Convecția Mantalei și Reologia

Acționată de căldura internă, mantaua solidă se deplasează lent și convecționează de-a lungul a milioane de ani, iar modul în care roca mantalei se deformează, reologia sa, determină vigoarea, stilul și modelul acestui flux la scară planetară.

Definition

Convecția mantalei este fluxul lent, acționat de flotabilitate, al mantalei solide care transportă căldura internă a Pământului la suprafață; reologia este descrierea modului în care roca mantalei se deformează sub stres, în principal prin fluaj activat termic, care determină vâscozitatea ce guvernează acest flux.

Scope

Acest subiect acoperă convecția termică în manta și reologia care o controlează: ecuațiile de bază ale fluxului lent, acționat de flotabilitate, numărul Rayleigh și inițierea și vigoarea convecției, rolul încălzirii interne și al încălzirii bazale, precum și stilurile de convecție, de la cea stratificată la cea a întregii mantale. Tratează mecanismele de deformare ale mineralelor mantalei, fluajul prin difuzie și dislocație, dependența puternică a vâscozității de temperatură și presiune și influența tranzițiilor de fază asupra fluxului. Accentul este pus pe modul în care reologia rocii solide guvernează transportul convectiv de căldură.

Core questions

• Ce ecuații guvernează fluxul lent, acționat de flotabilitate, în manta?
• Cum controlează numărul Rayleigh inițierea și vigoarea convecției?
• Prin ce mecanisme de fluaj se deformează roca solidă a mantalei?
• Cum modelează temperatura, presiunea și tranzițiile de fază stilul convectiv?

Key concepts

• Flux lent (Stokes) acționat de flotabilitate
• Numărul Rayleigh și vigoarea convecției
• Fluajul prin difuzie și dislocație
• Vâscozitate dependentă de temperatură și presiune
• Încălzirea internă și stilul convectiv

Key theories

Convecția termică și numărul Rayleigh

Dacă mantaua convecționează și cât de viguros, este guvernat de numărul Rayleigh care echilibrează flotabilitatea cu difuzia vâscoasă și termică; peste o valoare critică, convecția se instalează, iar numărul Rayleigh ridicat al mantalei implică un flux viguros, dependent de timp.

Reologia fluajului în stare solidă

Roca mantalei curge prin migrarea activată termic a defectelor punctuale și a dislocațiilor, rezultând o vâscozitate efectivă puternic dependentă de temperatură și stres, care controlează ratele și modelele convecției și rezistența litosferei.

Mechanisms

Căldura provenită din descompunerea radioactivă și din nucleu încălzește mantaua profundă, scăzându-i densitatea și făcând-o flotabilă; deoarece roca mantalei se deformează prin fluaj în stare solidă, ea se ridică în plumi fierbinți și se scufundă în curenți descendenți reci, transportând căldura mult mai eficient decât conducția, în timp ce dependența puternică a vâscozității de temperatură și efectele tranzițiilor de fază ale mineralelor modulează dacă fluxul se extinde pe întreaga manta sau este parțial stratificat.

Clinical relevance

Convecția mantalei este motorul tectonicii plăcilor și sursa vulcanismului intraplacă și a topografiei dinamice; înțelegerea ei constrânge istoria termică a Pământului și leagă tectonica de suprafață de interiorul profund imagistic prin seismologie.

History

Holmes a propus convecția mantalei ca motor al derivei continentale în anii 1930; tratamentul cantitativ a urmat tectonicii plăcilor, cu studiul din 1974 al lui McKenzie, Roberts și Weiss, care a pionierat convecția numerică a mantalei, și studiile de laborator privind deformarea rocilor, care au stabilit legile fluajului ce definesc reologia mantalei.

Debates

Convecția stratificată versus convecția întregii mantale

Geofizicienii au dezbătut mult timp dacă mantaua superioară și inferioară convecționează ca straturi separate, sugerat de unele rezervoare geochimice, sau ca un singur sistem al întregii mantale, susținut de imaginile seismice ale plăcilor care pătrund în mantaua inferioară; viziunile actuale favorizează în mare măsură fluxul întregii mantale cu complicații în apropierea zonei de tranziție.

Key figures

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

Seminal works

• schubert2001
• mckenzie1974
• karato2008

Frequently asked questions

Cât de repede convecționează mantaua?

Extrem de lent după standardele cotidiene, cu viteze de curgere de câțiva centimetri pe an, comparabile cu rata de mișcare a plăcilor și cu viteza de creștere a unghiilor; convecția este semnificativă doar pentru că operează pe parcursul a milioane până la miliarde de ani.

Ce este numărul Rayleigh?

Este o măsură adimensională a cât de puternic tinde un fluid să convecționeze, comparând flotabilitatea care acționează fluxul cu vâscozitatea și difuzia termică care i se opun; numărul Rayleigh foarte ridicat al mantalei înseamnă că aceasta convecționează viguros, în ciuda faptului că este o rocă solidă.