Конвекция в мантии земли кратко

Обновлено: 02.07.2024

Медленное ползание твердой мантии Земли, вызванное конвекционными потоками, переносящими тепло из недр планеты к ее поверхности.

Мантийная конвекция очень медленный ползучий движение твердого силиката Земли мантия вызванный конвекция токи, несущие тепло из салона к поверхности планеты. [1] [2]

Поверхность Земли литосфера едет на вершине астеносфера и два образуют компоненты верхняя мантия. Литосфера делится на ряд тектонические плиты которые постоянно создаются или потребляются в границы плит. Аккреция происходит, когда мантия добавляется к растущим краям пластины, связанной с распространение морского дна. Этот горячий добавленный материал охлаждается проводимость и конвекция тепла. На границы потребления пластины материал термически сжался, чтобы стать плотным, и он тонет под собственным весом в процессе субдукция обычно на океанский желоб. [3]

Этот субдуцированный материал проникает сквозь недра Земли. Некоторый субдуцированный материал, кажется, достигает нижняя мантия, [4] в то время как в других регионах этому материалу препятствует дальнейшее оседание, возможно, из-за фазового перехода от шпинель к силикатный перовскит и магнезиовюстит, эндотермическая реакция. [5]

Субдуцированная океаническая кора запускает вулканизм, хотя основные механизмы разнообразны. 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 в результате внутриплитного расширения. [6] и мантийные перья. [7] . В 1993 г. было высказано предположение, что неоднородности в слое D "оказывают некоторое влияние на мантийную конвекцию. [8] .

Мантийная конвекция заставляет тектонические плиты перемещаться по поверхности Земли. [9] Похоже, что во время Hadean период, приводящий к гравитационной сортировке более тяжелых расплавленных утюг, никель, и сульфиды до глубины души и легче силикатные минералы к мантии.

Содержание

Типы конвекции


Температура Земли в зависимости от глубины. Пунктирная кривая - слоистая мантийная конвекция. Сплошная кривая: мантийная конвекция. [7]


Хотя сейчас хорошо известно, что субдуцирующие плиты пересекают переходную зону мантии и спускаются в нижнюю мантию, дискуссии о существовании и непрерывности перья сохраняется, с важными последствиями для стиля мантийной конвекции. Эта дискуссия связана со спором о том, вызван ли внутриплитный вулканизм мелководьем, верхняя мантия процессами или перья из нижней мантии. [6] Многие геохимические исследования утверждают, что лавы, извергавшиеся во внутриплитных областях, отличаются по составу от мелководных. Срединно-океанический хребет 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. Он также быстро улетает из атмосферы Земли при извержении. 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 и сила конвекции

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 ядро). В глобальном масштабе поверхностным выражением этой конвекции является движение тектонических плит, и поэтому она имеет скорость несколько сантиметров в год. [14] [15] [16] Скорость может быть выше для мелкомасштабной конвекции, происходящей в областях с низкой вязкостью под литосферой, и медленнее в самой нижней мантии, где вязкость выше. Один цикл неглубокой конвекции занимает 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 динамическая топография соответствует 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 сторону западной части Тихого океана и Северной и Южной Америки, а также отклонение от центральной части 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 долгосрочную стабильность LLSVP области самой нижней мантии, составляющие основу этих апвеллингов.

Ползать в мантии

Из-за различных температур и давлений между нижней и верхней мантией могут происходить различные процессы ползучести, при этом 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 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 аналогичны оливину. Сила оливина не только зависит от 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 отображается как зависимость гомологической температуры от напряжения, в случае мантии часто бывает 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]

Мантийная конвекция в других небесных телах

Подобный процесс медленной конвекции, вероятно, происходит (или происходил) внутри других планет (например, Венера, Марс) и некоторые спутники (например, Ио, Европа, Энцелад).

