Mantelkonvektion bezieht sich auf die allmähliche Verformung des festen Silikatmantels der Erde, angetrieben durch Konvektionsströme, die Wärme aus dem Planeteninneren an seine Oberfläche übertragen. Dieser Prozess treibt im Wesentlichen die Bewegung tektonischer Platten über die Erdoberfläche an.
Die Lithosphäre der Erde liegt über der Asthenosphäre und zusammen bilden diese Schichten den oberen Mantel. Die Lithosphäre ist in tektonische Platten unterteilt, die an ihren Grenzen einer kontinuierlichen Entstehung und einem kontinuierlichen Verbrauch unterliegen. Bei der Plattenakkretion wird Mantelmaterial an divergenten Grenzen hinzugefügt, ein Prozess, der untrennbar mit der Ausbreitung des Meeresbodens verbunden ist. Der flache Aufschwung unterhalb der Ausbreitungszentren stellt einen lokalisierten, aufsteigenden Teil der Mantelkonvektion dar, der sich typischerweise vom globalen Aufschwung im Mantel unterscheidet. Das an den Ausbreitungszentren eingebrachte heiße Material erfährt beim Wegwandern eine thermische Abkühlung durch Leitung und Konvektion. Umgekehrt sinkt das thermisch kontrahierte und verdichtete Material an konvergenten Plattengrenzen unter seiner eigenen Schwerkraft durch Subduktion ab, was häufig an ozeanischen Gräben auftritt. Dieser Subduktionsprozess stellt den absteigenden Zweig der Mantelkonvektion dar.
Dieses subduzierte Material sinkt in das Erdinnere. Während beobachtet wird, dass ein Teil des subduzierten Materials in den unteren Mantel eindringt, wird in anderen Regionen sein weiterer Abstieg behindert, was möglicherweise auf einen endothermen Phasenübergang von Spinell zu Silikat-Perowskit und Magnesiowustit zurückzuführen ist.
Die subduzierte ozeanische Kruste löst Vulkanismus aus, obwohl die zugrunde liegenden Mechanismen variabel sind. Vulkanische Aktivität kann durch Prozesse entstehen, die den Auftrieb des teilweise geschmolzenen Erdmantels erhöhen und so zur Aufwärtswanderung dieser weniger dichten Schmelze führen. Darüber hinaus kann sekundäre Konvektion Oberflächenvulkanismus induzieren, der aus der Ausdehnung innerhalb der Platte und dem Aufstieg von Mantelwolken resultiert. Eine Hypothese aus dem Jahr 1993 schlug vor, dass Heterogenitäten innerhalb der D''-Schicht die Konvektionsdynamik des Mantels beeinflussen.
Konvektionsmodi
Während des späten 20. Jahrhunderts drehte sich in der geophysikalischen Gemeinschaft eine beträchtliche Diskussion um die Prävalenz von „geschichteter“ gegenüber „gesamter“ Mantelkonvektion. Während Aspekte dieser Diskussion fortbestehen, stützen Beweise aus seismischer Tomographie, numerischen Mantelkonvektionssimulationen und Analysen des Gravitationsfelds der Erde zunehmend das Konzept der gesamten Mantelkonvektion, insbesondere in der heutigen geologischen Epoche. Unter diesem Paradigma sinkt die kalte, subduzierende ozeanische Lithosphäre von der Oberfläche zur Kern-Mantel-Grenze (CMB), während heiße Plumes von der CMB zur Oberfläche aufsteigen. Diese Konzeptualisierung wird im Wesentlichen durch globale seismische Tomographiemodelle gestützt, die häufig platten- und wolkenartige Anomalien offenbaren, die die Mantelübergangszone durchqueren.
Während der Abstieg subduzierender Platten durch die Mantelübergangszone in den unteren Mantel weithin akzeptiert wird, bleiben die Existenz und Kontinuität von Mantelwolken Gegenstand anhaltender Debatten, die erhebliche Auswirkungen auf den Gesamtstil der Mantelkonvektion haben. Diese Diskussion ist untrennbar mit der Kontroverse um die Entstehung des Intraplate-Vulkanismus verbunden, insbesondere mit der Frage, ob er aus flachen Prozessen des oberen Mantels oder aus tiefliegenden Plumes des unteren Mantels stammt.
