地幔对流

地幔对流是地球固体硅酸盐地幔非常缓慢的蠕动运动，作为对流将热量从内部带到行星表面。

地球表面的岩石圈位于软流圈之上，两者构成了上地幔的组成部分。 岩石圈被分成许多构造板块，这些板块在板块边界不断地被创造或消耗。 当地幔被添加到板块的生长边缘时，就会发生吸积，这与海底扩张有关。 扩张中心下方的上升流是地幔对流的上升部分。 添加到扩散中心的热材料在远离扩散中心时通过热传导和对流冷却。 在板块的消耗边缘，物质热收缩变得致密，在俯冲过程中通常在海沟处因自身重量下沉。 俯冲是地幔对流的下降分量。

这种俯冲物质沉入地球内部。 一些俯冲物质似乎到达了下地幔，而在其他地区，这种物质无法进一步下沉，这可能是由于从尖晶石到硅酸盐钙钛矿和镁白铁矿的相变，一种吸热反应。

俯冲洋壳引发火山活动，尽管基本机制各不相同。 火山活动可能是由于部分熔化的地幔增加浮力的过程而发生的，这将导致部分熔体由于其密度降低而向上流动。 由于板内伸展和地幔柱，二次对流可能导致地表火山活动。 1993年有人提出D层的不均匀性对地幔对流有一定影响。

地幔对流导致构造板块在地球表面移动。

在 20 世纪后期，地球物理学界就对流可能是分层的还是整体的进行了激烈的辩论。 尽管这场争论的要素仍在继续，但地震层析成像、地幔对流数值模拟和地球引力场检查的结果都开始表明“整个”地幔对流的存在，至少目前是这样。 在这个模型中，寒冷的俯冲海洋岩石圈从地表一直下降到核-地幔边界 (CMB)，而热羽流从 CMB 一直上升到地表。 这张图片强烈基于全球地震层析成像模型的结果，这些模型通常显示穿过地幔过渡带的板块和羽状异常。

尽管现在人们普遍认为俯冲板片穿过地幔过渡带并下降到下地幔，但关于地幔柱的存在和连续性的争论仍然存在，这对地幔对流的方式具有重要意义。 这场辩论与关于板内火山活动是由浅层上地幔过程还是由下地幔的羽流引起的争论有关。 许多地球化学研究认为，板内区域喷发的熔岩在成分上与浅层衍生的洋中脊玄武岩 (MORB) 不同。 具体来说，它们通常具有较高的 Helium-3 – Helium-4 比率。 作为原始核素，氦 3 不是在地球上自然产生的。 它还在爆发时迅速逃离地球大气层。 大洋岛玄武岩 (OIB) 升高的 He-3/He-4 比率表明它们必须来自地球的一部分，该部分以前没有像 MORB 来源那样被熔化和再加工。 这被解释为它们起源于一个不同的、混合程度较低的区域，被认为是下地幔。 然而，其他人指出，地球化学差异可能表明包含来自岩石圈的一小部分近地表物质。

在地球上，地幔内对流的瑞利数估计为 107 阶，这表明对流很旺盛。 该值对应于整个地幔对流（即从地球表面延伸到地核边界的对流）。 在全球范围内，这种对流的表面表现是构造板块运动，因此每年有几厘米的速度。 在岩石圈下方的低粘度区域发生的小规模对流速度可能更快，而在粘度较大的最下层地幔中速度较慢。 一个浅层对流周期大约需要 5000 万年，而更深的对流周期可能接近 2 亿年。

目前，全地幔对流被认为包括美洲和西太平洋下方的大范围下降流，这两个区域都有长期的俯冲历史，以及中太平洋和非洲下方的上升流，这两个区域都表现出与上升流一致的动态地形。