Тектоника тепловых трубок - Heat-pipe tectonics
Тектоника тепловых трубок это режим охлаждения планеты земной группы в котором основной механизм переноса тепла на планете вулканизм через внешнюю твердую оболочку, также называемую литосфера.[1][2] Тектоника тепловых трубок начинается, когда вулканизм становится доминирующим процессом поверхностной теплопередачи.[1] Расплавленные породы и другие более летучие планетарные материалы переносятся из мантии на поверхность через локальные отверстия.[1] Расплавы остывают и затвердевают, образуя слои холодных вулканических материалов.[1] Недавно извергнутые материалы откладываются поверх старых слоев и погребают их.[1] Накопление вулканических слоев на оболочке и соответствующая эвакуация материалов на глубине вызывают перенос поверхностных материалов вниз, так что материалы оболочки непрерывно спускаются вглубь планеты.[1]
Тектоника тепловых труб была впервые представлена на основе наблюдений Ио, одна из лун Юпитер.[1][2] Ио - это скалистый тело, которое внутри очень горячее; его тепло производится приливное изгибание связанный с его эксцентричный орбита.[2][3][4][5] Он отводит внутреннее тепло через частые и обширные извержения вулканов этот перенос тает на поверхность.[2][6][7] Его корка представляет собой единую толстую, плотную и холодную внешнюю оболочку, состоящую из слоев вулканических материалов, жесткость и прочность которых выдерживают вес высоких гор.[3][2][8]
Наблюдения показывают, что аналогичные процессы происходили в ранней истории других планет земной группы в Солнечная система, т.е. Венера, то Луна, Марс, Меркурий и земной шар, что указывает на то, что они могут сохранить свидетельства ископаемых тепловых труб.[9] Каждое земное тело в нашей Солнечной системе могло когда-то иметь тектонику тепловых трубок; Таким образом, тектоника тепловых трубок может быть универсальным ранним способом охлаждения земных тел.[9]
Теория
В тектонике тепловых трубок, вулканизм является основным механизмом переноса тепла, в котором тает породы выносятся на поверхность через локализованные жерла.[1][3][9] Адвекция, относящийся к передаче массы и тепла, происходит, когда движущаяся жидкость переносит вещества или тепло к источнику или от источника через окружающее твердое тело по каналам.[10] Расплавы образуются, когда мантийные породы выдерживают температуры от 1100 до 2400 ° C на соответствующих глубинах (давление меняет температуру плавления) в присутствии воды.[11][12] Когда расплав достигает поверхности через вертикальные отверстия, он остывает и затвердевает, образуя мафический или же ультраосновной скалы, которые богаты утюг и магний.[1][9] Более толстая литосфера образуется, когда вулканические материалы накапливаются на поверхности Земли в результате повторяющихся извержений вулканов.[1][9] Новые материалы наверху с соответствующей пустотой, созданной внутри планеты, приводят к опусканию поверхностных отложений.[1][9]
Эта вертикальная адвекция вулканических материалов вызывает сжатие литосферы, потому что внутренние сферические оболочки планет постепенно становятся меньше с увеличением глубины.[1][9] Поверхность остывает и образуется холодная, плотная и прочная литосфера.[1][9] Толстая литосфера поддерживает горы, образовавшиеся в результате сжатия вулканических слоев.[1][9]
Охлаждающие планеты с тепловыми трубками могут войти в следующий этап истории охлаждения. тектоника крышки или же тектоника плит, сразу со ступени тепловых трубок после длительного охлаждения.[1][13]
Вдохновение от Ио
Ио, спутник Юпитера, представляет собой небольшую планету земного типа с радиусом 1821,6 ± 0,5 км, размером с Луну.[14] Тем не менее, Ио производит гораздо больший тепловой поток, 60 ~ 160 тераватт (ТВт), что в 40 раз больше, чем на Земле.[3][2][15][16] Радиоактивный распад не может генерировать такое большое количество тепла. Радиоактивный распад обеспечивает нагревание на других планетах земной группы.[3][2] Вместо этого лучше использовать приливное тепло. гипотеза поскольку Ио находится под сильным приливным влиянием Юпитера и других больших спутников Юпитера, подобных Земле и Луне.[3]
Первое наблюдение, подтверждающее это, был активный вулканизм, обнаруженный на Ио. Их более 100 кальдеры с обильным и широко распространенным радиационным потоки лавы.[2][6][7] И состав лавы интерпретируется как преимущественно сера и силикаты от высокой температуры извержения не менее 1200 К.[3]
