热毯式对流及其对大陆岩石圈的启示

地球大陆的特征是长寿命放射性同位素的高度富集。近期估计表明，它们贡献了地球表面释放热量的33%，却仅占地幔的不到1%。这一显著特征通过影响下伏地幔的热结构和热传递，对其产生深远影响。然而，富集热产生元素的大陆地壳对下伏地幔的影响尚未得到系统研究。在此，我们通过考虑一个简化的对流系统来进行初步研究，该系统由一个混合加热流体组成，其中所有内部加热都集中在一个厚度为 $d_{HL}$ 的顶层（称为“热毯式对流”）。我们在三维笛卡尔几何下针对四种特定设置和不同的 $d_{HL}$ 值进行了24次数值模拟。我们的结果表明，加热层的影响强烈依赖于其厚度相对于均匀加热情形（$d_{HL} = 1.0$）下热边界层厚度（$\delta_{TBL}$）的大小。更具体地说，当 $d_{HL} > \delta_{TBL}$ 时，加热层引起的影响相当有限；而当 $d_{HL} < \delta_{TBL}$ 时，随着 $d_{HL}$ 减小，对流系统的性质被强烈改变。特别是，与 $d_{HL} = 1.0$ 的情形相比，极薄加热层的表面热流和对流强度显著增强。因此，热产生元素的垂直分布可能对地幔动力学起关键作用。然而对地球而言，大陆的存在应不会显著影响表面热流，因而也不会显著影响地球的冷却速率。