在非液态地幔中，我们如何能有“漂浮”和对流?

Question

我一直认为地球的层是这样的:

• 地壳，几十公里认为在大多数地方
• 地幔，完全由液态岩石和熔融金属组成，几千公里厚
• 外核，熔融的铁
• 内核是实心铁

地幔是由液体组成的，这很有道理。板块构造漂浮在岩浆之上并相互碰撞的想法是有道理的。

然而,迈克尔告诉我的地幔是完全固态的，这似乎不符合

1. 浮动/移动板块构造
2. 对流

如果地球的地幔是固体的，为什么我们不说板块构造是“依靠”在地幔上，而不是“漂浮”在地幔上?

我们怎么能让对流穿过不流动的东西呢?即使地幔中的固体岩石可以为什么热量不能通过传导均匀分布，从而抵消对流趋势呢?

我意识到关于这个话题可以写一整本书，所以一个概括的答案是很好的。

Answer 1

地幔是固体的吗?
这只是时间的问题。地幔无疑是固体的(除了局部的最上面区域可能发生融化)，但在足够长的时间尺度上，它可以在高温和高压下表现出塑性行为，粘度为$\text{~}\mathrm{10^{21}~Pa~s}$(基于冰盖融化后均衡反弹的估计)。想想橡皮泥——它显然是固体，但在压力下很容易变形。这就是地幔在高温高压下在长时间尺度上的表现。在短时间内，地幔是一种易碎的固体，这就是它能够传输地震s波的原因。

为什么地壳“漂浮”在地幔之上?
答案很简单——地壳的密度比地幔小，所以在长时间尺度上，地幔具有延展性，地壳不会下沉到地幔中(俯冲带除外，但那是另一回事)。花岗岩质陆壳平均密度约$\mathrm{2.6~g~cm^{-3}}$，玄武质洋壳平均密度约$\mathrm{3~g~cm^{-3}}$，上地幔平均密度约$\mathrm{3.5~g~cm^{-3}}$。

对流是如何在地幔中起作用的?
地幔对流的细节是一个积极研究的课题，但所有的地质学家都同意，地幔确实有强烈的对流，这是从地核到地壳的热量传输的主要形式。如果你计算地幔的瑞利数，你会得到$R_a~\text{~}~10^6$，这表明对流应该是剧烈的。另一方面，地幔的热扩散系数很低($\text{~} \mathrm{10^{-6}~m^2~s^{-1}}$)，因此传导不是热传输的主要形式。

Answer 2

人类很难想象岩石是如何流动的，因为所需的条件超出了我们的日常经验。我们熟悉地表温度和压力，以及地质短时间框架，其中固体和液体的区别是明显的。在非常高的温度和压力下，特别是在较长的时间内，固体可以具有塑性，几乎像流体一样，尽管是具有超高粘度的流体。当在深部发生变形的岩石被带回地表时，你可以看到这些岩石性质变化的结果。驾车或徒步穿越任何山根被深度侵蚀暴露的山区，你会看到戏剧性的褶皱——岩石可塑性的例子。地幔要深得多，温度更高，而且处于巨大的围压之下，所以是的，地幔可以有对流细胞，但不是液体。

Answer 3

我想补充一下已经给出的正确答案。

固体可以流动和变形而不是液体。你可以弯曲铁条。你可以弄凹塑料。你可以挤压尼龙袋。你手一动，t恤上的棉布就会弯曲。这些都是固体。这种情况的发生取决于温度和压力。铁条受热容易弯曲。我相信你知道，用液氮冷冻(已经是固体的)物体会让它们变得更脆。

固体和液体之间最明显的区别是它们的变形能力，但这并不意味着只有液体才能变形。液体没有晶体结构，而(某些)固体有。以H₂O:水是液体，而冰是固体。然而，冰川会变形和移动。都是固态的。变质岩在固体状态下变形。

一旦我们接受固体可以变形而不是液体，维持对流单元和基于密度的分层的能力就不足为奇了。在一个盒子里装满小熊软糖，然后扔一块巨大的钢块在上面。最终，糖果会向上流动，而钢块会下沉。所有这些都发生在固态。