Zahlreiche geochemische Untersuchungen deuten darauf hin, dass in Intraplate-Regionen ausgebrochene Laven Zusammensetzungsunterschiede zu flach abgeleiteten mittelozeanischen Rückenbasalten aufweisen. Bemerkenswerterweise weisen diese Laven häufig erhöhte Helium-3:Helium-4-Verhältnisse auf. Als Urnuklid wird Helium-3 nicht endogen auf der Erde erzeugt. Darüber hinaus entweicht es bei einem Ausbruch schnell aus der Erdatmosphäre. Die in ozeanischen Inselbasalten beobachteten erhöhten He-3:He-4-Verhältnisse deuten darauf hin, dass sie aus einem terrestrischen Reservoir stammen, das zuvor nicht im gleichen Ausmaß geschmolzen und wiederaufbereitet wurde wie die Quellregionen für mittelozeanische Rückenbasalte. Diese Beobachtung wurde als Hinweis darauf interpretiert, dass sie aus einer bestimmten, weniger homogenisierten Region stammen, bei der es sich vermutlich um den unteren Erdmantel handelt. Umgekehrt behaupten einige Forscher, dass diese geochemischen Unterschiede auf den Einbau einer kleinen Komponente oberflächennahen lithosphärischen Materials zurückzuführen sein könnten.
Konvektionsmorphologie und -dynamik
Der Erdmantel weist eine starke Konvektion auf, die durch eine geschätzte Rayleigh-Zahl von etwa 107 gekennzeichnet ist. Diese Größe bedeutet Konvektion im gesamten Erdmantel, ein Prozess, der sich von der Erdoberfläche bis zur Kern-Mantel-Grenze erstreckt. Weltweit wird die Oberflächenmanifestation dieser Konvektion in Form tektonischer Plattenbewegungen beobachtet, die typischerweise mit Geschwindigkeiten von mehreren Zentimetern pro Jahr auftreten. Umgekehrt kann lokalisierte Konvektion in Zonen mit niedriger Viskosität unter der Lithosphäre höhere Geschwindigkeiten aufweisen, während die erhöhte Viskosität im untersten Mantel zu langsameren Konvektionsströmungen führt. Ein vollständiger flacher Konvektionszyklus erstreckt sich typischerweise über etwa 50 Millionen Jahre, während sich tiefere Konvektionsprozesse näher an 200 Millionen Jahre erstrecken können.
Zeitgenössische Modelle der Konvektion im gesamten Erdmantel gehen von ausgedehnten Abwärtsbewegungen unter Amerika und dem Westpazifik aus, Gebieten, die historisch durch erhebliche Subduktion gekennzeichnet waren, neben Auftriebsströmungen unter dem Zentralpazifik und Afrika, Regionen, die eine dynamische Topographie aufweisen, die auf eine solche Aufwärtsbewegung hinweist. Dieses großräumige Konvektionsmuster stimmt mit den beobachteten tektonischen Plattenbewegungen überein, die die Oberflächenmanifestation der Mantelkonvektion darstellen und derzeit eine Konvergenz in Richtung Westpazifik und Amerika sowie Divergenz aus dem Zentralpazifik und Afrika zeigen. Die anhaltende tektonische Nettodivergenz von Afrika und dem Pazifik in den letzten 250 Millionen Jahren lässt auf die dauerhafte Stabilität dieser übergreifenden Strömungskonfiguration im Mantel schließen, ein Ergebnis, das durch Untersuchungen bestätigt wird, die auf das langfristige Fortbestehen der großen Provinzen mit geringer Schergeschwindigkeit im untersten Mantel hinweisen, die die Grundlage dieser aufsteigenden Strömungen bilden.
Kriechmechanismen des Mantels
Die erheblichen Temperatur- und Druckunterschiede zwischen dem oberen und unteren Erdmantel begünstigen verschiedene Kriechmechanismen; Insbesondere tritt Versetzungskriechen überwiegend im unteren Mantel auf, während im oberen Mantel gelegentlich Diffusionskriechen vorherrscht. Dennoch gibt es zwischen diesen Mantelschichten eine beträchtliche Übergangszone für Kriechprozesse, und selbst innerhalb einzelner Abschnitte können die Kriecheigenschaften je nach Standort, Temperatur und Druck erheblich variieren.
