地幔对流

地幔对流。原图链接

地幔对流（英语：Mantle convection），是地球固体矽酸盐地幔非常缓慢的蠕变运动，是由于对流将热量从内部传导到行星表面所引起的。地幔被添加到板块的生长边缘时，就会发生吸积，这与海底扩散有关。

目录

组成

上地幔

地幔对流区分上下地幔形成可分述之。地球表面的岩石圈位于软流圈之上，两者形成了上地幔的组成部分。岩石圈被划分为多个构造板块，这些板块在板块边界处不断产生或消耗。

下地幔

热添加的材料通过热量的传导和对流冷却。在板的消耗边缘处，材料发生热收缩而变得致密，并且在俯冲过程中会因自重而下沉。通常在海沟。这种俯冲的物质沉入地球内部。一些俯冲的物质似乎到达了下地幔。在其他地区，该物质被阻止进一步下沉，这可能是由于从尖晶石到矽酸钙钛矿和菱镁矿的相变，吸热反应。

引发火山运动

尽管基本机制多种多样，俯冲的洋壳却引发了火山作用。可能由于向部分熔融的地幔增加浮力的过程而发生火山作用，由于密度降低，这将导致部分熔体向上流动。二次对流可能会由于板内伸展和地幔柱而引起表面火山作用。。在1993年，有人提出D”层的不均匀性对地幔对流有一定影响。

将熔质分选到岩心

地幔对流导致构造板块绕地球表面移动。在哈德时期，它似乎更加活跃，导致重力将重熔铁，镍和硫化物分选到岩心，并将较轻的矽酸盐矿物分选到地幔。

对流类型

地幔过渡带的观察

在20世纪后期，地球物理学界就对流可能是“分层”还是“整个”进行了激烈的辩论。尽管这场辩论的内容仍在继续，但地震层析成像，地幔对流的数值模拟以及对地球引力场的检查结果都开始暗示著“整个”地幔对流的存在，至少目前是这样 。在该模型中，冷俯冲的海洋岩石圈从地表一直下降到岩心—地幔边界（CMB），热羽从CMB一直上升到地表。这张照片强烈地基于全球地震层析成像模型的结果，该模型通常显示穿过地幔过渡带的板状和羽状异常。

板状和羽状的存在和连续性

尽管俯冲板穿过地幔过渡带并下降到下地幔已为人们所公认，但关于羽状流的存在和连续性的争论仍在继续，这对地幔对流形式具有重要意义。这场辩论与关于板内火山活动是由浅，上地幔过程还是由下地幔柱引起的争论有关。许多地球化学研究认为，板内区域喷出的熔岩的成分不同于浅海中脊玄武岩（MORB）。特别是，它们通常具有较高的He-3-He-4比。作为原始核素，氦3并非自然产生于地球上。当爆发时，它也迅速从地球大气中逃脱。大洋洲玄武岩（OIBs）的He-3 / He-4比值升高表明，它们一定是来自地球一部分的来源，该部分以前没有像MORB来源一样被融化和再加工过。这被解释为它们来自不同的，混合程度较低的区域，被认为是下地幔。然而，其他人指出，地球化学差异可能表明岩石圈中包含了近地表物质的一小部分。

与核心边界的对流

对流的平面形式和活力

在地球上，地球地幔内对流的瑞利数估计为10 7，表示对流剧烈。该值对应于整个地幔对流（即从地球表面延伸到与核心边界的对流）。在全球范围内，这种对流的表面表达是板块运动，因此每年的速度只有几厘米。在岩石圈以下的低粘度区域，小尺度对流的速度可能更快，而在粘度较大的最低地幔中，速度可能较慢。尽管较深的对流可能接近2亿年，但单个浅对流周期大约需要5000万年。

地幔流型的长期稳定性

目前，整个地幔对流被认为包括美洲和西太平洋下方的大规模下沉，这两个地区都有长期俯冲的历史，中太平洋和非洲下方的上涌流，这两个地区都表现出与上涌一致的动态地形。这种广泛的流动模式也与构造板块运动一致，这是对流在地球地幔中的表面表达，目前指示著向西太平洋和美洲的2级会聚，并远离地壳。中太平洋和非洲。过去250 Myr离开非洲和太平洋的净构造分异的持续性表明这种总体地幔流型的长期稳定性， 与其他研究 一致。形成这些上升流基础的最低地幔LLSVP区域的长期稳定性。

地幔蠕变

温度和压力牵动结果

由于下地幔和上地幔之间温度和压力的变化，会发生各种蠕变过程，其中位错蠕变在下地幔占主导地位，而扩散蠕变有时在上地幔占主导地位。但是，在上下地幔之间的蠕变过程中存在一个较大的过渡区域，即使在每个部分内，蠕变性质也会随位置以及温度和压力而发生很大变化。在幂律蠕变区域中，适合于n = 3-4的数据的蠕变方程是标准的。

对水和二氧化矽含量敏感

由于上地幔主要由橄榄石（（Mg，Fe）2SiO4）组成，因此上地幔的流变特性主要是橄榄石的流变特性。橄榄石的强度不仅随其熔融温度而变，而且对水和二氧化矽的含量非常敏感。杂质（主要是Ca，Al和Na）以及压力会导致固相线下降，从而影响蠕变行为，并因此导致蠕变机理随位置的变化。

相对温度与应力的关系

虽然蠕变行为通常以相对温度与应力的关系作图，但在地幔的情况下，查看应力对压力的依赖性通常更为有用。尽管应力是作用在面积上的简单力，但是在地质上很难定义面积。等式1证明了压力的压力依赖性。由于很难模拟地幔中的高压（在300-400 km处为1MPa），因此通常通过应用冶金学的蠕变概念将低压实验室数据外推至高压。

大多数地幔的同源温度为0.65-0.75。地幔中的应力取决于密度，重力，热膨胀系数，驱动对流的温度差以及距离对流的发生，所有这些都会产生约3-30MPa的应力。由于晶粒大（在高达几毫米的低应力下），Nabarro-Herring（NH）蠕变不太可能真正占据主导地位。

应力与蠕变率

考虑到大晶粒尺寸，位错蠕变趋于占主导地位。在橄榄石0.5Tm时，应力为14MPa，低于该应力时，扩散蠕变占主导，而幂律蠕变则高于该应力。因此，即使对于相对较低的温度，对于实际条件，应力扩散蠕变也将在太低的条件下工作。尽管幂律蠕变率由于变弱而随含水量的增加而增加，从而降低了扩散的活化能，从而增加了NH幂律蠕变占主导地位，NH通常仍不足以占据主导地位。

幂律蠕变占主导地位

然而，扩散蠕变可能在上地幔的很冷或较深的部分占主导地位。地幔中的其他变形可归因于相变增强的延展性。在400 km以下，橄榄石经历压力诱导的相变，由于延展性增加，橄榄石可能引起更多的变形。[24]幂律蠕变占主导地位的进一步证据来自于变形导致的首选晶格取向。在位错蠕变下，晶体结构重新定向到较低的应力方向。在扩散蠕变下不会发生这种情况，因此观察样品中的首选方向可确保位错蠕变占主导地位。

其他天体的地幔对流

在其他行星（例如金星，火星）和某些卫星（例如艾欧，欧罗巴，土卫二）的内部，也可能发生（或发生）类似的慢对流过程。

视频

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