A 660 km mélységben észlelt szeizmikus diszkontinuitás (rugalmas paraméterek hirtelen változása) már közel egy évszázada ismert. A nagy nyomáson és magas hőmérsékleten végzett laboratóriumi kísérletek szerint ennek okozója a köpeny fő ásványi összetevőjének, az olivinnek az ásványtani fázisátalakulása. A 660 km mélységnek megfelelő nyomáson és hőmérsékleten az olivin endoterm fázisátalakuláson megy át, perovszkittá és magneziovüsztitté alakul, melynek sűrűsége körülbelül 10%-kal nagyobb. Mivel a fázisátmenet endoterm – azaz a könnyebb olivin és a nehezebb perovszkit fázist elválasztó Clapeyron-görbe meredeksége negatív –, ezért a lebukó hideg litoszféralemezekben 660 km-nél mélyebben, míg a felemelkedő meleg hőoszlopokban kisebb mélységben történik a fázisátalakulás. A hideg lemezekben így a könnyebb fázis bemerül 660 km alá, míg a meleg köpenyoszlopokban a sűrűbb fázis emelkedik efelé. Tehát a felhajtóerőn keresztül mindkét áramlásra olyan erő hat, mely ellentétes mozgásukkal, ezért a 660 km-es endoterm fázisátmenet gátolja a vertikális anyagtranszportot (1. ábra)
1. ábra A 660 km-es ásványtani fázisátmenet hatása a köpenykonvekcióra.
A piros és a kék szín az alsó és a felső köpenyben kifejlődő meleg hőoszlopokat mutatja
Numerikus számításaink során azt vizsgáltuk, hogy az áramlás hevességét jellemző Rayleigh-szám (Ra), illetve az endoterm fázisátmenet erősségét jellemző fázishatár paraméter (P, phase buoyancy parameter), hogyan befolyásolja a kialakuló áramlás képét, illetve a köpenykonvekció fizikai paramétereit. Megállapítottuk, hogy mind Ra, mind P növelésével (abszolút értékben) a fázishatár egyre átjárhatatlanabbá válik a fel- és leáramlások szempontjából. Kevésbé heves konvekció (kis Ra) és gyenge fázishatár (kis P) esetén a 660 km-es fázishatár nem jelent érdemi akadályt az áramlás szempontjából, így a köpenyben zajló konvekció egyréteges (1. animáció). Ugyanakkor a heves áramlás (nagy Ra) és az erős fázishatár (nagy P) áthatolhatatlan gátat jelent az áramlatoknak, így a termikus konvekció kétréteges formában zajlik, külön a felső és külön az alsó köpenyben (2. animáció).
1. animáció Egyréteges köpenykonvekció
Ra=105, P=-0,14
2. animáció Kétréteges köpenykonvekció
Ra=107, P=-0,43
A két szélső áramlási forma között észlelhető egy átmeneti tartomány, ahol a fázishatár általában zár, vagyis a konvekció a két rétegben szeparáltan zajlik, de időnként átszakad, s ekkor nagy mennyiségű hideg anyag áramlik az alsó – és a tömegmegmaradást biztosítva – meleg anyag a felső köpenybe (3. animáció). Számításaink szerint ezen lavinaszerű jelenségek (mantle avalanche) periodikus jelleget mutatnak, mely függ a Rayleigh-számtól, de független a fázishatár erősségétől. Köpenyszerű paraméterek esetén (Ra=3∙107, P=-0,14) az áramlás az átmeneti tartományban van, tehát köpenylavinák jelennek meg, melyek periódusideje hozzávetőlegesen 80 millió év. Ez jól összevethető a felszíni kiömlési bazaltok pl. Szibériai-plató (250 millió évvel ezelőtt), Karoo (195 Mév), Ontong-Jáva-plató (120 Mév), Dekkán-plató (67 Mév), Izland (5–0 Mév) megjelenésével [Herein et al. 2013].
3. animáció Együtt létező egy- és kétréteges köpenykonvekció
Ra=107, P=-0,14
