Földköpeny-konvekció és reológia

A belső hő által vezérelve a szilárd földköpeny évmilliók alatt kúszik és konvektál, és a földköpeny kőzetének deformációs módja, a reológiája határozza meg ennek a bolygóméretű áramlásnak az erejét, stílusát és mintázatát.

Definition

A földköpeny-konvekció a szilárd földköpeny lassú, felhajtóerő által vezérelt áramlása, amely a Föld belső hőjét a felszínre szállítja; a reológia annak leírása, hogy a földköpeny kőzete hogyan deformálódik stressz hatására, elsősorban termikusan aktivált kúszás révén, ami meghatározza az áramlást szabályozó viszkozitást.

Scope

Ez a téma a földköpeny termikus konvekcióját és az azt szabályozó reológiát tárgyalja: a felhajtóerő által vezérelt kúszó áramlás alapvető egyenleteit, a Rayleigh-számot, valamint a konvekció kezdetét és erejét, a belső és bazális fűtés szerepét, továbbá a konvekció stílusait a rétegzettől az egész földköpenyre kiterjedőig. Foglalkozik a földköpeny ásványainak deformációs mechanizmusaival, a diffúziós és diszlokációs kúszással, a viszkozitás erős hőmérséklet- és nyomásfüggésével, valamint a fázisátalakulások áramlásra gyakorolt hatásával. A hangsúly azon van, hogy a szilárd kőzet reológiája hogyan szabályozza a konvektív hőátadást.

Core questions

• Milyen egyenletek szabályozzák a felhajtóerő által vezérelt kúszó áramlást a földköpenyben?
• Hogyan szabályozza a Rayleigh-szám a konvekció kezdetét és erejét?
• Milyen kúszási mechanizmusok révén deformálódik a szilárd földköpeny kőzete?
• Hogyan alakítják a hőmérséklet, a nyomás és a fázisátalakulások a konvektív stílust?

Key concepts

• Felhajtóerő által vezérelt kúszó (Stokes) áramlás
• Rayleigh-szám és a konvektív erősség
• Diffúziós és diszlokációs kúszás
• Hőmérséklet- és nyomásfüggő viszkozitás
• Belső fűtés és konvektív stílus

Key theories

Termikus konvekció és a Rayleigh-szám

Azt, hogy a földköpeny konvektál-e, és milyen erősen, a Rayleigh-szám szabályozza, amely a felhajtóerőt egyensúlyozza a viszkózus és termikus diffúzióval szemben; egy kritikus érték felett beindul a konvekció, és a magas földköpeny Rayleigh-szám erőteljes, időfüggő áramlásra utal.

Szilárdtest-kúszás reológia

A földköpeny kőzete pontdefektusok és diszlokációk termikusan aktivált migrációja révén áramlik, ami erősen hőmérséklet- és feszültségfüggő effektív viszkozitást eredményez, amely szabályozza a konvekció sebességét és mintázatait, valamint a litoszféra szilárdságát.

Mechanisms

A radioaktív bomlásból és a magból származó hő felmelegíti a mély földköpenyt, csökkentve annak sűrűségét és felhajtóvá téve azt; mivel a földköpeny kőzete szilárdtest-kúszás révén deformálódik, forró pluimokban emelkedik fel és hideg leáramlásokban süllyed le, sokkal hatékonyabban szállítva a hőt, mint a vezetés, miközben a viszkozitás erős hőmérsékletfüggése és az ásványi fázisátalakulások hatásai modulálják, hogy az áramlás az egész földköpenyre kiterjed-e, vagy részben rétegzett.

Clinical relevance

A földköpeny-konvekció a lemeztektonika motorja, valamint az intrapláta vulkanizmus és a dinamikus topográfia forrása; megértése korlátozza a Föld termikus történetét, és összekapcsolja a felszíni tektonikát a szeizmológia által feltérképezett mély belsővel.

History

Holmes az 1930-as években a földköpeny-konvekciót javasolta a kontinensvándorlás hajtóerejeként; a kvantitatív kezelés a lemeztektonikát követte, az 1974-es McKenzie, Roberts és Weiss tanulmány úttörő szerepet játszott a numerikus földköpeny-konvekcióban, és a laboratóriumi kőzetdeformációs vizsgálatok megalapozták a földköpeny reológiáját meghatározó kúszási törvényeket.

Debates

Rétegzett versus egész földköpenyre kiterjedő konvekció

A geofizikusok sokáig vitatkoztak azon, hogy a felső és alsó földköpeny külön rétegként konvektál-e, amit egyes geokémiai rezervoárok sugalltak, vagy egységes, egész földköpenyre kiterjedő rendszerként, amit az alsó földköpenybe behatoló lemezek szeizmikus képei támasztottak alá; a jelenlegi nézetek nagyrészt az egész földköpenyre kiterjedő áramlást részesítik előnyben, a tranzíciós zóna közelében fellépő komplikációkkal.

Key figures

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

Seminal works

• schubert2001
• mckenzie1974
• karato2008

Frequently asked questions

Milyen gyorsan konvektál a földköpeny?

Hétköznapi mércével mérve rendkívül lassan, néhány centiméter/év áramlási sebességgel, ami összehasonlítható a lemezek mozgási sebességével és a köröm növekedési sebességével; a konvekció csak azért jelentős, mert évmilliókig, sőt évmilliárdokig tart.

Mi a Rayleigh-szám?

Ez egy dimenzió nélküli mérőszám, amely azt mutatja, hogy egy folyadék milyen erősen hajlamos konvektálni, összehasonlítva az áramlást hajtó felhajtóerőt az azt gátló viszkozitással és termikus diffúzióval; a földköpeny nagyon magas Rayleigh-száma azt jelenti, hogy szilárd kőzet létére is erőteljesen konvektál.