stringtranslate.com

Мантийная конвекция

Упрощенная модель мантийной конвекции: [1] Целомантийная конвекция.

Мантийная конвекция — это очень медленное сползание твердой силикатной мантии Земли, поскольку конвекционные потоки переносят тепло из недр на поверхность планеты. [2] [3] Мантийная конвекция заставляет тектонические плиты перемещаться по поверхности Земли. [4]

Литосфера Земли располагается поверх астеносферы , и они образуют компоненты верхней мантии . Литосфера разделена на тектонические плиты, которые постоянно создаются или поглощаются на границах плит. Аккреция происходит по мере добавления мантии к растущим краям плиты, что связано с расширением морского дна . Апвеллинг под спрединговыми центрами представляет собой неглубокий восходящий компонент мантийной конвекции и в большинстве случаев не связан напрямую с глобальным мантийным апвеллингом. Горячий материал, добавленный в центры распространения, охлаждается за счет проводимости и конвекции тепла по мере удаления от центров распространения. На краях плиты материал термически сжимается, становясь плотным, и опускается под собственным весом в процессе субдукции , обычно в океаническом желобе . Субдукция — нисходящая составляющая мантийной конвекции. [5]

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

Погружение океанической коры вызывает вулканизм , хотя основные механизмы разнообразны. Вулканизм может возникнуть из-за процессов, которые добавляют плавучесть частично расплавленной мантии, что может вызвать восходящий поток частичного расплава по мере уменьшения его плотности. Вторичная конвекция может вызвать поверхностный вулканизм как следствие внутриплитного растяжения [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

Разрез Земли с указанием расположения верхней (3) и нижней (5) мантии.
Температура Земли в зависимости от глубины. Штриховая кривая: слоистая мантийная конвекция. Сплошная кривая: общемантийная конвекция. [9]
Суперплюм , возникший в результате процессов охлаждения в мантии. [11]

В конце 20-го века в геофизическом сообществе велись серьезные споры о том, будет ли конвекция «слоистой» или «целой». [12] [13] 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 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 плитовые и плюмоподобные аномалии, пересекающие переходную зону мантии.

Хотя считается, что погружающиеся плиты пересекают переходную зону мантии и спускаются в нижнюю мантию, споры о существовании и непрерывности плюмов продолжаются, что имеет важные последствия для типа мантийной конвекции. Эти дебаты связаны с разногласиями относительно того, вызван ли внутриплитный вулканизм неглубокими процессами верхней мантии или плюмами из нижней мантии . [8]

Многие геохимические исследования утверждают, что лавы, извергающиеся во внутриплитных областях, отличаются по составу от базальтов срединно-океанических хребтов, образовавшихся на мелководье . В частности, они обычно имеют повышенное соотношение гелий-3  : гелий-4 . Будучи первичным нуклидом , гелий-3 не производится на Земле естественным путем. При извержении он также быстро покидает атмосферу Земли. Повышенное соотношение He-3:He-4 в базальтах океанских островов предполагает, что они должны быть получены из той части Земли, которая ранее не подвергалась плавлению и переработке таким же образом, как базальты срединно-океанических хребтов. Это было интерпретировано как их происхождение из другого, менее хорошо перемешанного региона, предположительно из нижней мантии. Другие, однако, отметили, что геохимические различия могут указывать на включение небольшого компонента приповерхностного материала из литосферы.

Форма плана и сила конвекции

На Земле число Рэлея для конвекции в мантии Земли оценивается примерно в 10 7 , что указывает на сильную конвекцию. Это значение соответствует всей мантийной конвекции (т.е. конвекции, простирающейся от поверхности Земли до границы с ядром ). В глобальном масштабе поверхностным выражением этой конвекции являются движения тектонических плит, поэтому их скорость составляет несколько см в год. [15] [16] [17] Скорость может быть выше для мелкомасштабной конвекции, происходящей в областях с низкой вязкостью под литосферой, и медленнее в самых нижних слоях мантии, где вязкость выше. Один цикл мелкой конвекции занимает порядка 50 миллионов лет, хотя более глубокая конвекция может длиться около 200 миллионов лет. [18]

В настоящее время считается, что вся мантийная конвекция включает широкомасштабный нисходящий поток под Америкой и западной частью Тихого океана, оба региона имеют долгую историю субдукции, а также 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 в направлении западной части Тихого океана и Америки, а также расхождение в направлении от центральной части Тихого океана и Северной и Южной Америки. Африка. [20] Сохранение чистой тектонической дивергенции вдали от Африки и Тихого океана в течение последних 250 млн лет указывает на долгосрочную стабильность этой общей модели мантийных потоков [20] и согласуется с другими исследованиями [21] [22] [23] это предполагает долговременную стабильность крупных провинций с низкими скоростями сдвига самой нижней мантии, которые образуют основу этих апвеллингов.

