Mantelkonvektion och reologi

Drivet av intern värme kryper och konvekterar den fasta manteln under miljontals år, och sättet mantelbergarten deformeras på, dess reologi, bestämmer styrkan, stilen och mönstret för detta planetomfattande flöde.

Definition

Mantelkonvektion är det långsamma, densitetsdrivna flödet av den fasta manteln som transporterar jordens inre värme till ytan; reologi är beskrivningen av hur mantelbergarten deformeras under stress, huvudsakligen genom termiskt aktiverad krypning, vilket bestämmer viskositeten som styr flödet.

Scope

Detta ämne behandlar termisk konvektion i manteln och den reologi som styr den: de styrande ekvationerna för densitetsdrivet krypflöde, Rayleigh-talet och konvektionens uppkomst och styrka, rollen av intern uppvärmning och basal uppvärmning, samt konvektionsstilar från skiktad till helmantelkonvektion. Det behandlar deformationsmekanismerna för mantelmineraler, diffusions- och dislokationskrypning, viskositetens starka temperatur- och tryckberoende, samt fasövergångarnas inverkan på flödet. Tyngdpunkten ligger på hur den fasta bergartens reologi styr konvektiv värmetransport.

Core questions

• Vilka ekvationer styr densitetsdrivet krypflöde i manteln?
• Hur styr Rayleigh-talet konvektionens uppkomst och styrka?
• Genom vilka krypmekanismer deformeras fast mantelbergart?
• Hur formar temperatur, tryck och fasövergångar konvektionsstilen?

Key concepts

• Densitetsdrivet krypflöde (Stokes-flöde)
• Rayleigh-tal och konvektionsstyrka
• Diffusions- och dislokationskrypning
• Temperatur- och tryckberoende viskositet
• Intern uppvärmning och konvektionsstil

Key theories

Termisk konvektion och Rayleigh-talet

Huruvida manteln konvekterar, och hur kraftigt, styrs av Rayleigh-talet som balanserar densitetsdrivkraften mot viskös och termisk diffusion; över ett kritiskt värde uppstår konvektion, och det höga Rayleigh-talet i manteln innebär kraftigt, tidsberoende flöde.

Fastfas-krypreologi

Mantelbergart flyter genom termiskt aktiverad migration av punktdefekter och dislokationer, vilket ger en starkt temperatur- och stressberoende effektiv viskositet som styr konvektionshastigheterna och -mönstren samt litosfärens styrka.

Mechanisms

Värme från radioaktivt sönderfall och från kärnan värmer den djupa manteln, sänker dess densitet och gör den flytande; eftersom mantelbergart deformeras genom fastfas-krypning, stiger den i heta plymer och sjunker i kalla nedåtgående strömmar, vilket transporterar värme mycket effektivare än konduktion, medan viskositetens starka beroende av temperatur och effekterna av mineralfasövergångar modulerar om flödet sträcker sig över hela manteln eller är delvis skiktat.

Clinical relevance

Mantelkonvektion är motorn för plattektonik och källan till intraplattvulkanism och dynamisk topografi; att förstå den begränsar jordens termiska historia och kopplar ytteknik till det djupa inre som avbildas av seismologi.

History

Holmes föreslog mantelkonvektion som drivkraften bakom kontinentaldriften på 1930-talet; kvantitativ behandling följde plattektoniken, med McKenzie, Roberts och Weiss studie från 1974 som banbrytande för numerisk mantelkonvektion, och laboratoriestudier av bergartsdeformation som etablerade de kryplagar som bestämmer mantelns reologi.

Debates

Skiktad kontra helmantelkonvektion

Geofysiker debatterade länge om den övre och nedre manteln konvekterar som separata skikt, vilket antyds av vissa geokemiska reservoarer, eller som ett enda helmantelsystem, vilket stöds av seismiska bilder av plattor som penetrerar den nedre manteln; nuvarande uppfattningar föredrar i stort sett helmantelflöde med komplikationer nära övergångszonen.

Key figures

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

Seminal works

• schubert2001
• mckenzie1974
• karato2008

Frequently asked questions

Hur snabbt konvekterar manteln?

Extremt långsamt med vardagsmått mätt, med flödeshastigheter på några centimeter per år, jämförbart med hastigheten plattorna rör sig och hur snabbt fingernaglar växer; konvektion är endast betydelsefull eftersom den verkar över miljontals till miljarder år.

Vad är Rayleigh-talet?

Det är ett dimensionslöst mått på hur starkt en vätska tenderar att konvektera, som jämför den densitetsdrivkraft som driver flödet mot den viskositet och termiska diffusion som motstår det; mantelns mycket höga Rayleigh-tal innebär att den konvekterar kraftigt trots att den är fast bergart.