Mantelkonveksjon - Mantle convection
Mantelkonveksjon er meget langsom snikende bevegelse av jordens fast silikat kappe som følge av konveksjonsstrømmer strømmer bærer varme fra det indre til jordens overflate.
Jordens overflate litosfære rir på toppen av astenosfæren, og de to danner komponentene i den øvre mantelen . Litosfæren er delt inn i et antall tektoniske plater som kontinuerlig opprettes eller forbrukes ved plategrenser . Akkresjon skjer når mantel legges til de voksende kantene på en plate, assosiert med spredning av havbunn . Dette varme tilførte materialet avkjøles ved ledning og konveksjon av varme. Ved forbrukskantene på platen har materialet termisk kontrakt for å bli tett, og det synker under sin egen vekt i prosessen med subduksjon, vanligvis ved en havgrav .
Dette subdukterte materialet synker gjennom jordens indre. Noe subduktert materiale ser ut til å nå den nedre mantelen , mens i andre regioner hindres dette materialet i å synke ytterligere, muligens på grunn av en faseovergang fra spinel til silikatperovskitt og magnesiowustitt , en endoterm reaksjon .
Den subdukterte havskorpen utløser vulkanisme , selv om de grunnleggende mekanismene er varierte. Vulkanisme kan oppstå på grunn av prosesser som tilfører oppdrift til delvis smeltet mantel, noe som ville forårsake oppadgående flyt av delvis smelte på grunn av nedgang i dens tetthet. Sekundær konveksjon kan forårsake overflatevulkanisme som en konsekvens av forlengelse av plate og mantelfløyer . I 1993 ble det antydet at inhomogeniteter i D "-lag har en viss innvirkning på mantelkonveksjon.
Mantelkonveksjon får tektoniske plater til å bevege seg rundt jordens overflate.
Konveksjonstyper
I løpet av slutten av 1900 -tallet var det betydelig debatt i geofysikkmiljøet om hvorvidt konveksjon sannsynligvis vil være "lagdelt" eller "hel". Selv om elementene i denne debatten fortsatt fortsetter, begynner resultater fra seismisk tomografi , numeriske simuleringer av mantelkonveksjon og undersøkelse av jordens gravitasjonsfelt å antyde eksistensen av 'hel' mantelkonveksjon, i det minste i dag. I denne modellen synker kald, subdukterende oseanisk litosfære helt fra overflaten til kjerne -mantelgrensen (CMB) og varme plumer stiger fra CMB helt til overflaten. Dette bildet er sterkt basert på resultatene fra globale seismiske tomografimodeller, som vanligvis viser plater og plommelignende anomalier som krysser mantelovergangssonen.
Selv om det nå er godt akseptert at subdukterende plater krysser mantelovergangssonen og går ned i den nedre mantelen, fortsetter debatt om eksistensen og kontinuiteten til plumes , med viktige implikasjoner for stilen på mantelkonveksjon. Denne debatten er knyttet til kontroversen om hvorvidt vulkanisme innen plate er forårsaket av grunne prosesser i øvre mantel eller av fjær fra den nedre mantelen. Mange geokjemiske studier har hevdet at lavaene som brøt ut i områder mellom de forskjellige platene er forskjellige i sammensetning fra grunne basalter fra Mid-Ocean Ridge (MORB). Spesielt har de vanligvis forhøyede Helium-3-Helium-4-forhold. Siden det er et urnuklid, produseres ikke Helium-3 naturlig på jorden. Det rømmer også raskt fra jordens atmosfære når det brøt ut. Det forhøyede He-3/He-4-forholdet mellom Ocean Island Basalts (OIB) antyder at de må være kilder fra en del av jorden som ikke tidligere har blitt smeltet og bearbeidet på samme måte som MORB-kilden har vært. Dette har blitt tolket som at de stammer fra en annen, mindre godt blandet region, foreslått å være den nedre mantelen. Andre har imidlertid påpekt at geokjemiske forskjeller kan indikere inkludering av en liten komponent av nær overflatemateriale fra litosfæren.
Planform og konveksjonskraft
På jorden er Rayleigh -tallet for konveksjon i jordens mantel estimert til å være av størrelsesorden 10 7 , noe som indikerer kraftig konveksjon. Denne verdien tilsvarer konveksjon i hele mantelen (dvs. konveksjon som strekker seg fra jordoverflaten til grensen til kjernen ). På global skala er overflateuttrykk for denne konveksjonen de tektoniske plate bevegelsene, og har derfor hastigheter på noen få cm per år. Hastigheter kan være raskere for konveksjon i liten skala som forekommer i områder med lav viskositet under litosfæren, og langsommere i den nederste kappen der viskositeten er større. En enkelt grunne konveksjonssyklus tar omtrent 50 millioner år, selv om dypere konveksjon kan være nærmere 200 millioner år.
