การพาความร้อนของเนื้อโลกและรีโอโลยี

เนื้อโลกที่เป็นของแข็งเคลื่อนที่และพาความร้อนเป็นเวลาหลายล้านปีโดยได้รับแรงขับเคลื่อนจากความร้อนภายใน และลักษณะการเปลี่ยนรูปของหินเนื้อโลกหรือรีโอโลยีของหินเนื้อโลกเป็นตัวกำหนดความรุนแรง รูปแบบ และแบบแผนของการไหลระดับดาวเคราะห์นี้

Definition

การพาความร้อนของเนื้อโลกคือการไหลอย่างช้าๆ ของเนื้อโลกที่เป็นของแข็งซึ่งขับเคลื่อนด้วยแรงลอยตัวและขนส่งความร้อนภายในของโลกไปยังพื้นผิว; รีโอโลยีคือคำอธิบายว่าหินเนื้อโลกเปลี่ยนรูปภายใต้ความเค้นได้อย่างไร โดยหลักแล้วเกิดจากการคืบคลานที่กระตุ้นด้วยความร้อน ซึ่งเป็นตัวกำหนดความหนืดที่ควบคุมการไหลนั้น

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมการพาความร้อนในเนื้อโลกและรีโอโลยีที่เป็นตัวควบคุม: สมการควบคุมของการไหลแบบคืบคลานที่ขับเคลื่อนด้วยแรงลอยตัว, เลขเรย์ลีห์และการเริ่มต้นและความรุนแรงของการพาความร้อน, บทบาทของความร้อนภายในและความร้อนฐาน, และรูปแบบของการพาความร้อนตั้งแต่แบบแบ่งชั้นไปจนถึงแบบทั้งเนื้อโลก โดยจะกล่าวถึงกลไกการเปลี่ยนรูปของแร่ในเนื้อโลก, การคืบคลานแบบแพร่และแบบเคลื่อนที่, การขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความดันอย่างมากของความหนืด, และอิทธิพลของการเปลี่ยนสถานะต่อการไหล โดยเน้นที่ว่ารีโอโลยีของหินแข็งควบคุมการถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนอย่างไร

Core questions

• สมการใดที่ควบคุมการไหลแบบคืบคลานที่ขับเคลื่อนด้วยแรงลอยตัวในเนื้อโลก
• เลขเรย์ลีห์ควบคุมการเริ่มต้นและความรุนแรงของการพาความร้อนได้อย่างไร
• หินเนื้อโลกที่เป็นของแข็งเปลี่ยนรูปด้วยกลไกการคืบคลานแบบใด
• อุณหภูมิ ความดัน และการเปลี่ยนสถานะมีผลต่อรูปแบบการพาความร้อนอย่างไร

Key concepts

• การไหลแบบคืบคลานที่ขับเคลื่อนด้วยแรงลอยตัว (สโตกส์)
• เลขเรย์ลีห์และความรุนแรงของการพาความร้อน
• การคืบคลานแบบแพร่และการเคลื่อนที่
• ความหนืดที่ขึ้นกับอุณหภูมิและความดัน
• ความร้อนภายในและรูปแบบการพาความร้อน

Key theories

การพาความร้อนและเลขเรย์ลีห์

การที่เนื้อโลกมีการพาความร้อนหรือไม่ และรุนแรงเพียงใด ถูกควบคุมโดยเลขเรย์ลีห์ที่สมดุลระหว่างแรงลอยตัวกับการหนืดและการแพร่ความร้อน; เมื่อเกินค่าวิกฤต การพาความร้อนจะเกิดขึ้น และเลขเรย์ลีห์ที่สูงของเนื้อโลกบ่งชี้ถึงการไหลที่รุนแรงและขึ้นกับเวลา

รีโอโลยีการคืบคลานของแข็ง

หินเนื้อโลกไหลโดยการเคลื่อนที่ของจุดบกพร่องและการเคลื่อนที่ที่กระตุ้นด้วยความร้อน ทำให้เกิดความหนืดที่มีประสิทธิภาพที่ขึ้นกับอุณหภูมิและความเค้นอย่างมาก ซึ่งควบคุมอัตราและรูปแบบของการพาความร้อนและความแข็งแรงของธรณีภาค

