abs

ABSTRAK

Kami menyajikan gambaran dari hubungan antara dinamika mantel dan lempeng tektonik

mengadopsi pendapat mengenai lempeng adalah manifestasi permukaan yaitu bagian atas

lapisan batas termal dari konveksi mantel kita meninjau cara konveksi sederhana berkaitan

dengan pembentukan lempeng mengenai aspek rasio sel konveksi kekuatan yang

menggerakkan konveksi dan cara pemanasan internal yang bergantung pada viskositas yang

mempengaruhi konveksi Kami mengusut seberapa baik konveksi dasar menjelaskan lempeng

tektonik dengan acuan kekuatan dasar lempeng tarikan lempeng dan dorongan punggung bukit

adalah kekuatan konvektif bahwa struktur lantai samudera adalah karakteristik dari lapisan batas

termal seperti lempeng downwellings yang lazim pada aliran konvektif sederhana dan bahwa

lempeng dan hiasan fluks setuju dengan model dari pemanasan konveksi internal Suhu

tergantung viskositas atau batas resistif internal (misalnya melompat viskositas dan atau fase

transisi dikedalaman 660 km) juga dapat membesarkanukuran sel lempeng konveksi Akhirnya

kami melakukan peninjauan aspek lempeng tektonik dengan penjelasan yang buruk oleh teori

konveksi sederhana dan perkembangan yang dibuat dalam data perhitungan mereka Kami

meneliti kekuatan dari lempeng non-konvektif topografi dinamis deviasi struktur lantai

samudera dari lapisan batas termal dan gerakan perubahan lempeng secara tiba-tiba Distribusi

kekuatan lempeng dan pembentukan batas lempeng ditangani dengan mempertimbangkan

mekanisme rheologi litosfer kompleks Kami meneliti proses pembentukan konvergen divergen

dan strike-slip margin yang semuanya unik misterius Sesar geser Strike-slip pergerakan yang

sangat signifikan pada lempeng tetapi sangat lemah atau sepenuhnya tidak hadir dikonveksi

viskositas sederhana sudah memberikan penjelasan yang cukup Banyak masalah dalam

pembentukan batas lempeng tetap tidak terjawab sehingga masih banyak pekerjaan yang tersisa

untuk memahami hubungan antara lempeng tektonik dan konveksi mantel

1 PENDAHULUAN

Pada akhir 1930-an setelah pengenalan Teori Continental Drift oleh Alfred Wegener [Wegener

1924] beberapa mekanisme pergerakkan dari pergerakan nyata permukaan bumi yang diusulkan

Sementara Wegener mendalami tentang pasang surut dan kekuatan pole fleeing (yaitu

sentrifugal) Arthur Holmes dan lainnya menyatakan hipotesis bahwa konveksi termal di mantel

Bumi memberikan kekuatan yang diperlukan untuk mendorong gerakan benua [Holmes 1931

Hallam 1987] Dengan hinaan dan kematian teori Continental Drift maka dari itu dilakukan

kebangkitan dan revisi saat 30 tahun kemudian dalam bentuk Lempeng Tektonik [Morgan

1968] konveksi mantel masih secara luas diyakini sebagai mesin gerakan permukaan dan

memang untuk banyak alasan baik seperti yang akan kita lihat dalam ulasan ini [lihat juga ulasan

oleh Oxburgh dan Turcotte 1978] Namun masih belum ada teori fisik lengkap yang

memprediksi bagaimana pergerakan lempeng tektonik secara keseluruhan atau lebih tepat

disebabkan oleh konveksi mantel

Ada sedikit keraguan bahwa sumber energi langsung untuk lempeng tektonik dan

semua fitur yang menyertainya (gunung gempa bumi gunung berapi dll) adalah pelepasan dari

energi potensial gravitasi mantel melalui pembalikkan konvektif (dan tentu saja bahwa

pemanasan radiogenik dan pendinginan inti terus mengisi energi potensial gravitasi mantel itu)

Namun gambaran yang tepat tentang bagaimana gerakan lempeng yang disebabkan oleh

konveksi masih jauh dari sempurna Dengan pengakuan pentingnya tarikan lempeng dan

subduksi lempeng yang pada dasarnya adalah penyusupan pendinginan hal ini menjadi lebih

diterima secara luas bahwa lempeng merupakan bagian integral dari mantel konveksi atau lebih

tepatnya konveksi mantel [Davies dan Richards 1992] Bagaimanapun ide mengenai lempeng

muncul atau dihasilkan oleh konveksi mantel menghasilkan komplikasi baru dan pertanyaan

Mungkin yang paling sulit dari pertanyaan-pertanyaan ini menyangkut milik Sistem mantel-

litosfer yang memungkinkan bentuk konvektif aliran yang tidak seperti kebanyakan bentuk

konveksi termal berupa cairan (menyimpan mungkin danau lava Duffield 1972) yaitu

konveksi yang terlihat seperti lempeng tektonik di permukaan

Dalam tulisan ini kami meninjau kemajuan pada masalah bagaimana lempeng tektonik

itu sendiri dijelaskan oleh teori konveksi mantel Kami mulai dengan melakukan survei aspek

konveksi dasar dalam sistem fluida sederhana yang berlaku untuk lempeng tektonik Kami

selanjutnya membahas fitur-fitur dari lempeng tektonik yang cukup baik dijelaskan oleh teori

konveksi dasar Kami kemudian memeriksa fitur banyak lempeng tektonik yang buruk (atau

tidak sama sekali) dijelaskan oleh konveksi sederhana dan dalam hal itu kita membahas

kemungkinan fisika baru yang diperlukan untuk meningkatkan (dan dalam beberapa kasus

mengubah secara radikal) teori sekarang konveksi mantel Tulisan ini bukan hanya sebuah ulasan

dan tutorial pada aspek konveksi yang relevan untuk lempeng tektonik juga memberikan

penjelasan betapa sedikit kita tahu tentang penyebab gerakan tektonik dan masih banyak sisa

pekerjaan pada permasalahan serius pemersatu teori lempeng tektonik dan konveksi mantel

