همرفت مانتو (Mantle convection)

همرفت گوشته به تغییر شکل تدریجی گوشته سیلیکات جامد زمین که توسط جریانهای همرفتی هدایت می شود که گرما را از درون سیاره به سطح آن منتقل می کند، اشاره دارد. این فرآیند اساساً حرکت صفحات تکتونیکی را در سراسر سطح زمین هدایت می کند.

لیتوسفر زمین بر روی استنوسفر قرار دارد و این لایه ها با هم گوشته بالایی را تشکیل می دهند. لیتوسفر به صفحات تکتونیکی تقسیم می شود که در مرزهای خود تحت ایجاد و مصرف مداوم هستند. برافزایش صفحه شامل افزودن مواد گوشته در مرزهای واگرا است، فرآیندی که ذاتاً با گسترش کف دریا مرتبط است. بالا آمدن کم عمق در زیر مراکز پخش نشان دهنده یک اندام صعودی و موضعی از همرفت گوشته است که معمولاً از بالا آمدن گوشته جهانی متمایز است. مواد داغ وارد شده در مراکز پخش از طریق رسانش و جابجایی در حین مهاجرت تحت خنک سازی حرارتی قرار می گیرند. برعکس، در مرزهای صفحات همگرا، مواد منقبض و متراکم شده از نظر حرارتی تحت نیروی گرانشی خود از طریق فرورانش، که معمولاً در ترانشه‌های اقیانوسی اتفاق می‌افتد، فرود می‌آیند. این فرآیند فرورانش، اندام نزولی جابجایی گوشته را تشکیل می‌دهد.

این ماده فرورانش شده به داخل زمین فرود می‌آید. در حالی که مشاهده می شود که برخی از مواد فرورانش شده به گوشته پایین نفوذ می کنند، در مناطق دیگر، نزول بیشتر آن مانع می شود، که به طور بالقوه به انتقال فاز گرماگیر از اسپینل به پروسکیت سیلیکات و منیزیووستیت نسبت داده می شود.

پوسته اقیانوسی فرورانش شده مکانیسم های آتشفشانی را آغاز می کند. فعالیت آتشفشانی می‌تواند از فرآیندهایی ناشی شود که شناوری گوشته تا حدی مذاب را افزایش می‌دهد و منجر به مهاجرت به سمت بالا این مذاب کم‌تراکم می‌شود. علاوه بر این، همرفت ثانویه می‌تواند باعث ایجاد آتشفشان در سطح شود که ناشی از گسترش درون صفحه و صعود توده‌های گوشته است. یک فرضیه در سال 1993 پیشنهاد کرد که ناهمگونی‌های درون لایه D بر دینامیک همرفت گوشته تأثیر می‌گذارد.

حالت‌های همرفت

در اواخر قرن بیستم، بحث‌های قابل‌توجهی در جامعه ژئوفیزیک پیرامون شیوع همرفت گوشته‌ای «لایه‌ای» در مقابل «کل» بود. در حالی که جنبه‌های این بحث همچنان ادامه دارد، شواهد حاصل از توموگرافی لرزه‌ای، شبیه‌سازی عددی همرفت گوشته، و تحلیل‌های میدان گرانشی زمین به طور فزاینده‌ای از مفهوم همرفت گوشته به‌ویژه در دوران زمین‌شناسی معاصر حمایت می‌کند. تحت این پارادایم، لیتوسفر اقیانوسی سرد و فرورانش از سطح به مرز هسته- گوشته (CMB) فرود می‌آید، در حالی که توده‌های داغ از CMB به سطح بالا می‌روند. این مفهوم‌سازی به‌طور قابل‌توجهی توسط مدل‌های توموگرافی لرزه‌ای جهانی پشتیبانی می‌شود، که اغلب ناهنجاری‌های دال‌مانند و توده‌مانندی را نشان می‌دهند که از ناحیه انتقال گوشته عبور می‌کنند.

در حالی که فرورانش دال‌ها از طریق منطقه انتقال گوشته به گوشته پایین‌تر به‌طور گسترده‌ای پذیرفته شده است، وجود و ادامه موضوع انسان‌ها همچنان ادامه دارد. دارای پیامدهای قابل توجهی برای سبک کلی جابجایی گوشته است. این بحث ذاتاً به بحث پیرامون پیدایش آتشفشان درون صفحه ای مرتبط است، به ویژه اینکه آیا این آتشفشان از فرآیندهای گوشته کم عمق و بالایی سرچشمه می گیرد یا از ستون های گوشته پایینی در عمق.

