stringtranslate.com

Конвекция мантии

Упрощенная модель мантийной конвекции: [1] Конвекция во всей мантии

Конвекция мантии — это очень медленное сползание твердой силикатной мантии Земли , когда конвекционные потоки переносят тепло из недр к поверхности планеты. [2] [3] Конвекция мантии заставляет тектонические плиты двигаться вокруг поверхности Земли. [4]

Литосфера Земли располагается поверх астеносферы , и эти две составляющие образуют верхнюю мантию . Литосфера разделена на тектонические плиты, которые непрерывно создаются или поглощаются на границах плит. Аккреция происходит по мере того, как мантия добавляется к растущим краям плиты, что связано с расширением морского дна . Подъем глубинных вод под центрами спрединга является мелководным восходящим компонентом мантийной конвекции и в большинстве случаев не связан напрямую с глобальным мантийным апвеллингом. Горячий материал, добавляемый в центрах спрединга, охлаждается за счет проводимости и конвекции тепла по мере удаления от центров спрединга. На краях потребления плиты материал термически сжимается, становясь плотным, и погружается под собственным весом в процессе субдукции , как правило, в океаническом желобе . Субдукция является нисходящим компонентом мантийной конвекции. [5]

Этот субдуцированный материал погружается в недра Земли. Часть субдуцированного материала, по-видимому, достигает нижней мантии , [6] в то время как в других регионах этому материалу препятствует дальнейшее погружение, возможно, из-за фазового перехода от шпинели к силикатному перовскиту и магнезиовюститу , эндотермической реакции . [7]

Субдуцированная океаническая кора запускает вулканизм , хотя основные механизмы различны. Вулканизм может возникнуть из-за процессов, которые добавляют плавучесть частично расплавленной мантии, что может вызвать восходящий поток частично расплавленной мантии по мере уменьшения ее плотности. Вторичная конвекция может вызвать поверхностный вулканизм как следствие внутриплитного расширения [8] и мантийных плюмов . [9] В 1993 году было высказано предположение, что неоднородности в слое D" оказывают некоторое влияние на мантийную конвекцию. [10]

Виды конвекции

Поперечный разрез Земли, показывающий расположение верхней (3) и нижней (5) мантии
Температура Земли в зависимости от глубины. Пунктирная кривая: слоистая мантийная конвекция. Сплошная кривая: конвекция во всей мантии. [9]
Суперплюм , образованный процессами охлаждения в мантии. [11]
Диаграмма поперечного сечения Земли, сравнивающая две модели конечных членов мантийной конвекции

В конце 20-го века в геофизическом сообществе велись серьезные дебаты относительно того, является ли конвекция «слоистой» или «цельной». [12] [13] Хотя элементы этих дебатов все еще продолжаются, результаты сейсмической томографии , численного моделирования мантийной конвекции и изучения гравитационного поля Земли начинают предполагать существование всей мантийной конвекции, по крайней мере, в настоящее время. В этой модели холодная субдуцирующая океаническая литосфера опускается от поверхности до границы ядро-мантия (CMB), а горячие плюмы поднимаются от CMB до самой поверхности. [14] Эта модель в значительной степени основана на результатах глобальных моделей сейсмической томографии, которые обычно показывают аномалии, похожие на плиты и плюмы, пересекающие переходную зону мантии.

Хотя принято считать, что субдуцирующие плиты пересекают переходную зону мантии и спускаются в нижнюю мантию, споры о существовании и непрерывности плюмов продолжаются, что имеет важное значение для стиля конвекции мантии. Эти дебаты связаны с полемикой о том, вызван ли внутриплитный вулканизм неглубокими процессами в верхней мантии или плюмами из нижней мантии . [8]

Многие геохимические исследования утверждают, что лавы, извергаемые в межплитных областях, отличаются по составу от неглубоких базальтов срединно-океанических хребтов . В частности, они обычно имеют повышенные соотношения гелия-3  к гелию-4 . Будучи первичным нуклидом , гелий-3 не образуется естественным образом на Земле. Он также быстро улетучивается из атмосферы Земли при извержении. Повышенное соотношение He-3 к He-4 в базальтах океанических островов предполагает, что они должны быть получены из части Земли, которая ранее не была расплавлена ​​и переработана таким же образом, как базальты срединно-океанических хребтов. Это было интерпретировано как их происхождение из другой менее хорошо перемешанной области, предположительно нижней мантии. Другие, однако, указали, что геохимические различия могут указывать на включение небольшого компонента приповерхностного материала из литосферы.

