地幔

地幔

地幔(Mantle):地質學專業術語,是指地殼下面是地球的中間層,厚度約2865公裏,主要由致密的造岩物質構成,這是地球內部體積最大、質量最大的一層。 地幔又可分成上地幔和下地幔兩層。上地幔上部存在一個地震波傳播速度減慢的層,一般又稱為軟流層,推測是由于放射性元素量集中,蛻變放熱,使岩石高溫軟化,並局部熔融造成的,很可能是岩漿的發源地。軟流層以上的地幔是岩石圈的組成部分。下地幔溫度、壓力和密度均增大,物質呈可塑性固態。

  • 中文名稱
    地幔
  • 外文名稱
    Mantle
  • 厚度
    約2865公裏

形成原因

在距今46億(?)年前,在太陽系外的宇宙空間,由鐵鎳物質組成的地核俘獲宇宙高溫熔融物質和少量塑性物質、固態物質、氣體和液體,在地核外形成高溫熔融物質巨厚層。

地核與高溫熔融物質間形成內過渡層。

地球外表溫度降低,熔融物質凝固,形成地球最原始的外殼。

外殼與高溫熔融物質間形成外過渡層。高溫熔融物質形成液態層。

在這一地質時期,地球形成分層結構,由內向外:地核、內過渡層、液態層、外過渡層、外殼。

在地球表面,由于熔融物質凝固和收縮,形成張裂、溝谷、高山。由于宇宙天體撞擊,在地表形成大坑窪地。

主要構造

上地幔頂部存在一個地震波傳播速度加快的層(莫霍面),岩石圈(岩石圈指地殼和上層地幔頂部)以下稱為軟流層(Asthenosphere),推測軟流層是由于放射性元素大量集中,蛻變放熱,使岩石高溫軟化,並局部熔融造成的,很可能是岩漿Magma)的發源地。軟流層以上的地幔是岩石圈的組成部分。下地幔溫度、壓力和密度均增大,物質呈可塑性固態。厚度約有2900公裏。

地幔地幔

美國一些科學家用實驗方法推算出地幔與地核交界處的溫度為3500℃以上,外核與核心交界處溫度為6300℃,核心溫度約6600℃。地幔的組成除了少數由深源岩漿岩(玄武岩、富鹼斑岩、金伯利岩等)的捕虜體獲得外,因無法直接觀察,隻能以間接的方法研究。研究方法包括地震波、重力和岩石的剛性和彈性反應,以及實驗岩石學研究。

一般而言,基于地球化學特征的地幔模式下,地幔在兩個圈層中對流,然而多數地球物理證據和數值模擬強烈支持整體地幔對流。認識這些不同對了解地球火山活動和熱煙花而言非常重要。

固體地球結構

地球圈層名稱

深度

(公裏)

地 震

縱波速度

(公裏/秒)

地 震

橫波速度

(公裏/秒)

密度(克/立方釐米)

物 質

狀 態

一級

分層

二級

分層

傳統

分層

地 殼

地 殼

0—33

5.6—7.0

3.4—4.2

2.6—2.9

固態物質

外過渡層

(上)

上地幔

33—980

8.1—10.1

4.4—5.4

3.2—3.6

部 分

熔融物質

外過渡層

(下)

下地幔

980—2900

12.8—13.5

6.9—7.2

5.1—5.6

液態—固態 物 質

液 態 層

外地核

2900—4700

8.0—8.2

不能通過

10.0—11.4

液態物質

內 過

度 層

過度層

4700—5100

9.5—10.3


  

12.3

液態—固態 物 質

地 核

內地核

5100—6371

10.9—11.2


  

12.5

固態物質

主要成分

岩石

上地幔的組成可以從岩漿岩推知。源于地幔的基性岩超基性岩(ultrabasic rock)以及金伯利岩等都具有共同的高鐵、鎂特征,與地震波傳播速度也一致,結合地球化學研究,認為上地幔的成分接近于超基性岩即二輝橄欖岩的組成。它經由部分熔融而產生玄武岩漿,剩餘的為難熔的阿爾卑斯型橄欖岩。林伍德(Ringwood)認為上地幔的化學成分相當于由3份阿爾卑斯型橄欖岩(橄欖石79%、斜方輝石20%和尖晶石1%)和一份夏威夷型拉斑玄武岩組成。上地幔的理想成分為:SiO2 45.16%、TiO2 0.71%、Al2O3 3.54%、Fe2O3 0.46%、FeO 8.04%、MnO 0.14%、MgO 37.47%、CaO 3.08、Na2O 0.51%、K2O 0.13%、P2O5 0.06%、Cr2O3 0.43%、NiO2 0.20%。