تحقیقات ژئوشیمیایی متعدد نشان می دهد که گدازه ها در مناطق درون صفحه ای فوران کرده اند. بازالت ها قابل ذکر است که این گدازه ها معمولاً نسبت هلیوم-3: هلیوم-4 بالا را نشان می دهند. هلیوم 3 به عنوان یک هسته اولیه، به طور درون زا در زمین تولید نمی شود. علاوه بر این، پس از فوران به سرعت از جو زمین فرار می کند. نسبت‌های بالا He-3:He-4 مشاهده‌شده در بازالت‌های جزایر اقیانوسی نشان‌دهنده اشتقاق آن‌ها از یک مخزن زمینی است که به همان درجه ذوب و پردازش مجدد قبلی که مناطق منبع بازالت‌های پشته‌های میانی اقیانوسی است، دچار نشده است. این مشاهدات به عنوان نشان دهنده منشأ آنها از یک منطقه متمایز، کمتر همگن، که فرض می شود گوشته پایینی است، تفسیر شده است. در مقابل، برخی از محققین معتقدند که این نابرابری های ژئوشیمیایی ممکن است منعکس کننده ادغام یک جزء جزئی از مواد لیتوسفر نزدیک به سطح باشد.

مورفولوژی و دینامیک همرفت

جبه زمین جابجایی شدیدی را نشان می‌دهد که با تخمین عدد رایلی تقریباً 10⁷ مشخص می‌شود. این بزرگی نشان‌دهنده همرفت تمام گوشته است، فرآیندی که از سطح زمین تا مرز هسته و گوشته آن را در بر می‌گیرد. در سطح جهانی، تجلی سطحی این همرفت به صورت حرکات صفحه تکتونیکی مشاهده می‌شود که معمولاً با سرعت چند سانتی‌متر در سال رخ می‌دهد. برعکس، همرفت موضعی در مناطق با ویسکوزیته پایین در زیر لیتوسفر می‌تواند سرعت‌های بالاتری را نشان دهد، در حالی که افزایش ویسکوزیته در پایین‌ترین گوشته منجر به جریان‌های همرفتی کندتر می‌شود. یک چرخه جابجایی کامل کم عمق معمولاً تقریباً 50 میلیون سال طول می‌کشد، در حالی که فرآیندهای همرفتی عمیق‌تر ممکن است نزدیک به 200 میلیون سال طول بکشد.

مدل‌های معاصر همرفت سراسر گوشته، فرورفتگی گسترده‌ای را در زیر قاره آمریکا و اقیانوس آرام غربی پیشنهاد می‌کنند، مناطقی که از نظر تاریخی با فرورانش چاه مرکزی به بالا مشخص می‌شوند. مناطقی که توپوگرافی پویا نشان دهنده چنین حرکت رو به بالا را نشان می دهند. این الگوی همرفتی در مقیاس بزرگ با حرکات صفحه تکتونیکی مشاهده‌شده همسو می‌شود، که نمایانگر تجلی سطحی همرفت گوشته است و در حال حاضر همگرایی را به سمت غرب اقیانوس آرام و قاره آمریکا، همراه با واگرایی که از اقیانوس آرام مرکزی و آفریقا سرچشمه می‌گیرد، نشان می‌دهد. واگرایی خالص تکتونیکی پایدار از آفریقا و اقیانوس آرام در طول 250 میلیون سال گذشته، پایداری پایدار این پیکربندی جریان گوشته فراگیر را نشان می‌دهد، یافته‌ای که با تحقیقاتی که نشان‌دهنده تداوم طولانی‌مدت استان‌های بزرگ با سرعت کم برشی در پایین‌ترین گوشته است، تأیید شده است.

مکانیسم‌های خزش گوشته

تغییرات قابل توجه دما و فشار بین گوشته بالایی و پایینی زمین مکانیسم های خزش متنوعی را تسهیل می کند. به طور خاص، خزش دررفتگی عمدتاً در گوشته پایینی رخ می دهد، در حالی که خزش انتشاری گهگاه در گوشته بالایی غالب می شود. با این وجود، یک منطقه انتقالی قابل توجهی برای فرآیندهای خزش بین این لایه‌های گوشته وجود دارد، و حتی در بخش‌های جداگانه، ویژگی‌های خزش می‌تواند به طور قابل‌توجهی بسته به مکان، دما و فشار متفاوت باشد.

