Der Mantel ist fest. Wie konnte die ozeanische Kruste in ihn eintauchen?

Zu Zhihu gibt es eine Frage: „Der Mantel ist fest. Wie konnte also die ozeanische Kruste in ihn hineinsinken?“

Meiner Meinung nach liegt dies an Unterschieden in der Dichte und Viskosität sowie an zwei sehr wichtigen Faktoren: Temperatur und Zeit . Lassen Sie es mich Ihnen langsam erzählen.

Kurzfassung

Nach heutigem Verständnis ist der Mantel tatsächlich fest, bei höheren Temperaturen und längeren geologischen Zeiträumen kann es jedoch zu einer relativen Strömung im Mantel kommen.

Aufgrund der langfristigen Entwicklung der ozeanischen Lithosphäre kommt es durch die allmähliche Abkühlung und Verdickung sowie durch Phasenwechsel des Gesteins zu einer Zunahme der Dichte, wodurch es in einer bestimmten Tiefe in den Mantel sinken kann, wo Dichte und Viskosität relativ gering sind.

Die frühe geologische Geschichte war möglicherweise vertikaltektonisch, und dann erfolgte der Übergang vom anfänglichen Plattentektonik- zum modernen Plattentektonik-Evolutionsstadium. Gerya, 2019

Teil 1

Die Macht der Zeit

Ich möchte zunächst über die Macht der Zeit sprechen.

Die geologische Entwicklung erstreckt sich oft über mehrere zehn Millionen Jahre, daher ist die zeitliche Perspektive sehr wichtig.

Auf einer größeren Zeitskala ist es genau so, wie der antike griechische Philosoph Heraklit sagte: Alles fließt .

Beispielsweise scheint eine Katze fest zu sein, kann aber fließen ... egal, ändern wir das Beispiel.

Beispielsweise wissen wir, dass ein Stück Teig, obwohl es fest ist, fließen kann.

Denn wenn der Teig eine Zeit lang stehen gelassen wird, fließt er herum und wird durch die Einwirkung seiner eigenen Schwerkraft und des atmosphärischen Drucks allmählich flacher.

Ohne großen Zeitaufwand können wir diesen Vorgang mit eigenen Augen überprüfen.

Ich konnte kein passendes Diagramm finden, also habe ich ein Käserheologiediagramm verwendet (der Fluss ist aufgrund der hinzugefügten Randbedingungen nicht so offensichtlich) | Silverstone, 2005

Aber wenn wir den Teig nur ein paar Sekunden lang anstarren, ist es schwer, Veränderungen zu bemerken.

Es sei denn, Sie sind Funes in Borges‘ Roman „Funes der Gelehrte“.

Funes hat ein außergewöhnliches Gedächtnis und kann sich an jedes Detail erinnern. Er braucht einen ganzen Tag, um sich daran zu erinnern, was an einem bestimmten Tag passiert ist, weil er sich an jedes Detail des Tages erinnern kann, als würde er sich eine Videowiederholung ansehen. Er konnte den stillen Fortgang des Verfalls beobachten. In seiner Welt ist die Entwicklung aller Dinge wie ein hochauflösendes Video mit doppelter Geschwindigkeit.

Funes beobachtete immer wieder, wie sich Karies, Zahnfäule und Ermüdung schleichend ausbreiteten. Er bemerkte den Verlauf von Tod und Feuchtigkeit:

Auf den ersten Blick sehen wir drei Weingläser auf einem Tisch; Funes kann alle Zweige einer Rebe, die Fruchtbüschel und jede einzelne Traube sehen. Er erinnerte sich an die Form des südlichen Sonnenaufgangs im Morgengrauen des 30. April 1882 und verglich sie in seiner Erinnerung mit der Beschaffenheit eines in Leder gebundenen Buches, das er nur einmal gesehen hatte, und mit den Wellen, die die Ruder der Boote am Vorabend des Rio Cabral im Rio Negro verursachten. Das waren nicht bloße Erinnerungen; Jedes visuelle Bild wurde mit einem Gefühl von Muskeln, Wärme oder Kälte usw. assoziiert. Er kann alle seine Träume verwirklichen. Zwei- oder dreimal stellte er die Situation eines ganzen Tages nach; nie nur vage, sondern jedes Mal dauerte es einen ganzen Tag ... Die Bilder, die wir vollständig wahrnehmen können, sind ein Kreis, ein rechtwinkliges Dreieck, eine Raute auf der Tafel; Ireneo konnte die wehende Mähne eines Pferdes wahrnehmen, das Aufbäumen eines Tieres auf dem Berg, die sich ständig verändernden Flammen und unzähligen Aschereste sowie die verschiedenen Gesichter der Verstorbenen während der langen Totenwache. Ich frage mich, wie viele Sterne er am Himmel sieht.

Wenn wir Funes' Fähigkeiten hätten, würde uns der Teig immer in die Augen fließen.

Nicht nur Wasser, Öl, Teig usw. können fließen, sondern auch Eis, Glas und Steine.

Die flüssigen Eigenschaften von Öl und Teig können in wenigen Minuten beobachtet werden;

Es dauert Wochen, Monate oder sogar Jahre, bis man den Fluss von Gletschern und Salzflüssen beobachten kann.

Fließender Gletscher

Über Jahrhunderte hinweg kann man sogar beobachten, wie Glas und Gestein fließen.

Beispielsweise wurde das Glas einiger mittelalterlicher Kathedralen in Europa verformt; In vielen alten Parks sind die Marmorbänke unter der langfristigen Einwirkung ihres eigenen Gewichts und des Gewichts der Touristen eingesunken und haben sich verbogen.

Die Zeit der geologischen Evolution wird üblicherweise in Millionen von Jahren (Ma) gemessen, und diese langsame Verformung wird als „Kriechen“ bezeichnet. Unter Gesteinsfluss versteht man in der Geologie die allmähliche und kontinuierliche Ansammlung von Verformungen, also den Prozess der plastischen Deformation.

Im Bild unten wird der Stein beispielsweise einer Kompression ausgesetzt, bricht jedoch nicht, sondern wirft stattdessen Falten.

Auch heute noch können wir diese Art von Faltstruktur in der freien Natur beobachten, doch die damalige Druckkraft ist längst verschwunden und gehört der Vergangenheit an, aufgezeichnet in den deformierten Gesteinen.

Diese Art der durch Krafteinwirkung verursachten Verformung, die auch nach Wegnahme der Kraft erhalten bleibt, wird üblicherweise als plastische Verformung bezeichnet.

Bei dieser plastischen Verformung handelt es sich eigentlich um das „Fließen“ des Gesteins unter Krafteinwirkung.

Sowohl der Mantel als auch die Lithosphäre sind fest, aber im Laufe geologischer Zeiträume fließen sie, und dieser Fluss wird in deformierten Gesteinen aufgezeichnet.

In kurzer Zeit können Sie problemlos ein Stück Schokolade in den Teig stopfen;

In ähnlicher Weise kann über lange Zeiträume hinweg auch ozeanische Lithosphäre durch Subduktion in den Mantel gelangen.

Viele Materialien sind zwar fest, verformen sich aber langsam, also über einen längeren Zeitraum. Auf bestimmten Zeitskalen verhalten sich viele Materialien wie Flüssigkeiten.

Der Begriff „ Viskosität “ wird üblicherweise verwendet, um die Fließfähigkeit einer Substanz zu beschreiben.

Teil 2

Ein bewegliches Fest – Viskosität

Unter Viskosität versteht man die Fließfähigkeit einer Substanz. Jede Flüssigkeit hat Viskosität.