2 KONVEKSI DASAR

Konveksi termal dasar dalam bentuk cairan merupakan paradigma fundamental diri

organisasi dalam sistem nonlinear [Nicolis 1995] Organisasi diri tersebut ditandai oleh paksaan

homogen sederhana yang belum ditenangkan atau sistem mobile (yaitu yang partikel dapat

bergerak) jauh dari keseimbangan (misalnya dengan pemanasan atau pengenaan kimia

disequilibrium) dalam banyak kasus sistem dapat mengembangkan pola yang kompleks dan

berosilasi atau kacauan perilaku duniawi Dalam konveksi termal dasar misalnya lapisan cairan

dipanaskan secara seragam dan kemudian terorganisir mengembangkan pola poligonal dan sel-

sel termal dingin dan panas Memang pembentukan lempeng tektonik selalu membentuk

konvektif organisasi diri

Meskipun fenomena konveksi pertama kali diakui oleh Count Rumford [1870] dan

James Thomson [1882] (saudara William Thomson Lord Kelvin) sistematik studi eksperimental

pertama dari konveksi dasar dilakukan oleh Henri Benard pada lapisan tipis spermaseti (lemak

paus) dan parafin [Benard 1900 1901] Percobaan Bernard menghasilkan gambaran luar biasa

dari pola madu-disisir dan struktur selular vertikal Setelah John William Strutt Lord Rayleigh

gagal secara teoritis menjelaskan percobaan dengan teori stabilitas hidrodinamika [Rayleigh

1916] akhirnya menyimpulkan bahwa Benard telah menyaksikan tidak

konveksi termal tapi (karena lapisan tipis dari spermaseti

terkena udara) permukaan-ketegangan didorong konveksi juga

dikenal sebagai Marangoni konveksi [Pearson 1958 melihat Berg et

al 1966] Ketika percobaan konveksi termal yang

dilakukan dengan benar mereka ditemukan diprediksi sangat baik

oleh teori Rayleigh [lihat Chandrasekhar 1961 bag2

1048576 18] Namun demikian konv eksi dalam lapisan tipis cairan dipanaskan

bersama basisnya masih disebut Rayleigh-Benard (dan sering hanya

47 Batas divergen pegunungan dan penyempitan dan desakan pasif

Dasar konveksi memprediksi bahwa dorongan terjadi sebagai salah satu kenaikan aktif

kumpulan kolumnar dibawah daya apung atau sebagai latar belakang dari kenaikan desakkan

pasif dalam menanggapi penurunan fluks dari konsentrasi pendinginan suhu Tidak ada tempat

dalam teori konveksi dasar atau tidak terjadi konsentrasi pemodelan hanya dorongan pasif yang

dangkal (yaitu yang meningkat dalam menanggapi litosfer menyebarkan gerakan bukan karena

daya apung mereka sendiri) analog dengan pegunungan [Lachenbruch 1976 Bercovici dkk

1989] Bahwa semua pegunungan ditengah laut melibatkan desakkan pasif yang ridak

semestinya universal [Lithgow-Bertelloni dan Silver 1998a] Bagaimanapun tercepat dan bisa

dibilang sebagai punggung bukit yang paling signifikan Pasifik Rise Timur hampir seluruhnya

tanpa anomaly gravitasi menyiratkan dangkal dukungan isostatic dan sehingga tidak ada arus

desakkan saat proses pengangkatan [Davies 1988b] (Meskipun interpretasi gravitasi adalah

nonunique berkurangnya gravitasi udara bebas tanda anomali fitur topografi menunjukkan

bahwa bidang gravitasi dari kelebihan massa topografi sedang dibatalkan oleh bidang defisit

massa di sekitarnya Defisit ini paling mudah terkait dengan akar isostatic apung dan dangkal

dimana fitur topografi mengambang) Selain itu 90 dari struktur geoid bumi (equipotenial

permukaan) dapat dijelaskan oleh tarikan gravitasi dari anomali massa karena hanya untuk

lembaran menyiratkan massa anomali lainnya misalnya yang disebabkan oleh desakkan

kenaikkan aktif sebagai tanda [Ricard dkk 1993]

Penyebab dan inisiasi pegunungan yang sempit diibaratkan seperti teka-teki sebagai

masalah subduksi Orientasi punggung lebih atau kurangnya cermin zona subduksi sebagai

pasokan nantinya sehingga dapat diinisiasikan sebagai lokalisasi regangan seperti rencana

kestabilitasan terfokus [Ricard dkk 1986] atau sedikit kesederhanaan pengangkatan efektif

pada litosfer Ini menunjukkan bahwa tekanan dilitosfer disebabkan oleh peregangan lempeng

dipandu jarak cukup sehingga mereka dapat berkonsentrasi pada daerah khusus (jika tidak rilis

terus menerus dan difusi tekanan dimanifestasikan sebagai pendistribusian - dan dengan

demikian sangat tidak adanya pegunungan seperti deformasi) Pendinginan litosfer keutamaan

dari perubahan suhu kebajikan viskositas tergantung suhu membuat konsep tekanan yang

masuk akal lokalisasi regangan disebabkan variasi mekanisme umpan balik nonlinear misalnya

rencana regangan di Non-Newtonian - pelunakan menengah atau dengan melemahnya karena

kehadiran magma (yang disebabkan oleh tekanan pelepasan pelelehan pada dorongan pasif) atau

menelan volatil (misalnya air yang keduanya memberikan pelumasan dan memfasilitasi leleh

dengan mengurangi suhu leleh Hirth dan Kohlstedt [1996]) Bahwa lokalisasi regangan terjadi

karena kerapuhan pada litosfer lagi mungkin tidak mungkin (lihat sect 451) Akhirnya konsep

tekanan dan lokalisasi regangan merupakan mekanisme pembentukkan punggung bukit

determinasi fisika dari jarak yang mana tekanan dikonsep sebelum membentuk punggung bukit -

jarak yang juga menentukan ukuran lempeng - tidak jelas dan tetap menjadi daerah penelitian