Ползать в мантии

Из-за различий в температуре и давлении между нижней и верхней мантией могут возникать различные процессы ползучести: 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 каждого участка свойства ползучести могут сильно меняться в зависимости от местоположения и, следовательно, от температуры и давления. [24]

Поскольку верхняя мантия состоит преимущественно из оливина ((Mg,Fe)2SiO4), реологические характеристики верхней мантии в основном соответствуют оливину. Прочность оливина пропорциональна температуре его плавления, а также очень чувствительна к содержанию воды и кремнезема. Депрессия солидуса из-за примесей, в первую очередь Ca, Al и Na, и давления влияет на поведение ползучести и, таким образом, способствует изменению механизмов ползучести в зависимости от местоположения. Хотя поведение ползучести обычно изображается как гомологичная зависимость температуры от напряжения, в случае мантии часто полезнее смотреть на зависимость напряжения от давления. Хотя напряжение – это просто воздействие на площадь, определить ее в геологии сложно. Уравнение 1 демонстрирует зависимость напряжения от давления. Поскольку смоделировать высокие давления в мантии (1 МПа на высоте 300–400 км) очень сложно, лабораторные данные низкого давления обычно экстраполируются на высокие давления, применяя концепции ползучести из металлургии. [25]

Большая часть мантии имеет гомологичные температуры 0,65–0,75 и скорость деформации в секунду. Напряжения в мантии зависят от плотности, гравитации, коэффициентов теплового расширения, разницы температур, вызывающей конвекцию, и расстояния, на котором происходит конвекция, — все это создает напряжения в пределах 3–30 МПа.

Из-за больших размеров зерен (при низких напряжениях, достигающих нескольких мм), маловероятно, что ползучесть Набарро-Херринга (NH) будет доминировать; Вместо этого имеет тенденцию доминировать ползучесть дислокаций . 14 МПа — 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 слишком низкой для реалистичных условий. Хотя скорость 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 доминировать в очень холодных или глубоких частях верхней мантии.

Дополнительную деформацию мантии можно объяснить трансформацией повышенной пластичности. Ниже 400 км оливин претерпевает фазовое превращение, вызванное давлением, которое может вызвать большую деформацию из-за повышенной пластичности. [25] Еще одним свидетельством преобладания степенного закона ползучести являются предпочтительные ориентации решетки в результате деформации. При ползучести дислокаций кристаллические структуры переориентируются в сторону меньших напряжений. Этого не происходит при диффузионной ползучести, поэтому наблюдение преимущественной ориентации в образцах подтверждает доминирование дислокационной ползучести. [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