Помимо обширного вулканизма, Горные хребты - второе наблюдение на поверхности Ио. На Ио 100–150 гор со средней высотой 6 км и максимальной высотой 17 км.[3][2] Найденные горы не имеют тектонических свидетельств их происхождения. Нет и вулканов в горных районах.[3][2]
На этих наблюдениях строится гипотеза о развитии толстой литосферы.[2][7] Старая теория предполагала, что любые планеты земной группы имеют тонкую литосферу. Однако тонкая литосфера толщиной 5 км не выдерживает большого напряжения в 6 кбар, которое оказывает гора 10 км × 10 км.[2][8] Для сравнения: максимальное напряжение, которое может выдержать литосфера Земли, составляет 2 кбар.[2] Таким образом, Ио требует более толстой литосферы, чтобы выдерживать огромные нагрузки, создаваемые глобально расположенными горами.[2]
Затем была представлена тектоника тепловых трубок, чтобы объяснить ситуацию на Ио. Теория объясняет глобальное распространение вулканических материалов на поверхности; развитие толстой литосферы; и образование сужающихся гор.[3][2]
Ископаемые тепловые трубы на других планетах земной группы в Солнечной системе
Исследования 2017 года показали, что все планеты земной группы, возможно, подверглись вулканизму, чтобы остыть на раннем этапе своего развития, когда внутри было намного жарче, чем в настоящее время.[1][9][13] В Солнечной системе Марс, Луна, Меркурий, Венера и Земля демонстрируют свидетельства тектоники тепловых труб в прошлом, но не претерпевают ее в настоящее время.[9]
Свидетельство | Объяснение | |
Меркурий | - Лопастные уступы рекордное ограничение литосферного сжатия.[9][17][18] - Большой масштаб вулканизм до 4 миллиардов лет назад доминировал в механизме теплопередачи, сглаживая поверхность.[9] - Вулкана нет, но свидетельства вулканизма покрывают обширную территорию.[9] - Лава выливание через вентиляционное отверстие может легко вытекать на большую площадь, что соответствует мафический сочинение.[9][19][20] | - Немного более ранняя структура и форма планеты могут быть сохранены при непрерывном вулканическом всплытии.[9] - Сооружения и особые ландшафты могут быть сохранены только после прекращения тектоники тепловых труб. Это объясняет ограниченное сокращение.[9] - Основные вулканические материалы и их образование соответствуют гипотезе тектоники тепловых труб.[9] |
Луна | - Форма Луны не идеальный круг, а слегка приплюснутый круг.[9] | - Изменения формы необходимо регистрировать и сохранять, но только в прочной и толстой литосфере. Тектоника тепловых трубок быстро создает прочную и толстую литосферу, так что форма может быть сохранена.[9] |
Марс | - Большой топографический контраст между депрессия в северном полушарии Марса и повышенный Южное полушарие.[9] - Широкий изотопический диапазон неодим (Nd), то есть в четыре раза больше, чем на Земле.[9][21] | - Тектоника тепловых труб создает толстую и прочную литосферу, которая может сохранить прежнюю форму и топографию.[9] - Первая оболочка на Марсе образуется в результате немедленного накопления несовместимые элементы, например неодим.[9][21] |
Венера | - Структуры в Ovda Regio, высокая равнина, показать вертикаль адвекция поверхностных материалов.[9][22] | - Нисходящая адвекция поверхностных материалов и формирование толстой литосферы на высокой равнине соответствуют тектонике тепловых труб.[9] |
Тепловая трубка Земля
Ранней Земле была выдвинута гипотеза, согласно которой Земля следовала теории тектоники тепловых трубок и остыла в результате вулканизма.[1] С 4,5 миллиарда лет назад Земля начала охлаждаться до 3,2 миллиарда лет назад, когда тектоника плит началось.[1][23] Возраст зарождения тектоники плит подтверждается несколькими свидетельствами, такими как Цикл Уилсона.[1][23]
Существующие теории и ограничения
Две основные существующие теории объясняют тектонику ранней Земли, а именно: протоплитная тектоника и вертикальная тектоника.[1][24]
Предыдущие теории | Движение | Пример[1][24][25] |
Протоплитная тектоника | По горизонтали | - компрессионный - Расширенный |
Вертикальная тектоника | Вертикальный | - Суб / внутрилитосферные обратная капельная форма вторжение |
Новые наблюдения в Barberton, Южная Африка и Пилбара, Австралия показывает деформированные структуры возрастом 300 миллионов лет.[1] Применяя существующие теории для объяснения деформации, вверх инверсионно-капельное вторжение расплавов - это решение.[1][26][27] В этом случае необходимо задействовать горизонтальные движения.[1] Тем не менее, никаких доказательств горизонтального движения найти не удалось.[1] Исходя из этого, некоторые исследователи применили тектонику тепловых труб к ранней Земле.