Suchen Sie einfach im Internet nach einer Viskositätstabelle für gängige Substanzen:

Bei Raumtemperatur beträgt die Viskosität von Wasser 1 cP;

Bei 49 °C beträgt die Viskosität von Schokolade 17.000 cP.

Damit können wir die Unterschiede in der Fließfähigkeit gängiger Substanzen ertasten.

Wie oben erwähnt, können Gesteine ​​auf der geologischen Zeitskala auch fließen, daher haben Gesteine ​​auch eine Viskosität, diese Viskosität ist jedoch sehr hoch.

Wie groß ist es?

Die Viskosität von Wasser bei Raumtemperatur beträgt 1cP=10^-3Pa·S.

Die Viskosität von Gesteinen der oberen Erdkruste beträgt etwa 10^22Pa·S und unterscheidet sich damit um etwa 25 Größenordnungen von der Viskosität von Wasser bei Raumtemperatur.

Die Viskosität von Gestein unterscheidet sich um etwa 20 Größenordnungen von der Viskosität von Schokolade bei 49 °C.

Die Viskosität des Mantels beträgt etwa 10^21Pa·S.

Wie Sie sich vorstellen können, ist dies ohne die Perspektive der geologischen Zeitskala einfach unvorstellbar.

Auch die Temperatur ist ein wichtiger Faktor.

Die Temperatur hat einen erheblichen Einfluss auf die Viskosität des Gesteins.

Erhöhte Temperaturen verringern die Viskosität des Gesteins und machen es flüssiger.

Beispielsweise hat Glas bei Raumtemperatur eine hohe Viskosität und lässt sich nur schwer fließen. Bei Einwirkung einer äußeren Kraft bricht es eher, als dass es sich verbiegt.

Mit steigender Temperatur wird das Glas jedoch allmählich weicher, die Viskosität nimmt deutlich ab und es lässt sich leichter biegen.

Wie in der Abbildung unten gezeigt, steigt die Temperatur der Gesteine ​​in der Erdkruste im geologischen Zeitverlauf allmählich an (die Kruste wird dicker und die radioaktiven Elemente erwärmen sich). Nach 80 Millionen Jahren (80 Millionen Jahre später) kann die Viskosität von Granitgestein in einer Tiefe von 30 km um fünf Größenordnungen sinken.

Viskositätsänderungen einer doppelschichtigen Kruste mit Zeit-Temperatur-Anstieg | Gerya, 2002

Welche Kraft treibt also diesen Fluss an?

Die horizontale tektonische Kraft der Plattenbewegung ist wie eine unsichtbare Hand.

Untersuchungen lassen jedoch darauf schließen, dass die Schubkraft des Mittelozeanischen Rückens um eine Größenordnung geringer ist als die Widerstandskraft der abtauchenden Platte selbst.

Dieser Abwärtswiderstand ist die Schwerkraft, die im Wesentlichen durch Dichteunterschiede verursacht wird.

Teil 3

Klare Dinge schweben, während trübe Dinge kondensieren - Dichteunterschied

In der Geschichte der Drei Reiche fragte Qin Bi Zhang Wen, der vom Östlichen Wu gesandt worden war:

„Sir, Sie sind ein berühmter Gelehrter aus Ost-Wu. Da Sie mich nach den Angelegenheiten des Himmels fragen, müssen Sie in der Lage sein, die Prinzipien des Himmels zu verstehen. … Die leichten und klaren Dinge schweben nach oben und werden zum Himmel, und die schweren und trüben Dinge verdichten sich nach unten und werden zur Erde … Da der Himmel hell und klar ist und nach oben schwebt, warum neigt er sich nach Nordwesten? Ich weiß auch nicht, was es außer Licht und Klarheit sonst noch gibt. Ich hoffe, Sie können es mir beibringen.“ Zhang Wen konnte nicht antworten.

