Földköpeny-konvekció dinamikájának és felszíni megnyilvánulásainak numerikus modellezése  részletek

súgó  nyomtatás 
vissza »

 

Projekt adatai

 
azonosító
72665
típus K
Vezető kutató Lenkey László
magyar cím Földköpeny-konvekció dinamikájának és felszíni megnyilvánulásainak numerikus modellezése
Angol cím Numerical modelling of the dynamics of mantle convection and its surface manifestations
magyar kulcsszavak földköpeny, termikus konvekció, hőoszlop, dinamikus topográfia, geoidanomália, numerikus modellezés
angol kulcsszavak Earth's mantle, thermal convection, plume, dynamic topography, geoidanomaly, numerical modelling
megadott besorolás
Geofizika (Agrár-, Környezet-, Ökológiai és Földtudományi)100 %
Ortelius tudományág: Geofizika
zsűri Földtudomány 1
Kutatóhely Geofizikai és Űrtudományi Tanszék (Eötvös Loránd Tudományegyetem)
résztvevők Galsa Attila
Süle Bálint
projekt kezdete 2008-04-01
projekt vége 2013-03-31
aktuális összeg (MFt) 12.300
FTE (kutatóév egyenérték) 3.55
állapot lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás célja a földköpeny-konvekció hőoszlopainak és a felettük kialakuló felszíni jegyeknek, az alsó–felső köpeny határon található fázisátalakulásnak, valamint a geometriának a termikus konvekcióra gyakorolt hatásainak vizsgálata numerikus modellezéssel. A kutatás során egy olyan algoritmust fejlesztünk ki, mely képes a termikus földköpeny-konvekciót modellező programban kialakuló hőoszlopok és leszálló ágak elhelyezkedésének valósidejű nyomon követésére. Ezáltal a fel- és leszálló ágak fizikai tulajdonságai, mint száma, tömeg- és hőfluxusa, horizontális sebessége és mérete, hőmérsékletanomáliája regisztrálhatóvá válik. Így a valós földköpenyben kialakuló termikus konvekciót befolyásoló hatások (Rayleigh-szám, viszkozitáseloszlás, radioaktív hőtermelés, adiabatikus munka, viszkózus disszipáció, endoterm fázisátmenet) szerepe a hőoszlopokra és a felettük kialakuló felszíni jegyekre nézve kvantitatívan megállapítható. Ez nagymértékben hozzájárul ahhoz, hogy a különböző hatásmechanizmusok szerepét tisztázhassuk, és a földköpeny-konvekció dinamikáját megérthessük. Hazai viszonylatban először végzünk szisztematikus modellvizsgálatot nem derékszögű (henger, hengergyűrű, gömbhéj) modelltartományon. A számítások során kapott eredmények összevetésre kerülnek a felszíni megfigyelésekkel és a szeizmikus tomográfia legújabb eredményeivel. A vizsgálati módszer a termikus földköpeny-konvekció modellezésben viszonylag új, így az eredmények nemzetközi érdeklődésre is számot tartanak.
angol összefoglaló
The main goals of the research are to investigate the mantle plumes and their surface manifestations, the effects of the phase transition at the upper and lower mantle boundary, and the effects of geometry on the thermal convection of mantle using numerical modeling techniques. In the framework of the research an automatic plume detection algorithm is going to be developed, which is able to track the evolution of the upwelling and downwelling limbs of the convection cells in real-time. Its application makes it possible to quantify the number of plumes, their size, temperature anomaly, horizontal and vertical velocities, mass- and heat transfer. Thus, the effects of the main factors on the plumes and their surface manifestations such as the Rayleigh-number, viscosity distribution in the mantle, radioactive heat production, adiabatic work, viscous dissipation and the phase transition can be studied in a quantitative way. Such modeling studies contribute to the better understanding of the dynamics of mantle convection. Systematic model investigation in non-Cartesian geometry (in axial cylinder, cylindrical shell and spherical shell) will be done first time in Hungary. The results of modeling will be compared to the surface observations at hot spots and the up-to-date results of mantle tomographic studies. The automatic plume detection algorithm is a new method in the study of mantle plumes, thus the results are worth publishing for the international scientific community.





