Мантийная конвекция и движущие силы плит

Движение плит поддерживается медленным конвективным перемешиванием мантии, при этом доминирующими движущими силами являются погружение плотных субдуцированных плит и гравитационное скольжение плит от срединно-океанических хребтов.

Definition

Движущие силы плит — это совокупность гравитационных и вязких сил, главным образом оттягивания плиты, давления срединно-океанического хребта и мантийного сопротивления, которые возникают в результате термической конвекции в мантии и определяют скорость и направление движения литосферных плит.

Scope

Эта тема охватывает динамику, лежащую в основе тектоники плит: термическую конвекцию в мантии, баланс между оттягиванием плиты (slab pull), давлением срединно-океанического хребта (ridge push) и базальным сопротивлением (basal drag), а также роль мантийных плюмов. Она рассматривает физические движущие силы движения плит, дополняя кинематическое описание границ и примыкая к более глубоким вопросам геофизики.

Core questions

• Является ли конвекция мантии общемантийной или слоистой?
• Какие силы доминируют в движении плит и как они масштабируются с длиной плиты и площадью плиты?
• Как мантийные плюмы связаны с конвекцией в масштабе плит?

Key theories

Оттягивание плиты как доминирующая движущая сила

Форсайт и Уйеда показали с помощью анализа баланса сил, что плиты, прикреплённые к длинным субдуцирующим плитам, движутся быстрее всего, подразумевая, что оттягивание плиты является основной движущей силой движения плит, в то время как давление срединно-океанического хребта и базальное сопротивление являются второстепенными.

Гипотеза мантийных плюмов

Морган предположил, что узкие восходящие потоки горячего материала из глубокой мантии, фиксированные относительно движения плит, производят вулканические следы горячих точек и представляют собой конвективный компонент, отличный от потока в масштабе плит.

Mechanisms

Тепло от ядра и от радиоактивного распада вызывает медленную ползучесть твёрдой мантии. Холодная, плотная океаническая литосфера погружается в зонах субдукции, оттягивая за собой плиту (оттягивание плиты); приподнятый срединно-океанический хребет оказывает гравитационное давление на плиту (давление срединно-океанического хребта); а вязкое сцепление между основанием плиты и подстилающим мантийным потоком может либо способствовать, либо препятствовать движению. Локализованные плюмы добавляют отдельный, в основном вертикальный конвективный поток.

Clinical relevance

Понимание движущих сил объясняет, почему одни плиты движутся быстрее других, ограничивает модели долгосрочных изменений уровня моря и климата, обусловленных изменением мантийного потока, и информирует интерпретации внутриплитного вулканизма и поднятий.

History

Артур Холмс предложил мантийную конвекцию в качестве движущего механизма в 1930-х годах. После того как тектоника плит была установлена, количественные анализы в 1970-х годах — в частности, исследование баланса сил Форсайта и Уйеды и плюмовая гипотеза Моргана — прояснили относительный вклад предполагаемых движущих сил.

Debates

Общемантийная против слоистой конвекции

Долгое время оспаривалось, конвектирует ли мантия как единый слой или как два отдельно циркулирующих слоя; сейсмическая томография, показывающая проникновение плит в нижнюю мантию, благоприятствует общемантийной конвекции, но геохимические резервуары предполагают некоторое постоянное расслоение.

Key figures

• Donald Forsyth
• Seiya Uyeda
• W. Jason Morgan
• Arthur Holmes

Seminal works

• forsythuyeda1975
• morgan1971

Frequently asked questions

Какова основная сила, которая движет тектонические плиты?

Большинство данных указывает на оттягивание плиты — вес холодной, плотной литосферы, погружающейся в зонах субдукции — как на доминирующую движущую силу, при этом давление срединно-океанического хребта и мантийное сопротивление играют меньшую роль.