Termokémiai konvekció a köpenyben

Már több mint fél évszázada ismert, hogy míg az alsó köpeny (Bullen 1946-ban D-vel jelölte) közel homogénnek tekinthető, addig legalsó – a köpeny–mag határ feletti néhány száz km vastag – tartományában (D"-réteg) jelentős változások találhatók. Az utóbbi két évtizedben mind nagyobb pontossággal mutattak ki két alacsony nyíróhullám sebességű tartományt (LLSVP, Large Low Shear Velocity Provinces) Afrika (Tuzo) és a Pacifikum (Jason) alatt, melyek horizontális kiterjedése több ezer km, s egyes helyeken akár 800–1000 km-rel is felemelkednek a köpeny–mag határról (1. ábra és 1. animáció). A jelenlegi elgondolás szerint az alacsony nyíróhullám terjedést nem okozhatja önmagában nagyobb hőmérsékletük (ez egyébként is instabil lenne), minden bizonnyal kémiai összetételben is eltérnek környezetüktől. A legelfogadottabb hipotézis szerint ezen tartomány nagyobb sűrűségét a vas dúsulásának köszönheti, mely vagy a magból diffundált át, vagy még nem volt elég ideje a magnézium-szilikát köpenytől való differenciálódáshoz, szétváláshoz.

1. ábra A legalsó köpenyben elhelyezkedő LLSVP-k Afrika és a Pacifikum alatt [Cottaar és Lekic 2016]

1. animáció Antipodálisan elehlyezkedő LLSVP-k a köpeny–mag határ felett

Modelljeinkben azt tanulmányoztuk, hogy a köpeny alján egy ilyen összetételében nagyobb sűrűségű réteg, hogyan befolyásolja a köpenykonvekciót. Könnyen megérthető, hogy egy sűrű réteg a köpeny alján stabilizálja az áramlást, visszafogja a magból származó hőt, mely lehűti a köpenyt, mérsékli a hőáramot, és lassítja az áramlást. Ekkor a felső, könnyű és az alsó, sűrű rétegben külön (kétréteges) konvekció zajlik. A szeparált áramlási rendszer miatt a két réteg közötti advektív hőtranszport minimális, így (1) az alsó, összetételében sűrű réteg felmelegszik, sűrűsége lecsökken a hőtágulás miatt, míg (2) a felső, könnyű réteg lehűl, sűrűsége nő. Ehhez hozzájárul, hogy (3) a felső rétegben zajló konvekció folyamatosan erodálja a sűrű réteg felszínét, így növelve a felső réteg sűrűségét. (4) Az alsó, sűrű rétegbe pedig kis koncentrációjú köpenyanyag keveredik (2. ábra). A négy effektus végeredményben azt eredményezi, hogy az alsó, nagy koncentrációjú réteg instabillá válik, s egy hatékony termokémiai keveredés indul meg a két réteg között. A numerikus modelleredmények alapján az összetételében eltérő rétegek szeparált konvekciója több milliárd évig fennmaradhat, de a termokémiai konvekció megindulásával a két köpenykomponens geológiai időskálán „gyorsan”, néhány százmillió év alatt összekeveredhet (2. animáció).

2. ábra Az összetételében sűrű és meleg anyag  koncentrációjának (bal) és hőmérsékletének (jobb) pillanatképe a köpeny–mag határ felett. A sűrű réteg felszíni eróziója (3) és a híg köpenyanyag belekeveredése (4) addig csökkenti a két réteg közötti sűrűségkülönbséget, míg a sűrű réteg instabillá válik, s a termokémiai konvekció összekeveri a két réteget.

Koncentráció

Hőmérséklet

2. animáció A sűrű anyag koncentrációjának  (bal) és a hőmérséklet (jobb) evolúciója:

  • a kétréteges konvekció kifejlődése,
  • a termokémiai konvekció megindulása,
  • a termokémiai konvekció befejeződése,
  • a köpeny homogenizációja.

Deschamps és Tackley [2009a és b] paraméterérzékenységi vizsgálata alapján egy olyan komplex modellt állítottunk fel, melyben a köpeny viszkozitása a mélységgel 1 nagyságrendet nő a felszíntől a köpeny–mag határig, de 6 nagyságrendet csökken a hőmérséklet emelkedésével, valamint a 660 km mélységű ásványtani fázishatár alatt a viszkozitás 1 nagyságrendet nő. A nagy koncentrációja, sűrű zónában a viszkozitás felére csökken, és ugyanitt a belső hőtermelés mértéke 1 nagyságrenddel nagyobb, mint a felette elterülő köpenyben. Az animáció a sűrű anyag koncentrációjának, a hőmérsékletnek, valamint a viszkozitás logaritmusának evolúcióját mutatja (3. animáció). A fent leírt paraméterek esetén két, hozzávetőlegesen antipodális feláramlás alakul ki, mely a termokémiai keveredés következtében néhány milliárd év alatt feloldódik a köpenyben [Galsa et al. 2015]. Megemlítjük, hogy a felső köpeny csökkent viszkozitása miatt ott hevesebb áramlás zajlik, mint az alsó köpenyben (660 km alatt).

Hőmérséklet

Koncentráció

Viszkozitás

3. animáció A termokémiai konvekció hatása a hőmérséklet (bal), a koncentráció (közép) és a viszkozitás (jobb) eloszlására egy komplex viszkozitású és fűtésű  modellben. A numerikus modellben két antipodális feláramlás alakul ki a köpeny–mag határon.