Mantelkonvektion und Rheologie

Angetrieben durch innere Wärme kriecht und konvektiert der feste Mantel über Millionen von Jahren, und die Art und Weise, wie sich Mantelgestein verformt, seine Rheologie, bestimmt die Stärke, den Stil und das Muster dieser planetaren Strömung.

Definition

Mantelkonvektion ist die langsame, auftriebsgetriebene Strömung des festen Mantels, die die innere Wärme der Erde an die Oberfläche transportiert; Rheologie ist die Beschreibung, wie sich Mantelgestein unter Spannung verformt, hauptsächlich durch thermisch aktiviertes Kriechen, das die Viskosität bestimmt, die diese Strömung steuert.

Scope

Dieses Thema behandelt die thermische Konvektion im Mantel und die Rheologie, die sie steuert: die maßgeblichen Gleichungen der auftriebsgetriebenen Kriechströmung, die Rayleigh-Zahl und das Einsetzen sowie die Stärke der Konvektion, die Rolle der internen und basalen Erwärmung und die Konvektionsstile von geschichtet bis zum gesamten Mantel. Es behandelt die Deformationsmechanismen von Mantelmineralien, Diffusions- und Versetzungskriechen, die starke Temperatur- und Druckabhängigkeit der Viskosität und den Einfluss von Phasenübergängen auf die Strömung. Der Schwerpunkt liegt darauf, wie die Rheologie von festem Gestein den konvektiven Wärmetransport steuert.

Core questions

• Welche Gleichungen steuern die auftriebsgetriebene Kriechströmung im Mantel?
• Wie steuert die Rayleigh-Zahl das Einsetzen und die Stärke der Konvektion?
• Durch welche Kriechmechanismen verformt sich festes Mantelgestein?
• Wie beeinflussen Temperatur, Druck und Phasenübergänge den Konvektionsstil?

Key concepts

• Auftriebsgetriebene Kriechströmung (Stokes-Strömung)
• Rayleigh-Zahl und Konvektionsstärke
• Diffusions- und Versetzungskriechen
• Temperatur- und druckabhängige Viskosität
• Interne Erwärmung und Konvektionsstil

Key theories

Thermische Konvektion und die Rayleigh-Zahl

Ob und wie stark der Mantel konvektiert, wird durch die Rayleigh-Zahl bestimmt, die den Auftrieb gegen viskose und thermische Diffusion ausgleicht; oberhalb eines kritischen Wertes setzt Konvektion ein, und die hohe Rayleigh-Zahl des Mantels impliziert eine starke, zeitabhängige Strömung.

Festkörper-Kriech-Rheologie

Mantelgestein fließt durch die thermisch aktivierte Migration von Punktdefekten und Versetzungen, was zu einer stark temperatur- und spannungsabhängigen effektiven Viskosität führt, die die Raten und Muster der Konvektion sowie die Stärke der Lithosphäre steuert.

Mechanisms

Wärme aus radioaktivem Zerfall und aus dem Erdkern erwärmt den tiefen Mantel, wodurch seine Dichte sinkt und er Auftrieb erhält; da sich Mantelgestein durch Festkörperkriechen verformt, steigt es in heißen Plumes auf und sinkt in kalten Abwärtsströmungen ab, wodurch Wärme weitaus effizienter transportiert wird als durch Wärmeleitung, während die starke Abhängigkeit der Viskosität von der Temperatur und die Auswirkungen von Mineralphasenübergängen modulieren, ob die Strömung den gesamten Mantel umspannt oder teilweise geschichtet ist.

Clinical relevance

Mantelkonvektion ist der Motor der Plattentektonik und die Quelle von Intraplattenvulkanismus und dynamischer Topographie; ihr Verständnis schränkt die thermische Geschichte der Erde ein und verbindet die Oberflächentektonik mit dem tiefen Inneren, das seismologisch abgebildet wird.

History

Holmes schlug in den 1930er Jahren die Mantelkonvektion als Antrieb der Kontinentaldrift vor; eine quantitative Behandlung folgte der Plattentektonik, wobei die Studie von McKenzie, Roberts und Weiss aus dem Jahr 1974 die numerische Mantelkonvektion vorantrieb und Laborstudien zur Gesteinsdeformation die Kriechgesetze etablierten, die die Mantelrheologie bestimmen.

Debates

Geschichtete versus Ganzmantelkonvektion

Geophysiker debattierten lange, ob der obere und untere Mantel als getrennte Schichten konvektieren, was durch einige geochemische Reservoire nahegelegt wurde, oder als ein einziges Ganzmantelsystem, was durch seismische Bilder von Platten, die in den unteren Mantel eindringen, gestützt wurde; aktuelle Ansichten favorisieren weitgehend eine Ganzmantelströmung mit Komplikationen nahe der Übergangszone.

Key figures

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

Seminal works

• schubert2001
• mckenzie1974
• karato2008

Frequently asked questions

Wie schnell konvektiert der Mantel?

Nach alltäglichen Maßstäben extrem langsam, mit Strömungsgeschwindigkeiten von wenigen Zentimetern pro Jahr, vergleichbar mit der Geschwindigkeit, mit der sich Platten bewegen und Fingernägel wachsen; Konvektion ist nur deshalb bedeutsam, weil sie über Millionen bis Milliarden von Jahren abläuft.

Was ist die Rayleigh-Zahl?

Sie ist ein dimensionsloses Maß dafür, wie stark eine Flüssigkeit zur Konvektion neigt, indem sie den Auftrieb, der die Strömung antreibt, mit der Viskosität und der thermischen Diffusion vergleicht, die ihr widerstehen; die sehr hohe Rayleigh-Zahl des Mantels bedeutet, dass er trotz festen Gesteins stark konvektiert.