Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Всемантийная конвекция

Мантийная конвекция - это очень медленное плавное движение твердой силикатной мантии Земли, вызванное конвекционными потоками, переносящими тепло из недр к поверхности планеты. [1] [2]

Литосфера земной поверхности движется поверх астеносферы, и они образуют компоненты верхней мантии . Литосфера разделена на ряд тектонических плит , которые непрерывно создаются или потребляются на границах плит . Аккреция происходит, когда мантия добавляется к растущим краям плиты, что связано с расширением морского дна . Этот горячий добавленный материал охлаждается за счет теплопроводности и конвекции . На потребляющих краях пластины материал термически сжался, чтобы стать плотным, и он тонет под собственным весом в процессе субдукции.обычно в желобе океана . [3]

Этот субдуцированный материал проникает сквозь недра Земли. Некоторый субдуцируемый материал , как представляется , достигает нижнюю мантию , [4] в то время как в других регионах, этот материал препятствует погружению в дальнейшем, возможно , из - за фазовый переход из шпинели к силикату перовскиту и магнезиовюстите , в эндотермическую реакцию . [5]

Субдуцированная океаническая кора вызывает вулканизм , хотя основные механизмы различны. 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 как следствие внутриплитного расширения [6] и мантийных плюмов . [7] В 1993 году было высказано предположение, что неоднородности в слое D "оказывают некоторое влияние на мантийную конвекцию. [8]

Конвекция мантии заставляет тектонические плиты перемещаться по поверхности Земли. [9] Похоже, что он был намного более активным в период Хадея , что привело к гравитационной сортировке более тяжелого расплавленного железа , никеля и сульфидов в ядро ​​и более легких силикатных минералов в мантии.

Типы конвекции [ править ]

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]
Суперплюма генерируется путем охлаждения процессов 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 сейсмической томографии , численного моделирования мантийной конвекции и исследования гравитационного поля Земли начинают предполагать существование «всей» мантийной конвекции, по крайней мере, в настоящее время. . В этой модели холодная субдуцирующая океаническая литосфера спускается от поверхности до границы ядро-мантия (CMB), а горячие плюмы поднимаются от CMB до поверхности. [13] Эта картина сильно 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, споры о существовании и непрерывности плюмов сохраняются, что имеет важные последствия для стиля мантийной конвекции. Эти дебаты связаны со спорами о том, вызван ли внутриплитный вулканизм мелководными процессами в верхней мантии или плюмами из нижней мантии. [6] Многие геохимические исследования утверждают, что лава, извергавшаяся во внутриплитных областях, отличается по составу от мелководных срединно-океанических хребтов.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. При извержении он также быстро улетает из атмосферы Земли. 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 плана и сила конвекции [ править ]

Смотрите также: Теплопередача § Конвекция против проводимости

На Земле число Рэлея для конвекции в мантии Земли оценивается порядка 10 7 , что указывает на сильную конвекцию. Это значение соответствует конвекции всей мантии (т.е. конвекции, распространяющейся от поверхности Земли до границы с ядром ). В глобальном масштабе поверхностным выражением этой конвекции является движение тектонических плит, и поэтому она имеет скорость несколько сантиметров в год. [14] [15] [16]Скорости могут быть выше для мелкомасштабной конвекции, происходящей в областях с низкой вязкостью под литосферой, и медленнее в самой нижней мантии, где вязкость выше. Один цикл мелкой конвекции длится 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 динамическую топографию, соответствующую 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 направлении западной части Тихого океана и Северной и Южной Америки и отклонение от центральная часть 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 долговременная стабильность LLSVP- регионов самой нижней мантии, составляющих основу этих апвеллингов.