Рекомендации

  1. ^ Карло Дольони, Джулиано Панца: Тектоника поляризованных плит] . Достижения геофизики, Том 56, 2015.
  2. ^ Кобес, Рэнди. «Мантийная конвекция». Архивировано из оригинала 9 июня 2011 года . Проверено 26 февраля 2020 г.Физический факультет Виннипегского университета
  3. ^ Рикар, Ю. (2009). «2. Физика мантийной конвекции». Дэвид Берковичи и Джеральд Шуберт (ред.). Трактат по геофизике: Динамика мантии . Том. 7. Эльзевир Наука. ISBN 9780444535801.
  4. ^ Морези, Луи; Соломатов, Вячеслав (1998). «Мантийная конвекция с хрупкой литосферой: мысли о глобальных тектонических стилях Земли и Венеры». Международный геофизический журнал . 133 (3): 669–82. Бибкод : 1998GeoJI.133..669M. CiteSeerX 10.1.1.30.5989 . дои : 10.1046/j.1365-246X.1998.00521.x. 
  5. ^ Джеральд Шуберт; Дональд Лоусон Теркотт; Питер Олсон (2001). «Глава 2: Тектоника плит». Мантийная конвекция в Земле и планетах . Издательство Кембриджского университета. стр. 16 и далее. ISBN 978-0-521-79836-5.
  6. ^ Фукао, Ёсио; Обаяси, Масаюки; Накакуки, Томоэки; Группа, Проект «Глубокая плита» (1 января 2009 г.). «Застойная плита: обзор» (PDF) . Ежегодный обзор наук о Земле и планетах . 37 (1): 19–46. Бибкод : 2009AREPS..37...19F. doi :10.1146/annurev.earth.36.031207.124224.
  7. ^ Джеральд Шуберт; Дональд Лоусон Теркотт; Питер Олсон (2001). «§2.5.3: Судьба опускающихся плит». Цитируемая работа . стр. 35 и далее. ISBN 978-0-521-79836-5.
  8. ^ аб Фулджер, GR (2010). Плиты против плюмов: геологический спор. Уайли-Блэквелл. ISBN 978-1-4051-6148-0.
  9. ^ аб Кент К. Конди (1997). Тектоника плит и эволюция земной коры (4-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн. п. 5. ISBN 978-0-7506-3386-4.
  10. ^ Чеховский Л. (1993) Геодезия и физика Земли, стр. 392-395, Происхождение горячих точек и слоя D.
  11. ^ Цтирад Матиска и Дэвид А. Юэнь (2007). «Рисунок 17: Свойства материала нижней мантии и модели конвекции многомасштабных плюмов». Плиты, плюмы и планетарные процессы . Геологическое общество Америки. п. 159. ИСБН 978-0-8137-2430-0.
  12. ^ Дональд Лоусон Теркотт; Джеральд Шуберт (2002). Геодинамика (2-е изд.). Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-66624-4.
  13. ^ Джеральд Шуберт; Дональд Лоусон Теркотт; Питер Олсон (2001). Цитируемая работа. п. 616. ИСБН 978-0-521-79836-5.
  14. ^ Монтелли, Р; Ноле, Г; Дален, ФА; Мастерс, Дж; Энгдаль ER; Хунг С.Х. (2004). «Конечно-частотная томография выявляет множество плюмов в мантии» (PDF) . Наука . 303 (5656): 338–43. Бибкод : 2004Sci...303..338M. дои : 10.1126/science.1092485. PMID  14657505. S2CID  35802740.
  15. ^ Мелкомасштабная конвекция в верхней мантии под китайскими горами Тянь-Шаня, http://www.vlab.msi.umn.edu/reports/allpublications/files/2007-pap79.pdf. Архивировано 30 мая 2013 г. на Wayback. Машина
  16. ^ 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
  17. ^ На рисунке показана конвекция с указанными скоростями. «Галерея изображений ИРИС». Архивировано из оригинала 28 сентября 2011 г. Проверено 29 августа 2011 г.
  18. ^ Тепловая конвекция со свободно движущейся верхней границей, см. раздел IV. Обсуждение и выводы http://physical.nyu.edu/jz11/publications/ConvecA.pdf.
  19. ^ Литгоу-Бертеллони, Каролина ; Сильвер, Пол Г. (1998). «Динамическая топография, движущие силы плит и африканское суперволнение». Природа . 395 (6699): 269–272. Бибкод : 1998Natur.395..269L. дои : 10.1038/26212. ISSN  0028-0836. S2CID  4414115.
  20. ^ аб Конрад, Клинтон П.; Стейнбергер, Бернхард; Торсвик, Тронд Х. (2013). «Стабильность активного мантийного апвеллинга, выявленная общими характеристиками тектоники плит». Природа . 498 (7455): 479–482. Бибкод : 2013Natur.498..479C. дои : 10.1038/nature12203. hdl : 10852/61522 . ISSN  0028-0836. PMID  23803848. S2CID  205234113.
  21. ^ Торсвик, Тронд Х.; Сметерст, Марк А.; Берк, Кевин; Стейнбергер, Бернхард (2006). «Крупные магматические провинции образовались на окраинах крупных низкоскоростных провинций в глубокой мантии». Международный геофизический журнал . 167 (3): 1447–1460. Бибкод : 2006GeoJI.167.1447T. дои : 10.1111/j.1365-246x.2006.03158.x . ISSN  0956-540X.
  22. ^ Торсвик, Тронд Х.; Стейнбергер, Бернхард; Ашвал, Льюис Д.; Дубровин Павел Владимирович; Троннес, Рейдар Г. (2016). «Эволюция и динамика Земли - дань уважения Кевину Берку». Канадский журнал наук о Земле . 53 (11): 1073–1087. Бибкод : 2016CaJES..53.1073T. doi : 10.1139/cjes-2015-0228. hdl : 10852/61998 . ISSN  0008-4077.
  23. ^ Дзевонски, Адам М.; Лекич, Ведран; Романович, Барбара А. (2010). «Структура мантийного якоря: аргумент в пользу восходящей тектоники». Письма о Земле и планетологии . 299 (1–2): 69–79. Бибкод : 2010E&PSL.299...69D. дои : 10.1016/j.epsl.2010.08.013. ISSN  0012-821X.
  24. ^ Вертман, Дж .; Уайт, С.; Кук, Алан Х. (14 февраля 1978 г.). «Законы ползучести мантии Земли [и обсуждение]». Философские труды Лондонского королевского общества A: Математические, физические и технические науки . 288 (1350): 9–26. Бибкод : 1978RSPTA.288....9W. дои : 10.1098/rsta.1978.0003. ISSN  1364-503X. S2CID  91874725.
  25. ^ Аб Борх, Роберт С.; Грин, Гарри В. (26 ноября 1987 г.). «Зависимость ползучести оливина от гомологичной температуры и ее влияние на течение в мантии». Природа . 330 (6146): 345–48. Бибкод : 1987Natur.330..345B. дои : 10.1038/330345a0. S2CID  4319163.
  26. ^ Карато, Сюн-итиро; Ву, Патрик (7 мая 1993 г.). «Реология верхней мантии: синтез». Наука . 260 (5109): 771–78. Бибкод : 1993Sci...260..771K. дои : 10.1126/science.260.5109.771. ISSN  0036-8075. PMID  17746109. S2CID  8626640.