Доказательства тепловых трубок
Место | Наблюдения | Гипотеза тепловых трубок |
Барбертон и Пилбара | - Толстые упорядоченные вулканические материалы (богатые железом и магнием) толщиной 12 км в Пилбаре.[1][27][28][29] - Вторжение вверх в форме обратного капля метаморфоза вулканические слои в ТТГ (Тоналит - трондьемит - гранодиорит ).[1] - Куполообразные конструкции, возникшие в результате вторжения.[1] - Деформационная структура не обнаружена до 3,2 миллиарда лет назад.[1] - Структура, вызванная тектонизмом, обнаруженная сразу после 3,2 миллиарда лет назад: | - Постоянный извержение вулкана через локальные отверстия создается толстая литосфера (богатая железом и магнием). [1] - Нет тектонизм до 3,2 миллиарда лет назад.[1] - Интрузии происходят в основании литосферы.[1] |
Itsaq | - Большинство пород старше 3,2 миллиарда лет назад гнейс (4,03 миллиарда лет назад).[1][31][32] - Некоторые деформации были обнаружены ранее, чем 3,2 миллиарда лет.[1] | - Планеты со временем остывают в тектонике тепловых трубок.[1] - Субдукция мог бы объяснить деформация, так как планеты должны остывать после субдукции. Но процесс медленный и прогрессивный, который требует длительного периода, чтобы остыть после событий субдукции.[1][33] - Однако никакие тектонические свидетельства не могут доказать наличие субдукции.[1] - давно существующие обратные неисправности с перекрывающимся узором (Дуплекс ) - лучшее объяснение. Он не требует субдукции и, следовательно, охлаждения после каких-либо процессов.[1] - Резкое снижение тектоники тепловых трубок после 3,2 миллиарда лет назад.[1] |
За пределами тектоники тепловых трубок
Со временем планеты земной группы остывают, поскольку внутреннее производство тепла уменьшается, а температура поверхности становится ниже.[1][13] Кроме того, основной процесс теплопередачи меняется в сторону теплопроводности.[1][13] Таким образом, резкий переход от тектоники тепловых труб к либо тектоника плит и застойная крышка тектоника возникает, когда теплопроводность больше, чем внутреннее производство тепла.[1][13][34]
Застойная крышка относится к относительно стабильной и неподвижной сильной холодной литосфере с небольшими горизонтальными движениями, в то время как тектоника плит относится к мобильной литосфере с множеством горизонтальных движений.[9]
В тектонической стадии плита начинает разрушаться, когда конвективные напряжения управляемый мантия преодолеть литосферную силу.[13] Поскольку вулканизм больше не является доминирующим методом теплопередачи, во всем мире будет осаждаться гораздо меньше вулканического материала.[13] Затем развивается более тонкая литосфера с увеличением градиента температуры литосферы, т.е. 1500 градусов Цельсия на глубине 100 км).[35]
Рекомендации
- ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п о п q р s т ты v ш Икс у z аа ab ac объявление ае аф аг ах ай эй ак аль являюсь ан ао ap водный Мур, Уильям Б .; Уэбб, А. Александр Г. (2013). «Тепловая трубка Земля». Природа. 501 (7468): 501–505. Bibcode:2013Натура.501..501M. Дои:10.1038 / природа12473. ISSN 0028-0836. PMID 24067709.
- ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п о О'Рейли, Томас С .; Дэвис, Джеффри Ф. (1981). «Магматический перенос тепла на Ио: механизм, позволяющий создать толстую литосферу». Письма о геофизических исследованиях. 8 (4): 313–316. Bibcode:1981GeoRL ... 8..313O. Дои:10.1029 / gl008i004p00313. ISSN 0094-8276.
- ^ а б c d е ж грамм час я j Breuer, D .; Мур, У. (2007), "Динамика и тепловая история планет земной группы, Луны и Ио", Трактат по геофизике, Elsevier, стр. 299–348, Дои:10.1016 / b978-044452748-6.00161-9, ISBN 9780444527486
- ^ Такли, П. (2001). «Трехмерное моделирование мантийной конвекции на Ио». Икар. 149 (1): 79–93. Bibcode:2001Icar..149 ... 79T. Дои:10.1006 / icar.2000.6536. ISSN 0019-1035.
- ^ PEALE, S. J .; CASSEN, P .; РЕЙНОЛДС Р. Т. (1979-03-02). "Таяние Ио за счет приливной диссипации". Наука. 203 (4383): 892–894. Bibcode:1979Sci ... 203..892P. Дои:10.1126 / наука.203.4383.892. ISSN 0036-8075. PMID 17771724.
- ^ а б СМИТ, Б. А .; СОДЕРБЛОМ, Л. А .; JOHNSON, T. V .; ИНГЕРСОЛЛ, А.П .; COLLINS, S.A .; SHOEMAKER, E.M .; HUNT, G.E .; МАСУРСКИЙ, Х .; CARR, M. H .; Дэвис, М. Э .; КУК, А. Ф. (1 июня 1979 г.). "Система Юпитера глазами" Вояджера-1 ". Наука. 204 (4396): 951–972. Bibcode:1979Наука ... 204..951С. Дои:10.1126 / science.204.4396.951. ISSN 0036-8075. PMID 17800430.
- ^ а б c Carr, M. H .; Масурский, Х .; Strom, R.G .; Террил Р. Дж. (1979). «Вулканические особенности Ио». Природа. 280 (5725): 729–733. Bibcode:1979Натура.280..729С. Дои:10.1038 / 280729a0. ISSN 0028-0836.
- ^ а б МакНатт, Марсия (1980-11-10). «Влияние региональной гравитации на состояние напряженности в земной коре и верхней мантии». Журнал геофизических исследований: твердая Земля. 85 (B11): 6377–6396. Bibcode:1980JGR .... 85.6377M. Дои:10.1029 / jb085ib11p06377. ISSN 0148-0227.
- ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п о п q р s т ты v ш Икс у z аа Мур, Уильям Б .; Саймон, Джастин I .; Уэбб, А. Александр Г. (2017). «Планеты с тепловыми трубками». Письма по науке о Земле и планетах. 474: 13–19. Bibcode:2017E и PSL.474 ... 13M. Дои:10.1016 / j.epsl.2017.06.015. ISSN 0012-821X.
- ^ Чжао, Чунбинь; Хоббс, Брюс Э .; Орд, Элисон (2008), «Введение», Конвективный и адвективный теплообмен в геологических системах, Springer Berlin Heidelberg, стр. 1–5, Дои:10.1007/978-3-540-79511-7_1, ISBN 9783540795100
- ^ Такахаши, Эйити (1986). «Плавление сухого перидотита KLB-1 до 14 ГПа: влияние на происхождение перидотитовой верхней мантии». Журнал геофизических исследований. 91 (B9): 9367. Bibcode:1986JGR .... 91.9367T. Дои:10.1029 / jb091ib09p09367. ISSN 0148-0227.
- ^ БОУЕН, НОРМАН Л. (1947). «МАГМАС». Бюллетень Геологического общества Америки. 58 (4): 263. Дои:10.1130 / 0016-7606 (1947) 58 [263: m] 2.0.co; 2. ISSN 0016-7606.
- ^ а б c d е ж грамм Kankanamge, Duminda G.J .; Мур, Уильям Б. (2016-04-14). «Теплоперенос в хадейской мантии: от тепловых трубок к пластинам». Письма о геофизических исследованиях. 43 (7): 3208–3214. Bibcode:2016GeoRL..43,3208K. Дои:10.1002 / 2015gl067411. ISSN 0094-8276.