48 batas strike-slip generasi gerak toroidal

Margin strike-slip generasi Sementara upwellings downwellings divergen dan

konvergen zona di konveksi dasar mungkin atau mungkin tidak muncul persis dalam bentuk

lempeng tektonik-konveksi dilihat pada Bumi mereka setidaknya memang ada di kedua bentuk

konveksi Namun seperti yang disebutkan sebelumnya dalam makalah ini sementara strike-slip

gerak (yaitu aliran toroidal yang juga termasuk piring spin) adalah sangat signifikan dalam gaya

piring-tektonik bumi konveksi - Terdiri mungkin sebanyak 50 dari piring bersih energi kinetik

tergantung pada pilihan kerangka acuan [Hager dan OConnell 1978 1979 1981 OConnell et

al 1991] (lihat Gambar 3) - itu tidak ada sama sekali di dasar konveksi dengan rheologies

sederhana (yaitu dengan konstan atau kedalaman tergantung viskositas) dan sangat lemah dalam

konveksi dengan rheologies sedikit lebih kompleks (misalnya dengan temperaturedependent

viskositas) Dengan demikian koreksi konveksi dasar Teori yang diperlukan untuk mendapatkan

strike-slip gerak adalah trivial ini karena tidak hanya masalah menyesuaikan bentuk bidang

konvektif (poloidal) aliran yang ada tapi entails memperoleh medan aliran yang sama sekali

baru yang tidak akan dinyatakan existof gerak toroidal

Sebuah aspek yang sangat dasar tetapi penting gerak toroidal adalah bahwa hal itu tidak

dapat terjadi dalam dimensi dua (2-D) model konveksi (yaitu model dengan hanya dan

koordinat) Sejak aliran toroidal terjadi sebagai jenis pusaran gerak dalam pesawat

(lihat Gambar 7) dan karena konveksi didorong oleh daya apung Pasukan yang menunjuk ke

arah model aliran dengan konveksi dan gerak toroidal membutuhkan tiga arahsehingga hanya

3-D model konveksi dapat memperoleh gerak toroidal Model-dimensi dua gerak litosfer di

Pesawat yang mampu menghasilkan gerak toroidal [Bercovici 1993 1995a] seperti dibahas di

bawah namun ini tidak secara eksplisit melibatkan konveksi termal Kriteria penting lain untuk

gerak toroidal seperti pelat adalah bahwa hal itu menjadi nyata dalam sempit tapi band intens

strike-slip geser yang adalah apa deformasi pada suatu kesalahan akan terlihat seperti

49 Tumbukan Lempeng atau Patahan

Salah satu cara merangsang gerak toroidal dalam aliran mantel adalah untuk

menerapkan gerak piring dipermukaan sebuah mantel isoviscous memberlakukan strike-slip

gerak pada kekuatan permukaan toroidal gerak dalam cairan atau matematis berbicara ia

menyediakan kondisi batas untuk (5) yang menghasilkan nilai-nilai non-null dari [misalnya

Hager dan OConnell 1978 1979 Bunge dan Richards 1996] Ini Metode aliran mantel piring-

driven telah menghasilkan varietas prediksi sukses misalnya pengamatan bahwa aliran baris

gerak paksa berkorelasi dengan slab dip [Hager dan OConnell 1978] Pendekatan konsisten diri

mungkin lebih adalah untuk mendorong gerak piring dengan daya apung didorong (poloidal)

aliran yang tractions pada dasar piring yang pertama disediakan oleh aliran poloidal dan

kemudian piring yang dihasilkan gerak kemudian mendorong aliran toroidal Metode ini dapat

digunakan untuk menyimpulkan kepadatan dan viskositas struktur mantel ini dengan

memecahkan untuk anomali massa internal dan viskositas stratifikasi yang memberikan gerakan

lempeng yang diamati serta geoid dan topografi diamati [Hager dan OConnell 1981 Ricard et

al 1988 1989 1993 Ricard dan Vigny 1989 Ricard dan Bai 1991 Ricard dan Froidevaux

1991 Vigny dan Ricard 1991 Lithgow-Bertelloni dan Richards 1998] Hal ini juga

memungkinkan untuk menggunakan teknik ini untuk mendorong piring dan gerak toroidal

dengan konveksi termal [Gable et al1991] model menggunakan metode ini memberikan

wawasan tentang bagaimana toroidal dan konvektif aliran poloidal co-berevolusi dan hidup

berdampingan Namun metode menggunakan geometri pelat ditentukan tidak bisa mengatasi

masalah bagaimana piring dihasilkan

Sebuah langkah lebih jauh menuju generasi diri konsisten piring adalah untuk

memaksakan kesalahan atau zona lemah sempit di sebuah litosfer yang baik ignimbrit mantel

convecting [Zhong dan Gurnis 1995a b] atau bergerak di bawah gradien tekanan sendiri

[Zhong dan Gurnis 1996 Zhong dkk 1998 lihat juga Gurnis et al 1999 buku ini] Pendekatan

ini dimotivasi sebagian besar oleh fakta bahwa banyak zona lemah bertahan dalam litosfer untuk

waktu yang lama dan selalu tersedia untuk diaktifkan kembali oleh pasukan konvektif Konsep

ini ditujukan bawah di 1048576 486 dan secara lebih rinci dalam Gurnis dkk [1999 ini Volume]

Dalam model ini gerak lempeng-seperti yang terbaik dihasilkan oleh kesalahan rendah gesekan

dan arah gerakan yang tidak semata-mata ditentukan oleh konvektif (atau piring) pasukan

maupun kesalahan orientasi gerak litosfer bukan mengasumsikan beberapa konfigurasi optimal

yang mengambil keuntungan terbaik dari orientasi dari kedua pasukan dan kesalahan (Plat 4)

Umumnya gerak akan mengatur sendiri sehingga strike-slip geser terjadi sepanjang kesalahan

gesekan rendah (lihat pembahasan di bawah 1048576 484 pada tujuan aliran toroidal) dan dengan

demikian menghasilkan model gerak toroidal signifikan

Namun metode yang dijelaskan di atas secara permanen meresepkan piring atau

kesalahan geometri dan dengan demikian metode ini tidak mengizinkan piring atau piring batas

diri untuk berkembang dari aliran konvektif Seperti dengan model konveksi 2-D yang berusaha

untuk menghasilkan plateness 3-D model yang mencoba untuk menghasilkan gerak toroidal

(serta plateness) dari aliran konvektif menggunakan pendekatan kontinum dengan variabel

viskositas [misalnya kaula 1980 Christensen dan Harder 1991 Ribe 1992 Cadek dkk 1993