Форма плана и интенсивность конвекции

На Земле число Рэлея для конвекции в мантии Земли оценивается в порядке 10 7 , что указывает на сильную конвекцию. Это значение соответствует конвекции всей мантии (т. е. конвекции, простирающейся от поверхности Земли до границы с ядром ). В глобальном масштабе поверхностное выражение этой конвекции — это движение тектонических плит, и поэтому оно имеет скорость в несколько см в год. [15] [16] [17] Скорости могут быть выше для мелкомасштабной конвекции, происходящей в областях с низкой вязкостью под литосферой, и ниже в самой нижней мантии, где вязкость больше. Один цикл мелкой конвекции занимает порядка 50 миллионов лет, хотя более глубокая конвекция может быть ближе к 200 миллионам лет. [18]

В настоящее время считается, что конвекция всей мантии включает широкомасштабный нисходящий поток под Америкой и западной частью Тихого океана, оба региона с длительной историей субдукции, и восходящий поток под центральной частью Тихого океана и Африкой, оба из которых демонстрируют динамическую топографию, соответствующую апвеллингу. [19] 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 по направлению к западной части Тихого океана и Америке, и расхождение от центральной части Тихого океана и Африки. [20] Сохранение чистой тектонической дивергенции от Африки и Тихого океана в течение последних 250 млн лет указывает на долгосрочную стабильность этой общей картины течения в мантии [20] и согласуется с другими исследованиями [21] [22] [23] , которые предполагают долгосрочную стабильность крупных провинций с низкой скоростью сдвига в самой нижней мантии, которые образуют основу этих апвеллингов.

Ползучесть в мантии

Из-за разницы температур и давлений между нижней и верхней мантией могут происходить различные процессы ползучести, при этом дислокационная ползучесть доминирует 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 в пределах каждого раздела свойства ползучести могут сильно меняться в зависимости от местоположения и, следовательно, температуры и давления. [24]

Так как верхняя мантия в основном состоит из оливина ((Mg,Fe)2SiO4), реологические характеристики верхней мантии в значительной степени соответствуют характеристикам оливина. Прочность оливина пропорциональна его температуре плавления, а также очень чувствительна к содержанию воды и кремнезема. Понижение 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. Хотя поведение ползучести обычно изображается как гомологическая температура против напряжения, в случае мантии часто полезнее рассматривать зависимость напряжения от давления. Хотя напряжение — это просто сила на площадь, определение площади в геологии затруднительно. Уравнение 1 демонстрирует зависимость напряжения от давления. Поскольку очень сложно моделировать высокие давления в мантии (1 МПа на 300–400 км), лабораторные данные по низкому давлению обычно экстраполируются на высокие давления путем применения концепций ползучести из металлургии. [25]

Большая часть мантии имеет гомологические температуры 0,65–0,75 и испытывает скорости деформации в секунду. Напряжения в мантии зависят от плотности, гравитации, коэффициентов теплового расширения, разницы температур, вызывающих конвекцию, и расстояния, на котором происходит конвекция, — все это дает напряжения около доли 3–30 МПа.

Из-за больших размеров зерен (при низких напряжениях до нескольких мм) маловероятно, что ползучесть Набарро-Херринга (NH) доминирует; вместо этого преобладает дислокационная ползучесть . 14 МПа — это напряжение, ниже которого доминирует диффузионная ползучесть, а выше которого доминирует степенная ползучесть при 0,5 Тм оливина. Таким образом, даже при относительно низких температурах диффузионная ползучесть под напряжением будет работать при слишком низкой температуре для реалистичных условий. Хотя скорость ползучести степенного закона увеличивается с увеличением содержания воды из-за ослабления (снижения 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 доминировать в очень холодных или глубоких частях верхней мантии.