[mantle convection] – предполагаемый круговорот мантийного в-ва (конвекция), обусловленный перепадом температуры между подошвой мантии Земли, разогреваемой со стороны расплавленного внеш. ядра Земли (а также за счет выделения теплоты естественно-радиоактивными элементами в самой мантии), и относительно холодной земной корой. Конвективный теплоперенос считается основной формой выделения внутр. тепла Земли. Вместе с тем, по мнению многих исследователей, К. м. является не просто термальной, а термохимич., поскольку в результате тепломассопереноса состав в-ва конвективных ячеек (замкнутых круговоротов в-ва, приводимого в движение при конвекции) становится отличным от состава окружающей мантии и различен в разных ветвях этих ячеек. К. м. рассматривается как основная движущая сила процессов тектоники литосферных плит. Над расходящимися восходящими ветвями конвективных ячеек возникают оси спрединга, нисходящие ветви соответствуют зонам субдукции плит, а промежуточные горизонтальные отрезки, направленные к зонам субдукции, являются переносчиками литосферных плит. К. м. может быть конвекцией общемантийной , когда конвективные ячейки одновременно охватывают всю мантию, или конвекцией двухъярусной , раздельно проявляющейся в ниж. и верх. мантии. Большинство геофизиков, основываясь на предположении о проникновении пластин (слэбов) субдуцируемой литосферы в ниж. мантию, придерживаются первой версии, а геохимики и часть геофизиков - второй, полагая, что обмен в-вом между ниж. и верх. мантией происходит в ограниченном объеме. Обсуждается и вариант того, что в истории Земли чередовались периоды господства К. м. одной из двух названных форм. К. м. может проявляться в одно-, двух- или многоячейковой форме.

Форма слишком похожа на отрывок из курса и требует переписывания в соответствии со стандартами Википедии . Не стесняйтесь его улучшать .

В тектонических плитах являются поверхность выражения мантийной конвекции большого масштаба: литосфера представляет верхний пограничный слой тепловой модели из конвективных ячеек (модель конвективной циркуляции к слою на этой диаграмме).

Мантийных это физическое явление , происходящее внутри мантии Земли . Это может происходить на других планетах или спутниках Земли при определенных условиях. Мантийная конвекция - важный компонент теории тектоники плит .

Существует заметная разница в температуре между литосферной мантией и подстилающей астеносферой, которая ответственна за спуск литосферной холодной мантии (в зонах субдукции) в более плотную астеносферу. В горячих точках наблюдается более анекдотический подъем теплого вещества глубокой мантии. Эти два механизма становятся возможными благодаря пластичному поведению крупномасштабных горных пород, которое позволяет кристаллической решетке деформироваться без разрушения ( пластическая ползучесть ).

Число Рэлея Ra, безразмерная величина, выражает отношение сил , участвующих в конвекции, которая начинается , если Ра превышает критическое значение, характерное для данной среды. Расчет числа Рэлея для мантии показывает возможность конвекции, что согласуется с наблюдениями.

Резюме

Оценка числа Рэлея

Расчет числа Рэлея позволяет утверждать, что мантия действительно находится в состоянии конвекции. Сложность заключается в определении параметров, входящих в формулу Ra. Рассчитанное в настоящее время значение Ra = 5 × 10 8 , что намного превышает критическое число Рэлея Ra c, близкое к 1000, что свидетельствует о реальном существовании динамической, но медленной мантийной конвекции.

Оценка коэффициента теплового расширения и температуропроводности

Они получены с помощью геофизических экспериментов, проводимых в лаборатории на минералах, составляющих мантию ( оливин , пироксены ), обнаруженных в мантийных породах, извлеченных тектоническими или вулканическими методами. Эти термодинамические эксперименты проводятся при высоком давлении и высокой температуре для моделирования условий мантии.

Экспериментально находим значения порядка:

  • удельная теплоемкость : 10 3 Дж / кг К ; ПРОТИВ п ≈ \ приблизительно>
  • плотность : 3 × 10 3 кг / м 3 ; ρ ≈
  • коэффициент теплового расширения : 3 × 10 −5 K −1 ; α ≈
  • теплопроводность : 3 Вт · м −1 · K −1 . k ≈

Оценка ΔT

Если не рассматривать Землю без конвекции, температура мантии обусловлена ​​несколькими явлениями:

  • распад естественных радиоактивных элементов, содержащихся в минералах мантии, таких как уран (U), торий (Th) и калий (K). Расчетные величины для этих элементов 24 частей на миллион для K, 0,006 частей на миллион для U и 0.002 частей на миллиард для Th. Тепловой поток Н , производимого на единицу массы составляет около 5 × 10 -12 Вт / кг . Этот тепловой поток был намного важнее в молодости Земли из-за постепенного снижения уровней нестабильных радиоактивных элементов с течением времени и их распада;
  • начальное тепловыделение Земли при аккреции. [Который ?]

Температуру Земли на глубине 660 км можно оценить с помощью фазовых переходов оливина . Α- оливин претерпевает различные преобразования с глубиной, что свидетельствует о точных условиях температуры и давления. Эти переходы могут быть детально обнаружены путем изучения сейсмических волн , скорость которых изменяется на уровне этих переходов. На верхней границе мантии - нижней мантии, оливин Г превращается в перовскита + магнезиовюстите , который основан на фазовой диаграмме оливина при температуре 1830 К .