地幔

元素

地幔組成元素與其氧化物組成重量百分比

地幔

探測方法

地幔和地殼的分介面是莫霍洛維奇不連續面(莫霍面),地幔和地核的分介面是古登堡面。前者由南斯拉夫地震學家莫霍洛維奇于1909年發現,後者由美籍德國地震學家古登堡于1914年發現。1914 年 B. 古登堡根據地震波傳播速度測定地核的深度為2900千米,比現代精密測量的結果隻差15千米。因此,地核-地幔邊界又稱古登堡不連續面

探測地幔的最有力的工具是監測來自世界各地的地震波。地震時會產生兩種不同的地震波:P波(縱波)和S波(橫波)。這兩種波都是穿越地球內部的體波,它們分別對應于地震波通過岩石時產生的物理特徵,縱波與聲波相似,就是傳播方向與波動方向在同一水準線上,速度比橫波快。橫波與抖動的繩子產生的波形相似,即橫波通過時岩石的震動方向與波的傳播方向垂直。像光波一樣,當穿越不同密度的岩石邊界時,地震波也會發生反射折射。利用這些特徵,我們就可以對地球內部成像。

2007年3月,科學家利用近地表石油和天然氣勘探的成像技術,繪製出了地球深部核幔邊界構造的高解析度三維圖像。這次繪圖使用了世界各地1000多個地震台站記錄的數千次地震的資料。這些資料使科學家能夠分辨有關核幔邊界構造的細節,這些構造反映出復雜的下地幔結構,這是先前從未見過的,也是第一次估計出核幔邊界附近的溫度大約為3700℃。

2015年12月2日,美國、英國、中國等12個國家的30名科學家登上美國“決心”號鑽探船,準備在西南印度洋開展打穿地球殼幔邊界的第一次大洋鑽探。​

研究成果

地幔端元

在地球發展演化的早期階段,地幔不斷地發生部分熔融,相當部分容易進入液相的元素隨著熔融作用不斷地移出地幔源區進入岩漿,從而使地幔虧損了上述組分,形成了化學上的虧損地幔。如Si、AL、Ca、Na、K等。如果地幔中加入了上述元素,則形成富集地幔。

據同位素和微量元素組成,在地球化學上已劃分為以下6種地幔端元或儲源(reservoirs),通過這些地幔端員廣泛的混合作用可以解釋所有觀察到的各種幔源岩漿岩的同位素和微量元素組成。(不同學術門派有不同劃分方案)

(1)DM虧損地幔,是洋中脊玄武源區的主要成分,主要特征是低Rb/Sr,高Sm/Nd;143Nd/144Nd比值高,87Sr/86Sr比值低,其&Nd(t)為高正值,&Sr(t)為負值。

(2)EMII型富集地幔,特點是Rb/Sr比值較高,Sm/Nd比值較低;Ba/Th和Ba/La比值高,87Sr/86Sr比值變化大;143Nd/144Nd比值較低。對于給定的206Pb/204Pb,其207Pb/204Pb和208Pb/204Pb比值高。

(3)EMII II型富集地幔,特點是Rb/Sr比值高,Sm/Nd比值低,Th/Nd K/Nb和Th/La比值較高。143Nd/144Nd和87Sr/86Sr比值均高于EMI。EMII具有殼幔相聯系的交代成因。EMII與上部陸殼有親緣關系,可能代表了陸源沉積岩陸殼 蝕變地大洋地殼或洋島玄武岩的再迴圈作用,也可能是次大陸岩石圈進入地幔與之混合。

(4)HIMU 高U/Pb比值的地幔,U和Th相對于Pb是富集的.HIMU的成因可能是由于蝕變地大洋地殼進入地幔並與之混合,丟失的鉛進入地核,地幔中交代流體使Pb和Rb流失。

(5)PREMA prevalent mantle 的縮寫,稱為流行或普遍地幔,為經常觀察到的普通地幔成分。特點是206Pb/204Pb為18.2-18.5,高于DM 和EMI,低于EMII和HIMU地幔;87Sr/86Sr低于EMI和EMII,高于DM.143Nd/144Nd高于EMI和 EMII,低于DM。