Balanchandar dan Yuen 1995a b Bercovici 1993 1995a b 1996 1998 Zhang dan Yuen

1995 Tackley 1998 1999 buku ini Weinstein 1998 Trompert dan Hansen 1998]

482 Mengapa viskositas variabel diperlukan untuk gerakan toroidal

Alasan bahwa generasi gerak toroidal dalam model kontinum membutuhkan viskositas

variabel agak matematika dan dengan demikian menjamin beberapa pengembangan teoritis

Seperti yang ditunjukkan sebelumnya (1048576 27) jika viskositas konstan arus apung-driven kental

(dengan batas-batas homogen) gerakan toroidal adalah nol (lihat persamaan (5)) Jika viskositas

adalah variabel maka bukannya persamaan untuk aliran toroidal menjadi homogen seperti dalam

(5) kami memiliki

(Masukin Persamaan 12)

(Dimana [hellip]t menyiratkan transpose dari tensor sebuah)

Sehingga bidang toroidal dipaksa internal (yaitu dalam cairan) jika jika kondisi ini tidak

terpenuhi maka sisi kanan (12) adalah nol mengarah ke solusi null untuk Seperti dalam (5)

Ini mungkin menyebabkan satu untuk percaya bahwa gerakan toroidal dapat dihasilkan untuk

setiap viskositas variabel termasuk satu yang bergantung hanya pada kedalaman (yang mungkin

terjadi karena stratifikasi alami dan kompresi dari mantel batu) Namun hal ini tidak terjadi

Untuk menjamin bahwa bidang toroidal memperoleh beberapa energi dari konveksi bahkan

secara tidak langsung kami mengharuskan bidang poloidal konvektif muncul di sisi kanan (12)

yaitu bidang poloidal mendapat energi dari daya apung konvektif (lihat (4)) dan kemudian

melewati beberapa energi ini untuk bidang toroidal melalui gradien viskositas Namun bidang

poloidal tidak muncul sama sekali dalam (12) jika hanya fungsi dari ketinggian Oleh karena

itu bidang toroidal hanya pasangan konveksi termal melalui bidang poloidal jika yaitu jika

viskositas setidaknya horizontal variabel Kebutuhan untuk viskositas variabel lateral dapat

dipahami secara kualitatif juga Jika pasukan konvektif menarik atau mendorong lapisan batas

termal atas dan bagian dari lapisan batas ini lemah maka daerah yang lemah cenderung untuk

bergerak atau berubah bentuk lebih mudah daripada zona kuat tetangga Diferensial gerak antara

yang kuat dan zona lemah dapat menyebabkan strike-slip tipe geser dan toroidalmotion (lihat

Gambar 2)

483 Apa viskositas variabel memberikan baik plateness dan aliran toroidal

Sebagaimana dicatat sudah dalam makalah ini viskositas adalah variabel berdasarkan

menjadi tergantung pada negara termodinamika keadaan stres dan komposisi cairan Namun

demikian tergantung suhu viskositas dengan sendirinya mungkin tidak mampu menghasilkan

aliran toroidal diperlukan dan plateness Sejumlah penelitian dasar 3-D konveksi dengan

viskositas suhu-dependent menghasilkan sedikit gerak seperti pelat biasanya dengan plateness

diabaikan dan energi kinetik toroidal pada urutan 10 atau kurang dari total [Christensen dan

Harder 1991 Ogawa et al 1991] (Ingat gerak toroidal di Bumi memiliki kemungkinan

sebanyak 50 dari energi kinetik bersih dari piring) Alasan model ini menghasilkan gerak

toroidal kecil kemungkinan karena lapisan batas termal atas menjadi terlalu dingin dan kaku

untuk mengizinkan gerak tambahan seperti aliran toroidal Hal ini juga mungkin mencerminkan

fakta bahwa sejak kedua viskositas dan daya apung tergantung pada suhu bidang viskositas dan

aliran poloidal berada dalam fase dimana gradien viskositas orthogonal terhadap aliran poloidal

mungkin diperlukan untuk menghasilkan arus toroidal (misalnya catatan di Plate 2 bahwa strike-

slip geser berkonsentrasi lebih gradien viskositas hanya karena gradien ini tegak lurus terhadap

aliran konvergen dalam lapisan apung atas) Dengan demikian heterogenitas yang diperlukan

viskositas mungkin timbul dari mekanisme rheologi nonlinear lainnya

Mengingat keberhasilan menciptakan plateness terhormat dari non-Newtonian power-

hukum atau plastik rheologies dalam model konveksi 2-D maka bisa dipastikan bahwa

rheologies serupa akan menghasilkan gerak toroidal signifikan dalam model konveksi 3-D

Namun ini tampaknya tidak menjadi kasus Model menggunakan rheologies power-hukum

(bahkan dengan indeks yang terlalu besar kekuatan-hukum 3 ) Atau rheologies plastik

menghasilkan sedikit arus toroidal piring-seperti (yaitu zona strike-slip geser cenderung luas dan

menyebar) [Christensen dan sulit 1991 Bercovici 1993 1995a Cadek dkk 1993 Tackley

1998 cf Trompert dan Hansen 1998] plateness dan aliran toroidal

Telah diusulkan bahwa jenis galur-pelunakan reologi power-hukum tidak cukup untuk

membangkitkan aliran seperti pelat dan sebaliknya bahwa diri pelumas reologi diperlukan untuk

menghasilkan gerakan seperti [Bercovici 1993 1995a] Sebuah reologi diri pelumas melibatkan

hukum konstitutif yang bertindak seperti normal cairan yang sangat kental pada regangan-

tingkat rendah tetapi pada tingkat regangan yang lebih besar viskositas melemah begitu pesat

dengan meningkatnya laju regangan yang sangat resistensi terhadap aliran itu sendiri - yaitu

stres - menurun [Whitehead dan Gans 1974] reologi ini paling hanya diwakili oleh hukum

konstitutif

(masukin persamaan 13)

mana 1048576 adalah strain-tingkat di mana stres mencapai maksimum dan mulai menurun

dengan meningkatnya ketegangan-tingkat (Gambar 10) Ketika digunakan dalam berbagai

model aliran (yang memungkinkan gerak di pesawat dan aliran sehingga toroidal) Imbal

hasil reologi pelumas diri lebih seperti pelat gerak toroidal dari melakukan rheologies power-

hukum [Bercovici 1993 1995a Tackley 1998] (lihat Gambar 5 Plat 6) Sebagai tambahan

untuk menghasilkan gerak toroidal cukup model ini dengan rheologies diri pelumas juga

menghasilkan plateness tinggi [Bercovici 1993 1995a Tackley 1998] dan bahkan

menyarankan pembentukan upwellings pasif relatif sempit [Tackley 1998] sesuatu yang sampai

saat itu tidak pernah dicapai dalam model cairan Namun tak satu pun dari model-model yang

telah mempekerjakan diri pelumas reologi [Bercovici 1993 1995a Tackley 1998 lihat juga