Es ist schade, dass der Wu-Gesandte Zhang Wen keine Geologie studiert hatte, sonst hätte er Qin Mi erklären können, warum „der Himmel sich nach Nordwesten neigte und die Erde nach Südosten sank“.

Unter ihnen heißt es: „Das Leichte und Klare schwebt empor und wird zum Himmel, und das Schwere und Trübe verdichtet sich nach unten und wird zur Erde.“ Dies ist das Grundprinzip der taoistischen Sicht des Himmels und der Erde, vom Chaos bis zur Unterscheidung zwischen klar und trüb. Tatsächlich handelt es sich um das archimedische Auftriebsprinzip, das durch den Dichteunterschied bestimmt wird.

Unten steht eine Tasse mit Öl. Gießen Sie Wasser auf das Öl. Nach einer Weile steigt das Öl auf und bleibt auf dem Wasser.

Umgekehrt kann man auch verstehen, dass Wasser unter Öl sinkt, was eine Dichteinversion darstellt – auch bekannt als Rayleigh-Taylor-Instabilität , ein sehr einfaches und leicht verständliches Prinzip. Rayleigh erhielt später 1904 den Nobelpreis für Physik (für seine Studien zur Gasdichte und seine Entdeckung von Argon).

Rayleigh und Taylor 1883, nur wenige Seiten sind auszugsweise wiedergegeben

Beispielsweise lassen sich viele Phänomene in der Geologie durch dieses Prinzip erklären, etwa der Diapirismus .

Magma kann diapirisieren, Salz kann diapirisieren, tiefe Gesteinsmischungen können diapirisieren und unter ultrahohem Druck stehendes Festgestein in einer Tiefe von 100 km kann an die Oberfläche diapirisieren.

Diese sind alle auf Dichteunterschiede zurückzuführen, die Auftrieb erzeugen.

Bildquelle links Mitte: Fossen, 2016; rechte Bildquelle: Marschall, 2012

Umgekehrt sinken schwere Objekte mit hoher relativer Dichte in Materialien mit geringer relativer Dichte ein, was in der Geologie als „ negativer Auftrieb “ bezeichnet wird.

Um es ganz deutlich zu sagen: Es bedeutet Untergang .

Es ist ersichtlich, dass akademische Arbeit häufig die Konzeptualisierung von Prinzipien des gesunden Menschenverstands beinhaltet.

Der Kollaps der Platte und ihr Absinken in den Erdmantel ist normalerweise auf negativen Auftrieb zurückzuführen.

Nehmen wir an, in einem relativ geschlossenen System werden einige Kieselsteine ​​auf den Schlamm gestreut. Unter der Einwirkung der Schwerkraft sinken die Kieselsteine ​​allmählich in den Schlamm.

Wenn die ozeanische Lithosphäre dichter ist als ein Teil des darunterliegenden Erdmantels, kann die ozeanische Kruste in den darunterliegenden Erdmantel einsinken, so wie ein Stein im Schlamm versinkt.

Die Frage ist also: Wie ist die Dichte der ozeanischen Lithosphäre im Vergleich zu der des Erdmantels?

Tatsächlich weist die ozeanische Lithosphäre, insbesondere die urzeitliche ozeanische Lithosphäre, eine etwas größere Dichte auf als der darunterliegende Erdmantel (zumindest größer als der Erdmantel in 100 km Tiefe).

Das Alter der ozeanischen Lithosphäre hängt mit ihrer Dicke zusammen. Je älter und dicker es ist, desto niedriger ist die Gesamttemperatur und desto höher ist die durchschnittliche Dichte. Dies sollte nicht schwer zu verstehen sein.

Dies wird zwei Auswirkungen auf den Subduktionsprozess des Ozeans haben:

(1) Die relativ hohe Dichte der ozeanischen Lithosphäre führt zu einer gravitativen Instabilität in der Übergangszone zwischen Ozean und Kontinent und leitet die ozeanische Subduktion ein.