(6)FOZO地幔集中帶。它在DM-EMI-HIMU所構成三角形底部,它是DM和HIMU的混合物,可能源于下地幔,由起源于核-幔邊界的地幔熱柱捕獲。

地幔弦動

成因

地球不是一個固體球,而是由多層同心球層組成的一個非常活躍的行星。因地球的公轉和傾斜自轉,與天體引力的存在,又引發了各層同心球層的自身運動,其中有圈、大氣圈、液體外核、固體外殼的潮汐運動。地球的傾斜自轉使液體外核的潮汐方向傾斜,又導致其“以上的層圈差速產生產傾斜(地幔弦動)”,地幔弦動的結果是;和地殼的兩極在傾斜差速中兩極換位以至板塊線速度改變,也是造成地震頻繁的主要原因。科學家們發現,地球核心的旋轉速度每年要比地幔和地殼快0.3到0.5度,也就是說,地球核心比地球表面構造板塊的運動速度快5萬倍,新發現有助于科學家們解釋地球磁場是怎樣產生的。美國伊利諾伊大學地球物理學家宋曉東教授是這項研究工作的負責人,他們的成果發表在2005年8月26日出版的美國《科學》雜志上。新發現也結束了一場為期9年的爭論。宋曉東說:“我們相信我們得到 了確鑿的證據。”

地幔地幔

理論

加州大學聖克魯斯分校的地球科學教授加裏·格拉茲麥爾說:“這是一項有意義的發現,它減少了一個領域 中的不確定性,你能從中學到新東西。”同期的《科學》雜志專門為這一發現配發評述文章,美國的《紐約時報》、《國家地理》雜志和英國的《物理學世界》等對這一發現進行了詳細報道。美國國家科學基金會和中國國家自然科學基金會為這項工作提供了資助。

地核由固體金屬構成,它包括一個大小與月球相當的直徑為2400公裏的固態核心,和直徑為7000公裏的液態外核。科學家們認為,核心在產生地球磁場的地球動力學中發揮了重要作用,來自地球動力學的電磁轉矩導 致核心相對于地幔和地殼旋轉。

運動速度

早在1996年,宋曉東和保羅·理查德還是紐約哥倫比亞大學拉蒙特―多爾蒂地球觀測站的地震學家,通過對 穿越地球的地震波的分析,他們第一次提出了地球核心的旋轉速度比其它部分快的觀點。但這在當時有相當 爭議,部分地震學家懷疑推導出結果的資料有誤,或是假象;也有科學家曾嘗試證明地球核心的運動速度並 不比其它部分快;部分科學家說,雖然核心在旋轉,但它的速度比哥倫比亞學者提出的速度慢多了;有人則說,他們沒有發現跡象表明核心比地球的其它部分轉得快。之後,宋曉東到伊利諾伊大學地質系做教授,他和仍在哥倫比亞大學的理查德共同領導了一項新研究,他們 的研究將消除人們對這個結論的任何懷疑。

地幔地幔

宋曉東說:“盡管還不能精確地測定出核心旋轉的速度,但我們的論文表明這個速度不可能是零。”地球在 一天時間裏自轉一次,或360度,新研究表明,地球核心的旋轉速度每年比其它部分快0.3到0.5度。這個更 為精確的發現比他們1996年提出的快1.1度慢一點。

通過對歷史上地震波穿過地球液體核和固體核心的資料進行對比,宋曉東等發現了令人信服的證據,表明地 球的固體核心確實以不同的速度在旋轉。從大西洋的南桑威奇群島地區到美國南部海岸線,他們對18個相似地震進行了觀察。相似地震也稱為波形地震對(earthquake waveform doublet), 在同一台站記錄的一對地 震的波形完全一樣,說明這兩個地震發生在同一地點。宋曉東等發現,這些地震對在阿拉斯加州及靠近的地 方的58個地震台站都有記錄,地震對的間隔時間跨越0到35年,從而讓研究人員能觀察地震波隨時間的變化 。

宋曉東說:“當地震對的兩個事件的時間相隔大于幾年時,穿越地球核心的相似地震波在旅行時間和波形上 表現出系統性的變化。惟一可信的解釋就是核心的運動。” 為什麽地球核心會以不同速度旋轉呢?宋曉東認為最可能的解釋是電磁耦合,“在外核層產生的磁層擴散到 核心層,並在那裏產生出電流。電流與磁場的相互作用導致核心旋轉,就像電樞在電動機中旋轉”。

評論

華盛頓大學的地震學家肯尼思·克裏傑對這一發現進行評論說:“這一發現消除了地球核心是否與地幔以不 同的速度旋轉的僅存不多的懷疑。” 格拉茲麥爾說,他和同事的電腦模擬顯示,地球核心確實比外部旋轉得快,但由于缺少詳細的資料,模型 沒有得出究竟快多少。新研究的資料將提高電腦模型的水準,讓科學家能更好地理解地球內部是如 何工作的。這篇論文的共同作者除了宋曉東和理查德以外,還包括哥倫比亞大學的研究生張健和研究科學家費利斯·瓦 爾德豪澤,以及伊利諾伊大學的研究生李迎春和孫新雷

地幔弦動地幔弦動

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