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地幔對流

地幔對流。原圖鏈接

地幔對流（英語：Mantle convection），是地球固體矽酸鹽地幔非常緩慢的蠕變運動，是由於對流將熱量從內部傳導到行星表面所引起的。地幔被添加到板塊的生長邊緣時，就會發生吸積，這與海底擴散有關[1]。

目录

組成

上地幔

地幔對流區分上下地幔形成可分述之。地球表面的岩石圈位於軟流圈之上，兩者形成了上地幔的組成部分。岩石圈被劃分為多個構造板塊，這些板塊在板塊邊界處不斷產生或消耗[2]。

下地幔

熱添加的材料通過熱量的傳導和對流冷卻。在板的消耗邊緣處，材料發生熱收縮而變得緻密，並且在俯衝過程中會因自重而下沉。通常在海溝。[3][4]這種俯衝的物質沉入地球內部。一些俯衝的物質似乎到達了下地幔。在其他地區，該物質被阻止進一步下沉，這可能是由於從尖晶石到矽酸鈣鈦礦和菱鎂礦的相變，吸熱反應。[5]

引發火山運動

儘管基本機制多種多樣，俯衝的洋殼卻引發了火山作用。可能由於向部分熔融的地幔增加浮力的過程而發生火山作用，由於密度降低，這將導致部分熔體向上流動。二次對流可能會由於板內伸展[6]和地幔柱而引起表面火山作用。[7]。在1993年，有人提出D”層的不均勻性對地幔對流有一定影響[8]。

將熔質分選到岩心

地幔對流導致構造板塊繞地球表面移動。[9]在哈德時期，它似乎更加活躍，導致重力將重熔鐵，鎳和硫化物分選到岩心，並將較輕的矽酸鹽礦物分選到地幔。

對流類型

地幔過渡帶的觀察

在20世紀後期，地球物理學界就對流可能是“分層”還是“整個”進行了激烈的辯論。儘管這場辯論的內容仍在繼續，但地震層析成像，地幔對流的數值模擬以及對地球引力場的檢查結果都開始暗示著“整個”地幔對流的存在，至少目前是這樣 。在該模型中，冷俯衝的海洋岩石圈從地表一直下降到岩心—地幔邊界（CMB），熱羽從CMB一直上升到地表。這張照片強烈地基於全球地震層析成像模型的結果，該模型通常顯示穿過地幔過渡帶的板狀和羽狀異常。

板狀和羽狀的存在和連續性

儘管俯衝板穿過地幔過渡帶並下降到下地幔已為人們所公認，但關於羽狀流的存在和連續性的爭論仍在繼續，這對地幔對流形式具有重要意義。這場辯論與關於板內火山活動是由淺，上地幔過程還是由下地幔柱引起的爭論有關。許多地球化學研究認為，板內區域噴出的熔岩的成分不同於淺海中脊玄武岩（MORB）。特別是，它們通常具有較高的He-3-He-4比。作為原始核素，氦3並非自然產生於地球上。當爆發時，它也迅速從地球大氣中逃脫。大洋洲玄武岩（OIBs）的He-3 / He-4比值升高表明，它們一定是來自地球一部分的來源，該部分以前沒有像MORB來源一樣被融化和再加工過。這被解釋為它們來自不同的，混合程度較低的區域，被認為是下地幔。然而，其他人指出，地球化學差異可能表明岩石圈中包含了近地表物質的一小部分。

與核心邊界的對流

對流的平面形式和活力

在地球上，地球地幔內對流的瑞利數估計為10 7，表示對流劇烈。該值對應於整個地幔對流（即從地球表面延伸到與核心邊界的對流）。在全球範圍內，這種對流的表面表達是板塊運動，因此每年的速度只有幾厘米。在岩石圈以下的低粘度區域，小尺度對流的速度可能更快，而在粘度較大的最低地幔中，速度可能較慢。儘管較深的對流可能接近2億年，但單個淺對流週期大約需要5000萬年。[10]

地幔流型的長期穩定性

目前，整個地幔對流被認為包括美洲和西太平洋下方的大規模下沉，這兩個地區都有長期俯衝的歷史，中太平洋和非洲下方的上湧流，這兩個地區都表現出與上湧一致的動態地形。[11]這種廣泛的流動模式也與構造板塊運動一致，這是對流在地球地幔中的表面表達，目前指示著向西太平洋和美洲的2級會聚，並遠離地殼。中太平洋和非洲。過去250 Myr離開非洲和太平洋的淨構造分異的持續性表明這種總體地幔流型的長期穩定性， [12]與其他研究[13] [14] [15]一致。形成這些上升流基礎的最低地幔LLSVP區域的長期穩定性。

地幔蠕變

溫度和壓力牽動結果

由於下地幔和上地幔之間溫度和壓力的變化，會發生各種蠕變過程，其中位錯蠕變在下地幔占主導地位，而擴散蠕變有時在上地幔占主導地位。但是，在上下地幔之間的蠕變過程中存在一個較大的過渡區域，即使在每個部分內，蠕變性質也會隨位置以及溫度和壓力而發生很大變化。在冪律蠕變區域中，適合於n = 3-4的數據的蠕變方程是標準的。[16]