Tackley 1999 buku ini] eksplisit melibatkan konveksi termal melainkan meresepkan bidang

poloidal atau daya apung Selain itu kesulitan teknis dengan

pelumas diri reologi adalah bahwa hal itu dapat menyebabkan diri focussing zona lemah untuk

skala sub-grid dalam perhitungan numerik [Tackley 1998] sehingga implementasi praktis dari

reologi ini mungkin memerlukan beberapa sewenang-wenang kliping dari bidang viskositas

efektif pada rendah nilai-nilai Namun demikian studi ini menunjukkan bahwa model mekanik

cairan dapat menghasilkan gerak toroidal seperti pelat dan bahwa reologi diri pelumas cukup

berhasil memperoleh arus seperti pelat

484 Bagaimana bentuk gerak toroidal

Model kontinum yang menghasilkan gerak toroidal dari prinsip pertama

memungkinkan kita untuk mengatasi pertanyaan penting Mengapa bentuk gerak toroidal di

tempat pertama dan apa peran apakah itu bermain Sejak gerakan poloidal melibatkan

upwellings dan downwellings dapat meningkatkan penyerapan energi sendiri dengan

meningkatkan tingkat di mana energi potensial gravitasi dilepaskan efek umpan balik ini tentu

saja alasan bahwa lapisan dipanaskan pergi konveksi tidak stabil di tempat pertama Namun

aliran toroidal hanya menghilang energi yang diberikan karena melibatkan gerak murni

horisontal tidak secara eksplisit meningkatkan pelepasan energi gravitasi juga tidak dengan cara

yang sama panas transportasi dan langsung memfasilitasi pendinginan cairan Dengan semua

penampilan bidang toroidal adalah berlebihan Namun itu adalah di mana-mana di Bumi dan

mudah dihasilkan dalam model cairan dengan non-Newtonian (terutama pelumas diri)

rheologies

Alasan bahwa gerak toroidal dihasilkan tampaknya berhubungan dengan efisiensi

termodinamika aliran permukaan Pemeriksaan total disipasi kental dalam model kontinum

Bercovici [1993 1995a] menunjukkan bahwa meskipun medan aliran toroidal ditambahkan ke

bidang poloidal konveksi didorong itu sebenarnya membuat sistem kurang disipatif daripada

jika itu tidak hadir [ Bercovici 1995b] yaitu generasi gerak toroidal meningkatkan efisiensi

gerak permukaan Hasil ini dapat hanya ditafsirkan bahwa bidang toroidal menetapkan dirinya di

zona difokuskan pemogokan tergelincir geser yang bertindak sebagai pemandu gerak dilumasi

Sebagian besar di luar cairan dari zona ini gerak toroidal intens tetap relatif undeformed dan

dengan demikian memerlukan sedikit disipasi Dalam zona ini deformasi mungkin intens tetapi

viskositas sangat rendah sehingga disipasi kecil Selain itu zona deformasi yang idealnya begitu

sempit dan melibatkan begitu sedikit Volume bahwa mereka membuat sedikit kontribusi untuk

disipasi total yang dihasilkan di seluruh media Hal ini berkorelasi dengan penelitian oleh Zhong

dan Gurnis [1996] dan Zhong et al [1998] yang menunjukkan bahwa arus konveksi yang

optimal terjadi ketika strike-slip gerak berkonsentrasi pada kesalahan gesekan

485 Plateness dan gerak toroidal tidak sepenuhnya terkait

Sementara viskositas variabel merupakan persyaratan untuk kedua plateness dan aliran

toroidal itu tidak berarti bahwa mereka adalah manifestasi dari fenomena yang sama Misalnya

model aliran mantel dengan kesalahan yang dikenakan dapat menghasilkan gerak toroidal

signifikan dalam litosfer jika kesalahan yang sangat lemah Namun plateness dapat menjadi

miskin jika viskositas astenosfer yang mendasari terlalu tinggi [Zhong et al 1998] Hal ini

terjadi karena sangat piring seperti arus (yaitu dengan plateness besar dan gerak toroidal)

tampaknya terjadi jika zona lemah atau kesalahan dapat memisahkan litosfer di salah satu sisi

yang lemah zona kesalahan dari yang lain Namun astenosfer kental mentransmisikan tekanan

(yang biasanya dipisahkan di seluruh kesalahan) dari satu sisi kesalahan yang lain menyebabkan

litosfer untuk merusak melemahkan (melalui perilaku non-Newtonian) dan mencapai plateness

rendah respon bahkan ketika keseluruhan gerak strike-slip tetap signifikan (A decorrelation

serupa tetapi kurang ilustrasi plateness dan gerak toroidal ditemukan oleh Bercovici [1995a])