Дополнительная деформация в мантии может быть отнесена к трансформационному повышению пластичности. Ниже 400 км оливин претерпевает фазовое превращение, вызванное давлением, которое может вызвать большую деформацию из-за повышенной пластичности. [25] Дополнительные доказательства доминирования ползучести по степенному закону исходят из предпочтительных ориентаций решетки в результате деформации. При ползучести дислокаций кристаллические структуры переориентируются в ориентации с более низким напряжением. Этого не происходит при диффузионной ползучести, поэтому наблюдение предпочтительных ориентаций в образцах подтверждает доминирование ползучести дислокаций. [26]

Мантийная конвекция в других небесных телах

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

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Карло Дольони, Джулиано Панса: Тектоника поляризованных плит . Достижения геофизики, Том 56, 2015.
  2. ^ Кобес, Рэнди. "Мантийная конвекция". Архивировано из оригинала 9 июня 2011 г. Получено 26 февраля 2020 г.Физический факультет, Университет Виннипега
  3. ^ Рикар, И. (2009). "2. Физика мантийной конвекции". В Дэвиде Берковичи и Джеральде Шуберте (ред.). Трактат по геофизике: динамика мантии . Том 7. Elsevier Science. ISBN 9780444535801.
  4. ^ Moresi, Louis; Solomatov, Viatcheslav (1998). «Мантийная конвекция с хрупкой литосферой: мысли о глобальных тектонических стилях Земли и Венеры». Geophysical Journal International . 133 (3): 669–82. Bibcode : 1998GeoJI.133..669M. CiteSeerX 10.1.1.30.5989 . doi : 10.1046/j.1365-246X.1998.00521.x . 
  5. ^ Джеральд Шуберт; Дональд Лоусон Теркотт; Питер Олсон (2001). "Глава 2: Тектоника плит". Конвекция мантии в Земле и планетах . Cambridge University Press. стр. 16 и далее. ISBN 978-0-521-79836-5.
  6. ^ Фукао, Ёсио; Обаяси, Масаюки; Накакуки, Томоеки; Группа, проект Deep Slab (2009-01-01). "Stagnant Slab: A Review" (PDF) . Annual Review of Earth and Planetary Sciences . 37 (1): 19–46. Bibcode : 2009AREPS..37...19F. doi : 10.1146/annurev.earth.36.031207.124224. {{cite journal}}: |last4=имеет общее название ( помощь )
  7. ^ Джеральд Шуберт; Дональд Лоусон Теркотт; Питер Олсон (2001). "§2.5.3: Судьба нисходящих плит". Цитируемая работа . Cambridge University Press. стр. 35 и далее. ISBN 978-0-521-79836-5.
  8. ^ ab Foulger, GR (2010). Плиты против плюмов: геологический спор. Wiley-Blackwell. ISBN 978-1-4051-6148-0.
  9. ^ ab Kent C. Condie (1997). Тектоника плит и эволюция земной коры (4-е изд.). Butterworth-Heinemann. стр. 5. ISBN 978-0-7506-3386-4.
  10. ^ Чеховский Л. (1993) Геодезия и физика Земли, стр. 392-395, Происхождение горячих точек и слой D
  11. ^ Ctirad Matyska & David A Yuen (2007). "Рисунок 17 в Свойствах материалов нижней мантии и моделях конвекции многомасштабных плюмов". Плиты, плюмы и планетарные процессы . Геологическое общество Америки. стр. 159. ISBN 978-0-8137-2430-0.
  12. ^ Дональд Лоусон Теркотт; Джеральд Шуберт (2002). Геодинамика (2-е изд.). Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-66624-4.
  13. ^ Джеральд Шуберт; Дональд Лоусон Теркотт; Питер Олсон (2001). Цитируемая работа. Cambridge University Press. стр. 616. ISBN 978-0-521-79836-5.
