La convezione del mantello è il processo mediante il quale il calore dal nucleo terrestre viene trasferito verso l’alto verso la superficie. Si pensa che il riscaldamento del mantello da parte del nucleo crei celle di convezione in cui il materiale del mantello caldo sale, raffreddandosi mentre va, verso la crosta fino a raggiungere un materiale meno denso, a quel punto si allarga e poi discende. Processi simili possono essere osservati in qualsiasi fluido al di sopra di una superficie calda o calda, ad esempio l’atmosfera. Si presume che la convezione del mantello sia responsabile della tettonica delle placche e della deriva dei continenti, nonché del vulcanismo.
La Terra è composta da tre strati principali: il nucleo, il mantello e la crosta. Si pensa che il nucleo sia composto principalmente da ferro e nichel, ma con un’alta percentuale di elementi radioattivi; il decadimento di questi elementi, insieme al calore residuo dalla formazione della Terra, mantiene il nucleo a una temperatura elevata, che si pensa sia compresa tra 5,432 e 10,832 °C. Sopra il nucleo si trova il mantello, uno strato di materiale silicato metallico caldo di 3,000 miglia (6,000 km) di spessore, pensato per essere essenzialmente liquido nei suoi tratti superiori, ma forse solido in basso. Lo strato più in alto è la crosta, uno strato solido di materiale meno denso che galleggia sul mantello. Questo è costituito da crosta oceanica – il fondo dell’oceano – spessa 1,800-2,900 miglia (4-7 km) e crosta continentale, spessa 6 miglia (11 km).
La crosta è suddivisa in placche continentali che, nel corso della storia geologica, si sono lentamente spostate l’una rispetto all’altra, si sono separate e si sono unite, presumibilmente sotto l’influenza dei processi di convezione all’interno del mantello. Si pensa che quando un materiale del mantello in aumento si avvicina alla crosta, il movimento di diffusione verso l’esterno fa sì che le sezioni di crosta su entrambi i lati si allontanino. Si pensa che l’Oceano Atlantico si sia formato in questo modo e il processo continua ancora oggi, con la formazione di nuova crosta oceanica dal materiale del mantello lungo la dorsale medio-atlantica. Ci sono anche una serie di “punti caldi” in cui il materiale del mantello sta formando nuova terra in superficie, ad esempio Islanda e Hawaii. In alcune aree – come la costa occidentale del Sud America – sezioni di crosta oceanica possono scivolare sotto la crosta continentale e scendere in profondità nel mantello; queste sono note come zone di subduzione.
Mentre il movimento delle placche tettoniche è ben stabilito e supportato da prove osservabili, i processi in corso all’interno del mantello terrestre che guidano la tettonica non possono essere studiati direttamente. Sembra molto probabile che vi siano in atto processi di convezione, ma la loro esatta natura rimane poco chiara. Le indagini sulla convezione del mantello devono utilizzare metodi indiretti, come il comportamento delle onde sismiche e l’analisi chimica del materiale del mantello che è stato estruso in superficie dall’attività vulcanica. È stato riscontrato che campioni di materiale del mantello prelevati da luoghi diversi differiscono chimicamente l’uno dall’altro. Ciò sembra in conflitto con i modelli teorici in cui la convezione avviene attraverso l’intera profondità del mantello in quanto ciò dovrebbe portare a una completa miscelazione del materiale, con conseguente magma chimicamente omogeneo.
Una teoria della convezione del mantello deve spiegare la composizione chimica variabile del materiale del mantello pur concordando con altre osservazioni e vincoli fisici, per quanto riguarda la struttura del mantello. In alcuni modelli sono presenti strati distinti, con convezione nello strato superiore, e pennacchi di materiale che salgono dallo strato inferiore. Altri coinvolgono “blob” di materiale antico e profondo che galleggia nel mantello superiore. Anche la miscelazione incompleta della crosta oceanica subdotta con il materiale del mantello può svolgere un ruolo. La convezione del mantello è un’area di ricerca attiva e, a partire dal 2011, non c’è consenso sui dettagli del processo.