486 Sesaat dan waktu tergantung reologi dan benar mekanisme self-pelumas

Hingga kini telah kita bahas penggunaan strain-tingkat-(atau ekuivalen stres) reologi

tergantung dan di antara rheologies seperti yang paling sukses hingga saat ini untuk

menghasilkan gerak seperti pelat tampaknya mekanisme self-pelumas Namun ada dua masalah

dalam pendekatan ini sejauh ini 1) seperti yang ditunjukkan oleh Zhong et al [1998] dan Gurnis

dkk [1999 buku ini] rheologies tergantung ketegangan-tingkat ini rheologies seketika

meskipun batas lempeng yang lemah tidak instan dibentuk dan 2) reologi diri pelumas adalah

parameterisasi ad hoc fisika yang lebih kompleks Bahkan kedua masalah dan solusi yang

mungkin mereka yang erat terkait

Reologi eksplisit ketegangan-tergantung tingkat disebut seketika karena viskositas

hanya menanggapi medan regangan-tingkat seketika Zona demikian lemah (apa yang kita suka

menyebutnya batas lempeng) hanya ada selama mereka sedang cacat sekali deformasi berhenti

batas-batas berhenti Namun diketahui bahwa sementara batas lempeng baru terus dibentuk

yang tidak aktif lama bertahan sebagai kain di litosfer dan bahkan memberikan zona lemah

intrinsik yang situs di mana untuk mengaktifkan kembali deformasi disukai Dengan demikian

batas memiliki memori mereka dapat tetap lemah bahkan tanpa cacat dan dapat dipindahkan

sekitar dengan bahan di mana mereka tertanam Ini berarti bahwa kelemahan adalah properti

diangkut sebenarnya seperti suhu atau konsentrasi kimia Selain itu zona lemah tersebut dapat

bertahan untuk waktu yang sangat panjang mungkin lebih lama dari skala waktu konvektif

khas tahun (waktu konvektif terbalik khas) [lihat Gurnis et al 1998 buku ini] ini

menunjukkan bahwa properti yang menentukan kelemahan batas lempeng mematuhi skala waktu

yang lebih panjang daripada konveksi [lihat Bercovici 1998]

Yang batas lempeng disebabkan oleh beberapa properti bahan melemahnya daripada

respon reologi seketika sebenarnya berkorelasi dengan asal-usul mendasar dari reologi pelumas

diri Hukum reologi dinyatakan dalam (13) sebenarnya sederhana satu dimensi (1-D)

representasi mapan [Whitehead dan Gans 1974 Bercovici 1993] dari mekanisme self-

pelumasan klasik yang melibatkan kopling pemanasan kental dengan suhu viskositas tergantung

[Schubert dan Turcotte 1972] Dalam mekanisme self-pelumasan deformasi menyebabkan

pemanasan gesekan yang menghangatkan dan melemahkan material zona lemah lebih mudah

cacat menyebabkan konsentrasi deformasi dan karena itu lebih pemanasan melemahnya dll

Dalam hal ini zona lemah sesuai dengan temperatur anomali dan dengan demikian bertindak

suhu sebagai properti tergantung waktu diangkut yang sejarahnya dapat dipertahankan untuk

jangka waktu yang terbatas

Namun ketika pemanasan kental ini berdasarkan waktu tergantung mekanisme

pelumasan diri dimasukkan ke dalam model arus tidak sama sekali berhasil menghasilkan skala

besar gerakan seperti pelat [Balachandar et al 1995a b Zhang dan Yuen 1995 Bercovici

1998] Kurangnya gerak lempeng mungkin terjadi karena suhu anomali karena disipasi viskos

umumnya tidak sepenting anomali suhu karena pemanasan yang powering konveksi (misalnya

pemanasan dari inti atau pemanasan lebih penting radiogenik) Dengan demikian penurunan

suhu di seluruh lapisan dingin batas termal atas biasanya jauh lebih besar daripada anomali suhu

akibat pemanasan kental menyebabkan lapisan batas ini untuk terus menjadi kaku dan bergerak

Dalam beberapa kasus pemanasan kental bisa signifikan pada skala kecil di konveksi dan

dengan tergantung suhu viskositas dapat menyebabkan focussing geser dan konsentrasi

sederhana gerak toroidal pada skala lokal [Balachandar et al 1995a b Zhang dan Yuen 1995]

Namun gerakan permukaan dan distribusi kekuatan diciptakan tidak piring jelas seperti dan

energi toroidal global biasanya sangat kecil Apalagi jika zona lemah bumi hanyalah anomali

suhu (dan kebetulan tidak kewalahan oleh anomali suhu konvektif) mereka akan menyebar jauh

di urutan beberapa juta tahun paling beberapa ratus juta tahun (dengan asumsi batas lempeng

yang - ) difusivitas lebar dan termal () $ +)) yaitu hidup mereka akan

menjadi urutan yang sama atau lebih pendek dari skala waktu konvektif yang tidak diamati

[Gurnis et al 1998 buku ini] Akhirnya jika batas lempeng khususnya strike-slip margin yang

disebabkan oleh pemanasan kental maka mereka harus dimengerti dengan pengukuran panas-

aliran Namun ini umumnya meskipun tidak menjadi kasus [Lachenbruch dan Sass 1980 cf

Thatcher dan Inggris 1998]

Mekanisme diri pelumas melibatkan sifat melemahnya lainnya tentu saja juga mungkin

Satu didokumentasikan mekanisme geser lokalisasi melibatkan ukuran butir reologi tergantung

dan rekristalisasi dinamis [Karato 1989] Meskipun ini adalah mekanisme yang cukup rumit

efek pelumas diri mungkin bergantung pada fakta bahwa pada tegangan rendah reologi silikat

sebagian besar dikendalikan oleh difusi merayap di mana viskositas tergantung pada ukuran butir

(seperti yang viskositas berkurang dengan menurunnya ukuran butir) Dalam proses difusi creep

kristal bermetamorfosis dalam menanggapi tarik atau tegangan tekan Namun rekristalisasi dan

pertumbuhan butir terjadi hingga ukuran kristal maksimum yang itu sendiri berbanding terbalik

tergantung pada stres untuk beberapa kekuatan Jadi di daerah stres yang lebih tinggi kristal baru

membentuk dengan ukuran yang lebih kecil menyebabkan viskositas di wilayah berkurang Ini

zona viskositas menurun merupakan kelemahan yang deformasi berkonsentrasi menyebabkan

tekanan yang lebih tinggi ukuran butir direkristalisasi dengan demikian lebih kecil viskositas

lebih kecil konsentrasi tegangan lebih dan sebagainya (Lihat Karato [1989] dan Jin et al [1998]

untuk penjelasan lebih ketat Lihat juga Kameyama et al [1997] Dan Tackley [1999] buku ini)

