Vaipan konvektio ja reologia

Sisäisen lämmön ajamana kiinteä vaippa viruu ja konvehtii miljoonien vuosien ajan, ja tapa, jolla vaipan kivi muotoutuu – sen reologia – määrittää tämän planeetanlaajuisen virtauksen voimakkuuden, tyylin ja kuvion.

Definition

Vaipan konvektio on kiinteän vaipan hidas, nosteenvetoinen virtaus, joka siirtää Maan sisäistä lämpöä pintaan; reologia on kuvaus siitä, miten vaipan kivi muotoutuu jännityksen alaisena, pääasiassa lämpöaktivoituneen virumisen kautta, mikä määrittää tätä virtausta säätelevän viskositeetin.

Scope

Tämä aihe käsittelee vaipan lämpökonvektiota ja sitä säätelevää reologiaa: nosteenvetoisten virumisvirtausten hallitsevia yhtälöitä, Rayleighin lukua sekä konvektion alkamista ja voimakkuutta, sisäisen ja pohjalämmityksen roolia sekä konvektion tyylejä kerrostuneesta koko vaipan kattavaan. Se käsittelee vaipan mineraalien deformaatiomekanismeja, diffuusio- ja dislokaatiovirumista, viskositeetin voimakasta lämpötila- ja paineriippuvuutta sekä faasimuutosten vaikutusta virtaukseen. Painopiste on siinä, miten kiinteän kiven reologia säätelee konvektiivista lämmönsiirtoa.

Core questions

• Mitkä yhtälöt hallitsevat vaipan nosteenvetoista virumisvirtausta?
• Miten Rayleighin luku säätelee konvektion alkamista ja voimakkuutta?
• Millä virumismekanismeilla kiinteä vaippakivi muotoutuu?
• Miten lämpötila, paine ja faasimuutokset muokkaavat konvektiivista tyyliä?

Key concepts

• Nosteenvetoinen virumisvirtaus (Stokesin virtaus)
• Rayleighin luku ja konvektion voimakkuus
• Diffuusio- ja dislokaatioviruminen
• Lämpötila- ja paineriippuvainen viskositeetti
• Sisäinen lämmitys ja konvektiivinen tyyli

Key theories

Lämpökonvektio ja Rayleighin luku

Se, konvehtiiko vaippa ja kuinka voimakkaasti, riippuu Rayleighin luvusta, joka tasapainottaa nosteen viskoosia ja lämpödiffuusiota vastaan; kriittisen arvon yläpuolella konvektio alkaa, ja vaipan korkea Rayleighin luku viittaa voimakkaaseen, ajasta riippuvaiseen virtaukseen.

Kiinteän olomuodon virumisreologia

Vaippakivi virtaa pistevikojen ja dislokaatioiden lämpöaktivoituneen migraation kautta, mikä antaa voimakkaasti lämpötila- ja jännitysriippuvaisen efektiivisen viskositeetin, joka säätelee konvektion nopeuksia ja kuvioita sekä litosfäärin lujuutta.

Mechanisms

Radioaktiivisen hajoamisen ja ytimen lämpö lämmittää syvää vaippaa, alentaen sen tiheyttä ja tehden siitä kelluvan; koska vaippakivi muotoutuu kiinteän olomuodon virumisen kautta, se nousee kuumina pluumeina ja vajoaa kylminä alaspäin suuntautuvina virtauksina, siirtäen lämpöä paljon tehokkaammin kuin johtuminen, kun taas viskositeetin voimakas riippuvuus lämpötilasta ja mineraalien faasimuutosten vaikutukset säätelevät, ulottuuko virtaus koko vaippaan vai onko se osittain kerrostunut.

Clinical relevance

Vaipan konvektio on laattatektoniikan moottori ja intraplate-vulkanismin sekä dynaamisen topografian lähde; sen ymmärtäminen rajoittaa Maan lämpöhistoriaa ja yhdistää pinnan tektoniikan syvään sisäosaan, jonka seismologia kuvaa.

History

Holmes ehdotti vaipan konvektiota mannerliikunnan ajuriksi 1930-luvulla; kvantitatiivinen käsittely seurasi laattatektoniikkaa, ja vuoden 1974 McKenzie, Roberts ja Weiss -tutkimus oli edelläkävijä numeerisessa vaipan konvektiossa, ja laboratorion kivenmuodostustutkimukset vakiinnuttivat virumislait, jotka määrittävät vaipan reologian.

Debates

Kerrostunut versus koko vaipan konvektio

Geofyysikot kiistelivät pitkään siitä, konvehtoivatko ylempi ja alempi vaippa erillisinä kerroksina, kuten jotkut geokemialliset varastot viittasivat, vai yhtenä koko vaipan järjestelmänä, mitä tukivat seismiset kuvat vaipan alaosaan tunkeutuvista laatoista; nykyiset näkemykset suosivat suurelta osin koko vaipan virtausta komplikaatioineen siirtymävyöhykkeen lähellä.

Key figures

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

Seminal works

• schubert2001
• mckenzie1974
• karato2008

Frequently asked questions

Kuinka nopeasti vaippa konvehtii?

Äärimmäisen hitaasti arkipäivän mittapuilla, virtausnopeuksien ollessa muutamia senttimetrejä vuodessa, verrattavissa laattojen liikkumisnopeuteen ja kynsien kasvuun; konvektio on merkittävää vain siksi, että se toimii miljoonien tai miljardien vuosien ajan.

Mikä on Rayleighin luku?

Se on dimensioton mitta siitä, kuinka voimakkaasti neste pyrkii konvektoimaan, verraten virtausta ajavan nosteen sitä vastustavaan viskositeettiin ja lämpödiffuusioon; vaipan erittäin korkea Rayleighin luku tarkoittaa, että se konvehtii voimakkaasti, vaikka se on kiinteää kiveä.