Convecção do manto refere-se à deformação gradual do manto de silicato sólido da Terra, impulsionada por correntes de convecção que transferem calor do interior do planeta para a sua superfície. Este processo impulsiona fundamentalmente o movimento das placas tectônicas através da superfície da Terra.
A litosfera da Terra cobre a astenosfera e, juntas, essas camadas constituem o manto superior. A litosfera é segmentada em placas tectônicas que sofrem criação e consumo contínuos em seus limites. A acreção de placas envolve a adição de material do manto em limites divergentes, um processo intrinsecamente ligado à expansão do fundo do mar. A ressurgência rasa abaixo dos centros de propagação representa um ramo ascendente e localizado da convecção do manto, normalmente distinto da ressurgência global do manto. O material quente introduzido nos centros de espalhamento sofre resfriamento térmico por condução e convecção à medida que migra. Por outro lado, nos limites convergentes das placas, o material termicamente contraído e densificado desce sob sua própria força gravitacional através da subducção, comumente ocorrendo em fossas oceânicas. Este processo de subducção constitui o ramo descendente da convecção do manto.
Este material subduzido desce para o interior da Terra. Embora se observe que algum material subductado penetra no manto inferior, em outras regiões, sua descida adicional é impedida, potencialmente atribuível a uma transição de fase endotérmica de espinélio para perovskita de silicato e magnesiowustita.
A crosta oceânica subduzida inicia o vulcanismo, embora os mecanismos subjacentes exibam variabilidade. A atividade vulcânica pode surgir de processos que aumentam a flutuabilidade do manto parcialmente fundido, levando à migração ascendente deste derretimento menos denso. Além disso, a convecção secundária pode induzir o vulcanismo superficial, resultante da extensão intraplaca e da ascensão das plumas do manto. Uma hipótese de 1993 propôs que as heterogeneidades dentro da camada D" influenciam a dinâmica da convecção do manto.
Modos de Convecção
Durante o final do século 20, uma discussão considerável dentro da comunidade geofísica girou em torno da prevalência da convecção do manto "em camadas" versus "inteira". Embora persistam aspectos desta discussão, evidências de tomografia sísmica, simulações numéricas de convecção do manto e análises do campo gravitacional da Terra apoiam cada vez mais o conceito de convecção do manto inteiro, particularmente na época geológica contemporânea. Sob este paradigma, a litosfera oceânica fria e em subducção desce da superfície até o limite núcleo-manto (CMB), enquanto plumas quentes ascendem da CMB para a superfície. Esta conceituação é substancialmente apoiada por modelos globais de tomografia sísmica, que frequentemente revelam anomalias semelhantes a placas e plumas que atravessam a zona de transição do manto. Embora a descida de placas de subducção através da zona de transição do manto para o manto inferior seja amplamente aceita, a existência e continuidade das plumas do manto permanecem assuntos de debate contínuo, trazendo implicações significativas para o estilo geral da convecção do manto. Esta discussão está intrinsecamente ligada à controvérsia em torno da gênese do vulcanismo intraplaca, especificamente se ele se origina de processos rasos do manto superior ou de plumas profundas do manto inferior.
Numerosas investigações geoquímicas propõem que as lavas que eclodiram em regiões intraplacas exibem distinções de composição de basaltos da dorsal meso-oceânica derivados de águas rasas. Notavelmente, essas lavas geralmente apresentam proporções elevadas de hélio-3:hélio-4. Como nuclídeo primordial, o hélio-3 não é gerado endogenamente na Terra. Além disso, escapa rapidamente da atmosfera da Terra após a erupção. As elevadas proporções He-3:He-4 observadas em basaltos de ilhas oceânicas implicam sua derivação de um reservatório terrestre que não sofreu o mesmo grau de fusão e reprocessamento prévio que as regiões de origem dos basaltos da dorsal meso-oceânica. Esta observação foi interpretada como um indicativo de sua origem em uma região distinta e menos homogeneizada, que se supõe ser o manto inferior. Por outro lado, alguns investigadores afirmam que estas disparidades geoquímicas podem reflectir a incorporação de um componente menor de material litosférico próximo da superfície.
Morfologia e dinâmica de convecção
O manto da Terra exibe convecção vigorosa, caracterizada por um número de Rayleigh estimado em aproximadamente 107. Esta magnitude significa convecção de todo o manto, um processo que se estende desde a superfície da Terra até o seu limite núcleo-manto. Globalmente, a manifestação superficial desta convecção é observada como movimentos de placas tectônicas, que normalmente ocorrem a velocidades de vários centímetros anualmente. Por outro lado, a convecção localizada em zonas de baixa viscosidade abaixo da litosfera pode exibir velocidades mais altas, enquanto o aumento da viscosidade no manto inferior resulta em fluxos convectivos mais lentos. Um ciclo completo de convecção rasa normalmente dura aproximadamente 50 milhões de anos, enquanto processos convectivos mais profundos podem se estender por cerca de 200 milhões de anos.