Мы не знаем температуру перехода нижняя мантия - внешнее ядро, но порядок величины можно получить с помощью дедукции: в глубине железо кристаллизуется на границе затравка - внешнее ядро ​​при температуре 5000 К , что означает, что температура базового слоя находится в пределах от 2000 к и 5000 к .

Примечание: если учесть, что Земля находится в идеальной конвекции (адиабатической), мы можем рассчитать температуру на любой глубине благодаря адиабатическому градиенту , но в этой части мы пытаемся оценить число Рэлея мантии, чтобы узнать, есть ли конвекция или нет. .

Оценка вязкости ν

Мы можем оценить вязкость мантийной породы в лаборатории, но термодинамические условия мантии очень трудно получить в лаборатории.

Это также возможно при изучении послеледникового изостатического подъема , которое дает информацию о величине вязкости астеносферы . Во время оледенения вес ледяной шапки на континенте создает депрессию в подстилающей литосфере из-за принципа изостаза . После таяния льда, что происходит очень быстро, литосфера больше не подвергается этому весу и поднимается вверх за счет изостатического отскока. Скорость подъема напрямую зависит от вязкости астеносферы и литосферы. Исторические данные, измерения уровня и т. Д. позволяют проследить историю отскока и, применив уравнения механики жидкости, можно определить вязкость.

Модель конвекции


По оценкам, из-за очень большого числа Рэлея (Ra = 10 8 ) конвекция имеет хаотическую структуру, а именно, что движения вверх и вниз не происходят в одних и тех же местах с течением времени, но это не наблюдается не во времени. Практика: плиты будут усыпаны вулканами , горячие шлейфы могут подняться в любом месте, тогда как известно, что горячие точки относительно неподвижны. Изучение тепловых потоков показывает, что энергия, эвакуированная мантией, выходит в основном на уровне хребтов ( в среднем 100 мВт / м 2 ), и гораздо меньше на уровне достаточно изолирующих литосферных плит (12 мВт / м 2). в среднем). Шлейфы апвеллинга будут накапливаться под океанической литосферой (например, Тихоокеанская плита для цепи Гавайи - Император) или континентальной (в случае ловушек ). Если под континентом накапливается слишком много материала, континентальная литосфера будет истончаться как часть рифтинга, чтобы дать начало новому океану, это то, что предполагается в нынешнем районе Афара .

Компоненты конвекционных ячеек

Верхний пограничный слой

Сотовый центр

Согласно моделям, изменение температуры относительно невелико по отношению к глубине. По оценкам, она составляет порядка нескольких сотен градусов.

Сейсмическая томография позволяет выделить температурные неоднородности в мантии, связанные с восходящими (плюмы) и нисходящими (субдуцированная океаническая кора) движениями.

Нижний пограничный слой

Согласно моделям, он находится либо на глубине 660 км, на границе верхняя мантия - нижняя мантия, либо на границе мантия - ядро ​​на глубине 2 900 км , вплоть до гипотетического слоя, называемого d ″.

Модели мантийной конвекции

Было разработано несколько моделей, объясняющих структуру ячеек мантийной конвекции.

Однослойная модель

Двухслойная модель

В настоящее время принятая модель

Наиболее вероятная модель - это промежуточная модель между двумя предыдущими, более согласующаяся с томографическими наблюдениями, чем эти. Субдуцированная океаническая кора может опускаться в слой d ″ и быть источником восходящих плюмов, или она может скользить по границе раздела верхняя и нижняя мантия, а также генерировать плюмы. Конвекционные ячейки приурочены к нижней мантии. Материал может пассивно выходить из расширенных гребней, которые не имеют глубоких корней.

тектонические плиты движутся потому что они плавают на жидкой мантии земли. Эта мантия, в свою очередь, также движется из-за конвекционных течений, которые заставляют горячую породу подниматься, выделять немного тепла и затем падать. Это явление жидкой мантии порождает завихрения жидких пород под земной корой, которые переносятся на плиты (BBC, 2011).

Тектонические плиты - это подземные слои, которые движутся, всплывают, а иногда и разрушаются, и чье движение и шок могут вызвать явления континентального дрейфа, землетрясений, рождения вулканов, образования гор и океанических траншей..


Глубина жидкой мантии затрудняет изучение, так что характер ее поведения еще не полностью определен. Тем не менее, считается, что движения тектонических плит вызваны в ответ на внезапные напряжения, а не из-за основных изменений температуры.