با توجه به اینکه گوشته بالایی عمدتاً از الیوین تشکیل شده است ((Mg,Fe)2SiO4 که خواص معدنی آن بسیار زیاد است. قدرت الیوین با دمای ذوب آن ارتباط دارد و حساسیت قابل توجهی به غلظت آب و سیلیس نشان می دهد. کاهش دمای جامدوس ناشی از ناخالصی‌ها، به ویژه کلسیم، آلومینیوم و سدیم، همراه با فشار، بر رفتار خزش تأثیر می‌گذارد و در نتیجه به تغییرات مکانی در مکانیسم‌های خزش کمک می‌کند. در حالی که رفتار خزش معمولاً با دمای همولوگ در برابر استرس نشان داده می‌شود، برای مطالعات گوشته، بررسی وابستگی فشاری استرس اغلب روشن‌تر است. اگرچه تنش اساساً به عنوان نیرو در واحد سطح تعریف می شود، تعیین دقیق این ناحیه یک چالش در زمینه های زمین شناسی است. معادله 1 رابطه بین فشار و استرس را نشان می دهد. به دلیل دشواری ذاتی در تکرار فشارهای شدید موجود در گوشته (به عنوان مثال، 1 مگاپاسکال در 300-400 کیلومتر) در تنظیمات آزمایشگاهی، داده‌های تجربی فشار پایین معمولاً با استفاده از اصول خزش متالورژی به فشارهای بالاتر تعمیم داده می‌شوند.

64§ T T m ) × ( ∂ ln ⁡ σ ∂ ( §110111§ / T ) ) P ، <حرکت دهنده> ε ˙ × d T m d P {\displaystyle \left({\frac {\partial \ln \sigma }{\partial P}}\right)_{T,{\dot {\epsilon }}}=\left({\frac {1}{TT_{m}}\right)(partial \n\n }{\partial (1/T)}}\right)_{P,{\dot {\epsilon }}}\times {\frac {dT_{m}}{dP}}}

اکثریت گوشته دمای همولوگ از 0.65 تا 0.75 را نشان می‌دهد، با نرخ کرنش متناظر معمولاً بین ${\displaystyle 10^{-14}-10^{-16}}$ در ثانیه. تنش‌های گوشته تحت تأثیر عوامل متعددی از جمله چگالی، نیروهای گرانشی، ضرایب انبساط حرارتی، گرادیان‌های دمایی که همرفت را هدایت می‌کنند، و وسعت مکانی فرآیندهای همرفتی هستند. در مجموع، این پارامترها منجر به تنش‌هایی از 3 تا 30 مگاپاسکال می‌شوند.

با توجه به اندازه دانه‌های قابل توجه، که در شرایط تنش کم می‌تواند به چندین میلی‌متر برسد، خزش نابارو-شاه ماهی (NH) به عنوان مکانیسم تغییر شکل غالب غیرمحتمل است. در عوض، خزش دررفتگی معمولاً غالب است. در 0.5Tm الیوین، آستانه تنش 14 مگاپاسکال تسلط مکانیسم های خزش را مشخص می کند: خزش انتشاری زیر این مقدار غالب است، در حالی که خزش قانون قدرت بالای آن غالب می شود. در نتیجه، حتی در شرایط دماهای نسبتاً پایین، سطوح تنش مورد نیاز برای خزش انتشاری برای عملیات به طور کلی برای سناریوهای زمین‌شناسی واقعی کافی نیست. اگرچه سرعت خزش قانون قدرت با افزایش محتوای آب شتاب می‌گیرد که به ضعیف شدن مواد نسبت داده می‌شود (که انرژی فعال‌سازی برای انتشار را کاهش می‌دهد و در نتیجه سرعت خزش NH را افزایش می‌دهد)، خزش نابارو-شاه ماهی معمولاً برای تبدیل شدن به مکانیسم تغییر شکل اولیه کافی نیست. با این وجود، خزش انتشاری ممکن است به مکانیسم غالب در مناطق فوق‌العاده سرد یا عمیقاً واقع در گوشته فوقانی تبدیل شود.

تغییر شکل گوشته نیز به شکل‌پذیری افزایش‌یافته با تبدیل نسبت داده می‌شود. در اعماق بیش از 400 کیلومتر، الیوین تحت یک تبدیل فاز ناشی از فشار قرار می گیرد که منجر به افزایش شکل پذیری و در نتیجه تغییر شکل بیشتر می شود. شواهد بیشتر که از شیوع خزش قانون قدرت حمایت می کند از مشاهده جهت گیری های شبکه ترجیحی ناشی از تغییر شکل به دست آمده است. در طول خزش نابجایی، ساختارهای کریستالی برای اتخاذ تنظیماتی که تنش را به حداقل می‌رساند، جهت‌گیری خود را تغییر می‌دهند. این پدیده جهت گیری مجدد در خزش انتشاری وجود ندارد. بنابراین، تشخیص جهت گیری های ترجیحی در نمونه های زمین شناسی، غلبه خزش نابجایی را تایید می کند.

همرفت گوشته در سایر اجرام آسمانی

فرض می‌شود که یک فرآیند قابل مقایسه از همرفت کند، در داخل دیگر اجرام سیاره‌ای مانند زهره و مریخ و برخی از ماهواره‌های طبیعی از جمله آیو، اروپا، و انسلادوس رخ داده یا رخ داده است.

• ژئودینامیک – مطالعه دینامیک زمین
• مراجع

مراجع