Konvekcia a reológia plášťa

Poháňaný vnútorným teplom sa pevný plášť plazí a konvektuje po milióny rokov a spôsob, akým sa hornina plášťa deformuje, jeho reológia, určuje intenzitu, štýl a vzor tohto toku v planetárnom meradle.

Definition

Konvekcia plášťa je pomalý, vztlakom poháňaný tok pevného plášťa, ktorý prenáša vnútorné teplo Zeme na povrch; reológia je opis toho, ako sa hornina plášťa deformuje pod napätím, predovšetkým tepelne aktivovaným tečením, ktoré určuje viskozitu riadiacu tento tok.

Scope

Táto téma zahŕňa tepelnú konvekciu v plášti a reológiu, ktorá ju riadi: riadiace rovnice vztlakom poháňaného plazivého toku, Rayleighovo číslo a nástup a intenzitu konvekcie, úlohu vnútorného a bazálneho ohrevu a štýly konvekcie od vrstvenej po celoplášťovú. Zaoberá sa deformačnými mechanizmami minerálov plášťa, difúznym a dislokačným tečením, silnou závislosťou viskozity od teploty a tlaku a vplyvom fázových prechodov na tok. Dôraz je kladený na to, ako reológia pevnej horniny riadi konvektívny prenos tepla.

Core questions

• Aké rovnice riadia vztlakom poháňaný plazivý tok v plášti?
• Ako Rayleighovo číslo riadi nástup a intenzitu konvekcie?
• Akými mechanizmami tečenia sa deformuje pevná hornina plášťa?
• Ako teplota, tlak a fázové prechody formujú konvektívny štýl?

Key concepts

• Vztlakom poháňaný plazivý (Stokesov) tok
• Rayleighovo číslo a intenzita konvekcie
• Difúzne a dislokačné tečenie
• Viskozita závislá od teploty a tlaku
• Vnútorný ohrev a konvektívny štýl

Key theories

Tepelná konvekcia a Rayleighovo číslo

Či plášť konvektuje a ako intenzívne, je riadené Rayleighovým číslom, ktoré vyvažuje vztlak proti viskóznej a tepelnej difúzii; nad kritickou hodnotou nastáva konvekcia a vysoké Rayleighovo číslo plášťa naznačuje intenzívny, časovo závislý tok.

Reológia tečenia v pevnom stave

Hornina plášťa tečie tepelne aktivovanou migráciou bodových defektov a dislokácií, čo vedie k silne závislej efektívnej viskozite od teploty a napätia, ktorá riadi rýchlosti a vzory konvekcie a pevnosť litosféry.

Mechanisms

Teplo z rádioaktívneho rozpadu a z jadra ohrieva hlboký plášť, znižuje jeho hustotu a robí ho vztlakovým; pretože hornina plášťa sa deformuje tečením v pevnom stave, stúpa v horúcich chocholoch a klesá v studených zostupných prúdoch, prenášajúc teplo oveľa efektívnejšie ako vedením, zatiaľ čo silná závislosť viskozity od teploty a účinky fázových prechodov modulujú, či tok prebieha v celom plášti alebo je čiastočne vrstvený.

Clinical relevance

Konvekcia plášťa je motorom platňovej tektoniky a zdrojom vnútroplatňového vulkanizmu a dynamickej topografie; jej pochopenie obmedzuje tepelnú históriu Zeme a spája povrchovú tektoniku s hlbokým interiérom zobrazeným seizmológiou.

History

Holmes navrhol konvekciu plášťa ako hnaciu silu kontinentálneho driftu v 30. rokoch 20. storočia; kvantitatívne spracovanie nasledovalo po platňovej tektonike, pričom štúdia McKenzieho, Robertsa a Weissa z roku 1974 bola priekopníkom numerickej konvekcie plášťa a laboratórne štúdie deformácie hornín stanovili zákony tečenia, ktoré určujú reológiu plášťa.

Debates

Vrstvená verzus celoplášťová konvekcia

Geofyzici dlho diskutovali o tom, či horný a dolný plášť konvektujú ako samostatné vrstvy, čo naznačujú niektoré geochemické rezervoáre, alebo ako jeden celoplášťový systém, čo podporujú seizmické obrazy dosiek prenikajúcich do dolného plášťa; súčasné názory uprednostňujú prevažne celoplášťový tok s komplikáciami v blízkosti prechodovej zóny.

Key figures

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

Seminal works

• schubert2001
• mckenzie1974
• karato2008

Frequently asked questions

Ako rýchlo konvektuje plášť?

Extrémne pomaly podľa každodenných štandardov, s rýchlosťami toku niekoľko centimetrov za rok, porovnateľnými s rýchlosťou pohybu platní a s rýchlosťou rastu nechtov; konvekcia je významná len preto, že prebieha po milióny až miliardy rokov.

Čo je Rayleighovo číslo?

Je to bezrozmerná miera toho, ako silno má tekutina tendenciu konvektovať, porovnávajúca vztlak, ktorý poháňa tok, s viskozitou a tepelnou difúziou, ktoré mu odolávajú; veľmi vysoké Rayleighovo číslo plášťa znamená, že konvektuje intenzívne napriek tomu, že je to pevná hornina.