Đối lưu Manti và Đặc tính lưu biến

Được thúc đẩy bởi nhiệt nội, manti rắn dịch chuyển và đối lưu trong hàng triệu năm, và cách đá manti biến dạng, tức đặc tính lưu biến của nó, quyết định cường độ, kiểu dáng và mô hình của dòng chảy quy mô hành tinh này.

Definition

Đối lưu manti là dòng chảy chậm, do lực nổi của manti rắn vận chuyển nhiệt nội của Trái Đất ra bề mặt; đặc tính lưu biến là mô tả cách đá manti biến dạng dưới ứng suất, chủ yếu do dịch chuyển kích hoạt nhiệt, điều này quyết định độ nhớt chi phối dòng chảy đó.

Scope

Chủ đề này bao gồm đối lưu nhiệt trong manti và đặc tính lưu biến kiểm soát nó: các phương trình chi phối dòng chảy từ từ do lực nổi, số Rayleigh và sự khởi đầu cũng như cường độ của đối lưu, vai trò của sự gia nhiệt nội và gia nhiệt đáy, và các kiểu đối lưu từ phân lớp đến toàn manti. Nó đề cập đến các cơ chế biến dạng của khoáng vật manti, dịch chuyển khuếch tán và dịch chuyển lệch, sự phụ thuộc mạnh mẽ của độ nhớt vào nhiệt độ và áp suất, và ảnh hưởng của các chuyển pha đến dòng chảy. Trọng tâm là cách đặc tính lưu biến của đá rắn điều chỉnh sự vận chuyển nhiệt đối lưu.

Core questions

• Những phương trình nào chi phối dòng chảy từ từ do lực nổi trong manti?
• Số Rayleigh kiểm soát sự khởi đầu và cường độ của đối lưu như thế nào?
• Đá manti rắn biến dạng bằng những cơ chế dịch chuyển nào?
• Nhiệt độ, áp suất và các chuyển pha định hình kiểu đối lưu như thế nào?

Key concepts

• Dòng chảy từ từ do lực nổi (Stokes)
• Số Rayleigh và cường độ đối lưu
• Dịch chuyển khuếch tán và dịch chuyển lệch
• Độ nhớt phụ thuộc nhiệt độ và áp suất
• Gia nhiệt nội và kiểu đối lưu

Key theories

Đối lưu nhiệt và số Rayleigh

Việc manti có đối lưu hay không, và với cường độ như thế nào, được điều chỉnh bởi số Rayleigh cân bằng lực nổi với độ nhớt và sự khuếch tán nhiệt; trên một giá trị tới hạn, đối lưu bắt đầu, và số Rayleigh cao của manti ngụ ý dòng chảy mạnh mẽ, phụ thuộc thời gian.

Đặc tính lưu biến dịch chuyển trạng thái rắn

Đá manti chảy do sự di chuyển kích hoạt nhiệt của các khuyết tật điểm và lệch, tạo ra độ nhớt hiệu dụng phụ thuộc mạnh mẽ vào nhiệt độ và ứng suất, điều này kiểm soát tốc độ và mô hình đối lưu cũng như độ bền của thạch quyển.

Mechanisms

Nhiệt từ sự phân rã phóng xạ và từ lõi làm ấm manti sâu, làm giảm mật độ và làm cho nó nổi; vì đá manti biến dạng do dịch chuyển trạng thái rắn, nó dâng lên trong các chùm nhiệt nóng và chìm xuống trong các dòng chảy xuống lạnh, vận chuyển nhiệt hiệu quả hơn nhiều so với dẫn nhiệt, trong khi sự phụ thuộc mạnh mẽ của độ nhớt vào nhiệt độ và ảnh hưởng của các chuyển pha khoáng vật điều chỉnh liệu dòng chảy bao trùm toàn bộ manti hay chỉ một phần phân lớp.

Clinical relevance

Đối lưu manti là động cơ của kiến tạo mảng và là nguồn gốc của hoạt động núi lửa nội mảng và địa hình động; việc hiểu rõ nó giới hạn lịch sử nhiệt của Trái Đất và liên kết kiến tạo bề mặt với phần sâu bên trong được hình ảnh hóa bằng địa chấn học.

History

Holmes đã đề xuất đối lưu manti là động lực của sự trôi dạt lục địa vào những năm 1930; xử lý định lượng theo sau kiến tạo mảng, với nghiên cứu tiên phong về đối lưu manti số của McKenzie, Roberts và Weiss năm 1974, và các nghiên cứu biến dạng đá trong phòng thí nghiệm đã thiết lập các định luật dịch chuyển xác định đặc tính lưu biến của manti.

Debates

Đối lưu phân lớp so với đối lưu toàn manti

Các nhà địa vật lý từ lâu đã tranh luận liệu manti trên và manti dưới đối lưu như các lớp riêng biệt, được gợi ý bởi một số bể chứa địa hóa, hay như một hệ thống toàn manti duy nhất, được hỗ trợ bởi các hình ảnh địa chấn của các tấm xuyên qua manti dưới; quan điểm hiện tại ủng hộ dòng chảy chủ yếu toàn manti với các phức tạp gần vùng chuyển tiếp.

Key figures

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

Seminal works

• schubert2001
• mckenzie1974
• karato2008

Frequently asked questions

Manti đối lưu nhanh đến mức nào?

Cực kỳ chậm theo tiêu chuẩn hàng ngày, với tốc độ dòng chảy vài centimet mỗi năm, tương đương với tốc độ di chuyển của các mảng và tốc độ móng tay mọc; đối lưu chỉ có ý nghĩa vì nó hoạt động trong hàng triệu đến hàng tỷ năm.

Số Rayleigh là gì?

Đó là một thước đo không thứ nguyên về mức độ một chất lỏng có xu hướng đối lưu, so sánh lực nổi thúc đẩy dòng chảy với độ nhớt và sự khuếch tán nhiệt chống lại nó; số Rayleigh rất cao của manti có nghĩa là nó đối lưu mạnh mẽ mặc dù là đá rắn.