Convecção e Reologia do Manto

Impulsionado pelo calor interno, o manto sólido rasteja e convecta ao longo de milhões de anos, e a forma como a rocha do manto se deforma, sua reologia, define o vigor, o estilo e o padrão desse fluxo em escala planetária.

Definition

A convecção do manto é o fluxo lento e impulsionado pela flutuabilidade do manto sólido que transporta o calor interno da Terra para a superfície; a reologia é a descrição de como a rocha do manto se deforma sob estresse, principalmente por fluência termicamente ativada, o que determina a viscosidade que governa esse fluxo.

Scope

Este tópico aborda a convecção térmica no manto e a reologia que a controla: as equações governantes do fluxo rastejante impulsionado pela flutuabilidade, o número de Rayleigh e o início e vigor da convecção, o papel do aquecimento interno e do aquecimento basal, e os estilos de convecção, desde o estratificado até o de manto completo. Ele trata dos mecanismos de deformação dos minerais do manto, fluência por difusão e por deslocamento, a forte dependência da viscosidade em relação à temperatura e pressão, e a influência das transições de fase no fluxo. A ênfase está em como a reologia da rocha sólida governa o transporte de calor convectivo.

Core questions

• Que equações governam o fluxo rastejante impulsionado pela flutuabilidade no manto?
• Como o número de Rayleigh controla o início e o vigor da convecção?
• Por quais mecanismos de fluência a rocha sólida do manto se deforma?
• Como a temperatura, a pressão e as transições de fase moldam o estilo convectivo?

Key concepts

• Fluxo rastejante (Stokes) impulsionado pela flutuabilidade
• Número de Rayleigh e vigor convectivo
• Fluência por difusão e por deslocamento
• Viscosidade dependente da temperatura e pressão
• Aquecimento interno e estilo convectivo

Key theories

Convecção térmica e o número de Rayleigh

Se o manto convecta, e com que vigor, é governado pelo número de Rayleigh, que equilibra a flutuabilidade contra a difusão viscosa e térmica; acima de um valor crítico, a convecção se inicia, e o alto número de Rayleigh do manto implica um fluxo vigoroso e dependente do tempo.

Reologia de fluência em estado sólido

A rocha do manto flui pela migração termicamente ativada de defeitos pontuais e deslocamentos, resultando em uma viscosidade efetiva fortemente dependente da temperatura e do estresse, que controla as taxas e padrões de convecção e a força da litosfera.

Mechanisms

O calor do decaimento radioativo e do núcleo aquece o manto profundo, diminuindo sua densidade e tornando-o flutuante; como a rocha do manto se deforma por fluência em estado sólido, ela sobe em plumas quentes e afunda em correntes descendentes frias, transportando calor de forma muito mais eficiente do que a condução, enquanto a forte dependência da viscosidade em relação à temperatura e os efeitos das transições de fase mineral modulam se o fluxo abrange todo o manto ou é parcialmente estratificado.

Clinical relevance

A convecção do manto é o motor da tectônica de placas e a fonte do vulcanismo intraplaca e da topografia dinâmica; compreendê-la restringe a história térmica da Terra e liga a tectônica da superfície ao interior profundo imageado pela sismologia.

History

Holmes propôs a convecção do manto como o motor da deriva continental na década de 1930; o tratamento quantitativo seguiu a tectônica de placas, com o estudo pioneiro de convecção numérica do manto de McKenzie, Roberts e Weiss em 1974, e estudos de deformação de rochas em laboratório estabelecendo as leis de fluência que definem a reologia do manto.

Debates

Convecção estratificada versus convecção de manto completo

Geofísicos debateram por muito tempo se o manto superior e inferior convectam como camadas separadas, sugerido por alguns reservatórios geoquímicos, ou como um único sistema de manto completo, apoiado por imagens sísmicas de placas penetrando o manto inferior; as visões atuais favorecem um fluxo em grande parte de manto completo com complicações perto da zona de transição.

Key figures

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

Seminal works

• schubert2001
• mckenzie1974
• karato2008

Frequently asked questions

Quão rápido o manto convecta?

Extremamente lentamente para os padrões cotidianos, com velocidades de fluxo de alguns centímetros por ano, comparáveis à taxa de movimento das placas e ao crescimento das unhas; a convecção é significativa apenas porque opera ao longo de milhões a bilhões de anos.

O que é o número de Rayleigh?

É uma medida adimensional de quão fortemente um fluido tende a convectar, comparando a flutuabilidade que impulsiona o fluxo contra a viscosidade e a difusão térmica que o resistem; o número de Rayleigh muito alto do manto significa que ele convecta vigorosamente apesar de ser rocha sólida.