マントル対流とレオロジー

内部熱を原動力として、固体のマントルは何百万年にもわたってクリープし対流する。マントル岩石が変形する様式、すなわちそのレオロジーが、この惑星規模の流れの活発さ、様式、パターンを決定する。

Definition

マントル対流は、地球内部の熱を地表に輸送する、固体のマントルのゆっくりとした浮力駆動型流動である。レオロジーとは、マントル岩石が応力下でどのように変形するかを記述するものであり、主に熱活性化クリープによって変形し、その流動を支配する粘度を決定する。

Scope

このトピックでは、マントルにおける熱対流とそれを制御するレオロジーについて扱う。すなわち、浮力駆動型クリープ流の支配方程式、レイリー数と対流の開始および活発さ、内部加熱と底面加熱の役割、そして層状から全マントル対流までの対流様式である。また、マントル鉱物の変形メカニズム、拡散クリープと転位クリープ、粘度の強い温度・圧力依存性、および相転移が流れに与える影響についても論じる。固体岩石のレオロジーが対流熱輸送をどのように支配するかに重点を置く。

Core questions

• マントルにおける浮力駆動型クリープ流を支配する方程式は何か？
• レイリー数は対流の開始と活発さをどのように制御するのか？
• 固体のマントル岩石はどのようなクリープメカニズムによって変形するのか？
• 温度、圧力、相転移は対流様式をどのように形成するのか？

Key concepts

• 浮力駆動型クリープ（ストークス）流
• レイリー数と対流の活発さ
• 拡散クリープと転位クリープ
• 温度・圧力依存性粘度
• 内部加熱と対流様式

Key theories

熱対流とレイリー数

マントルが対流するかどうか、そしてその活発さは、浮力と粘性および熱拡散のバランスをとるレイリー数によって支配される。臨界値を超えると対流が始まり、マントルの高いレイリー数は活発で時間依存性の流れを示唆する。

固体クリープレオロジー

マントル岩石は、点欠陥と転位の熱活性化移動によって流動し、温度と応力に強く依存する有効粘度を生み出す。これが対流の速度とパターン、およびリソスフェアの強度を制御する。

Mechanisms

放射性崩壊と核からの熱は深部マントルを暖め、その密度を低下させて浮力を与える。マントル岩石は固体クリープによって変形するため、高温のプルームとして上昇し、低温の下降流として沈降し、伝導よりもはるかに効率的に熱を輸送する。一方、粘度の温度依存性が強く、鉱物相転移の影響により、流れが全マントルに及ぶか、部分的に層状になるかが調整される。

Clinical relevance

マントル対流はプレートテクトニクスの原動力であり、プレート内火山活動や動的トポグラフィーの源である。これを理解することは、地球の熱史を制約し、地表のテクトニクスと地震学によってイメージされる深部内部とを結びつける。

History

ホームズは1930年代にマントル対流を大陸移動の原動力として提唱した。定量的な扱いはプレートテクトニクスに続き、1974年のマッケンジー、ロバーツ、ワイスによる研究が数値マントル対流の先駆けとなり、実験室での岩石変形研究がマントルレオロジーを決定するクリープ法則を確立した。

Debates

層状対流と全マントル対流

地球物理学者は長年、上部マントルと下部マントルが、一部の地球化学的貯留層によって示唆されるように別々の層として対流するのか、それとも下部マントルに貫入するスラブの地震波イメージによって支持されるように単一の全マントルシステムとして対流するのかを議論してきた。現在の見解では、遷移帯付近に複雑さを伴う、主に全マントル流動が支持されている。

Key figures

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

Seminal works

• schubert2001
• mckenzie1974
• karato2008

Frequently asked questions

マントルはどれくらいの速さで対流するのか？

日常的な基準からすると極めて遅く、流動速度は年間数センチメートルであり、プレートの移動速度や爪の成長速度に匹敵する。対流が重要であるのは、それが数百万年から数十億年という期間にわたって作用するからにすぎない。

レイリー数とは何か？

それは、流体がどれほど強く対流する傾向があるかを示す無次元量であり、流れを駆動する浮力と、それに抵抗する粘性および熱拡散とを比較するものである。マントルの非常に高いレイリー数は、それが固体岩石であるにもかかわらず活発に対流することを意味する。