Mantelkonvektion - Mantle convection
Mantel konvektion är den mycket långsamma krypande rörelse hos jordens fast silikat mantel orsakas av konvektionsströmmar strömmar som transporterar värme från det inre till planetens yta.
Jordens ytlitosfär åker ovanpå astenosfären och de två utgör komponenterna i den övre manteln . Litosfären är uppdelad i ett antal tektoniska plattor som kontinuerligt skapas eller konsumeras vid plattgränser . Ackretion uppstår när mantel läggs till en tallriks växande kanter, i samband med spridning av havsbotten . Detta heta tillsatta material kyler ned genom ledning och konvektion av värme. Vid plattans förbrukningskanter har materialet termiskt dragit ihop för att bli tätt, och det sjunker under sin egen vikt i processen med subduktion vanligtvis vid en havsgräv .
Detta subducerade material sjunker genom jordens inre. Vissa subdukterade material tycks nå den nedre manteln , medan i andra regioner hindras detta material från att sjunka ytterligare, möjligen på grund av en fasövergång från spinel till silikatperovskit och magnesiowustit , en endoterm reaktion .
Den subducerade oceaniska skorpan utlöser vulkanism , även om de grundläggande mekanismerna är olika. Vulkanism kan uppstå på grund av processer som lägger flytkraft till delvis smält mantel, vilket skulle orsaka uppåtflöde av partiell smälta på grund av minskning av dess densitet. Sekundär konvektion kan orsaka ytvulkanism som en följd av förlängning inom plattan och mantelflygplan . År 1993 föreslogs att inhomogeniteter i D "-skikt har viss inverkan på mantelkonvektion.
Mantelkonvektion får tektoniska plattor att röra sig runt jordens yta.
Konvektionstyper
Under slutet av 1900 -talet var det en betydande debatt inom geofysikgemenskapen om huruvida konvektion sannolikt kommer att vara "skiktad" eller "hel". Även om delar av denna debatt fortfarande fortsätter, resultat från seismisk tomografi , numeriska simuleringar av mantelkonvektion och undersökning av jordens gravitationsfält börjar alla tyda på förekomsten av "hel" mantelkonvektion, åtminstone för närvarande. I denna modell sjunker kall, subdukterande oceanisk litosfär hela vägen från ytan till kärnmantelgränsen (CMB) och heta plumes stiger upp från CMB hela vägen till ytan. Denna bild är starkt baserad på resultaten från globala seismiska tomografimodeller, som vanligtvis visar plattor och plommeliknande avvikelser som korsar mantelövergångszonen.
Även om det nu är väl accepterat att subdukterande plattor korsar mantelövergångszonen och sjunker in i den nedre manteln, kvarstår debatt om existens och kontinuitet av plymer , med viktiga konsekvenser för stilen av mantelkonvektion. Denna debatt är kopplad till kontroversen om huruvida vulkanism inom plattan orsakas av grunda processer i övre manteln eller av plumes från den nedre manteln. Många geokemi studier har hävdat att lavor bröt ut i intraplate områden är olika i sammansättning från grunda härledda mittoceanisk rygg basalter (MORB). Specifikt har de vanligtvis förhöjda Helium-3-Helium-4-förhållanden. Helium-3 är en primär nuklid och produceras inte naturligt på jorden. Det rymmer också snabbt från jordens atmosfär när det utbröt. Det förhöjda He-3/He-4-förhållandet mellan Ocean Island Basalts (OIB) tyder på att de måste vara källor från en del av jorden som inte tidigare har smälts och bearbetats på samma sätt som MORB-källan har varit. Detta har tolkats som att de härstammar från en annan, mindre välblandad region, som föreslås vara den nedre manteln. Andra har dock påpekat att geokemiska skillnader kan indikera att en liten komponent av nära ytmaterial ingår från litosfären.
Planform och konvektionskraft
På jorden beräknas Rayleigh -talet för konvektion inom jordens mantel vara av ordning 10 7 , vilket indikerar kraftig konvektion. Detta värde motsvarar konvektion av hela manteln (dvs. konvektion som sträcker sig från jordens yta till gränsen mot kärnan ). På global skala är ytuttrycket av denna konvektion de tektoniska plattans rörelser och har därför hastigheter på några cm per år. Hastigheterna kan vara snabbare för konvektion i liten skala som uppstår i områden med låg viskositet under litosfären och långsammare i den nedersta manteln där viskositeten är större. En enda grund konvektionscykel tar cirka 50 miljoner år, även om djupare konvektion kan vara närmare 200 miljoner år.