- ^ "Физические параметры планетарного спутника". ssd.jpl.nasa.gov. Получено 2019-11-11.
- ^ Veeder, Glenn J .; Дэвис, Эшли Джерард; Matson, Dennis L .; Джонсон, Торренс В .; Уильямс, Дэвид А .; Радебо, Яни (2012). «Ио: вулканические источники тепла и глобальный тепловой поток». Икар. 219 (2): 701–722. Bibcode:2012Icar..219..701V. Дои:10.1016 / j.icarus.2012.04.004. ISSN 0019-1035.
- ^ Davies, J. H .; Дэвис, Д. Р. (22 февраля 2010 г.). «Тепловой поток с поверхности Земли». Твердая Земля. 1 (1): 5–24. Дои:10.5194 / se-1-5-2010. ISSN 1869-9529.
- ^ Уоттерс, Томас Р .; Соломон, Шон С.; Робинсон, Марк С .; Head, Джеймс У .; Андре, Сара Л .; Hauck, Steven A .; Мурчи, Скотт Л. (2009). «Тектоника Меркурия: вид после первого пролета MESSENGER». Письма по науке о Земле и планетах. 285 (3–4): 283–296. Bibcode:2009E и PSL.285..283W. Дои:10.1016 / j.epsl.2009.01.025. ISSN 0012-821X.
- ^ Di Achille, G .; Popa, C .; Massironi, M .; Mazzotta Epifani, E .; Zusi, M .; Cremonese, G .; Паламбо, П. (2012). «Оценка изменения радиуса Меркурия пересмотрена с использованием данных MESSENGER». Икар. 221 (1): 456–460. Bibcode:2012Icar..221..456D. Дои:10.1016 / j.icarus.2012.07.005. ISSN 0019-1035.
- ^ Виггинтон, Н.С. (30.06.2011). «Айрон и др.». Наука. 333 (6038): 15. Bibcode:2011Наука ... 333 ... 15 Вт. Дои:10.1126 / science.333.6038.15-c. ISSN 0036-8075.
- ^ Ван, Шифэн; Мерфи, Майкл А .; Филлипс, Ричард Дж .; Ван, Чао (2013). «Ответ на комментарий к статье« Смещение вдоль Каракорумского разлома, северо-западные Гималаи, оцененное на основе U-Pb датирования офсетных геологических маркеров LA-ICPMS », опубликованное Leloup et al. В EPSL, 2013». Письма по науке о Земле и планетах. 363: 246–248. Bibcode:2013E и PSL.363..246W. Дои:10.1016 / j.epsl.2012.11.052. ISSN 0012-821X.
- ^ а б Хумаюн, М .; Немчин, А .; Занда, Б .; Hewins, R.H .; Grange, M .; Кеннеди, А .; Lorand, J.P .; Göpel, C .; Fieni, C .; Pont, S .; Дельдик, Д. (2013). «Происхождение и возраст самой ранней марсианской коры от метеорита NWA 7533». Природа. 503 (7477): 513–516. Bibcode:2013Натура.503..513H. Дои:10.1038 / природа12764. ISSN 0028-0836. PMID 24256724.
- ^ Тюркотт, Д. Л. (1989-03-10). «Механизм тепловых трубок для вулканизма и тектоники Венеры». Журнал геофизических исследований: твердая Земля. 94 (B3): 2779–2785. Bibcode:1989JGR .... 94.2779T. Дои:10.1029 / jb094ib03p02779. HDL:2060/19890009853. ISSN 0148-0227.
- ^ а б Пиз, Виктория; Персиваль, Джон; Smithies, Хью; Стивенс, Гэри; Ван Кранендонк, Мартин (2008), «Когда началась тектоника плит? Свидетельства из орогенных данных», Специальный документ 440: Когда началась тектоника плит на планете Земля?, Геологическое общество Америки, стр. 199–228, Дои:10.1130/2008.2440(10), ISBN 9780813724409
- ^ а б Стерн, Роберт Дж. (2008), «Современная тектоника плит началась в неопротерозойское время: альтернативная интерпретация тектонической истории Земли», Специальный документ 440: Когда началась тектоника плит на планете Земля?, 440, Геологическое общество Америки, стр. 265–280, Дои:10.1130/2008.2440(13), ISBN 9780813724409
- ^ Харрисон, Т. Марк (2009). "Хадейская кора: данные по цирконам> 4 млрд лет". Ежегодный обзор наук о Земле и планетах. 37 (1): 479–505. Bibcode:2009AREPS..37..479H. Дои:10.1146 / annurev.earth.031208.100151. ISSN 0084-6597.
