地幔对流与流变学

在内部热量的驱动下，固态地幔在数百万年间蠕变并对流。地幔岩石的变形方式，即其流变学，决定了这种行星尺度流动的强度、样式和模式。

Definition

地幔对流是固态地幔缓慢的、浮力驱动的流动，它将地球内部热量输送到地表；流变学描述了地幔岩石在应力作用下如何变形，主要是通过热激活蠕变，这决定了控制流动的粘度。

Scope

本主题涵盖地幔中的热对流及其控制流变学：浮力驱动蠕变流动的控制方程、瑞利数与对流的发生和强度、内部加热和底部加热的作用，以及从分层对流到全地幔对流的各种对流样式。它探讨了地幔矿物的变形机制，包括扩散蠕变和位错蠕变，粘度对温度和压力的强烈依赖性，以及相变对流动的影响。重点在于固态岩石的流变学如何控制对流热输运。

Core questions

• 哪些方程控制着地幔中浮力驱动的蠕变流动？
• 瑞利数如何控制对流的发生和强度？
• 固态地幔岩石通过何种蠕变机制变形？
• 温度、压力和相变如何塑造对流样式？

Key concepts

• 浮力驱动蠕变（斯托克斯）流动
• 瑞利数与对流强度
• 扩散蠕变与位错蠕变
• 温度和压力依赖性粘度
• 内部加热与对流样式

Key theories

热对流与瑞利数

地幔是否对流以及对流的强度，由瑞利数决定，该数平衡了浮力与粘性阻力和热扩散；超过临界值时对流发生，而高的地幔瑞利数意味着剧烈、随时间变化的流动。

固态蠕变流变学

地幔岩石通过点缺陷和位错的热激活迁移而流动，产生强烈依赖于温度和应力的有效粘度，这控制着对流的速率和模式以及岩石圈的强度。

Mechanisms

放射性衰变和地核产生的热量使深部地幔升温，降低其密度并使其产生浮力；由于地幔岩石通过固态蠕变变形，它以热柱形式上升，以冷下沉流形式下降，比传导更有效地输送热量，而粘度对温度的强烈依赖性以及矿物相变的影响则调节了流动是贯穿整个地幔还是部分分层。

Clinical relevance

地幔对流是板块构造的引擎，也是板内火山作用和动态地形的来源；理解它有助于限定地球的热历史，并将地表构造与地震学成像的深部内部联系起来。

History

霍姆斯在20世纪30年代提出地幔对流是大陆漂移的驱动力；定量处理紧随板块构造之后，1974年麦肯齐、罗伯茨和韦斯的研究开创了地幔对流的数值模拟，实验室岩石变形研究确立了决定地幔流变学的蠕变定律。

Debates

分层对流与全地幔对流

地球物理学家长期争论上地幔和下地幔是对流为独立的层（一些地球化学储层暗示如此），还是作为一个单一的全地幔系统（地震图像显示板块穿透下地幔支持此观点）；目前的观点倾向于大部分是全地幔流动，但在过渡带附近存在复杂性。

Key figures

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

Seminal works

• schubert2001
• mckenzie1974
• karato2008

Frequently asked questions

地幔对流速度有多快？

以日常标准衡量，速度极慢，流动速度为每年几厘米，与板块移动速度和指甲生长速度相当；对流之所以重要，仅仅因为它在数百万到数十亿年的时间尺度上运行。

什么是瑞利数？

它是一个无量纲量，衡量流体对流的强烈程度，通过比较驱动流动的浮力与抵抗流动的粘度和热扩散来确定；地幔极高的瑞利数意味着尽管它是固态岩石，但对流剧烈。