Мантийная конвекция - Mantle convection

Всемантийная конвекция

Мантийная конвекция очень медленный ползучий движение твердого силиката Земли мантия вызванный конвекция токи, несущие тепло из салона к поверхности планеты.[1][2]

Поверхность Земли литосфера едет на вершине астеносфера и два образуют компоненты верхняя мантия. Литосфера делится на ряд тектонические плиты которые постоянно создаются или потребляются в границы плит. Аккреция происходит, когда мантия добавляется к растущим краям пластины, связанной с распространение морского дна. Этот горячий добавленный материал охлаждается проводимость и конвекция тепла. На границы потребления пластины материал термически сжался, чтобы стать плотным, и он тонет под собственным весом в процессе субдукция обычно на океанский желоб.[3]

Этот субдуцированный материал проникает сквозь недра Земли. Некоторый субдуцированный материал, кажется, достигает нижняя мантия,[4] в то время как в других регионах этому материалу препятствует дальнейшее оседание, возможно, из-за фазового перехода от шпинель к силикатный перовскит и магнезиовюстит, эндотермическая реакция.[5]

Субдуцированная океаническая кора запускает вулканизм, хотя основные механизмы разнообразны. Вулканизм может возникать из-за процессов, которые добавляют плавучесть частично расплавленной мантии, что может вызвать восходящий поток частичного расплава из-за уменьшения его плотности. Вторичная конвекция может вызвать поверхностный вулканизм в результате внутриплитного расширения.[6] и мантийные перья.[7]. В 1993 г. было высказано предположение, что неоднородности в слое D "оказывают некоторое влияние на мантийную конвекцию. [8].

Мантийная конвекция заставляет тектонические плиты перемещаться по поверхности Земли.[9] Похоже, что во время Hadean период, приводящий к гравитационной сортировке более тяжелых расплавленных утюг, никель, и сульфиды до глубины души и легче силикатные минералы к мантии.

Типы конвекции

Разрез Земли с указанием расположения верхней (3) и нижней (5) мантии
Температура Земли в зависимости от глубины. Пунктирная кривая - слоистая мантийная конвекция. Сплошная кривая: мантийная конвекция.[7]
А суперплюм генерируется процессами охлаждения в мантии.[10]

В конце 20-го века в геофизическом сообществе велись серьезные дискуссии о том, будет ли конвекция «слоистой» или «цельной».[11][12] Хотя элементы этой дискуссии все еще продолжаются, результаты сейсмическая томография, численное моделирование мантийной конвекции и изучение гравитационного поля Земли начинают предполагать существование «всей» мантийной конвекции, по крайней мере, в настоящее время. В этой модели холодная субдуктивная океаническая литосфера полностью спускается с поверхности на поверхность. граница ядро ​​– мантия (CMB) и горячие шлейфы поднимаются от CMB до поверхности.[13] Эта картина во многом основана на результатах глобальных моделей сейсмической томографии, которые обычно показывают пластинчатые и плюмоподобные аномалии, пересекающие переходную зону мантии.

Хотя сейчас хорошо известно, что субдуцирующие плиты пересекают переходную зону мантии и спускаются в нижнюю мантию, дискуссии о существовании и непрерывности перья сохраняется, с важными последствиями для стиля мантийной конвекции. Эта дискуссия связана со спором о том, вызван ли внутриплитный вулканизм мелководьем, верхняя мантия процессами или перья из нижней мантии.[6] Многие геохимические исследования утверждают, что лавы, извергавшиеся во внутриплитных областях, отличаются по составу от мелководных. Срединно-океанический хребет базальты (MORB). В частности, они обычно имеют повышенное отношение гелий-3 к гелию-4. Гелий-3, являясь первичным нуклидом, не производится на Земле естественным образом. Он также быстро улетает из атмосферы Земли при извержении. Повышенное соотношение He-3 / He-4 в базальтах океанических островов (OIB) предполагает, что они должны быть источниками из той части земли, которая ранее не плавилась и не перерабатывалась так же, как источник MORB. Это было интерпретировано как их происхождение из другого, менее перемешанного региона, предположительно из нижней мантии. Другие, однако, указали, что геохимические различия могут указывать на включение небольшого компонента приповерхностного материала из литосферы.

