Мантийная конвекция и реология

Движимая внутренним теплом, твёрдая мантия медленно деформируется и конвектирует на протяжении миллионов лет, а способ деформации мантийных пород, их реология, определяет интенсивность, характер и структуру этого планетарного потока.

Definition

Мантийная конвекция — это медленное, вызванное плавучестью течение твёрдой мантии, которое переносит внутреннее тепло Земли к поверхности; реология — это описание того, как мантийные породы деформируются под напряжением, главным образом посредством термически активированной ползучести, которая определяет вязкость, управляющую этим течением.

Scope

Эта тема охватывает термическую конвекцию в мантии и реологию, которая её контролирует: управляющие уравнения ползучего течения, вызванного плавучестью, число Рэлея и начало и интенсивность конвекции, роль внутреннего и базального нагрева, а также стили конвекции от слоистой до общемантийной. Она рассматривает механизмы деформации мантийных минералов, диффузионную и дислокационную ползучесть, сильную температурную и барическую зависимость вязкости и влияние фазовых переходов на течение. Акцент делается на том, как реология твёрдых пород управляет конвективным теплопереносом.

Core questions

• Какие уравнения описывают ползучее течение в мантии, вызванное плавучестью?
• Как число Рэлея контролирует начало и интенсивность конвекции?
• Какими механизмами ползучести деформируются твёрдые мантийные породы?
• Как температура, давление и фазовые переходы формируют конвективный стиль?

Key concepts

• Ползучее течение, вызванное плавучестью (Стокса)
• Число Рэлея и интенсивность конвекции
• Диффузионная и дислокационная ползучесть
• Вязкость, зависящая от температуры и давления
• Внутренний нагрев и конвективный стиль

Key theories

Термическая конвекция и число Рэлея

Конвектирует ли мантия и насколько интенсивно, определяется числом Рэлея, которое уравновешивает плавучесть с вязким и термическим диффузионным сопротивлением; выше критического значения начинается конвекция, а высокое число Рэлея для мантии подразумевает интенсивное, зависящее от времени течение.

Реология ползучести в твёрдом состоянии

Мантийные породы текут за счёт термически активированной миграции точечных дефектов и дислокаций, что приводит к сильно зависящей от температуры и напряжения эффективной вязкости, которая контролирует скорости и структуры конвекции, а также прочность литосферы.

Mechanisms

Тепло от радиоактивного распада и от ядра нагревает глубокую мантию, снижая её плотность и делая её плавучей; поскольку мантийные породы деформируются путём ползучести в твёрдом состоянии, они поднимаются в горячих плюмах и опускаются в холодных нисходящих потоках, перенося тепло гораздо эффективнее, чем теплопроводность, в то время как сильная зависимость вязкости от температуры и эффекты фазовых переходов минералов модулируют, охватывает ли поток всю мантию или частично расслаивается.

Clinical relevance

Мантийная конвекция является двигателем тектоники плит и источником внутриплитного вулканизма и динамической топографии; её понимание ограничивает термическую историю Земли и связывает поверхностную тектонику с глубокими недрами, исследуемыми сейсмологией.

History

Холмс предложил мантийную конвекцию как движущую силу дрейфа континентов в 1930-х годах; количественная трактовка последовала за тектоникой плит, с исследованием Маккензи, Робертса и Вайса 1974 года, пионерским в численном моделировании мантийной конвекции, и лабораторными исследованиями деформации горных пород, установившими законы ползучести, определяющие реологию мантии.

Debates

Слоистая против общемантийной конвекции

Геофизики долго спорили, конвектируют ли верхняя и нижняя мантия как отдельные слои, что предполагалось некоторыми геохимическими резервуарами, или как единая общемантийная система, что подтверждалось сейсмическими изображениями слэбов, проникающих в нижнюю мантию; современные взгляды отдают предпочтение в основном общемантийному течению с осложнениями вблизи переходной зоны.

Key figures

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

Seminal works

• schubert2001
• mckenzie1974
• karato2008

Frequently asked questions

Как быстро конвектирует мантия?

Чрезвычайно медленно по повседневным меркам, со скоростью течения в несколько сантиметров в год, сравнимой со скоростью движения плит и скоростью роста ногтей; конвекция значима только потому, что она действует на протяжении миллионов и миллиардов лет.

Что такое число Рэлея?

Это безразмерная мера того, насколько сильно жидкость склонна к конвекции, сравнивающая плавучесть, которая движет течение, с вязкостью и термической диффузией, которые ему сопротивляются; очень высокое число Рэлея для мантии означает, что она интенсивно конвектирует, несмотря на то, что является твёрдой породой.