[论文解读] Thermal disequilibrium during melt-transport: Implications for the evolution of the lithosphere-asthenosphere boundary

Mousumi Roy|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2020

Geological and Geochemical Analysis参考文献 31被引用 6

一句话总结

本研究提出，在岩石圈-软流圈边界（LAB）处，通道化熔体运移过程中的热非平衡状态可在地质时间尺度上显著加热并弱化下部大陆岩石圈。通过一维模型表明，间歇性熔体渗入可形成一个瞬态热重加工区（TRZ），其稳态宽度 δ ~ [φvd⁻²τ²]，向LAB热平衡贡献超过 10⁻³ W/m³——该尺度与美国西部等板内环境中观测到的LAB迁移特征相符。

ABSTRACT

This study explores how thermal disequilibrium during melt-infiltration and melt-rock interaction may modify the continental lithosphere from beneath. Using an idealized 1D model of thermal disequilibrium between melt-rich channels and the surrounding melt-poor material, I estimate heat exchange across channel walls during channelized melt transport at the lithosphere-asthenosphere boundary (LAB). For geologically-reasonable values of the volume fraction of channels ($ϕ$), relative velocity across channel walls ($v$), channel spacing ($d$), and the timescale of episodic melt-infiltration ($τ$), model results suggest disequilibrium heating may contribute $>$ $10^{-3}$ W/m$^3$ to the LAB heat budget. During episodic melt-infiltration, a thermal reworking zone (TRZ) associated with spatio-temporally varying disequilibrium heat exchange forms at the LAB. The TRZ grows by the transient migration of a disequilibrium-heating front at material-dependent velocity, reaching a maximum steady-state width $δ\sim$ $\left[ϕvd^{-2}τ^{2} ight]$. The spatio-temporal scales associated with establishment of the TRZ are comparable with those inferred for the migration of the LAB based on geologic observations within continental intra-plate settings, such as the western US.

研究动机与目标

• 量化热非平衡在熔体-岩石相互作用过程中对岩石圈-软流圈边界（LAB）热平衡的贡献。
• 研究间歇性熔体渗入如何在最下部大陆岩石圈中形成瞬态热重加工区（TRZ）。
• 评估TRZ发展的时空尺度是否与板内环境中LAB迁移的地质观测推断结果相匹配。
• 使用理想化的1D热传输模型，模拟熔体富集通道与周围熔体贫乏物质之间非平衡热交换的动力学。
• 评估通道化、相对速度及通道间距对热非平衡范围和持续时间的控制作用。

提出的方法

• 一维柱状模型模拟了熔体富集通道与周围熔体贫乏岩石圈地幔之间的热非平衡状态，假设存在线性热驱动力。
• 模型整合了关键参数：通道体积分数（φ）、相对速度（v）、通道间距（d）及间歇性熔体渗入时间尺度（τ）。
• 通过传热系数（k）控制通道壁面的热传递，热非平衡区随时间通过瞬态热梯度演化。
• 基于热扩散与流动动力学的量纲分析，模型推导出TRZ的稳态宽度为 δ ~ [φvd⁻²τ²]。
• 通过无量纲时间与归一化温度分布追踪温度演化，热非平衡前缘迁移速度约为 V_diseqm ≈ v/10（当 φ = 0.1 时）。
• 材料属性如单位体积热容（c_melt, c_grain）、孔隙度（φ_f, φ_s）及努塞尔数（Nu）均基于岩石学与地球物理数据加以约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 在通道化熔体运移过程中，热非平衡对LAB热平衡的贡献程度如何？
• RQ2 热非平衡加热的时空尺度与板内区域中LAB迁移的地质观测推断结果相比如何？
• RQ3 控制在LAB处形成的瞬态热重加工区（TRZ）宽度与迁移速度的因素是什么？
• RQ4 热非平衡度（D）如何随通道间距（d）、传热系数（k）及时间变化？
• RQ5 美国西部大陆岩石圈的减薄与弱化现象，是否可由间歇性熔体渗入引起的瞬态非平衡加热过程解释？

主要发现

• 间歇性熔体渗入过程中的热非平衡可向LAB热平衡贡献超过 10⁻³ W/m³ 的热量，构成显著且持续的热输入。
• 由于空间与时间上变化的非平衡热交换，LAB处形成瞬态热重加工区（TRZ），其通过非平衡加热前缘的迁移而增长。
• TRZ的稳态宽度与 δ ~ [φvd⁻²τ²] 成比例，当 φ ≈ 0.1、v ≈ 1–100 mm/yr、d ≈ 0.1–100 m 且 τ ≈ 10⁴–10⁶ yr 时达到最大宽度。
• 当 φ = 0.1 时，热非平衡区迁移速度约为 V_diseqm ≈ v/10，表明前缘速度为材料依赖性，约为通道内流速的十分之一。
• 热非平衡度（D）随时间按 1/√t 衰减，且与通道间距（d）呈线性正比关系，k 值越小（传热效率越低），D 值越高。
• 温度分布显示，稳态在由 φv/k 决定的时间尺度上趋近，且通道壁面间归一化温差达到最大值后随时间逐渐减小。