 

Zárójelentés

 
kutatási eredmények (magyarul)
A kutatás során a földköpenyben zajló termikus konvekciót modelleztük különböző feltételezések mellett. Vizsgáltuk a 660 km-ben található ásványi fázisátalakulás hatását a konvekció dinamikájára. A fázisátalakulást jellemző Clapeyron-görbe meredekségét és a Rayleigh-számot változtattuk. A két paraméter értékétől függően a konvekció egy vagy két rétegben zajlik, és van egy tartomány, ahol a fázishatár zárt, de időnként megnyílik, és lavinaszerűen nagy mennyiségű anyag cserélődik ki a két réteg között. Megállapítottuk a lavinák gyakoriságát, amely nagyságrendileg egybeesik a plató bazaltok kialakulásának gyakoriságával. Mélység- és hőmérsékletfüggő viszkozitás és hőtermelés esetén kialakul a nagy viszkozitású, merev litoszféra, az alacsony viszkozitású asztenoszféra, a mélységgel növekvő viszkozitású alsó-köpeny és az alacsony viszkozitású D” réteg. Azonban a modellben a litoszféra nem töredezik fel lemezekre, egy merev külső burok alakul ki, amely nem vesz részt az áramlásban. Ennek a problémának a megoldásán, a konvekció és lemeztektonika konzisztens modellezésén számos kutató dolgozik. Ha csak egy hőoszlopot nézünk, akkor a felette kialakuló topográfia, gravitációs- és geoidanomália jól megegyezik a megfigyelhető értékekkel. A nagy sűrűségű D” réteg vizsgálata szerint a köpenyben, és bizonyos feltételek mellett magában a D” rétegben zajló konvekció idővel felhígítja a D” réteget, lecsökkenti annak sűrűségét, így a réteg instabillá válik, felbomlik és elkeveredik a köpenyben.
kutatási eredmények (angolul)
We modelled different aspects of the thermal convection in the Earth’s mantle. We studied the effects of the phase transition at 660 km depth on the dynamics of the convection. We varied the values of the Clapeyron slope and the Rayleigh-number. Depending on them the convection occurs in one or two layers, and there is an intermittent zone, where the phase boundary is semipermeable: it is closed, but it opens periodically allowing the flow of large amount of material. We calculated the frequency of these mantle avalanches, and it agrees well with the frequency of flood basalt activity. Assuming depth- and temperature dependent mantle viscosity and internal heat production a high viscosity stiff lithosphere, a low viscosity asthenosphere, a medium viscosity lower mantle and a low viscosity D” layer develop in the models similarly to the Earth. However, in the models the stiff lithosphere does not take part in the convection. There are many efforts made to solve this problem and construct a model, which explains mantle convection and plate tectonics consistently. When we model only one mantle plume, then the modelled topography, gravity- and geoidanomalies fit well to the observations. We studied the evolution of the high density layer above the core-mantle boundary. Due to the convection above the layer and in the layer itself the layer is diluted with low density material resulting in the reduction of its density, which leads to the dissemination and dissolution of the layer.
a zárójelentés teljes szövege https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=72665
döntés eredménye
igen





 