對水和二氧化矽含量敏感

由於上地幔主要由橄欖石（（Mg，Fe）2SiO4）組成，因此上地幔的流變特性主要是橄欖石的流變特性。橄欖石的強度不僅隨其熔融溫度而變，而且對水和二氧化矽的含量非常敏感。雜質（主要是Ca，Al和Na）以及壓力會導致固相線下降，從而影響蠕變行為，並因此導致蠕變機理隨位置的變化。

相對溫度與應力的關係

雖然蠕變行為通常以相對溫度與應力的關係作圖，但在地幔的情況下，查看應力對壓力的依賴性通常更為有用。儘管應力是作用在面積上的簡單力，但是在地質上很難定義面積。等式1證明了壓力的壓力依賴性。由於很難模擬地幔中的高壓（在300-400 km處為1MPa），因此通常通過應用冶金學的蠕變概念將低壓實驗室數據外推至高壓。[17]

大多數地幔的同源溫度為0.65-0.75。地幔中的應力取決於密度，重力，熱膨脹係數，驅動對流的溫度差以及距離對流的發生，所有這些都會產生約3-30MPa的應力。由於晶粒大（在高達幾毫米的低應力下），Nabarro-Herring（NH）蠕變不太可能真正佔據主導地位。

應力與蠕變率

考慮到大晶粒尺寸，位錯蠕變趨於占主導地位。在橄欖石0.5Tm時，應力為14MPa，低於該應力時，擴散蠕變占主導，而冪律蠕變則高於該應力。因此，即使對於相對較低的溫度，對於實際條件，應力擴散蠕變也將在太低的條件下工作。儘管冪律蠕變率由於變弱而隨含水量的增加而增加，從而降低了擴散的活化能，從而增加了NH冪律蠕變占主導地位，NH通常仍不足以佔據主導地位。

冪律蠕變占主導地位

然而，擴散蠕變可能在上地幔的很冷或較深的部分占主導地位。地幔中的其他變形可歸因於相變增強的延展性。在400 km以下，橄欖石經歷壓力誘導的相變，由於延展性增加，橄欖石可能引起更多的變形。[24]冪律蠕變占主導地位的進一步證據來自於變形導致的首選晶格取向。在位錯蠕變下，晶體結構重新定向到較低的應力方向。在擴散蠕變下不會發生這種情況，因此觀察樣品中的首選方向可確保位錯蠕變占主導地位。[18]

其他天體的地幔對流

在其他行星（例如金星，火星）和某些衛星（例如艾歐，歐羅巴，土衛二）的內部，也可能發生（或發生）類似的慢對流過程。

視頻

The Largest Volcanoes in History – Mantle Plumes explained
歷史上最大的火山-地幔對流解釋
What is MANTLE PLUME? What does MANTLE PLUME mean? MANTLE PLUME meaning, definition & explanation
什麼是地幔對流？ 它是什麼意思？地幔對流的含義，定義和解釋
Fall Meeting 2012: Mantle Plumes: What Do We Really Know?
2012年秋季會議：地幔對流：我們真正知道些什麼？

參考資料

  1. ↑ Kobes，蘭迪，地幔對流溫尼伯大學物理系，2020-02-26
  2. ↑ Ricard，Y.（2009年）地幔對流物理學，在David Bercovici和Gerald Schubert（編輯）中。地球物理學論文：地幔動力學。7。愛思唯爾科學。書號 9780444535801
  3. ↑ 杰拉爾德•舒伯特; 唐納德•勞森•特科特；彼得•奧爾森第2章：板塊構造<地球和行星的地幔對流劍橋大學出版社-ISBN書號 978-0-521-79836-5
  4. ↑ 福岡義雄; 大林正行; 中月友智; 小組，深板項目。[1]“止流板：回顧” （PDF）。地球與行星科學年度回顧。37（1）：19-46。Bibcode：2009AREPS..37 ... 19F。doi：10.1146 / annurev.earth.36.031207.124224，2009-01-01
  5. ↑ 杰拉爾德•舒伯特; 唐納德•勞森•特科特；彼得•奧爾森，§2.5.3：下降平板的命運”ISBN書號 978-0-521-79836-5（2001），被引工作。第35頁及以後
  6. ↑ 威利-布萊克威爾，板塊與羽狀物：地質論爭Foulger，GR（2010）。ISBN書號 978-1-4051-6148-0
  7. ↑ Kent C.Condie，巴特沃思•海涅曼，板塊構造與地殼演化ISBN 978-0-7506-3386-4
  8. ↑ Czechowski L.（1993）大地測量學和地球物理pp 392-395，熱點的起源和D”層
  9. ↑ Moresi，路易；索洛馬托夫，維奇特斯拉夫（1998）。“地幔對流與脆弱的岩石圈：對地球和金星的全球構造樣式的思考”。國際地球物理學報。133（3）：669-82。Bibcode：1998GeoJI.133..669M。CiteSeerX 10.1.1.30.5989。doi：10.1046 / j.1365-246X.1998.00521.x
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  11. ↑ Lithgow-Bertelloni，卡羅來納州；Silver，Paul G.（1998）。“動態地形，板塊驅動力和非洲超高潮”。大自然。395（6699）：269–272。Bibcode：1998Natur.395..269L。DOI：10.1038 / 26212。ISSN 0028-0836
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