Manto konveksiyonu

Manto konveksiyonu, gezegenin içinden yüzeyine ısı taşıyan konveksiyonu akımlarının sebep olduğu, Dünya'nın katı silikat örtüsünün çok yavaş sürünen hareketidir.^[1][2]

Dünya'nın yüzey litosferi astenosferin üstüne biniyor ve ikisi üst manto bileşenlerini oluşturuyor. Litosfer, karşıt plaka sınırlarında sürekli olarak yaratılan ve tüketilen bir dizi plakaya ayrılır. Birikimin, deniz tabanının yayılması ile ilişkili bir plakanın büyüyen kenarlarına manto eklenmesi ile oluşur. Bu sıcak eklenen malzeme ısı iletimi ve taşınımı ile soğur. Plakanın tüketim kenarlarında, malzeme yoğunlaşmak için termal olarak büzülmüş ve genellikle bir okyanus açmasında çökme sürecinde kendi ağırlığı altında batmaktadır.^[3]

Bu çıkarılan malzeme Dünya'nın iç kısmına gömülür. Bazı çöktürülmüş materyallerin alt mantoya ulaştığı görülmektedir,^[4] diğer bölgelerde ise, muhtemelen spinelden silikat perovskite ve magneziowustite, endotermik reaksiyona bir faz geçişinden dolayı bu materyalin daha da batması engellenmektedir.^[5]

Temel mekanizmalar çeşitlilik gösterse de, bastırılmış okyanus kabuğu volkanizmayı tetikler. Volkanizma, kısmen erimiş mantoya kaldırma kuvveti ekleyen ve yoğunluğundaki azalma nedeniyle kısmi eriyiğin yukarı akışına neden olacak işlemler nedeniyle oluşabilir. İkincil konveksiyon, plaka içi ekstansiyonun^[6] ve manto tüylerinin bir sonucu olarak yüzey volkanizmasına neden olabilir.^[7]

Manto konveksiyonu tektonik plakaların Dünya yüzeyinde hareket etmesine neden olur.^[8] Hadean döneminde çok daha aktif olduğu görülmekte, daha ağır erimiş demir, nikel ve sülfürlerin çekirdeğe ve daha hafif silikat minerallerin kütle çekimine göre sınıflandırılmasıyla sonuçlanmaktadir.

Manto konveksiyon kavramı, 20. yüzyılın başından bu yana, önce Alpler gibi kıvrımlı dağların jeolojisini açıklamak için, sonra da derin deniz gayzerleri ve bölgesel volkanik fissür sistemleri gibi diğer büyük jeotektonik formlara doğru, katı dünya kabuğunun altındaki magma akışları ve magmatik kütle transferleri fikrinden gelişti .

20. yüzyılın sonlarında, jeofizik topluluğu içinde konveksiyonun "katmanlı" veya "bütün" olup olmayacağı konusunda önemli tartışmalar yaşanmıştır.^[10][11] Bu tartışmalar hala devam etmektedir. Sismik tomografi, manto konveksiyonunun sayısal simülasyonları ve Dünya'nın yerçekimi alanının incelenmesi en azından şu anda bütün manto konveksiyonunun varlığını ortaya koymaya yetmektedir. Bu modelde soğuk alttan geçen okyanus litosferi sayesinde çekirdek-manto sınırına kadar iner ve sıcak tüyler SPK'dan yüzeye kadar yükselir.^[12] Bu resim genellikle manto geçiş bölgesinden geçen levha ve tüy benzeri anomalileri gösteren küresel sismik tomografi^[] modellerinin sonuçlarına dayanmaktadır.