Közleményjegyzék

 
Herein M., Galsa A., Lenkey L.: Impact of the Rayleigh number and endothermic phase transition on the time behaviour of mantle avalanches, Journal of Geodynamics 66, p. 103– 113, 2013
Kozlovszky M., Balaskó Á., Süle, B.: Numerical modeling of mantle convection in 3D on the SEE-GRID-SCI infrastructure., Earth Science Informatics, 3/4: 229-237, 2010
Galsa A., Lenkey L., Süle B. és Herein M.: A földköpenyben zajló termikus konvekcióról, Magyar Geofizika, 49/2: 75-87, 2008
Herein M., Galsa A., Lenkey L. és Süle B.: Termikus földköpeny-konvekció kétdimenziós numerikus modellezése különböző geometriák esetén, Magyar Geofizika, 49/3: 111-123, 2008
Herein M., Galsa A.: The effect of different geometries on the thermal mantle convection, EarthDoc, 2011
Galsa A., and Lenkey L.: The effect of the viscosity and the internal heating on mantle plume dynamics, pp. 51-52 in Program Book of the 11th International Workshop on Modelling of Mantle Convection and Lithospheric Dynamics, 2009
Süle B.: The thermal structure and the surface manifestation of mantle plumes in three-dimensional models, p. 101 in Program Book of the 11th International Workshop on Modelling of Mantle Convection and Lithospheric Dynamics, 2009
Lenkey L. and Galsa A.: Investigating the physical properties of mantle plumes in 3D using an automatic plume detection routine, p. 74 in Program Book of the 11th International Workshop on Modelling of Mantle Convection and Lithospheric Dynamics, 2009
Herein M., Galsa A. and Lenkey L.: The effect of different geometries on the numerical models of the thermal mantle convection, pp. 62-63 in Program Book of the 11th International Workshop on Modelling of Mantle Convection and Lithospheric Dynamics, 2009
Herein M., Galsa A., Lenkey L.: Impact of the Rayleigh number and endothermic phase transition on the mantle dynamics, 12th International Workshop on Modeling of Mantle Convection and Lithospheric Dynamics, Döllnsee, Germany, 20–25 August, 2011., 2011
Galsa A., Herein M., Lenkey L.: Effect of disintegration of chemical layering on time-dependent behavior of the mantle, 12th International Workshop on Modeling of Mantle Convection and Lithospheric Dynamics, Döllnsee, Germany, 20–25 August, 2011., 2011
Galsa A., Herein M.: Effect of Disintegration of Chemical Stratification on Time-dependent Behavior of the Earth’s Mantle, Comsol Conference, Stuttgart, 26–28 October, 2011., 2011
Herein M., Galsa A.: The Effect of Different Geometries on the Thermal Mantle Convection, Comsol Conference, Stuttgart, 26–28 October, 2011., 2011
Farkas M.P., Galsa A., Herein M., Lenkey L.: Evolution of the compositionally dense layer at the bottom of the mantle, Geophys. Res. Abstract, Vol. 15, EGU2013-5870, 2013
Kuslits L.B., Farkas M.P., Galsa A.: Effect of temperature- and depth-dependent viscosity on mantle convection, Geophys. Res. Abstract, Vol. 15, EGU2013-8881, 2013
Galsa Attila: A földköpenyben zajló áramlások a numerikus modelleredmények tükrében, Előadás az "Új utak a földtudományban: A Föld mélye. A kéregtől a földmagig" című előadássorozat keretében, ELGI, március 16, 2010
Taller Gábor: A termokémiai felhajtóerő-arány szerepe a földköpeny-konvekció numerikus modelljeiben, szakdolgozat, pp 40. ELTE, Geofizikai és Űrtudományi Tanszék könyvtár, 2009
Szabó Brigitta: A Rayleigh-Taylor-instabilitás numerikus vizsgálata a köpenylitoszféra-asztenoszféra rendszerben, szakdolgozat, pp. 51. ELTE Geofizikai és Űrtudományi Tanszék könyvtára, 2010
Kuslits L.: Viszkózus reológia és a földköpeny-konvekció kapcsolata, szakdolgozat, pp. 48, ELTE, Geofizikai és Űrtudományi Tanszék könyvtár, 2012
Farkas M.: A D"-réteg sűrűségének hatása a földköpeny-konvekció időbeli viselkedésére, szakdolgozat, pp. 38, ELTE, Geofizikai és Űrtudományi Tanszék könyvtár, 2012
Lőrincz K.: A határfeszültség szerepe a földköpeny-konvekció numerikus modelljeiben, szakdolgozat, pp. 41. ELTE, Geofizikai és Űrtudományi Tanszék könyvtár, 2013
Farkas M.P. és Kuslits L.B.: A hőmérséklet- és mélységfüggő viszkozitás hatása a földköpeny-konvekcióra, OTDK dolgozat, pp. 45. ELTE, Geofizikai és Űrtudományi Tanszék könyvtár, 2013





 

Projekt eseményei

 
2013-01-19 23:12:41
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: ELTE-MTA Geológiai, Geofizikai és Űrtudományi Kutatócsoport (Eötvös Loránd Tudományegyetem), Új kutatóhely: Geofizikai és Űrtudományi Tanszék (Eötvös Loránd Tudományegyetem).




vissza »