맨틀 대류와 유변학

내부 열에 의해 고체 맨틀은 수백만 년에 걸쳐 서서히 움직이며 대류하고, 맨틀 암석이 변형되는 방식인 유변학은 이 행성 규모 흐름의 강도, 양식 및 패턴을 결정합니다.

Definition

맨틀 대류는 지구 내부의 열을 표면으로 운반하는 고체 맨틀의 느리고 부력 구동 흐름이며, 유변학은 맨틀 암석이 응력 하에서 어떻게 변형되는지를 설명하는 것으로, 주로 열 활성화 크리프에 의해 발생하며, 이는 흐름을 지배하는 점도를 결정합니다.

Scope

이 주제는 맨틀의 열대류와 이를 제어하는 유변학을 다룹니다. 즉, 부력 구동 크리프 흐름의 지배 방정식, 레일리 수와 대류의 시작 및 강도, 내부 가열 및 기저 가열의 역할, 그리고 층상 대류에서 전 맨틀 대류에 이르는 대류 양식 등을 다룹니다. 또한 맨틀 광물의 변형 메커니즘, 확산 및 전위 크리프, 점도의 강한 온도 및 압력 의존성, 그리고 상전이가 흐름에 미치는 영향을 다룹니다. 고체 암석의 유변학이 대류 열 전달을 어떻게 제어하는지에 중점을 둡니다.

Core questions

• 맨틀에서 부력 구동 크리프 흐름을 지배하는 방정식은 무엇입니까?
• 레일리 수는 대류의 시작과 강도를 어떻게 제어합니까?
• 고체 맨틀 암석은 어떤 크리프 메커니즘에 의해 변형됩니까?
• 온도, 압력 및 상전이는 대류 양식을 어떻게 형성합니까?

Key concepts

• 부력 구동 크리프(스토크스) 흐름
• 레일리 수와 대류 강도
• 확산 및 전위 크리프
• 온도 및 압력 의존성 점도
• 내부 가열 및 대류 양식

Key theories

열대류와 레일리 수

맨틀이 대류하는지, 그리고 얼마나 활발하게 대류하는지는 부력을 점성 및 열 확산과 균형을 이루는 레일리 수에 의해 결정됩니다. 임계값 이상에서 대류가 시작되며, 높은 맨틀 레일리 수는 활발하고 시간 의존적인 흐름을 의미합니다.

고체 크리프 유변학

맨틀 암석은 점결함 및 전위의 열 활성화 이동에 의해 흐르며, 이는 온도 및 응력에 강하게 의존하는 유효 점도를 부여하여 대류의 속도와 패턴 및 암석권의 강도를 제어합니다.

Mechanisms

방사성 붕괴와 핵에서 발생하는 열은 깊은 맨틀을 가열하여 밀도를 낮추고 부력을 갖게 합니다. 맨틀 암석은 고체 크리프에 의해 변형되기 때문에 뜨거운 플룸으로 상승하고 차가운 하강류로 가라앉아 전도보다 훨씬 효율적으로 열을 운반합니다. 한편, 점도의 온도에 대한 강한 의존성과 광물 상전이의 영향은 흐름이 전체 맨틀에 걸쳐 발생하는지 또는 부분적으로 층상화되는지를 조절합니다.

Clinical relevance

맨틀 대류는 판 구조론의 원동력이자 판 내부 화산 활동 및 동적 지형의 원천입니다. 이를 이해하는 것은 지구의 열 역사를 제약하고 표면 지각 활동을 지진학으로 영상화된 깊은 내부와 연결합니다.

History

홈즈(Holmes)는 1930년대에 맨틀 대류를 대륙 이동의 원동력으로 제안했습니다. 정량적 연구는 판 구조론 이후에 이루어졌으며, 1974년 맥켄지(McKenzie), 로버츠(Roberts), 바이스(Weiss)의 연구는 수치 맨틀 대류를 개척했고, 실험실 암석 변형 연구는 맨틀 유변학을 설정하는 크리프 법칙을 확립했습니다.

Debates

층상 대류 대 전 맨틀 대류

지구물리학자들은 오랫동안 상부 맨틀과 하부 맨틀이 일부 지구화학적 저장소에 의해 제안된 것처럼 별개의 층으로 대류하는지, 또는 하부 맨틀을 관통하는 슬래브의 지진 영상에 의해 지지되는 단일 전 맨틀 시스템으로 대류하는지에 대해 논쟁했습니다. 현재의 견해는 전이대 근처의 복잡성을 가진 주로 전 맨틀 흐름을 선호합니다.

Key figures

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

Seminal works

• schubert2001
• mckenzie1974
• karato2008

Frequently asked questions

맨틀은 얼마나 빨리 대류합니까?

일상적인 기준으로 볼 때 매우 느리며, 흐름 속도는 연간 수 센티미터로 판이 움직이는 속도와 손톱이 자라는 속도와 비슷합니다. 대류는 수백만 년에서 수십억 년에 걸쳐 작동하기 때문에 중요합니다.

레일리 수는 무엇입니까?

이는 유체가 얼마나 강하게 대류하는 경향이 있는지를 나타내는 무차원 측정값으로, 흐름을 유도하는 부력을 흐름에 저항하는 점성 및 열 확산과 비교합니다. 맨틀의 매우 높은 레일리 수는 고체 암석임에도 불구하고 활발하게 대류한다는 것을 의미합니다.