  14. ^ Montelli, R; Nolet, G; Dahlen, FA; Masters, G; Engdahl ER; Hung SH (2004). «Конечно-частотная томография выявляет множество плюмов в мантии» (PDF) . Science . 303 (5656): 338–43. Bibcode :2004Sci...303..338M. doi :10.1126/science.1092485. PMID  14657505. S2CID  35802740.
  15. ^ Мелкомасштабная конвекция в верхней мантии под китайскими горами Тянь-Шань, http://www.vlab.msi.umn.edu/reports/allpublications/files/2007-pap79.pdf Архивировано 30 мая 2013 г. на Wayback Machine
  16. ^ Полярные блуждания 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
  17. ^ Изображение, показывающее конвекцию с указанными скоростями. "Галерея изображений IRIS". Архивировано из оригинала 28.09.2011 . Получено 29.08.2011 .
  18. ^ Тепловая конвекция со свободно движущейся верхней границей, см. раздел IV Обсуждение и выводы http://physics.nyu.edu/jz11/publications/ConvecA.pdf
  19. ^ Литгоу-Бертеллони, Каролина ; Сильвер, Пол Г. (1998). «Динамическая топография, движущие силы плит и африканский суперсвелл». Nature . 395 (6699): 269–272. Bibcode : 1998Natur.395..269L. doi : 10.1038/26212. ISSN  0028-0836. S2CID  4414115.
  20. ^ ab Conrad, Clinton P.; Steinberger, Bernhard; Torsvik, Trond H. (2013). «Устойчивость активного мантийного апвеллинга, выявленная с помощью чистых характеристик тектоники плит». Nature . 498 (7455): 479–482. Bibcode :2013Natur.498..479C. doi :10.1038/nature12203. hdl : 10852/61522 . ISSN  0028-0836. PMID  23803848. S2CID  205234113.
  21. ^ Torsvik, Trond H.; Smethurst, Mark A.; Burke, Kevin; Steinberger, Bernhard (2006). «Крупные магматические провинции, образовавшиеся на окраинах крупных низкоскоростных провинций в глубокой мантии». Geophysical Journal International . 167 (3): 1447–1460. Bibcode : 2006GeoJI.167.1447T. doi : 10.1111/j.1365-246x.2006.03158.x . ISSN  0956-540X.
  22. ^ Torsvik, Trond H.; Steinberger, Bernhard; Ashwal, Lewis D.; Doubrovine, Pavel V.; Trønnes, Reidar G. (2016). «Эволюция и динамика Земли — дань уважения Кевину Берку». Canadian Journal of Earth Sciences . 53 (11): 1073–1087. Bibcode :2016CaJES..53.1073T. doi :10.1139/cjes-2015-0228. hdl : 10852/61998 . ISSN  0008-4077.
  23. ^ Dziewonski, Adam M.; Lekic, Vedran; Romanowicz, Barbara A. (2010). «Mantle Anchor Structure: An argument for bottom-up tectonics» (Структура якоря мантии: аргумент в пользу тектоники снизу вверх). Earth and Planetary Science Letters . 299 (1–2): 69–79. Bibcode : 2010E&PSL.299...69D. doi : 10.1016/j.epsl.2010.08.013. ISSN  0012-821X.
  24. ^ Weertman, J. ; White, S.; Cook, Alan H. (1978-02-14). "Законы ползучести для мантии Земли [и обсуждение]". Philosophical Transactions of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences . 288 (1350): 9–26. Bibcode :1978RSPTA.288....9W. doi :10.1098/rsta.1978.0003. ISSN  1364-503X. S2CID  91874725.
  25. ^ ab Borch, Robert S.; Green, Harry W. (1987-11-26). "Зависимость ползучести оливина от гомологичной температуры и ее влияние на течение в мантии". Nature . 330 (6146): 345–48. Bibcode :1987Natur.330..345B. doi :10.1038/330345a0. S2CID  4319163.
  26. ^ Карато, Шун-Итиро; Ву, Патрик (1993-05-07). «Реология верхней мантии: синтез». Science . 260 (5109): 771–78. Bibcode :1993Sci...260..771K. doi :10.1126/science.260.5109.771. ISSN  0036-8075. PMID  17746109. S2CID  8626640.