Mechanisms

ความร้อนจากการสลายตัวของกัมมันตรังสีและจากแกนโลกทำให้เนื้อโลกส่วนลึกอุ่นขึ้น ลดความหนาแน่นและทำให้เกิดแรงลอยตัว; เนื่องจากหินเนื้อโลกเปลี่ยนรูปโดยการคืบคลานของแข็ง มันจึงลอยขึ้นในพวยร้อนและจมลงในกระแสเย็น ขนส่งความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าการนำความร้อน ในขณะที่การขึ้นอยู่กับอุณหภูมิอย่างมากของความหนืดและผลกระทบของการเปลี่ยนสถานะของแร่จะปรับเปลี่ยนว่าการไหลครอบคลุมทั้งเนื้อโลกหรือแบ่งเป็นชั้นบางส่วน

Clinical relevance

การพาความร้อนของเนื้อโลกเป็นกลไกขับเคลื่อนธรณีแปรสัณฐานและเป็นแหล่งกำเนิดของภูเขาไฟภายในแผ่นเปลือกโลกและลักษณะภูมิประเทศแบบพลวัต; การทำความเข้าใจสิ่งนี้จะจำกัดประวัติความร้อนของโลกและเชื่อมโยงธรณีแปรสัณฐานบนพื้นผิวเข้ากับส่วนลึกภายในที่ถ่ายภาพด้วยคลื่นไหวสะเทือน

History

โฮล์มส์เสนอการพาความร้อนของเนื้อโลกเป็นตัวขับเคลื่อนการเคลื่อนที่ของทวีปในทศวรรษ 1930; การวิเคราะห์เชิงปริมาณตามมาด้วยธรณีแปรสัณฐาน โดยงานวิจัยของ McKenzie, Roberts, และ Weiss ในปี 1974 เป็นผู้บุกเบิกการจำลองการพาความร้อนของเนื้อโลกด้วยตัวเลข และการศึกษาการเปลี่ยนรูปของหินในห้องปฏิบัติการได้สร้างกฎการคืบคลานที่กำหนดรีโอโลยีของเนื้อโลก

Debates

การพาความร้อนแบบแบ่งชั้นเทียบกับแบบทั้งเนื้อโลก

นักธรณีฟิสิกส์ถกเถียงกันมานานว่าเนื้อโลกส่วนบนและส่วนล่างมีการพาความร้อนเป็นชั้นแยกกันหรือไม่ ซึ่งเสนอโดยแหล่งกักเก็บทางธรณีเคมีบางแห่ง หรือเป็นระบบเนื้อโลกทั้งหมดเดียว ซึ่งสนับสนุนโดยภาพแผ่นเปลือกโลกที่แทรกซึมลงไปในเนื้อโลกส่วนล่างที่ได้จากคลื่นไหวสะเทือน; มุมมองปัจจุบันสนับสนุนการไหลของเนื้อโลกทั้งหมดเป็นส่วนใหญ่โดยมีภาวะแทรกซ้อนใกล้เขตเปลี่ยนผ่าน

Key figures

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

Seminal works

• schubert2001
• mckenzie1974
• karato2008

Frequently asked questions

เนื้อโลกพาความร้อนเร็วแค่ไหน

ช้ามากเมื่อเทียบกับมาตรฐานในชีวิตประจำวัน ด้วยความเร็วการไหลเพียงไม่กี่เซนติเมตรต่อปี เทียบได้กับอัตราการเคลื่อนที่ของแผ่นเปลือกโลกและอัตราการเติบโตของเล็บมือ; การพาความร้อนมีความสำคัญก็ต่อเมื่อมันดำเนินไปเป็นเวลาหลายล้านถึงพันล้านปี

เลขเรย์ลีห์คืออะไร

เป็นมาตรวัดไร้มิติว่าของไหลมีแนวโน้มที่จะพาความร้อนได้รุนแรงเพียงใด โดยเปรียบเทียบแรงลอยตัวที่ขับเคลื่อนการไหลกับความหนืดและการแพร่ความร้อนที่ต้านทานการไหลนั้น; เลขเรย์ลีห์ที่สูงมากของเนื้อโลกหมายความว่ามันพาความร้อนได้อย่างรุนแรงแม้จะเป็นหินแข็ง