Alt tabakaların manto geçiş bölgesinden geçmesi ve alt mantoya inmesi artık kabul edilmiştir. Manto konveksiyon stili için önemli çıkarımlarla birlikte tüylerin varlığı ve sürekliliği hakkındaki tartışmalar da hâlâ devam etmektedir. Bu tartışmalar tabaka içinde volkanizmanın sığ üst manto veya alt mantonun tüylerden kaynaklanıp kaynaklanmadığı konusundaki tartışmalara bağlıdır.^[13] Birçok jeokimya çalışması plaka içi alanlardan çıkan lavların bileşimden sığ türetilmiş orta okyanus sırtından farklı olduğunu ileri sürmektedir. Bazaltlar (MORB) Özellikle tipik olarak yüksek Helyum-3 - Helyum-4 oranlarına sahiptirler. eski bir nüklid olan Helyum-3 yeryüzünde doğal olarak üretilememektedir. Ayrıca patladığında dünya atmosferinden hızla çıkmaktadır.Okyanus Adası Bazaltlar'ının (OIB'ler) yüksek He-3 / He-4 oranı dünyanın daha önce eritilmemiş ve MORB kaynağı ile aynı şekilde yeniden işlenilmiş kısmından kaynak oluşturulması gerekildiği düşünülmektedir. Bununla birlikte diğerleri jeokimyasal farklılıkların yüzeye yakın bir materyalinin küçük bir bileşeninin litosferden de dahil olabileceğini belirtmiştir.

Dünya üzerinde, dünya'nın mantosundaki konveksiyon için Rayleigh sayısının şiddetli konveksiyonun 10 ⁷ civarında olduğu tahmin edilmektedir. Bu değer tüm manto konveksiyonuna karşılık gelir (yani, dünya yüzeyinden çekirdekli sınıra uzanan konveksiyon). Küresel ölçekte bu konveksiyonun yüzey ifadesi tektonik plaka hareketleridir ve bunlar birkaç cm / a hıza sahiptir.^[15][16][17]

Litosferin altındaki düşük viskoziteli bölgelerde meydana gelen küçük ölçekli konveksiyon için hızlar daha yüksek olabilir ve viskozitelerin daha büyük olduğu en alt mantoda daha yavaş olabilir. Tek bir sığ konveksiyon döngüsü 50 milyon yıl sürerken daha derin konveksiyon 200 milyon yıla yakın olabilir.^[18]

Şu anda tüm manto konveksiyonun geniş ölçekli aşağı doğru akım içerdiği düşünülmektedir. Amerika ve Batı Pasifik'in altında her iki bölge de uzun bir düşüş tarihi olan ve Orta Pasifik ve Afrika'nın altında yer alan ve her ikisi de yükselme ile tutarlı dinamik topoğrafyadır.^[19]

Bu geniş ölçekli akış modeli Dünya'nın mantosundaki konveksiyonun yüzey ifadesi olan ve şu anda 2 dereceyi gösteren tektonik plaka hareketleriyle de tutarlıdır.^[20] Net tektonik ayrışmanın Afrika ve Pasifik'ten uzaklığı 250 Milyar yıldır. Bu genel manto akış paterninin uzun vadeli stabilitesini gösterir ve diğer çalışmalarla da tutarlıdır.^{[21][22][23][24]} En altta yer alan LLSVP bölgelerinin uzun vadeli istikrarını öneren bu yapıların temelini oluşturan mantodur.

Alt ve üst manto arasındaki değişken sıcaklıklar ve basınçlar nedeniyle, alt mantoda baskın çıkık sürünmesi ve zaman zaman üst mantoda baskın olarak yayılan sürünme ile çeşitli sürünme süreçleri meydana gelebilir. Bununla birlikte, üst ve alt manto arasındaki sürünme işlemlerinde büyük bir geçiş bölgesi vardır ve hatta her bölüm içinde sürünme özellikleri, konum ve dolayısıyla sıcaklık ve basınç ile güçlü bir şekilde değişebilir. Güç hukuku sünme bölgelerinde, n = 3-4 olan verilere takılan sünme denklemi standarttır.^[25]

