همرفت گوشته و رئولوژی
گوشته جامد که توسط گرمای درونی به حرکت درمیآید، در طول میلیونها سال میخزد و همرفت میکند، و نحوه تغییر شکل سنگ گوشته، یعنی رئولوژی آن، شدت، سبک و الگوی این جریان در مقیاس سیارهای را تعیین میکند.
Definition
همرفت گوشته، جریان آهسته و ناشی از شناوری گوشته جامد است که گرمای درونی زمین را به سطح منتقل میکند؛ رئولوژی توصیف میکند که چگونه سنگ گوشته تحت تنش تغییر شکل میدهد، عمدتاً از طریق خزش فعالشده حرارتی، که گرانروی حاکم بر آن جریان را تعیین میکند.
Scope
این موضوع به همرفت گرمایی در گوشته و رئولوژی کنترلکننده آن میپردازد: معادلات حاکم بر جریان خزشگونه ناشی از شناوری، عدد رایلی و آغاز و شدت همرفت، نقش گرمایش داخلی و گرمایش پایهای، و سبکهای همرفت از لایهای تا تمامگوشتهای. این مبحث به مکانیسمهای تغییر شکل کانیهای گوشته، خزش نفوذی و نابجایی، وابستگی شدید گرانروی به دما و فشار، و تأثیر گذارهای فاز بر جریان میپردازد. تأکید بر این است که چگونه رئولوژی سنگ جامد، انتقال حرارت همرفتی را کنترل میکند.
Core questions
- چه معادلاتی بر جریان خزشگونه ناشی از شناوری در گوشته حاکم است؟
- عدد رایلی چگونه آغاز و شدت همرفت را کنترل میکند؟
- سنگ گوشته جامد از طریق چه مکانیسمهای خزشی تغییر شکل میدهد؟
- دما، فشار و گذارهای فاز چگونه سبک همرفتی را شکل میدهند؟
Key concepts
- جریان خزشگونه (استوکس) ناشی از شناوری
- عدد رایلی و شدت همرفتی
- خزش نفوذی و نابجایی
- گرانروی وابسته به دما و فشار
- گرمایش داخلی و سبک همرفتی
Key theories
- همرفت گرمایی و عدد رایلی
- اینکه گوشته همرفت میکند و با چه شدتی، توسط عدد رایلی کنترل میشود که شناوری را در برابر گرانروی و نفوذ حرارتی متعادل میکند؛ بالاتر از یک مقدار بحرانی، همرفت آغاز میشود، و عدد رایلی بالای گوشته به معنای جریان شدید و وابسته به زمان است.
- رئولوژی خزش حالت جامد
- سنگ گوشته از طریق مهاجرت فعالشده حرارتی نقصهای نقطهای و نابجاییها جریان مییابد، که گرانروی مؤثر به شدت وابسته به دما و تنش را ایجاد میکند و نرخها و الگوهای همرفت و استحکام لیتوسفر را کنترل میکند.
Mechanisms
گرمای حاصل از واپاشی رادیواکتیو و از هسته، گوشته عمیق را گرم میکند، چگالی آن را کاهش داده و آن را شناور میسازد؛ از آنجا که سنگ گوشته از طریق خزش حالت جامد تغییر شکل میدهد، در ستونهای داغ بالا میرود و در فرونشستهای سرد پایین میآید، و گرما را بسیار کارآمدتر از رسانش منتقل میکند، در حالی که وابستگی شدید گرانروی به دما و اثرات گذارهای فاز کانیها تعیین میکند که آیا جریان کل گوشته را در بر میگیرد یا تا حدی لایهای است.
Clinical relevance
همرفت گوشته موتور محرک تکتونیک صفحهای و منبع آتشفشانزایی درونصفحهای و توپوگرافی دینامیکی است؛ درک آن تاریخچه حرارتی زمین را محدود میکند و تکتونیک سطحی را به فضای داخلی عمیق که توسط لرزهنگاری تصویربرداری شده است، پیوند میدهد.
History
هولمز در دهه ۱۹۳۰ همرفت گوشته را به عنوان عامل رانش قارهای پیشنهاد کرد؛ بررسی کمی پس از تکتونیک صفحهای، با مطالعه پیشگامانه مکنزی، رابرتز و وایس در سال ۱۹۷۴ در زمینه همرفت عددی گوشته، و مطالعات آزمایشگاهی تغییر شکل سنگ که قوانین خزش تعیینکننده رئولوژی گوشته را برقرار کردند، دنبال شد.
Debates
- همرفت لایهای در مقابل همرفت تمامگوشتهای
- ژئوفیزیکدانان مدتها در مورد اینکه آیا گوشته بالایی و پایینی به عنوان لایههای جداگانه همرفت میکنند، که توسط برخی مخازن ژئوشیمیایی پیشنهاد شده بود، یا به عنوان یک سیستم واحد تمامگوشتهای، که توسط تصاویر لرزهای از صفحات نفوذکننده به گوشته پایینی پشتیبانی میشد، بحث میکردند؛ دیدگاههای کنونی عمدتاً به نفع جریان تمامگوشتهای با پیچیدگیهایی در نزدیکی منطقه گذار است.
Key figures
- Arthur Holmes
- Dan McKenzie
- Shun-ichiro Karato
- Gerald Schubert
Related topics
Seminal works
- schubert2001
- mckenzie1974
- karato2008
Frequently asked questions
- گوشته با چه سرعتی همرفت میکند؟
- با استانداردهای روزمره بسیار آهسته، با سرعت جریانی در حدود چند سانتیمتر در سال، قابل مقایسه با سرعت حرکت صفحات و سرعت رشد ناخنها؛ همرفت تنها به این دلیل اهمیت دارد که در طول میلیونها تا میلیاردها سال عمل میکند.
- عدد رایلی چیست؟
- این یک معیار بیبعد است که نشان میدهد یک سیال چقدر تمایل به همرفت دارد، و شناوری را که جریان را به حرکت درمیآورد با گرانروی و نفوذ حرارتی که در برابر آن مقاومت میکنند، مقایسه میکند؛ عدد رایلی بسیار بالای گوشته به این معنی است که با وجود جامد بودن سنگ، به شدت همرفت میکند.