För närvarande tros hela mantelkonvektionen omfatta nedskalning i stor skala under Amerika och västra Stilla havet, båda regionerna med en lång historia av subduktion och uppvärmningsflöde under centrala Stilla havet och Afrika, som båda uppvisar dynamisk topografi som överensstämmer med uppväxt. Detta flödesmönster i stor skala överensstämmer också med de tektoniska plattrörelserna, som är ytuttrycket av konvektion i jordens mantel och för närvarande indikerar grad 2-konvergens mot västra Stilla havet och Amerika, och divergens bort från centrala Stilla havet och Afrika. Beständigheten av netto tektonisk divergens från Afrika och Stilla havet under de senaste 250 Myr indikerar långsiktig stabilitet i detta allmänna mantelflödesmönster och överensstämmer med andra studier som tyder på långsiktig stabilitet för LLSVP- regionerna i den nedersta manteln som utgör grunden för dessa uppgångar.
Kryper i manteln
På grund av de varierande temperaturerna och trycket mellan den nedre och övre manteln kan en mängd olika krypprocesser inträffa med dislokationskryp som dominerar i den nedre manteln och diffusionskryp ibland dominerar i den övre manteln. Det finns dock en stor övergångsregion i krypprocesser mellan övre och nedre manteln och även inom varje sektion kan krypegenskaper förändras starkt med plats och därmed temperatur och tryck. I kraftlagens krypregioner är krypekvationen som är anpassad till data med n = 3–4 standard.
Eftersom den övre manteln huvudsakligen består av olivin ((Mg, Fe) 2SiO4) är de övre mantelens reologiska egenskaper till stor del de av olivin. Olivins styrka skalas inte bara med sin smälttemperatur, utan är också mycket känslig för vatten och kiseldioxidhalt. Solidusdepressionen av föroreningar, främst Ca, Al och Na, och tryck påverkar krypbeteende och bidrar därmed till förändringen av krypmekanismer med plats. Medan krypbeteende generellt ritas som homolog temperatur mot stress, är det i mantelns fall ofta mer användbart att titta på tryckberoende av stress. Även om stress är enkel kraft över område, är det svårt att definiera området i geologi. Ekvation 1 visar tryckets beroende av stress. Eftersom det är mycket svårt att simulera de höga trycken i manteln (1MPa vid 300–400 km) extrapoleras vanligtvis lågtryckslaboratoriedata till höga tryck genom att tillämpa krypbegrepp från metallurgi.
Det mesta av manteln har homologa temperaturer på 0,65–0,75 och upplever belastningshastigheter per sekund. Spänningar i manteln är beroende av densitet, tyngdkraft, termiska expansionskoefficienter, temperaturskillnader som driver konvektion och avståndskonvektion inträffar över, vilket alla ger spänningar runt en bråkdel av 3-30MPa. På grund av de stora kornstorlekarna (vid låga spänningar så höga som flera mm) är det osannolikt att Nabarro-Herring (NH) kryp verkligen dominerar. Med tanke på de stora kornstorleken tenderar dislokationskryp att dominera. 14 MPa är den stress under vilken diffusionsskryp dominerar och över vilket kraftlagskryp dominerar vid 0,5Tm olivin. Således, även för relativt låga temperaturer, skulle spänningsdiffusionskrypet arbeta vid för lågt för realistiska förhållanden. Även om kraftlagens kryphastighet ökar med ökande vattenhalt på grund av försvagning, minskning av aktiveringsenergi för diffusion och därmed ökande NH -krypningshastighet, är NH i allmänhet fortfarande inte tillräckligt stort för att dominera. Ändå kan diffusionskryp dominera i mycket kalla eller djupa delar av den övre manteln. Ytterligare deformation i manteln kan hänföras till transformationsförbättrad duktilitet. Under 400 km genomgår olivinen en tryckinducerad fasomvandling, vilket kan orsaka mer deformation på grund av den ökade duktiliteten. Ytterligare bevis för dominansen av maktlagskryp kommer från föredragna gitterorienteringar som ett resultat av deformation. Under krypning av dislokation omorienteras kristallstrukturer i lägre spänningsorienteringar. Detta sker inte under diffusionskrypning, så observation av föredragna orienteringar i prover ger trovärdighet åt dominansen av dislokationskryp.
Mantelkonvektion i andra himlakroppar
En liknande process med långsam konvektion inträffar (eller inträffade) troligen i andra planets inre (t.ex. Venus , Mars ) och vissa satelliter (t.ex. Io , Europa , Enceladus).
Se även
- Kärna -mantelgräns
- Geodynamik - Studie av jordens dynamik
- Kompatibilitet (geokemi) - Fördelning av spårämnen i smält