Shear lokalisasi karena mekanisme umpan balik ini didokumentasikan dengan baik di bukti

lapangan di zona geser litosfer benua [misalnya Jin et al 1998] Model teoritis dari zona geser

incorporting mekanisme ini telah menghasilkan ketegangan-lokalisasi [Kameyama et al 1997]

meskipun lokalisasi hanya terjadi transiently dan membutuhkan penambahan pemanasan kental

dan viskositas termal diaktifkan Namun skala waktu mengendalikan mekanisme ini yaitu

untuk pertumbuhan butir relatif pendek [Karato 1989] dan dengan demikian mungkin tidak bisa

sendiri menghasilkan batas lempeng berumur panjang

Mekanisme alternatif yang menarik namun agak spekulatif melibatkan menggunakan

air sebagai agen melemahnya ini tentu saja mengingatkan hipotesis sering menyatakan bahwa

lempeng tektonik hanya ada dengan efek pelumas air dan air sedimen sarat (dan yang juga

sebagian menjelaskan kurangnya lempeng tektonik di planet terestrial tanpa air) [Tozer 1985

Lenardic dan kaula 1994 1996] Selain itu jika umur panjang zona lemah yang dihasilkan oleh

konsumsi air dikendalikan oleh air difusivitas kimia dalam batuan (yang beberapa kali lipat lebih

lambat dari difusivitas termal [Brady 1995]) maka zona lemah tersebut akan bertahan untuk

waktu yang sangat panjang lebih lama dari anomali termal konvektif [Bercovici 1998] Namun

dalam rangka untuk air untuk menginduksi diri pelumasan tidak hanya harus melemahkan materi

ke yang tertelan namun kadar air harus dipengaruhi oleh deformasi itu sendiri Hanya dengan

cara ini seseorang memperoleh geser yang diperlukan fokus mekanisme umpan balik (mirip

dengan mekanisme pemanasan kental) dimana kadar air menyebabkan melemahnya deformasi

berkonsentrasi pada zona lemah deformasi ditingkatkan menyebabkan konsumsi lebih besar dari

air yang menyebabkan melemahnya dll fisika dimana konsumsi air dikendalikan oleh tingkat

deformasi adalah diperlukan (meskipun kurang dipahami) Link dan dapat terjadi ketika rongga

diciptakan oleh merusak material [lihat Bercovici 1998 Regenauer Lieb 1998 dan referensi di

dalamnya] air (atau mudah menguap) kemudian tertelan ke dalam rongga sehingga melemahkan

material (misalnya melalui tekanan pori Kohlstedt et al 1995) Ide ini juga mengacu pada fakta

bahwa banyak dari litosfer ada di daerah transisi antara kegagalan getas dan ulet melibatkan

retak ulet dan pertumbuhan kekosongan [Kohlstedt dkk 1995 Evans dan Kohlstedt 1995]

Model kekosongan-volatile pelumasan diri telah sampai saat ini hanya digunakan (dengan

asumsi penyederhanaan signficant) dalam model aliran mantel ideal namun model ini

menghasilkan sangat piring-seperti perilaku dengan sempit zona geser terkonsentrasi yang

sangat sugestif dari pemogokan terputus kesalahan -slip [Bercovici 1998] (Plat 7) Namun

model yang berlaku-volatile ini sederhana membutuhkan jauh lebih banyak pekerjaan dan

analisis yang ketat Memang sementara air mungkin memainkan peran dalam memfasilitasi

pembentukan dan pemeliharaan lempeng tektonik tidak jelas atas apa kedalaman dalam litosfer

itu tersedia untuk menyebabkan melemahnya [misalnya melihat Hirth dan Kohlstedt 1996]

Pada akhirnya tidak mungkin bahwa setiap focussing satu geser atau mekanisme

pelumasan diri akan disebut peluru ajaib pembentukan batas lempeng dan generasi piring

Sebuah kemungkinan yang berbeda mungkin bahwa kombinasi dari mekanisme rheologi seperti

kegagalan getas pada kedalaman dangkal ulet pertumbuhan kekosongan dan air mudah

menguap konsumsi pada kedalaman litosfer menengah dan ukuran butir rheologies tergantung

pada kedalaman litosfer yang lebih besar menghasilkan diperlukan perilaku [shearlocalizing

lihat juga Tackley 1999 masalah ini] Memang dalam hal ini umur panjang batas lempeng

dapat benar-benar hanya mencerminkan difusi dan tingkat penyembuhan dari zona gagal dan

void volatil penuh pada kedalaman yang dangkal sementara ini zona lemah berumur panjang

mungkin tidak karena itu menembus seluruh litosfer mereka dapat berfungsi sebagai situs

inisiasi untuk lokalisasi geser karena variasi ukuran butir pada kedalaman yang lebih besar

Sayangnya kedalaman dan material properti dari zona lemah terkait dengan batas lempeng

buruk dibatasi Banyak dari pertanyaan-pertanyaan ini dari apa mekanisme geser-lokalisasi

mendominasi dalam litosfer dengan kedalaman batas lempeng harus diatasi observasional

(misalnya dengan rinci panjang gelombang pendek studi seismik)

5 ARAH MASA DEPAN

Meskipun teori lempeng tektonik telah memberikan salah satu alat prediksi terbesar

dalam solid-Earth ilmu itu tidak berarti teori yang lengkap Lempeng tektonik adalah model

kinematik dalam hal itu menggambarkan gerakan tetapi tidak melibatkan dinamika yaitu baik

kekuatan atau energi belakang gerakan lempeng juga tidak menjelaskan penyebab dan generasi

piring sendiri Sebaliknya teori konveksi mantel menjelaskan dan menggabungkan dinamika

penting di balik gerakan lempeng namun belum cukup canggih untuk memprediksi dari ab initio

model pembentukan piring dengan batas-batas yang lemah interior piring yang kuat subduksi

asimetris pusat penyebaran pasif tiba-tiba dan kadang-kadang perubahan global dalam gerakan

piring dan gerak toroidal Sebuah teori konveksi mantel yang menghasilkan pelat pada dasarnya

teori terpadu dinamika mantel dan lempeng tektonik tetap menjadi tujuan mulia dari

geodinamika

Kemajuan telah dibuat dalam dekade terakhir untuk memperoleh model aliran mantel

cairan yang menghasilkan piring seperti perilaku Dalam banyak hal banyak keberhasilan ini

telah terjadi dengan resep litosfer zona lemah dan ad hoc rheologies (atau rheologies seperti

kegagalan getas itu sedangkan berdasarkan empiris tidak berlaku untuk seluruh litosfer) yang