Da der obere Mantel überwiegend aus Olivin ((Mg,Fe)2SiO4) besteht, werden seine rheologischen Eigenschaften weitgehend von diesem Mineral bestimmt. Die Stärke von Olivin korreliert mit seiner Schmelztemperatur und zeigt eine erhebliche Empfindlichkeit sowohl gegenüber Wasser- als auch gegenüber Kieselsäurekonzentrationen. Die durch Verunreinigungen, insbesondere Kalzium, Aluminium und Natrium, verursachte Verringerung der Solidustemperatur sowie der Druck beeinflussen das Kriechverhalten und tragen so zur räumlichen Variation der Kriechmechanismen bei. Während das Kriechverhalten typischerweise durch eine homologe Temperaturabhängigkeit der Spannung dargestellt wird, erweist sich bei Mantelstudien die Untersuchung der Druckabhängigkeit der Spannung oft als aufschlussreicher. Obwohl Spannung grundsätzlich als Kraft pro Flächeneinheit definiert wird, stellt die genaue Bestimmung dieser Fläche in geologischen Zusammenhängen eine Herausforderung dar. Gleichung 1 veranschaulicht den Zusammenhang zwischen Druck und Spannung. Aufgrund der inhärenten Schwierigkeit, die im Erdmantel herrschenden extremen Drücke (z. B. 1 MPa bei 300–400 km) in Laborumgebungen zu reproduzieren, werden experimentelle Niederdruckdaten häufig unter Verwendung metallurgischer Kriechprinzipien auf höhere Drücke extrapoliert.
Der Großteil des Mantels weist homologe Temperaturen im Bereich von 0,65 bis 0,75 auf, mit entsprechenden Dehnungsraten typischerweise zwischen pro Sekunde. Mantelspannungen werden durch mehrere Faktoren beeinflusst, darunter Dichte, Gravitationskräfte, thermische Ausdehnungskoeffizienten, die Temperaturgradienten, die die Konvektion antreiben, und die räumliche Ausdehnung konvektiver Prozesse. Zusammengenommen führen diese Parameter zu Spannungen, die typischerweise zwischen 3 und 30 MPa liegen.
Angesichts der erheblichen Korngrößen, die unter Bedingungen geringer Spannung mehrere Millimeter erreichen können, ist Nabarro-Herring (NH)-Kriechen als dominierender Verformungsmechanismus unwahrscheinlich; Stattdessen herrscht typischerweise ein Versetzungskriechen vor. Bei 0,5 Tm Olivin beschreibt ein Spannungsschwellenwert von 14 MPa die Dominanz der Kriechmechanismen: Unterhalb dieses Wertes überwiegt das Diffusionskriechen, oberhalb dieses Wertes dominiert das Potenzgesetzkriechen. Selbst unter Bedingungen relativ niedriger Temperaturen sind daher die für das Funktionieren des Diffusionskriechens erforderlichen Spannungsniveaus für realistische geologische Szenarien im Allgemeinen nicht ausreichend. Obwohl die Geschwindigkeit des Potenzgesetzkriechens mit zunehmendem Wassergehalt zunimmt, was auf eine Materialschwächung zurückzuführen ist (die die Aktivierungsenergie für die Diffusion senkt und dadurch die NH-Kriechgeschwindigkeit erhöht), reicht das Nabarro-Herring-Kriechen typischerweise nicht aus, um zum primären Verformungsmechanismus zu werden. Dennoch kann Diffusionskriechen in außergewöhnlich kalten oder tief gelegenen Regionen des oberen Mantels zum dominierenden Mechanismus werden.
Die Verformung des Mantels wird auch auf die umwandlungsbedingte Duktilität zurückgeführt. In Tiefen über 400 km durchläuft Olivin eine druckinduzierte Phasenumwandlung, die zu einer erhöhten Duktilität und damit zu einer stärkeren Verformung führt. Weitere Beweise für die Verbreitung des Potenzgesetzkriechens ergeben sich aus der Beobachtung bevorzugter Gitterorientierungen, die durch Verformung hervorgerufen werden. Während des Versetzungskriechens orientieren sich Kristallstrukturen neu, um Konfigurationen anzunehmen, die die Spannung minimieren. Dieses Neuorientierungsphänomen fehlt beim Diffusionskriechen; Daher bestätigt die Erkennung bevorzugter Orientierungen in geologischen Proben das Vorherrschen des Versetzungskriechens.
Mantle-Konvektion in anderen Himmelskörpern
Es wird angenommen, dass ein vergleichbarer Prozess träger Konvektion im Inneren anderer Planetenkörper wie Venus und Mars sowie bestimmter natürlicher Satelliten wie Io, Europa und Enceladus stattfindet oder stattgefunden hat.
- Geodynamik – Studium der Dynamik der Erde
- Referenzen