key concepts

• Пълзящ (Стоксов) поток, задвижван от плаваемост
• Число на Рейли и интензивност на конвекцията
• Дифузионно и дислокационно пълзене
• Зависещ от температурата и налягането вискозитет
• Вътрешно нагряване и конвективен стил

Key theories

Термична конвекция и число на Рейли

Дали мантията конвектира и колко интензивно, се управлява от числото на Рейли, което балансира плаваемостта срещу вискозната и термична дифузия; над критична стойност започва конвекция, а високото число на Рейли на мантията предполага интензивен, зависещ от времето поток.

Реология на пълзене в твърдо състояние

Мантийната скала тече чрез термично активирана миграция на точкови дефекти и дислокации, което води до силно зависим от температурата и напрежението ефективен вискозитет, който контролира скоростите и моделите на конвекция и здравината на литосферата.

Mechanisms

Топлината от радиоактивен разпад и от ядрото загрява дълбоката мантия, намалявайки нейната плътност и правейки я плаваема; тъй като мантийната скала се деформира чрез пълзене в твърдо състояние, тя се издига в горещи струи и потъва в студени низходящи потоци, пренасяйки топлина много по-ефективно от проводимостта, докато силната зависимост на вискозитета от температурата и ефектите от минералните фазови преходи модулират дали потокът обхваща цялата мантия или е частично слоест.

Clinical relevance

Мантийната конвекция е двигателят на тектониката на плочите и източникът на вътрешноплочен вулканизъм и динамична топография; разбирането ѝ ограничава термичната история на Земята и свързва повърхностната тектоника с дълбокия интериор, изобразен чрез сеизмология.

History

Холмс предлага мантийната конвекция като двигател на континенталния дрейф през 30-те години на миналия век; количественото третиране следва тектониката на плочите, като изследването на Макензи, Робъртс и Вайс от 1974 г. е пионер в числената мантийна конвекция, а лабораторните изследвания на деформацията на скалите установяват законите за пълзене, които определят мантийната реология.

Debates

Слоеста срещу цялостна мантийна конвекция

Геофизиците дълго време дебатираха дали горната и долната мантия конвектират като отделни слоеве, предложено от някои геохимични резервоари, или като единна цялостна мантийна система, подкрепено от сеизмични изображения на плочи, проникващи в долната мантия; настоящите възгледи предпочитат до голяма степен цялостен мантиен поток с усложнения близо до преходната зона.

Key figures

• Arthur Holmes
• Dan McKenzie
• Shun-ichiro Karato
• Gerald Schubert

Seminal works

• schubert2001
• mckenzie1974
• karato2008

Frequently asked questions

Колко бързо конвектира мантията?

Изключително бавно по ежедневни стандарти, със скорости на потока от няколко сантиметра годишно, сравними със скоростта на движение на плочите и с това колко бързо растат ноктите; конвекцията е значима само защото оперира в продължение на милиони до милиарди години.

Какво е числото на Рейли?

Това е безразмерна мярка за това колко силно дадена течност е склонна да конвектира, сравнявайки плаваемостта, която задвижва потока, срещу вискозитета и термичната дифузия, които му се противопоставят; много високото число на Рейли на мантията означава, че тя конвектира интензивно, въпреки че е твърда скала.