(2) Nach Beginn der Subduktion ist die Schwerkraft der Platte umso stärker, je höher ihre Dichte ist, wenn sie in die Subduktionszone eintritt, und umso leichter ist es, tief in den Erdmantel abzutauchen.

Digitale Simulationsstudien haben ergeben, dass bei sonst unveränderten Faktoren mit zunehmendem Alter der ozeanischen Kruste in gleicher Tiefe die Gesamtdichte der abtauchenden Platte umso größer ist, je älter die ursprüngliche ozeanische Lithosphäre ist. Dies wiederum führt zu einer höheren Plattenspannung und einem größeren Subduktionswinkel der abtauchenden Platte.

Huangfu Pengpeng, 2016 (1 Ma = 1 Million Jahre)

Damit die ozeanische Lithosphäre in den unteren Erdmantel sinken kann, muss außerdem eine weitere Bedingung erfüllt sein: Die Viskosität des darunterliegenden Erdmantels muss gering sein.

Obwohl die Dichte von Stein größer ist als die von Kunststoff, ist es für Stein schwieriger, in Kunststoff einzusinken.

Wenn Sie den Kunststoff erhitzen und ihn dadurch weicher machen, also seine Viskosität verringern, sinkt der Stein in den Kunststoff ein.

Ebenso weist der tiefere, heißere Mantel eine geringere Viskosität auf, sodass die ozeanische Kruste ab einer bestimmten Tiefe in den Mantel einsinken kann.

Zusätzlich zu der oben erwähnten Situation, dass die ozeanische Lithosphäre älter wird und die Lithosphärendichte zunimmt,

Eine weitere sehr wichtige Veränderung ist der Phasenwechsel des Gesteins, der auch zur Entstehung einer bestimmten Gesteinsdichte führt.

Teil 4

Metamorphose - Gesteinsphasenwechsel

Kafkas repräsentatives Werk: Die Verwandlung, englische Übersetzung: Die Verwandlung.

In der Geologie lautet das Wort für Metamorphose „metamorph“.

Gregor, der Protagonist des Romans, wachte eines Morgens auf und stellte fest, dass er in einen riesigen Käfer verwandelt war.

Die Verwandlung vom Menschen zum Käfer ist offensichtlich nicht so einfach wie eine Metamorphose (Gestaltsänderung), auch die Art hat sich verändert. Dies ist eine „Metamorphose“, ein Phasenübergang.

Wenn Gesteine ​​unter höheren Temperaturen und Drücken bis zu einer bestimmten Tiefe subduziert werden, fließen sie nicht nur aufgrund der Ansammlung von Deformationen.

Es kommt auch zu Phasenänderungen oder Metamorphosen von Mineralen. Beispielsweise die Umwandlung von Basalt in Eklogit.

Dieser Prozess, ein Phasenübergang von Festkörper zu Festkörper, führt zu einer deutlichen Erhöhung der Gesteinsdichte.

Dieser chemische Phasenwechselprozess der Materialumwandlung ist auch der Antriebsmechanismus der physikalisch-mechanischen Bewegung, und der Antriebsmechanismus des Eklogit-Phasenwechsels wird als Eklogit-Motor bezeichnet.

Dichte und Scherwellengeschwindigkeitsschichtung der Kruste und des Mantels (a) und der Antriebskraftmechanismus des Eklogit-Delaminationszyklus (b) (modifiziert von Anderson, 2007 nach Li Sanzhong, 2019)

Nicht alle Eklogite sinken weiter, nachdem sie in den Mantel eingedrungen sind. In den meisten Fällen

In einer Tiefe von 410 km ist die Dichte des Eklogit geringer als die des umgebenden Erdmantels, sodass er sich in einer Tiefe von 410 km ansammelt und sammelt.

Natürlich gibt es Ausnahmen. Aufgrund von Faktoren wie Temperaturschwankungen und Phasenwechseln der Minerale können einige subduzierte Materialien bis zu einer Tiefe von 660 km weiter absinken.