Üst manto öncelikle olivin ((Mg, Fe) 2SiO4) 'ten oluştuğundan, üst mantonun reolojik özellikleri büyük ölçüde olivindir. Olivinin gücü sadece erime sıcaklığı ile ölçeklendirmekle kalmaz, aynı zamanda su ve silika içeriğine de çok duyarlıdır. Başta Ca, Al ve Na olmak üzere safsızlıklardan kaynaklanan katılaşma depresyonu ve basınç, sünme davranışını etkiler ve böylece lokasyonlu sünme mekanizmalarının değişmesine katkıda bulunur. Sünme davranışı genellikle strese karşı homolog sıcaklık olarak çizilirken, manto durumunda, stresin basınca bağımlılığına bakmak genellikle daha yararlıdır. Stres alan üzerinde basit bir kuvvet olmasına rağmen, jeolojide alanı tanımlamak zordur. Denklem 1, stresin basınca bağımlılığını gösterir. Mantodaki yüksek basınçları simüle etmek çok zor olduğundan (300–400 km'de 1MPa), düşük basınçlı laboratuvar verileri genellikle metalurjiden sürünme kavramları uygulanarak yüksek basınçlara tahmin edilir.^[26]${\displaystyle \left({\frac {\partial \ln \sigma }{\partial P}}\right)_{T,{\dot {\epsilon }}}=\left({\frac {1}{TT_{m}}}\right)\times \left({\frac {\partial \ln \sigma }{\partial \left({\frac {1}{T}}\right)}}\right)_{P,{\dot {\epsilon }}}\times {\frac {dT_{m}}{dP}}}$

Mantonun çoğunun homolog sıcaklıkları 0.65-0.75'tir .Mantodaki gerilmeler, yoğunluk, yerçekimi, termal genleşme katsayıları, konveksiyonu yönlendiren sıcaklık farklarına bağlıdır ve hepsi 3-30MPa'nın bir fraksiyonu etrafında stres veren mesafe konveksiyonu meydana gelir. Büyük tane boyutları nedeniyle (birkaç mm kadar yüksek streslerde), Nabarro-Herring (NH) sürünmesinin gerçekten baskın olması olası değildir. Büyük tane boyutları göz önüne alındığında, çıkık sürünmesi baskın olma eğilimindedir. 14 MPa, difüzyonel sürünmenin baskın olduğu ve üzerinde güç yasası sürüntüsünün 0.5T olivinde baskın olduğu strestir. Bu nedenle, nispeten düşük sıcaklıklar için bile, çalışacağı stres yayılma sünmesi gerçekçi koşullar için çok düşüktür. Güç yasası sürünme oranı, zayıflama, difüzyonun aktivasyon enerjisini azaltma ve böylece NH sürünme hızını arttırma nedeniyle artan su içeriği ile artmasına rağmen, NH genellikle hâkim olacak kadar büyük değildir. Bununla birlikte, yayılma sünmesi üst mantonun çok soğuk veya derin kısımlarında baskın olabilir. Mantodaki ek deformasyon, transforme geliştirilmiş sünekliğe atfedilebilir. 400 km'nin altındaki olivin, sünekliğin artması nedeniyle daha fazla deformasyona neden olabilen basınca bağlı faz dönüşümüne uğrar.^[26] Güç yasası sürünmesinin baskınlığına ilişkin daha fazla kanıt, deformasyonun sonucu olarak tercih edilen kafes yönelimlerinden kaynaklanmaktadır. Dislokasyon sürünmesi altında, kristal yapılar düşük stres yönlerine yönelir. Bu, yayılma sürünmesi altında gerçekleşmez, bu nedenle örneklemlerde tercih edilen yönelimlerin gözlemlenmesi, çıkık sürünmesinin baskınlığına güvenir.^[27]

Benzer bir yavaş konveksiyon işleminin diğer gezegenlerde (örneğin Venüs, Mars) ve bazı uydularda (örn. Europa, Enceladus) meydana gelmesi (veya oluşması) muhtemeldir .

• Çekirdek manto sınırı
• Dünya'nın dinamikleri - jeodinamik Çalışma
• Uyumluluk-Jeokimya eriyik elemanlarının iz dağılımı.