Ползать в мантии [ править ]

Из-за различных температур и давлений между нижней и верхней мантией может происходить множество процессов ползучести, при этом дислокационная ползучесть преобладает в нижней мантии, а диффузионная ползучесть иногда преобладает 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 соответствуют оливину. Сила оливина не только зависит от его 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 изображается как зависимость гомологической температуры от напряжения, в случае мантии часто 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,NH, как правило, 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 связана с повышенной пластичностью трансформации. Ниже 400 км оливин подвергается фазовому превращению под давлением, которое может вызвать большую деформацию из-за повышенной пластичности.[24] Дальнейшие доказательства преобладания ползучести по степенному закону исходят из предпочтительной ориентации решетки в результате деформации. При дислокационной ползучести кристаллические структуры переориентируются в направлении более низких напряжений. Этого не происходит при диффузионной ползучести, поэтому наблюдение предпочтительных ориентаций в образцах подтверждает преобладание дислокационной ползучести. [25]

Мантийная конвекция в других небесных телах [ править ]

Подобный процесс медленной конвекции, вероятно, происходит (или происходил) внутри других планет (например, Венеры , Марса ) и некоторых спутников (например, Ио , Европы , Энцелада).

См. Также [ править ]

  • Граница ядро ​​– мантия
  • Геодинамика  - Изучение динамики Земли
  • Совместимость (геохимия) - Распределение микроэлементов в расплаве

Ссылки [ править ]

  1. ^ Кобес, Рэнди. «Мантийная конвекция» . Архивировано из оригинала 9 июня 2011 года . Проверено 26 февраля 2020 года . Физический факультет Виннипегского университета
  2. Перейти ↑ Ricard, Y. (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 Таркотт; Питер Олсон (2001). «Глава 2: Тектоника плит» . Мантийная конвекция на Земле и планетах . Издательство Кембриджского университета. стр.16 и след. 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 . DOI : 10.1146 / annurev.earth.36.031207.124224 .
  5. ^ Джеральд Шуберт; Дональд Лоусон Таркотт; Питер Олсон (2001). «§2.5.3: Судьба нисходящих плит» . Цитированная работа . стр. 35 и сл. ISBN 978-0-521-79836-5.
  6. ^ a b Foulger, GR (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. ^ Морези, 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 . DOI : 10.1046 / j.1365-246X.1998.00521.x . 
  10. ^ Ctirad Matyska & 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 Теркотт; 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, R; Нолет, G; Дален, ФА; Мастерс, G; Engdahl ER; Хунг Ш. (2004). «Конечно-частотная томография выявляет множество плюмов в мантии». Наука . 303 (5656): 338–43. Bibcode : 2004Sci ... 303..338M . DOI : 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 Архивировано 30мая 2013 г. на Wayback Машина
  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 оригинала на 2011-09-28 . Проверено 29 августа 2011 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
  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). «Динамический рельеф, движущие силы плит и африканский суперсвит». Природа . 395 (6699): 269–272. Bibcode : 1998Natur.395..269L . DOI : 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 с помощью общих характеристик тектоники плит» . Природа . 498 (7455): 479–482. Bibcode : 2013Natur.498..479C . DOI : 10,1038 / природа12203 . ЛВП : 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 . DOI : 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 . DOI : 10.1139 / ЦЕНТР-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 о Земле и планетах . 299 (1–2): 69–79. Bibcode : 2010E и PSL.299 ... 69D . DOI : 10.1016 / j.epsl.2010.08.013 . ISSN 0012-821X . 
  23. ^ Weertman, J .; Белый, S .; Кук, Алан Х. (14 февраля 1978 г.). «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 .... 9W . DOI : 10,1098 / rsta.1978.0003 . ISSN 1364-503X . S2CID 91874725 .  
  24. ^ a b 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 : 1987Natur.330..345B . DOI : 10.1038 / 330345a0 . S2CID 4319163 . 
  25. ^ Karato, Шун-Ичиро; Ву, Патрик (1993-05-07). «Реология верхней мантии: синтез». Наука . 260 (5109): 771–78. Bibcode : 1993Sci ... 260..771K . DOI : 10.1126 / science.260.5109.771 . ISSN 0036-8075 . PMID 17746109 . S2CID 8626640 .