Процесс формирования тектонических плит или тектоники плит может занять сотни миллиардов лет. Этот процесс не происходит равномерно, так как маленькие кусочки зубного налета могут соединяться друг с другом, вызывая сотрясения на поверхности земли, которые различаются по интенсивности и продолжительности (Briney, 2016).

Помимо процесса конвекции есть еще одна переменная, которая заставляет пластины двигаться, и это гравитация. Эта сила заставляет тектонические плиты перемещаться на несколько сантиметров каждый год, что приводит к огромному удалению плит друг от друга с течением миллионов лет (EOS, 2017).

  • 1 Конвекционные токи
  • 2 Процесс субдукции
  • 3 Континентальный дрифт
  • 4 скорость движения
  • 5 ссылок

Конвекционные токи

Мантия представляет собой жидкий материал, но достаточно плотный, чтобы по нему могли плавать тектонические плиты. Многие геологи думают, что причина, по которой командование течет, заключается в том, что существует явление, известное как конвекционные потоки, которые способны перемещать тектонические слои (Engel, 2012)..

Конвекционные токи генерируются, когда самая горячая часть мантии поднимается, охлаждается и снова погружается. Повторяя этот процесс несколько раз, создается необходимое движение для смещения тектонических плит, которые имеют свободу движения в зависимости от силы, с которой конвекционные потоки сотрясают мантию..

Линейное движение пластин может быть объяснено тем, как процесс конвекции образует единицы массы жидкости или ячейки, которые, в свою очередь, движутся в разных направлениях, как показано на следующем рисунке:

Конвекционные ячейки постоянно меняются и ведут себя в пределах параметров хаотической системы, что позволяет генерировать различные непредсказуемые географические явления.

Некоторые ученые сравнивают это явление с движением ребенка, играющего в ванной, полной игрушек. Таким образом, земная поверхность может соединяться и отделяться несколько раз в течение неопределенного периода времени (Jaeger, 2003).

Процесс субдукции

Если пластина, расположенная под океанской литосферой, встречает другую пластину, плотная океаническая литосфера погружается под другую пластину, погружаясь в мантию: это явление известно как процесс субдукции (USGS, 2014).

Как будто это была скатерть, тонущая океаническая литосфера тянет остальную часть тектонической плиты, вызывая ее движение и сильное сотрясение в земной коре..

Этот процесс вызывает разделение океанической литосферы в нескольких направлениях, в результате чего образуются океанические корзины, в которых может быть создана новая, теплая и легкая океаническая кора..

Зоны субдукции - это места, где тонет литосфера Земли. Эти зоны существуют в сходящихся зонах границ плит, где одна плита океанской литосферы сходится с другой плитой.

Во время этого процесса есть плита, которая опускается, и другая, которая накладывается на плиту при спуске. Этот процесс вызывает наклон одной из пластин на угол от 25 до 40 градусов относительно поверхности Земли..

Континентальный дрейф

Теория континентального дрейфа объясняет, как континенты изменили свое положение на поверхности Земли.

Эта теория была поднята в 1912 году Альфредом Вегенером, геофизиком и метеорологом, который объяснил феномен континентального дрейфа, основываясь на сходстве окаменелостей животных, растений и различных горных пород, обнаруженных на разных континентах (Yount, 2009).

Считается, что континенты когда-то были объединены в духе Пангеи (суперконтинента с возрастом более 300 миллионов лет) и что позже они разделили и сместили позиции, которые мы в настоящее время знаем.

Эти смещения были вызваны движениями тектонических плит, которые имели место в течение миллионов лет.

Любопытная вещь о теории дрейфа континентов состоит в том, что она была первоначально отброшена и гарантирована спустя десятилетия с помощью новых открытий и технологических достижений в области геологии..

Скорость движения

В настоящее время можно отслеживать скорость движения тектонических плит благодаря магнитным полосам, расположенным на дне океанского дна..

Они могут регистрировать изменения в магнитном поле Земли, что позволяет ученым рассчитывать среднюю скорость, с которой пластины разделяются. Указанная скорость может сильно варьироваться в зависимости от пластины.

Плита, расположенная в Кордильера-дель-Артико, имеет самую медленную скорость (менее 2,5 см / год), в то время как в восточной части Тихого океана, около острова Пасхи, в южной части Тихого океана, в 3400 км к западу Чили, имеет самую быструю скорость движения (более 15 см / год).

Скорость движения также может быть получена из геологических картографических исследований, которые позволяют узнать возраст горных пород, их состав и структуру..

Эти данные позволяют определить, совпадает ли один предел плиты с другим, и скальные образования одинаковы. Измеряя расстояние между пластами, можно дать оценку скорости, с которой пластины перемещались в данный период времени..

Читайте также: