Convección del manto y reología

Impulsado por el calor interno, el manto sólido se arrastra y convecta durante millones de años, y la forma en que la roca del manto se deforma, su reología, establece el vigor, el estilo y el patrón de este flujo a escala planetaria.

Definition

La convección del manto es el flujo lento del manto sólido, impulsado por la flotabilidad, que transporta el calor interno de la Tierra a la superficie; la reología es la descripción de cómo la roca del manto se deforma bajo tensión, principalmente por arrastre térmicamente activado, lo que determina la viscosidad que rige ese flujo.

Scope

Este tema cubre la convección térmica en el manto y la reología que la controla: las ecuaciones que rigen el flujo de arrastre impulsado por la flotabilidad, el número de Rayleigh y el inicio y vigor de la convección, el papel del calentamiento interno y el calentamiento basal, y los estilos de convección desde la convección en capas hasta la de todo el manto. Trata los mecanismos de deformación de los minerales del manto, el arrastre por difusión y dislocación, la fuerte dependencia de la viscosidad de la temperatura y la presión, y la influencia de las transiciones de fase en el flujo. El énfasis está en cómo la reología de la roca sólida gobierna el transporte de calor convectivo.

Core questions

• ¿Qué ecuaciones rigen el flujo de arrastre impulsado por la flotabilidad en el manto?
• ¿Cómo controla el número de Rayleigh el inicio y el vigor de la convección?
• ¿Por qué mecanismos de arrastre se deforma la roca sólida del manto?
• ¿Cómo la temperatura, la presión y las transiciones de fase dan forma al estilo convectivo?

Key concepts

• Flujo de arrastre (Stokes) impulsado por la flotabilidad
• Número de Rayleigh y vigor convectivo
• Arrastre por difusión y dislocación
• Viscosidad dependiente de la temperatura y la presión
• Calentamiento interno y estilo convectivo

Key theories

Convección térmica y el número de Rayleigh

Si el manto convecta, y con qué vigor, está gobernado por el número de Rayleigh que equilibra la flotabilidad frente a la difusión viscosa y térmica; por encima de un valor crítico, la convección se inicia, y el alto número de Rayleigh del manto implica un flujo vigoroso y dependiente del tiempo.

Reología de arrastre en estado sólido

La roca del manto fluye por la migración térmicamente activada de defectos puntuales y dislocaciones, lo que da una viscosidad efectiva fuertemente dependiente de la temperatura y el estrés que controla las tasas y patrones de convección y la resistencia de la litosfera.

Mechanisms

El calor de la desintegración radiactiva y del núcleo calienta el manto profundo, disminuyendo su densidad y haciéndolo flotante; debido a que la roca del manto se deforma por arrastre en estado sólido, asciende en plumas calientes y desciende en corrientes descendentes frías, transportando calor de manera mucho más eficiente que la conducción, mientras que la fuerte dependencia de la viscosidad de la temperatura y los efectos de las transiciones de fase modulan si el flujo abarca todo el manto o está parcialmente estratificado.

Clinical relevance

La convección del manto es el motor de la tectónica de placas y la fuente del vulcanismo intraplaca y la topografía dinámica; comprenderla restringe la historia térmica de la Tierra y vincula la tectónica de la superficie con el interior profundo imaginado por la sismología.

History

Holmes propuso la convección del manto como el motor de la deriva continental en la década de 1930; el tratamiento cuantitativo siguió a la tectónica de placas, con el estudio pionero de McKenzie, Roberts y Weiss de 1974 sobre la convección numérica del manto, y los estudios de deformación de rocas en laboratorio que establecieron las leyes de arrastre que fijan la reología del manto.

Debates

Convección en capas versus convección de todo el manto

Los geofísicos debatieron durante mucho tiempo si el manto superior e inferior convectan como capas separadas, sugerido por algunos reservorios geoquímicos, o como un único sistema de todo el manto, apoyado por imágenes sísmicas de losas que penetran el manto inferior; las opiniones actuales favorecen en gran medida el flujo de todo el manto con complicaciones cerca de la zona de transición.

Key figures

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

Seminal works

• schubert2001
• mckenzie1974
• karato2008

Frequently asked questions

¿Qué tan rápido convecta el manto?

Extremadamente lento para los estándares cotidianos, con velocidades de flujo de unos pocos centímetros por año, comparable a la velocidad a la que se mueven las placas y a la velocidad a la que crecen las uñas; la convección es significativa solo porque opera durante millones a miles de millones de años.

¿Qué es el número de Rayleigh?

Es una medida adimensional de la fuerza con la que un fluido tiende a convectar, comparando la flotabilidad que impulsa el flujo con la viscosidad y la difusión térmica que lo resisten; el número de Rayleigh muy alto del manto significa que convecta vigorosamente a pesar de ser roca sólida.