Форма и сила конвекции

Смотрите также: Теплопередача § Конвекция и теплопроводность

На Земле Число Рэлея для конвекции в мантии Земли оценивается порядка 107, что указывает на сильную конвекцию. Это значение соответствует конвекции всей мантии (т.е. конвекции, распространяющейся от поверхности Земли до границы с ядро ). В глобальном масштабе поверхностным выражением этой конвекции является движение тектонических плит, и поэтому она имеет скорость несколько сантиметров в год.[14][15][16] Скорость может быть выше для мелкомасштабной конвекции, происходящей в областях с низкой вязкостью под литосферой, и медленнее в самой нижней мантии, где вязкость выше. Один цикл неглубокой конвекции занимает порядка 50 миллионов лет, хотя более глубокая конвекция может быть ближе к 200 миллионам лет.[17]

В настоящее время считается, что конвекция всей мантии включает широкомасштабный нисходящий поток под Америкой и западной частью Тихого океана, оба региона с долгой историей субдукции, и восходящий поток под центральной частью Тихого океана и Африкой, оба из которых демонстрируют динамическая топография соответствует апвеллингу.[18] Эта широкомасштабная картина потока также согласуется с движениями тектонических плит, которые являются поверхностным выражением конвекции в мантии Земли и в настоящее время указывают на конвергенцию степени 2 в сторону западной части Тихого океана и Северной и Южной Америки, а также отклонение от центральной части Тихого океана и Африка.[19] Сохранение чистой тектонической дивергенции вдали от Африки и Тихого океана в течение последних 250 млн лет указывает на долгосрочную стабильность этой общей структуры мантийных потоков.[19] и согласуется с другими исследованиями [20][21][22] которые предполагают долгосрочную стабильность LLSVP области самой нижней мантии, составляющие основу этих апвеллингов.

Ползать в мантии

Из-за различных температур и давлений между нижней и верхней мантией могут происходить различные процессы ползучести, при этом дислокационная ползучесть преобладает в нижней мантии, а диффузионная ползучесть иногда доминирует в верхней мантии. Однако существует большая переходная область в процессах ползучести между верхней и нижней мантией, и даже внутри каждой секции свойства ползучести могут сильно меняться в зависимости от местоположения и, следовательно, температуры и давления. В областях степенной ползучести уравнение ползучести, адаптированное к данным с n = 3–4, является стандартным.[23]

Поскольку верхняя мантия в основном состоит из оливина ((Mg, Fe) 2SiO4), реологические характеристики верхней мантии в основном аналогичны оливину. Сила оливина не только зависит от температуры плавления, но также очень чувствительна к содержанию воды и кремнезема. Депрессия солидуса примесями, в первую очередь Ca, Al и Na, и давлением влияет на поведение ползучести и, таким образом, способствует изменению механизмов ползучести в зависимости от местоположения. В то время как поведение ползучести обычно отображается как зависимость гомологической температуры от напряжения, в случае мантии часто бывает более полезно посмотреть на зависимость напряжения от давления. Хотя напряжение - это просто сила, действующая на площадь, определить ее в геологии сложно. Уравнение 1 демонстрирует зависимость напряжения от давления. Поскольку моделировать высокие давления в мантии (1 МПа на 300–400 км) очень сложно, лабораторные данные низкого давления обычно экстраполируются на высокие давления с применением концепции ползучести из металлургии.[24]

