Mantelconvectie en reologie

Aangedreven door interne warmte, kruipt en convecteert de vaste mantel gedurende miljoenen jaren, en de manier waarop mantelgesteente vervormt, de reologie ervan, bepaalt de intensiteit, stijl en het patroon van deze planeetschaalstroom.

Definition

Mantelconvectie is de langzame, door drijfvermogen aangedreven stroming van de vaste mantel die de interne warmte van de aarde naar het oppervlak transporteert; reologie is de beschrijving van hoe mantelgesteente onder spanning vervormt, voornamelijk door thermisch geactiveerde kruip, wat de viscositeit bepaalt die die stroming regelt.

Scope

Dit onderwerp behandelt thermische convectie in de mantel en de reologie die deze regelt: de bepalende vergelijkingen van drijfkracht-gedreven kruipstroom, het Rayleigh-getal en het begin en de intensiteit van convectie, de rol van interne verwarming en basale verwarming, en de stijlen van convectie van gelaagd tot hele-mantel. Het behandelt de vervormingsmechanismen van mantelmineralen, diffusie- en dislocatiekruip, de sterke temperatuur- en druk-afhankelijkheid van viscositeit, en de invloed van faseovergangen op de stroming. De nadruk ligt op hoe de reologie van vast gesteente het convectieve warmtetransport regelt.

Core questions

• Welke vergelijkingen regelen de door drijfvermogen aangedreven kruipstroom in de mantel?
• Hoe regelt het Rayleigh-getal het begin en de intensiteit van convectie?
• Door welke kruipmechanismen vervormt vast mantelgesteente?
• Hoe bepalen temperatuur, druk en faseovergangen de convectiestijl?

Key concepts

• Drijfvermogen-gedreven kruipstroom (Stokes-stroom)
• Rayleigh-getal en convectie-intensiteit
• Diffusie- en dislocatiekruip
• Temperatuur- en druk-afhankelijke viscositeit
• Interne verwarming en convectiestijl

Key theories

Thermische convectie en het Rayleigh-getal

Of de mantel convecteert, en hoe krachtig, wordt bepaald door het Rayleigh-getal dat drijfvermogen balanceert tegen viskeuze en thermische diffusie; boven een kritische waarde treedt convectie op, en het hoge Rayleigh-getal van de mantel impliceert een krachtige, tijdsafhankelijke stroming.

Vastestofkruipreologie

Mantelgesteente stroomt door de thermisch geactiveerde migratie van puntdefecten en dislocaties, wat een sterk temperatuur- en stressafhankelijke effectieve viscositeit oplevert die de snelheden en patronen van convectie en de sterkte van de lithosfeer regelt.

Mechanisms

Warmte van radioactief verval en van de kern verwarmt de diepe mantel, waardoor de dichtheid afneemt en deze drijfvermogen krijgt; omdat mantelgesteente vervormt door vastestofkruip, stijgt het in hete pluimen en zinkt het in koude neerwaartse stromingen, waardoor warmte veel efficiënter wordt getransporteerd dan door geleiding, terwijl de sterke afhankelijkheid van viscositeit van temperatuur en de effecten van minerale faseovergangen moduleren of de stroming de hele mantel omvat of gedeeltelijk gelaagd is.

Clinical relevance

Mantelconvectie is de motor van platentektoniek en de bron van intraplaatvulkanisme en dynamische topografie; het begrijpen ervan beperkt de thermische geschiedenis van de aarde en verbindt oppervlaktetektoniek met het diepe binnenste dat door seismologie in beeld wordt gebracht.

History

Holmes stelde mantelconvectie voor als de drijvende kracht achter continentale drift in de jaren dertig; kwantitatieve behandeling volgde op platentektoniek, met de McKenzie, Roberts en Weiss-studie uit 1974 als pionier op het gebied van numerieke mantelconvectie, en laboratoriumstudies naar gesteentevervorming die de kruipwetten vaststelden die de mantelreologie bepalen.

Debates

Gelaagde versus hele-mantelconvectie

Geofysici debatteerden lang over de vraag of de bovenste en onderste mantel als afzonderlijke lagen convecteren, gesuggereerd door sommige geochemische reservoirs, of als een enkel hele-mantelsysteem, ondersteund door seismische beelden van platen die de onderste mantel binnendringen; de huidige opvattingen geven de voorkeur aan grotendeels hele-mantelstroming met complicaties nabij de overgangszone.

Key figures

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

Seminal works

• schubert2001
• mckenzie1974
• karato2008

Frequently asked questions

Hoe snel convecteert de mantel?

Extreem langzaam naar alledaagse maatstaven, met stroomsnelheden van enkele centimeters per jaar, vergelijkbaar met de snelheid waarmee platen bewegen en hoe snel vingernagels groeien; convectie is alleen significant omdat het miljoenen tot miljarden jaren duurt.

Wat is het Rayleigh-getal?

Het is een dimensieloze maatstaf voor hoe sterk een vloeistof de neiging heeft te convecteren, waarbij het drijfvermogen dat de stroming aandrijft wordt vergeleken met de viscositeit en thermische diffusie die deze weerstaan; het zeer hoge Rayleigh-getal van de mantel betekent dat deze krachtig convecteert ondanks dat het vast gesteente is.