Мантійна конвекція та реологія

Рухома внутрішнім теплом, тверда мантія повзе та конвектує протягом мільйонів років, а спосіб деформації мантійної породи, її реологія, визначає інтенсивність, стиль та характер цього планетарного потоку.

Definition

Мантійна конвекція — це повільний, зумовлений плавучістю потік твердої мантії, який транспортує внутрішнє тепло Землі до поверхні; реологія — це опис того, як мантійна порода деформується під напругою, головним чином шляхом термічно активованої повзучості, що визначає в'язкість, яка керує цим потоком.

Scope

Ця тема охоплює термічну конвекцію в мантії та реологію, яка її контролює: керівні рівняння повзучого потоку, що зумовлений плавучістю, число Релея та початок і інтенсивність конвекції, роль внутрішнього та базального нагріву, а також стилі конвекції від шаруватої до загальномантійної. Вона розглядає механізми деформації мантійних мінералів, дифузійну та дислокаційну повзучість, сильну температурну та баричну залежність в'язкості, а також вплив фазових переходів на потік. Акцент робиться на тому, як реологія твердої породи керує конвективним теплопереносом.

Core questions

• Які рівняння керують повзучим потоком у мантії, зумовленим плавучістю?
• Як число Релея контролює початок та інтенсивність конвекції?
• Якими механізмами повзучості деформується тверда мантійна порода?
• Як температура, тиск та фазові переходи формують конвективний стиль?

Key concepts

• Повзучий потік, зумовлений плавучістю (Стокса)
• Число Релея та інтенсивність конвекції
• Дифузійна та дислокаційна повзучість
• В'язкість, залежна від температури та тиску
• Внутрішній нагрів та конвективний стиль

Key theories

Термічна конвекція та число Релея

Чи конвектує мантія, і наскільки інтенсивно, регулюється числом Релея, що врівноважує плавучість проти в'язкої та термічної дифузії; вище критичного значення починається конвекція, а високе число Релея мантії передбачає інтенсивний, залежний від часу потік.

Реологія твердотільної повзучості

Мантійна порода тече шляхом термічно активованої міграції точкових дефектів та дислокацій, що дає сильно залежну від температури та напруги ефективну в'язкість, яка контролює швидкості та закономірності конвекції та міцність літосфери.

Mechanisms

Тепло від радіоактивного розпаду та від ядра нагріває глибоку мантію, знижуючи її щільність і роблячи її плавучою; оскільки мантійна порода деформується шляхом твердотільної повзучості, вона піднімається в гарячих плюмах і опускається в холодних низхідних потоках, транспортуючи тепло набагато ефективніше, ніж провідність, тоді як сильна залежність в'язкості від температури та вплив мінеральних фазових переходів модулюють, чи охоплює потік всю мантію, чи є частково шаруватим.

Clinical relevance

Мантійна конвекція є двигуном тектоніки плит та джерелом внутрішньоплитного вулканізму та динамічної топографії; її розуміння обмежує термічну історію Землі та пов'язує поверхневу тектоніку з глибокими надрами, зображеними сейсмологією.

History

Холмс запропонував мантійну конвекцію як рушій континентального дрейфу в 1930-х роках; кількісне трактування послідувало за тектонікою плит, з дослідженням Маккензі, Робертса та Вайса 1974 року, що започаткувало чисельне моделювання мантійної конвекції, та лабораторними дослідженнями деформації гірських порід, що встановили закони повзучості, які визначають реологію мантії.

Debates

Шарувата проти загальномантійної конвекції

Геофізики довго сперечалися, чи конвектують верхня та нижня мантія як окремі шари, що припускається деякими геохімічними резервуарами, чи як єдина загальномантійна система, що підтверджується сейсмічними зображеннями плит, які проникають у нижню мантію; сучасні погляди віддають перевагу переважно загальномантійному потоку з ускладненнями поблизу перехідної зони.

Key figures

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

Seminal works

• schubert2001
• mckenzie1974
• karato2008

Frequently asked questions

Наскільки швидко конвектує мантія?

Надзвичайно повільно за повсякденними стандартами, зі швидкостями потоку в кілька сантиметрів на рік, що порівнянно зі швидкістю руху плит та швидкістю росту нігтів; конвекція є значущою лише тому, що вона діє протягом мільйонів до мільярдів років.

Що таке число Релея?

Це безрозмірна міра того, наскільки сильно рідина схильна до конвекції, порівнюючи плавучість, яка рухає потік, з в'язкістю та термічною дифузією, які йому протистоять; дуже високе число Релея мантії означає, що вона інтенсивно конвектує, незважаючи на те, що є твердою породою.