地幔對流

地幔對流

軟流層中的地幔物質由于熱量增加,密度減小,體積膨脹,產生上升熱流,上升的地幔物質遇到地殼底部向四周分流,隨著溫度下降,地幔物質密度增大,又沉降到地幔中,這一過程稱為地幔對流。

  • 中文名稱
    地幔對流
  • 然    後
    遇到地殼底部向四周分流
  • 產    生
    上升熱流
  • 位    置
    軟流層

簡介

地幔對流(mantle convection):板塊構造說認為地幔對流是板塊運動的主要驅動機製。這一辭彙在19世紀已有人提出,英國著名地質學家霍姆斯(A Holmes,1928)和格裏格斯(D.Griggs,1939)嘗試用地幔對流作為大陸漂移的驅動力。20世紀60年代這一觀點被地質學家廣泛接受,並成為海底擴張、板塊移動以及地幔柱形成的重要機製。地幔是由高溫的熱物質組成的。由于地幔內部存在密度和溫度的差異,導致固態物質也可以發生流動。地幔對流是一個復雜的系統,它既是一種熱傳導方式,又是一種物質流的運動。地幔對流是在緩慢的進行的,對流活動的時間可達幾千萬年,甚至幾億年。地幔對流的流動形態可以不同。熱的地幔物質上升減壓常常伴隨有部分熔融作用發生。地幔對流可以是從核幔邊界上升至岩石圈底部,形成全地幔對流環;也可以是分層對流,即上、下地幔分別形成對流環。近些年來地震層析和地球化學研究成果已證實地幔的流變。

地幔中,特別是地幔軟流層中發生的熱對流。地幔對流是一種自然對流,既是發生在地幔中的一種傳熱方式(通過物質運動傳遞熱量),又是一種地幔物質的運動過程(由物質內部密度差或溫度差所驅使的),是地球內部向地球表面輸送能量、動量和質量的一種有效途徑。由于它被認為是地球演化的最可能的驅動因素,並且與大洋中脊裂谷和大陸裂谷的形成,地表熱點的分布,地震和火山活動,以及某些礦物的生成密切相關而受到重視。

研究歷程

地幔對流是人們根據對地球的認識而推斷出來的一種假說。早在1881年,費希爾(O.Fisher)在《地殼物理學》一書中就提出了地幔中可能存在著對流的觀點。20世紀30年代,英國地質學家霍姆斯(A.Holmes)曾企圖以地幔對流來解釋大陸漂移的驅動機理。60年代,地幔對流的思想則成為解釋海底擴張和板塊大地構造學說的重要理論之一。板塊學說認為,驅動板塊運動的主要因素是某種形式的地幔對流。地幔對流是與地球動力學的研究同時發展起來的。

分類

按流變性質劃分,地球上層應分為岩石層(圈)和軟流層(圈)。軟流層中的地幔物質由于部分熔化具有類流體性質。在有限厚度流體層中由密度差(或溫差)驅使的熱對流一般呈蜂窩狀結構,每個蜂窩中都有上升流、下降流和水準流動,它們構成一個完整的對流單元。二維問題中的對流單元稱為對流環。完全流體層中的對流環一般呈長方形。根據深源地震資料以及地幔相變區和流變參數的估算,多數學者認為地幔對流層的最大深度為 700公裏左右。因此在一個板塊下面就要有幾個甚至十幾個對流環。相鄰對流環中的流動方向相反,對浮于其上的岩石層板塊的拖動力方向也相反,造成拖動力互相抵消(圖1),這就是地幔對流研究中的所謂"縱橫比予盾"。

有人認為把地幔對流限製在 700公裏深的上地幔內的根據是不充分的,因而主張全地幔對流。由于對流層的深度擴展到核幔邊界的2900公裏深處(圖2),板塊水準尺度與對流層深度之比為1的量級,縱橫比的矛盾就可以得到解決。70年代末80年代初,全地幔對流研究十分活躍,包括探討全地幔對流的特征及其與地表觀測資料的聯系,特別是已開始考慮三維效應。但是全地幔對流假說是否成立,還要由它能否解釋各種地球物理觀測資料來判定。

岩石層板塊在大洋中脊由熱地幔物質產生,在海溝處返回地幔,因而水準運動的岩石層板塊是地幔對流的組成部分。對流系統中應當同時包含具有不同流變性質的岩石層和軟流層物質。初步計算結果表明,岩石層在對流系統中出現,也使對流環的縱橫比更為合理。70年代末,這方面的研究工作還在不斷改進,以期得到與地表觀測更符合的結果。

意義

地幔對流中的上升流動對地球物理學有重要意義。它是從地球內部向地表輸送能量、動量和質量的主要途徑,被稱為地幔上涌流動或熱柱(圖3)。柱狀地幔上涌流有時也被稱為地幔涌流。上涌流動與大洋中脊裂谷和大陸裂谷的形成,地表熱點和火山現象密切相關,因而受到重視。

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