Большая часть мантии имеет гомологические температуры 0,65–0,75 и скорость деформации в секунду. Напряжения в мантии зависят от плотности, силы тяжести, коэффициентов теплового расширения, разницы температур, вызывающей конвекцию, а также от расстояния, на котором происходит конвекция, все из которых создают напряжения порядка 3-30 МПа. Из-за большого размера зерна (при низких напряжениях до нескольких мм) маловероятно, что ползучесть по Набарро-Херрингу (NH) действительно будет доминировать. Учитывая большие размеры зерен, ползучесть дислокаций имеет тенденцию преобладать. 14 МПа - это напряжение, ниже которого преобладает диффузионная ползучесть, а выше которого преобладает степенная ползучесть при 0,5Tm оливина. Таким образом, даже при относительно низких температурах диффузионная ползучесть под напряжением будет слишком низкой для реальных условий. Хотя степень ползучести по степенному закону увеличивается с увеличением содержания воды из-за ослабления, уменьшения энергии активации диффузии и, таким образом, увеличения скорости ползучести NH, обычно NH все еще недостаточно велик, чтобы доминировать. Тем не менее диффузионная ползучесть может преобладать в очень холодных или глубоких частях верхней мантии. Дополнительная деформация в мантии может быть объяснена повышением пластичности трансформации. Ниже 400 км оливин подвергается фазовому превращению под давлением, которое может вызвать большую деформацию из-за повышенной пластичности.[24] Дополнительное доказательство преобладания ползучести по степенному закону исходит из предпочтительной ориентации решетки в результате деформации. При дислокационной ползучести кристаллические структуры переориентируются в сторону более низких напряжений. Этого не происходит при диффузионной ползучести, поэтому наблюдение предпочтительных ориентаций в образцах свидетельствует о преобладании дислокационной ползучести.[25]

Мантийная конвекция в других небесных телах

Подобный процесс медленной конвекции, вероятно, происходит (или происходил) внутри других планет (например, Венера, Марс ) и некоторые спутники (например, Ио, Европа, Энцелад).