menghasilkan kurang lebih perilaku yang benar Sementara formulasi ad hoc memberikan

petunjuk penting tentang apa hukum tingkat stressstrain dasar akan menghasilkan piring seperti

perilaku mereka tidak menjelaskan fisika yang mendasari mengarah ke rheologies ini atau ke

generasi piring [lihat juga Tackley 1999 masalah ini] Dalam hal ini kemajuan di masa depan

tidak akan selalu terjadi dengan pemodelan konveksi namun lebih melainkan oleh pemeriksaan

mekanisme fisik dan mikroskopis belakang lokalisasi geser dan kedalaman dan kondisi di mana

mekanisme ini terjadi Bidang fisika dan kimia yang melibatkan peleburan dan pembentukan

benua negara dan nasib air dalam mantel pertumbuhan butir rekristalisasi microcracking dan

nukleasi void hanyalah beberapa contoh yang disebutkan di sini yang akan memainkan peran

penting dalam memahami dinamika generasi piring Selain itu pengamatan dalam data seismik

particlar pada sifat material dan struktur 3-D dari batas lempeng (untuk batas-batas banyak usia

dari kuno dan tidak aktif untuk yang baru jadi) adalah sangat penting dalam menghambat model

dinamis dan teori mikroskopis pembentukan batas lempeng Sebagai cakupan seismik Bumi

terus membaik dengan penyebaran seismometer laut-bottom jumlah informasi berharga seperti

akan meningkat sangat

Pada akhirnya jelas bahwa jauh dari diadili benar dan model selesai teori lempeng

tektonik dan konveksi mantel yang di masa muda mereka membutuhkan tahun (jika tidak

dekade) penelitian serta kemajuan dalam fisika mikroskopis kontinum mekanik dan geofisika

pengamatan yang kami belum memikirkan

Ucapan Terima Kasih Karya ini didukung oleh NSF hibah EAR-9458405 NASA HPCC Hibah

NCCS5-147 dan Pusat Nasional de la Recherche Scientifique (CNRS) di Perancis Gambar 1

dibuat oleh Nicolas Coltice menggunakan penipu (King et al 1990) dan GMT (Wessel dan

Smith 1998)

Hallam 1987] Dengan hinaan dan kematian teori Continental Drift maka dari itu dilakukan

kebangkitan dan revisi saat 30 tahun kemudian dalam bentuk Lempeng Tektonik [Morgan

1968] konveksi mantel masih secara luas diyakini sebagai mesin gerakan permukaan dan

memang untuk banyak alasan baik seperti yang akan kita lihat dalam ulasan ini [lihat juga ulasan

oleh Oxburgh dan Turcotte 1978] Namun masih belum ada teori fisik lengkap yang

memprediksi bagaimana pergerakan lempeng tektonik secara keseluruhan atau lebih tepat

disebabkan oleh konveksi mantel

Ada sedikit keraguan bahwa sumber energi langsung untuk lempeng tektonik dan

semua fitur yang menyertainya (gunung gempa bumi gunung berapi dll) adalah pelepasan dari

energi potensial gravitasi mantel melalui pembalikkan konvektif (dan tentu saja bahwa

pemanasan radiogenik dan pendinginan inti terus mengisi energi potensial gravitasi mantel itu)

Namun gambaran yang tepat tentang bagaimana gerakan lempeng yang disebabkan oleh

konveksi masih jauh dari sempurna Dengan pengakuan pentingnya tarikan lempeng dan

subduksi lempeng yang pada dasarnya adalah penyusupan pendinginan hal ini menjadi lebih

diterima secara luas bahwa lempeng merupakan bagian integral dari mantel konveksi atau lebih

tepatnya konveksi mantel [Davies dan Richards 1992] Bagaimanapun ide mengenai lempeng

muncul atau dihasilkan oleh konveksi mantel menghasilkan komplikasi baru dan pertanyaan

Mungkin yang paling sulit dari pertanyaan-pertanyaan ini menyangkut milik Sistem mantel-

litosfer yang memungkinkan bentuk konvektif aliran yang tidak seperti kebanyakan bentuk

konveksi termal berupa cairan (menyimpan mungkin danau lava Duffield 1972) yaitu

konveksi yang terlihat seperti lempeng tektonik di permukaan

Dalam tulisan ini kami meninjau kemajuan pada masalah bagaimana lempeng tektonik

itu sendiri dijelaskan oleh teori konveksi mantel Kami mulai dengan melakukan survei aspek

konveksi dasar dalam sistem fluida sederhana yang berlaku untuk lempeng tektonik Kami

selanjutnya membahas fitur-fitur dari lempeng tektonik yang cukup baik dijelaskan oleh teori

konveksi dasar Kami kemudian memeriksa fitur banyak lempeng tektonik yang buruk (atau

tidak sama sekali) dijelaskan oleh konveksi sederhana dan dalam hal itu kita membahas

kemungkinan fisika baru yang diperlukan untuk meningkatkan (dan dalam beberapa kasus

mengubah secara radikal) teori sekarang konveksi mantel Tulisan ini bukan hanya sebuah ulasan

dan tutorial pada aspek konveksi yang relevan untuk lempeng tektonik juga memberikan



2 KONVEKSI DASAR








































































































































(5) kami memiliki



















Gambar 2)

































konstitutif
































rheologies


















































































































































5 ARAH MASA DEPAN











geodinamika



























Smith 1998)



2 KONVEKSI DASAR








































































































































(5) kami memiliki



















Gambar 2)

































konstitutif
































rheologies


















































































































































5 ARAH MASA DEPAN











geodinamika



























Smith 1998)
















































































































(5) kami memiliki



















Gambar 2)

































konstitutif
































rheologies


















































































































































5 ARAH MASA DEPAN











geodinamika



























Smith 1998)











Gambar 2)

































konstitutif
































rheologies


















































































































































5 ARAH MASA DEPAN











geodinamika



























Smith 1998)














konstitutif
































rheologies


















































































































































5 ARAH MASA DEPAN











geodinamika



























Smith 1998)
















rheologies


















































































































































5 ARAH MASA DEPAN











geodinamika



























Smith 1998)




































































































































5 ARAH MASA DEPAN











geodinamika



























Smith 1998)

















Smith 1998)

abs

Documents