Convezione e Reologia del Mantello

Spinto dal calore interno, il mantello solido striscia e convetta per milioni di anni, e il modo in cui la roccia del mantello si deforma, la sua reologia, determina il vigore, lo stile e il modello di questo flusso su scala planetaria.

Definition

La convezione del mantello è il lento flusso del mantello solido, guidato dalla galleggiabilità, che trasporta il calore interno della Terra verso la superficie; la reologia è la descrizione di come la roccia del mantello si deforma sotto stress, principalmente per scorrimento termicamente attivato, che determina la viscosità che governa tale flusso.

Scope

Questo argomento tratta la convezione termica nel mantello e la reologia che la controlla: le equazioni che governano il flusso strisciante guidato dalla galleggiabilità, il numero di Rayleigh e l'inizio e il vigore della convezione, il ruolo del riscaldamento interno e del riscaldamento basale, e gli stili di convezione da stratificata a mantello intero. Tratta i meccanismi di deformazione dei minerali del mantello, lo scorrimento per diffusione e dislocazione, la forte dipendenza della viscosità dalla temperatura e dalla pressione, e l'influenza delle transizioni di fase sul flusso. L'enfasi è su come la reologia della roccia solida governa il trasporto convettivo di calore.

Core questions

• Quali equazioni governano il flusso strisciante guidato dalla galleggiabilità nel mantello?
• Come il numero di Rayleigh controlla l'inizio e il vigore della convezione?
• Con quali meccanismi di scorrimento si deforma la roccia solida del mantello?
• Come la temperatura, la pressione e le transizioni di fase modellano lo stile convettivo?

Key concepts

• Flusso strisciante (di Stokes) guidato dalla galleggiabilità
• Numero di Rayleigh e vigore convettivo
• Scorrimento per diffusione e dislocazione
• Viscosità dipendente dalla temperatura e dalla pressione
• Riscaldamento interno e stile convettivo

Key theories

Convezione termica e numero di Rayleigh

Se il mantello convetta, e con quale vigore, è governato dal numero di Rayleigh che bilancia la galleggiabilità contro la diffusione viscosa e termica; al di sopra di un valore critico la convezione si innesca, e l'elevato numero di Rayleigh del mantello implica un flusso vigoroso e dipendente dal tempo.

Reologia dello scorrimento allo stato solido

La roccia del mantello scorre per migrazione termicamente attivata di difetti puntiformi e dislocazioni, dando una viscosità effettiva fortemente dipendente dalla temperatura e dallo stress che controlla i tassi e i modelli di convezione e la resistenza della litosfera.

Mechanisms

Il calore derivante dal decadimento radioattivo e dal nucleo riscalda il mantello profondo, abbassandone la densità e rendendolo galleggiante; poiché la roccia del mantello si deforma per scorrimento allo stato solido, essa risale in pennacchi caldi e affonda in correnti discendenti fredde, trasportando il calore in modo molto più efficiente della conduzione, mentre la forte dipendenza della viscosità dalla temperatura e gli effetti delle transizioni di fase modulano se il flusso si estende all'intero mantello o è parzialmente stratificato.

Clinical relevance

La convezione del mantello è il motore della tettonica a placche e la fonte del vulcanismo intraplacca e della topografia dinamica; comprenderla vincola la storia termica della Terra e collega la tettonica superficiale all'interno profondo immaginato dalla sismologia.

History

Holmes propose la convezione del mantello come motore della deriva dei continenti negli anni '30; il trattamento quantitativo seguì la tettonica a placche, con lo studio pionieristico del 1974 di McKenzie, Roberts e Weiss sulla convezione numerica del mantello, e gli studi di laboratorio sulla deformazione delle rocce che stabilirono le leggi di scorrimento che definiscono la reologia del mantello.

Debates

Convezione stratificata versus convezione dell'intero mantello

I geofisici hanno a lungo dibattuto se il mantello superiore e inferiore convettano come strati separati, suggerito da alcuni serbatoi geochimici, o come un unico sistema a mantello intero, supportato da immagini sismiche di placche che penetrano nel mantello inferiore; le visioni attuali favoriscono in gran parte un flusso a mantello intero con complicazioni vicino alla zona di transizione.

Key figures

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

Seminal works

• schubert2001
• mckenzie1974
• karato2008

Frequently asked questions

Quanto velocemente convetta il mantello?

Estremamente lentamente per gli standard quotidiani, con velocità di flusso di pochi centimetri all'anno, paragonabili alla velocità con cui si muovono le placche e alla velocità di crescita delle unghie; la convezione è significativa solo perché opera per milioni o miliardi di anni.

Cos'è il numero di Rayleigh?

È una misura adimensionale di quanto fortemente un fluido tende a convettare, confrontando la galleggiabilità che guida il flusso con la viscosità e la diffusione termica che lo resistono; l'altissimo numero di Rayleigh del mantello significa che convetta vigorosamente nonostante sia roccia solida.