For øyeblikket antas konveksjonen av hel mantel å omfatte nedstigning i stor skala under Amerika og det vestlige Stillehavet, begge regioner med en lang historie med subduksjon og oppstrømsflyt under det sentrale Stillehavet og Afrika, som begge viser dynamisk topografi i samsvar med oppvelling. Dette breddeformede strømningsmønsteret er også konsistent med de tektoniske platebevegelsene, som er overflateuttrykket for konveksjon i jordens mantel og for tiden indikerer grad-2-konvergens mot det vestlige Stillehavet og Amerika, og divergens bort fra det sentrale Stillehavet og Afrika. Vedvarende netto tektonisk divergens fra Afrika og Stillehavet de siste 250 Myr indikerer den langsiktige stabiliteten til dette generelle mantelflytmønsteret, og er i samsvar med andre studier som antyder langsiktig stabilitet i LLSVP- områdene i den nederste mantelen som danner grunnlaget for disse oppgangene.
Kryper i mantelen
På grunn av de varierende temperaturene og trykket mellom den nedre og øvre mantelen, kan det oppstå en rekke krypprosesser med dislokasjonskryp som dominerer i den nedre mantelen og diffusjonskryp som noen ganger dominerer i den øvre mantelen. Imidlertid er det et stort overgangsområde i krypprosesser mellom øvre og nedre mantel, og selv innenfor hver seksjon kan krypeegenskaper endres sterkt med plassering og dermed temperatur og trykk. I kraftlovens krypregioner er krypningsligningen montert på data med n = 3–4 standard.
Siden den øvre mantelen hovedsakelig består av olivin ((Mg, Fe) 2SiO4), er de reologiske egenskapene til den øvre kappen stort sett de av olivin. Styrken til olivin skalerer ikke bare med smeltetemperaturen, men er også veldig følsom for vann og silisiuminnhold. Solidusdepresjonen av urenheter, hovedsakelig Ca, Al og Na, og trykk påvirker krypatferd og bidrar dermed til endringen i krypemekanismer med plassering. Selv om krypeoppførsel generelt er plottet som homolog temperatur mot stress, er det i mantelens tilfelle ofte mer nyttig å se på trykkavhengigheten til stress. Selv om stress er enkel kraft over området, er det vanskelig å definere området i geologi. Ligning 1 viser stressavhengigheten til stress. Siden det er veldig vanskelig å simulere høye trykk i mantelen (1MPa ved 300–400 km), blir ekstratoleringen av lavtrykkslaboratoriedata til høyt trykk ved å bruke krypkonsepter fra metallurgi.
Det meste av mantelen har homologe temperaturer på 0,65–0,75 og opplever belastningshastigheter per sekund. Spenninger i mantelen er avhengige av tetthet, tyngdekraft, termiske ekspansjonskoeffisienter, temperaturforskjeller som driver konveksjon og avstandskonveksjon oppstår over, som alle gir spenninger rundt en brøkdel av 3-30MPa. På grunn av de store kornstørrelsene (ved lave spenninger så høye som flere mm), er det lite sannsynlig at Nabarro-Herring (NH) kryp virkelig dominerer. Gitt de store kornstørrelsene, har dislokasjonskryp en tendens til å dominere. 14 MPa er spenningen under hvilken diffusjonskryp dominerer og over hvilken kraftlovskryp dominerer ved 0,5Tm olivin. Således, selv for relativt lave temperaturer, vil spredningsdiffusjonen krype ved er for lav for realistiske forhold. Selv om kraftlovens krypfrekvens øker med økende vanninnhold på grunn av svekkelse, redusering av aktiveringsenergi for diffusjon og dermed økning av NH -krypfrekvens, er NH generelt fremdeles ikke stor nok til å dominere. Likevel kan diffusjonskryp dominere i veldig kalde eller dype deler av den øvre mantelen. Ytterligere deformasjon i mantelen kan tilskrives transformasjonsforbedret duktilitet. Under 400 km gjennomgår olivinen en trykkindusert fasetransformasjon, noe som kan forårsake mer deformasjon på grunn av økt duktilitet. Ytterligere bevis for dominansen av maktlovskryp kommer fra foretrukne gitterorienteringer som et resultat av deformasjon. Under kryss av forflytning, orienterer krystallstrukturer seg i lavere spenningsorienteringer. Dette skjer ikke under diffusjonskryp, og dermed gir observasjon av foretrukne retninger i prøver troverdighet til dominansen av forflytningskryp.
Mantelkonveksjon i andre himmellegemer
En lignende prosess med langsom konveksjon skjer sannsynligvis (eller skjedde) i interiøret på andre planeter (f.eks. Venus , Mars ) og noen satellitter (f.eks. Io , Europa , Enceladus).
Se også
- Kjerne -mantel grense
- Geodynamikk - Studie av jordens dynamikk
- Kompatibilitet (geokjemi) - Fordeling av sporstoffer i smelte