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Кобес, Рэнди. «Мантийная конвекция». Архивировано из оригинал 9 июня 2011 г.. Получено 26 февраля 2020. Физический факультет Виннипегского университета
  2. ^ Рикар, Ю. (2009). «2. Физика мантийной конвекции». У Дэвида Берковичи и Джеральда Шуберта (ред.). Трактат по геофизике: динамика мантии. 7. Elsevier Science. ISBN  9780444535801.
  3. ^ Джеральд Шуберт; Дональд Лоусон Тюркотт; Питер Олсон (2001). «Глава 2: Тектоника плит». Мантийная конвекция на Земле и планетах. Издательство Кембриджского университета. стр. 16 и сл. ISBN  978-0-521-79836-5.
  4. ^ Фукао, Йошио; Обаяси, Масаюки; Накакуки, Томоэки; Group, Проект Deep Slab (2009-01-01). «Застойная плита: обзор» (PDF). Ежегодный обзор наук о Земле и планетах. 37 (1): 19–46. Bibcode:2009AREPS..37 ... 19F. Дои:10.1146 / annurev.earth.36.031207.124224.
  5. ^ Джеральд Шуберт; Дональд Лоусон Теркотт; Питер Олсон (2001). «§2.5.3: Судьба нисходящих плит». Цитированная работа. стр. 35 и сл. ISBN  978-0-521-79836-5.
  6. ^ а б Foulger, G.R. (2010). Пластины против плюмов: геологический спор. Вили-Блэквелл. ISBN  978-1-4051-6148-0.
  7. ^ а б Кент К. Конди (1997). Тектоника плит и эволюция земной коры (4-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн. п. 5. ISBN  978-0-7506-3386-4.
  8. ^ Чеховский Л. (1993) Геодезия и физика Земли, стр. 392-395, Происхождение горячих точек и слой D
  9. ^ Мореси, Луи; Соломатов, Вячеслав (1998). «Мантийная конвекция с хрупкой литосферой: размышления о глобальных тектонических стилях Земли и Венеры». Международный геофизический журнал. 133 (3): 669–82. Bibcode:1998GeoJI.133..669M. CiteSeerX  10.1.1.30.5989. Дои:10.1046 / j.1365-246X.1998.00521.x.
  10. ^ Ctirad Matyska и David A Yuen (2007). "Рисунок 17 в Свойства материала нижней мантии и модели конвекции многомасштабных плюмов". Плиты, шлейфы и планетные процессы. Геологическое общество Америки. п. 159. ISBN  978-0-8137-2430-0.
  11. ^ Дональд Лоусон Тюркотт; Джеральд Шуберт (2002). Геодинамика (2-е изд.). Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-66624-4.
  12. ^ Джеральд Шуберт; Дональд Лоусон Теркотт; Питер Олсон (2001). Цитированная работа. п. 616. ISBN  978-0-521-79836-5.
  13. ^ Монтелли, Р. Нолет, G; Дален, ФА; Мастера, G; Engdahl ER; Хунг Ш. (2004). «Конечно-частотная томография выявляет множество перьев в мантии». Наука. 303 (5656): 338–43. Bibcode:2004Наука ... 303..338М. Дои:10.1126 / science.1092485. PMID  14657505. S2CID  35802740.
  14. ^ Мелкомасштабная конвекция в верхней мантии под Китайскими горами Тянь-Шаня, http://www.vlab.msi.umn.edu/reports/allpublications/files/2007-pap79.pdf В архиве 2013-05-30 в Wayback Machine
  15. ^ Полярное блуждание и мантийная конвекция, http://articles.adsabs.harvard.edu/cgi-bin/nph-iarticle_query?bibcode=1972IAUS...48..212T&db_key=AST&page_ind=0&data_type=GIF&type=SCREEN_VIEW&classic=YES
  16. ^ Изображение, показывающее конвекцию с указанными скоростями. «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2011-09-28. Получено 2011-08-29.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (ссылка на сайт)
  17. ^ Тепловая конвекция со свободно движущейся верхней границей, см. Раздел IV Обсуждение и выводы. http://physics.nyu.edu/jz11/publications/ConvecA.pdf
  18. ^ Литгоу-Бертеллони, Каролина; Сильвер, Пол Г. (1998). «Динамическая топография, движущие силы плит и африканский суперсвит». Природа. 395 (6699): 269–272. Bibcode:1998Натура.395..269л. Дои:10.1038/26212. ISSN  0028-0836. S2CID  4414115.
  19. ^ а б Конрад, Клинтон П .; Штейнбергер, Бернхард; Торсвик, Тронд Х. (2013). «Устойчивость активного мантийного апвеллинга, выявленная по совокупным характеристикам тектоники плит». Природа. 498 (7455): 479–482. Bibcode:2013Натура.498..479C. Дои:10.1038 / природа12203. HDL:10852/61522. ISSN  0028-0836. PMID  23803848. S2CID  205234113.
  20. ^ Torsvik, Trond H .; Smethurst, Mark A .; Берк, Кевин; Штейнбергер, Бернхард (2006). «Большие магматические провинции, образовавшиеся на окраинах крупных низкоскоростных провинций в глубокой мантии». Международный геофизический журнал. 167 (3): 1447–1460. Bibcode:2006GeoJI.167.1447T. Дои:10.1111 / j.1365-246x.2006.03158.x. ISSN  0956-540X.
  21. ^ Torsvik, Trond H .; Штейнбергер, Бернхард; Ashwal, Lewis D .; Дубровин, Павел В .; Трённес, Рейдар Г. (2016). «Эволюция и динамика Земли - дань уважения Кевину Бёрку». Канадский журнал наук о Земле. 53 (11): 1073–1087. Bibcode:2016CaJES..53.1073T. Дои:10.1139 / cjes-2015-0228. HDL:10852/61998. ISSN  0008-4077.
  22. ^ Дзевонски, Адам М .; Лекич, Ведран; Романович, Барбара А. (2010). «Структура якоря мантии: аргумент в пользу тектоники снизу вверх». Письма по науке о Земле и планетах. 299 (1–2): 69–79. Bibcode:2010E и PSL.299 ... 69D. Дои:10.1016 / j.epsl.2010.08.013. ISSN  0012-821X.
  23. ^ Вертман, Дж.; Белый, S .; Кук, Алан Х. (1978-02-14). «Законы ползучести для мантии Земли [и обсуждение]». Философские труды Лондонского королевского общества A: математические, физические и инженерные науки. 288 (1350): 9–26. Bibcode:1978RSPTA.288 .... 9 Вт. Дои:10.1098 / рста.1978.0003. ISSN  1364-503X. S2CID  91874725.
  24. ^ а б Borch, Роберт С .; Грин, Гарри В. (1987-11-26). «Зависимость ползучести оливина от гомологической температуры и ее значение для потока в мантии». Природа. 330 (6146): 345–48. Bibcode:1987Натура.330..345Б. Дои:10.1038 / 330345a0. S2CID  4319163.
  25. ^ Карато, Шун-ичиро; Ву, Патрик (1993-05-07). «Реология верхней мантии: синтез». Наука. 260 (5109): 771–78. Bibcode:1993Наука ... 260..771K. Дои:10.1126 / science.260.5109.771. ISSN  0036-8075. PMID  17746109. S2CID  8626640.