- ^ а б Ван Кранендонк, Мартин Дж. (2011). «Холодные капельки зеленокаменного камня и роль частичного конвективного переворота в эволюции зеленокаменного пояса Барбертона». Журнал африканских наук о Земле. 60 (5): 346–352. Bibcode:2011JAfES..60..346V. Дои:10.1016 / j.jafrearsci.2011.03.012. ISSN 1464-343X.
- ^ а б Smithies, Роберт Х .; Чемпион, Дэвид К .; Ван Кранендонк, Мартин Дж. (2019), «Старейшие хорошо сохранившиеся кислые вулканические породы на Земле», Самые старые скалы Земли, Elsevier, стр. 463–486, Дои:10.1016 / b978-0-444-63901-1.00020-4, ISBN 9780444639011
- ^ Стиглер, М. Т .; Lowe, D. R .; Байерли, Г. Р. (21 января 2011 г.). «Фрагментация и распространение коматиитовых пирокластов в группе Онвервахт 3,5-3,2 млрд лет, зеленокаменный пояс Барбертон, Южная Африка». Бюллетень Геологического общества Америки. 123 (5–6): 1112–1126. Bibcode:2011GSAB..123.1112S. Дои:10.1130 / b30191.1. ISSN 0016-7606.
- ^ Eriksson, P.G .; Altermann, W .; Nelson, D.R .; Mueller, W.U .; Катунеану, О. (2004), «Ранняя Земля», Докембрийская Земля - Темпы и события, Elsevier, стр. 1–63, Дои:10.1016 / с0166-2635 (04) 80003-3, ISBN 9780444515063
- ^ Пиз, Виктория; Персиваль, Джон; Smithies, Хью; Стивенс, Гэри; Ван Кранендонк, Мартин (2008), «Когда началась тектоника плит? Свидетельства из орогенных данных», Специальный документ 440: Когда началась тектоника плит на планете Земля?, Геологическое общество Америки, стр. 199–228, Дои:10.1130/2008.2440(10), ISBN 9780813724409
- ^ Bowring, Samuel A .; Уильямс, Ян С. (1999-01-21). «Присканские (4.00–4.03 млрд. Лет) ортогнейсы северо-запада Канады». Вклад в минералогию и петрологию. 134 (1): 3–16. Bibcode:1999CoMP..134 .... 3B. Дои:10.1007 / s004100050465. ISSN 0010-7999.
- ^ Друг, Кларк Р.Л .; Nutman, Аллен П. (2005). "Комплексные орогенные эпизоды 3670–3500 млн. Лет назад, наложенные на ювенильную кору, аккрецию которых происходили между 3850 и 3690 млн. Лет назад, комплекс Itsaq Gneiss, юг Западной Гренландии". Журнал геологии. 113 (4): 375–397. Bibcode:2005JG .... 113..375F. Дои:10.1086/430239. ISSN 0022-1376.
- ^ Nutman, A. P .; Друг, К. Р. Л. (2007-11-02). "Комментарий на" Остаток старейшего офиолита Земли"". Наука. 318 (5851): 746c. Bibcode:2007Научный ... 318..746N. Дои:10.1126 / science.1144148. ISSN 0036-8075. PMID 17975049.
- ^ Фаулер А.С. (1985). «Быстрая термовязкостная конвекция». Исследования по прикладной математике. 72 (3): 189–219. Дои:10.1002 / sapm1985723189. ISSN 0022-2526.
- ^ Аревало, Рикардо; МакДоноу, Уильям Ф .; Луонг, Марио (2009). «Отношение K / U силикатной Земли: понимание состава мантии, структуры и термической эволюции». Письма по науке о Земле и планетах. 278 (3–4): 361–369. Bibcode:2009E и PSL.278..361A. Дои:10.1016 / j.epsl.2008.12.023. ISSN 0012-821X.