Mantelkonveksjon og reologi

Drevet av indre varme kryper og konvekterer den faste mantelen over millioner av år, og måten mantelbergarten deformeres på, dens reologi, bestemmer styrken, stilen og mønsteret til denne planetomspennende strømmen.

Definition

Mantelkonveksjon er den langsomme, oppdriftsdrevne strømmen av den faste mantelen som transporterer jordens indre varme til overflaten; reologi er beskrivelsen av hvordan mantelbergart deformeres under spenning, hovedsakelig ved termisk aktivert kryp, som bestemmer viskositeten som styrer denne strømmen.

Scope

Dette emnet dekker termisk konveksjon i mantelen og reologien som styrer den: de styrende ligningene for oppdriftsdrevet krypstrømning, Rayleigh-tallet og starten og styrken av konveksjon, rollen til indre oppvarming og basal oppvarming, og konveksjonsstilene fra lagdelt til helmantel. Det behandler deformasjonsmekanismene til mantelmineraler, diffusjons- og dislokasjonskryp, den sterke temperatur- og trykkavhengigheten av viskositet, og påvirkningen av faseoverganger på strømning. Vekten legges på hvordan fast bergartens reologi styrer konvektiv varmetransport.

Core questions

• Hvilke ligninger styrer oppdriftsdrevet krypstrømning i mantelen?
• Hvordan styrer Rayleigh-tallet starten og styrken av konveksjon?
• Ved hvilke krypmekanismer deformeres fast mantelbergart?
• Hvordan former temperatur, trykk og faseoverganger konveksjonsstilen?

Key concepts

• Oppdriftsdrevet krypstrømning (Stokes)
• Rayleigh-tall og konvektiv styrke
• Diffusjons- og dislokasjonskryp
• Temperatur- og trykkavhengig viskositet
• Indre oppvarming og konvektiv stil

Key theories

Termisk konveksjon og Rayleigh-tallet

Om mantelen konvekterer, og hvor kraftig, styres av Rayleigh-tallet som balanserer oppdrift mot viskøs og termisk diffusjon; over en kritisk verdi starter konveksjon, og det høye Rayleigh-tallet i mantelen indikerer kraftig, tidsavhengig strømning.

Faststoff-krypreologi

Mantelbergart strømmer ved termisk aktivert migrasjon av punktdefekter og dislokasjoner, noe som gir en sterkt temperatur- og spenningsavhengig effektiv viskositet som styrer hastighetene og mønstrene for konveksjon og litosfærens styrke.

Mechanisms

Varme fra radioaktivt forfall og fra kjernen varmer den dype mantelen, senker dens tetthet og gjør den oppdriftsdyktig; fordi mantelbergart deformeres ved faststoff-kryp, stiger den i varme søyler og synker i kalde nedstrømninger, og transporterer varme langt mer effektivt enn konduksjon, mens den sterke avhengigheten av viskositet av temperatur og effektene av mineralfaseoverganger modulerer om strømmen spenner over hele mantelen eller er delvis lagdelt.

Clinical relevance

Mantelkonveksjon er motoren i platetektonikk og kilden til intraplatevulkanisme og dynamisk topografi; å forstå den begrenser jordens termiske historie og forbinder overflatetektonikk med det dype indre avbildet av seismologi.

History

Holmes foreslo mantelkonveksjon som drivkraften bak kontinentaldrift på 1930-tallet; kvantitativ behandling fulgte platetektonikken, med McKenzie, Roberts og Weiss' studie fra 1974 som pionerer innen numerisk mantelkonveksjon, og laboratoriestudier av bergartsdeformasjon som etablerte kryplovene som bestemmer mantelreologien.

Debates

Lagdelt versus helmantelkonveksjon

Geofysikere diskuterte lenge om øvre og nedre mantel konvekterer som separate lag, antydet av noen geokjemiske reservoarer, eller som et enkelt helmantelsystem, støttet av seismiske bilder av plater som trenger inn i nedre mantel; nåværende syn favoriserer i stor grad helmantelstrømning med komplikasjoner nær overgangssonen.

Key figures

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

Seminal works

• schubert2001
• mckenzie1974
• karato2008

Frequently asked questions

Hvor raskt konvekterer mantelen?

Ekstremt sakte etter dagligdagse standarder, med strømningshastigheter på noen få centimeter per år, sammenlignbart med hastigheten plater beveger seg og hvor raskt negler vokser; konveksjon er bare betydelig fordi den opererer over millioner til milliarder av år.

Hva er Rayleigh-tallet?

Det er et dimensjonsløst mål på hvor sterkt en væske har en tendens til å konvektere, som sammenligner oppdriften som driver strømmen mot viskositeten og termisk diffusjon som motstår den; mantelens svært høye Rayleigh-tall betyr at den konvekterer kraftig til tross for at den er fast bergart.