Modelos contemporâneos de convecção de todo o manto propõem uma extensa ressurgência abaixo das Américas e do Pacífico ocidental, áreas historicamente caracterizadas por subducção significativa, ao lado de fluxos de ressurgência abaixo do Pacífico central e da África, regiões que exibem uma topografia dinâmica indicativa de tal movimento ascendente. Este padrão convectivo em grande escala alinha-se com os movimentos observados das placas tectônicas, que representam a manifestação superficial da convecção do manto e atualmente demonstram convergência em direção ao Pacífico ocidental e às Américas, juntamente com a divergência originada no Pacífico central e na África. A divergência tectónica líquida sustentada de África e do Pacífico ao longo dos últimos 250 milhões de anos sugere a estabilidade duradoura desta configuração abrangente do fluxo do manto, uma descoberta corroborada por pesquisas que indicam a persistência a longo prazo das grandes províncias de baixa velocidade de cisalhamento no manto mais inferior, que constituem a base destas correntes de ressurgência.
Mecanismos de fluência do manto
As variações significativas de temperatura e pressão entre o manto superior e inferior da Terra facilitam diversos mecanismos de fluência; especificamente, a fluência por deslocamento ocorre predominantemente no manto inferior, enquanto a fluência difusional ocasionalmente prevalece no manto superior. No entanto, existe uma zona de transição substancial para processos de fluência entre essas camadas do manto e, mesmo dentro de seções individuais, as características de fluência podem variar consideravelmente dependendo da localização, temperatura e pressão.
Dado que o manto superior consiste predominantemente de olivina ((Mg,Fe)2SiO4), suas propriedades reológicas são amplamente ditadas por este mineral. A força da olivina está correlacionada com a sua temperatura de fusão e apresenta considerável sensibilidade às concentrações de água e sílica. A redução da temperatura solidus causada por impurezas, principalmente cálcio, alumínio e sódio, juntamente com a pressão, influencia o comportamento da fluência, contribuindo assim para a variação espacial nos mecanismos de fluência. Embora o comportamento de fluência seja normalmente representado pela temperatura homóloga contra a tensão, para estudos do manto, examinar a dependência da pressão com a tensão muitas vezes se mostra mais esclarecedor. Embora a tensão seja fundamentalmente definida como força por unidade de área, determinar com precisão esta área apresenta um desafio em contextos geológicos. A Equação 1 ilustra a relação entre pressão e estresse. Devido à dificuldade inerente em replicar as pressões extremas encontradas dentro do manto (por exemplo, 1 MPa a 300-400 km) em ambientes de laboratório, os dados experimentais de baixa pressão são comumente extrapolados para pressões mais altas usando princípios de fluência metalúrgica.
A maior parte do manto exibe temperaturas homólogas variando de 0,65 a 0,75, com taxas de deformação correspondentes normalmente entre por segundo. As tensões do manto são influenciadas por vários fatores, incluindo densidade, forças gravitacionais, coeficientes de expansão térmica, gradientes de temperatura que impulsionam a convecção e a extensão espacial dos processos convectivos. Coletivamente, esses parâmetros resultam em tensões normalmente variando de 3 a 30 MPa.
Dados os tamanhos substanciais dos grãos, que podem atingir vários milímetros sob condições de baixa tensão, a fluência de Nabarro-Herring (NH) é improvável como mecanismo de deformação dominante; em vez disso, o deslocamento de deslocamento normalmente prevalece. A 0,5Tm de olivina, um limiar de tensão de 14 MPa delineia a dominância dos mecanismos de fluência: a fluência difusional predomina abaixo deste valor, enquanto a fluência da lei de potência torna-se dominante acima dele. Consequentemente, mesmo sob condições de temperaturas relativamente baixas, os níveis de tensão necessários para a operação da fluência difusional são geralmente insuficientes para cenários geológicos realistas. Embora a taxa de fluência da lei de potência acelere com o elevado teor de água, atribuído ao enfraquecimento do material (que reduz a energia de ativação para difusão e, assim, aumenta a taxa de fluência de NH), a fluência de Nabarro-Herring normalmente permanece insuficiente para se tornar o mecanismo de deformação primário. No entanto, a fluência difusional pode tornar-se o mecanismo dominante em regiões excepcionalmente frias ou profundamente situadas no manto superior.
A deformação do manto também é atribuída à ductilidade aprimorada pela transformação. Em profundidades superiores a 400 km, a olivina sofre uma transformação de fase induzida pela pressão, levando a um aumento da ductilidade e consequentemente a uma maior deformação. Outras evidências que apoiam a prevalência da fluência da lei de potência são derivadas da observação de orientações preferenciais da rede induzidas pela deformação. Durante a fluência da discordância, as estruturas cristalinas se reorientam para adotar configurações que minimizam o estresse. Este fenômeno de reorientação está ausente na fluência difusional; portanto, a detecção de orientações preferenciais em amostras geológicas corrobora a predominância da fluência das discordâncias.
Convecção do manto em outros corpos celestes
Supõe-se que um processo comparável de convecção lenta ocorra, ou tenha ocorrido, no interior de outros corpos planetários, como Vênus e Marte, e em certos satélites naturais, incluindo Io, Europa e Encélado.
- Geodinâmica – Estudo da dinâmica da Terra
- Referências