Der Mantel in einer Tiefe zwischen 410 und 660 km, in der sich viele subduzierte Materialien sammeln, wird auch als Mantelübergangszone bezeichnet.

Diagramm des Hybridmantel-Konvektionsmusters | Li Jianghai, 2019, modifiziert nach Chen Jiuhua, 2016; Tackley, 2008

Ein Teil des subduzierten Materials kann sogar die Grenze zwischen Mantel und Kern erreichen.

Dies ist also das Schicksal des subduzierten Materials.

Durch seismische Tomographie aufgedeckte geometrische Merkmale der subduzierenden Platte in der Übergangszone | Li Jianghai, 2019. Modifiziert nach Goes, 2017

Neben der durch den Phasenwechsel erhöhten Gesteinsdichte gibt es noch einen weiteren Effekt: den Extraktionseffekt der partiellen Schmelze, der zu einer Erhöhung der Dichte des Restkörpers führt.

Wenn Gesteine ​​erhitzt werden, schmelzen einige Mineralien mit niedrigem Schmelzpunkt zuerst und verflüssigen sich. Unter der Einwirkung von Auftrieb oder Sickerwasser aufgrund tektonischer Spannungen wandern diese Flüssigkeiten zunächst, wenn sie schmelzen.

Unter Sickern versteht man das Ausdrücken eines wasserreichen Schwamms mit den Händen, und das austretende Wasser entsteht durch Sickern. Die restlichen Mineralien mit hohen Schmelzpunkten sind noch fest, wir nennen sie Restkörper. Diese Restkörper haben eine höhere Dichte, wodurch die Dichte der verbleibenden Gesteine ​​zunimmt.

Teilweises Aufschmelzen von Gestein, wobei die Schmelze (gelb) nach und nach abgebaut wird und ein Rest (grau) zurückbleibt | Olivier Vanderhaeghe, 2009

Dichte von teilweise geschmolzenem Gestein bei zunehmender Schmelzzusammensetzung | Olivier Vanderhaeghe, 2009

Ähnlich der Gesamtdichte einer Mischung aus Reis und Sand, die geringer ist als die Dichte von reinem Sand.

Noch ein paar Worte: Zusätzlich zur ozeanischen Lithosphäre, die in den Mantel absinkt, wird sich auch die Eklogitphase, die einen Gesteinsphasenübergang durchläuft, oder der untere Teil der kontinentalen Lithosphäre, der nach der Schmelzextraktion übrig bleibt, ablösen und in den Mantel absinken. Dieser Effekt wird als „Delamination“ bezeichnet.

Eine gängige Ansicht zur Zerstörung des Nordchinesischen Kratons ist beispielsweise die Delaminierung der Unterseite der Lithosphäre.

Chen Ling, 2020; Hu, 2018

Kurz gesagt, Gesteinsphasenänderungen und teilweise Schmelzrückstände werden zu einer weiteren Zunahme der Dichte der ozeanischen Lithosphäre führen, was den „Deformationsrekord“ der ozeanischen Lithosphäre darstellt.

Auf diese Weise kann die ozeanische Lithosphäre mit einer relativ hohen Dichte unter der Einwirkung eines „negativen Auftriebs“ in einem größeren Zeitrahmen in den Mantel mit einer relativ geringen Viskosität und Dichte in einer relativ großen Tiefe sinken.

Verweise auf diesen Artikel finden Sie in den Bildunterschriften.

Das oben Genannte stellt lediglich mein persönliches Verständnis und meine Lernerfahrung dar. Bitte verzeihen Sie mir, dass ich nichts Lächerliches getan habe.

Dieser Artikel stammt aus der Antwort von Zhihu @铜马弓手 auf "Der Mantel ist fest, also wie konnte die ozeanische Kruste in ihn hinein subduziert werden? Antwort auf

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