地幔（介于莫霍面和古登堡面間的部分）

主要圈層劃分

(一)地殼

地殼是莫霍面以上的地球表層。其厚度變化在5-70km之間。其中大陸地區(qū)厚度較大，平均約為33km；大洋地區(qū)厚度較小，平均約7km；總體的平均厚度約16km，約占地球半徑的1/400，占地球總體積的1.55%，占地球總質(zhì)量的0.8%。地殼物質(zhì)的密度一般為2.6-2.9g/cm3，其上部密度較小，向下部密度增大：地殼為固態(tài)巖石所組成，包括沉積巖、巖漿巖和變質(zhì)巖二大巖類：由十：地殼是當(dāng)前地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)、地理學(xué)等學(xué)科的主要研究對(duì)象，因此，有關(guān)其詳細(xì)情況將在下一節(jié)作進(jìn)一步介紹。

(二)地幔

地幔是地球的莫霍面以下、古登堡面(深2885km)以上的中間部分。其厚度約2850km，占地球總體積的82.3%，占地球總質(zhì)量的67.8%，是地球的主體部分。從整個(gè)地?？梢酝ㄟ^(guò)地震波橫波的事實(shí)看，它主要由固態(tài)物質(zhì)組成。根據(jù)地震波的次級(jí)不連續(xù)面，以650km深處為界，可將地幔分為上地幔和下地幔兩個(gè)次級(jí)圈層。

1．上地幔

上地幔的平均密度為3.5g/cm3，這一密度值與石隕石相當(dāng)，暗示其可能具有與石隕石類似的物質(zhì)成分。從火山噴發(fā)和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)從上地幔上部帶出來(lái)的深部物質(zhì)來(lái)看，也均為超基性巖。近年來(lái)通過(guò)高溫高壓試驗(yàn)來(lái)模擬地幔巖石的性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，用橄欖巖55%、輝石35%、石榴子石10%的混合物作為樣品(礦物成分相當(dāng)于超基性巖)，在相當(dāng)于上地幔的溫壓條件下測(cè)定其波速與密度，得到與上地?；疽恢碌慕Y(jié)果。根據(jù)以上理由推測(cè)，上地幔由相當(dāng)于超基性巖的物質(zhì)組成，其主要的礦物成分可能為橄欖石，有一部分為輝石與石榴子石，這種推測(cè)的地幔物質(zhì)被稱為地幔巖。

上地幔上部存在一個(gè)軟流圈，約從70km延伸到250km左右，其特征是出現(xiàn)地震波低速帶。物理實(shí)驗(yàn)表明，波速降低可能是由于軟流圈物質(zhì)發(fā)生部分熔融，使其強(qiáng)度降低而引起的。據(jù)地內(nèi)溫度估算，軟流圈的溫度可達(dá)700-1300℃，已接近超基性巖在該壓力下的熔點(diǎn)溫度，因此一些易熔組分或熔點(diǎn)偏低的組分便可開(kāi)始發(fā)生熔融。據(jù)計(jì)算，軟流圈的熔融物質(zhì)可能僅占1%-10%，熔融物質(zhì)散布于固態(tài)物質(zhì)之間，因而大大降低了強(qiáng)度，使軟流圈具較強(qiáng)的塑性或流動(dòng)性。由于軟流圈物質(zhì)已接近熔融的臨界狀態(tài)，因此它成為巖漿的重要發(fā)源地。

2．下地幔

下地幔的平均密度為5.1g/cm3．由于這里經(jīng)受著強(qiáng)大的地內(nèi)壓力作用，使得存在于上地幔的橄欖石等礦物分解成為FeO、MgO、SiO2和Al2O3，等簡(jiǎn)單的氧化物。與上地幔相比，其物質(zhì)化學(xué)成分的變化可能主要表現(xiàn)為含鐵量的相對(duì)增加(或Fe/Mg的比例增大)。由于壓力隨深度的增大，物質(zhì)密度和波速逐漸增加。

(三)地核

地核是地球內(nèi)部古登堡面至地心的部分，其體積占地球總體積的16.2%，質(zhì)量卻占地球總質(zhì)壁的31.3%，地核的密度達(dá)9.98-12.5g/cm3。根據(jù)地震波的傳播特點(diǎn)可將地核進(jìn)一步分為三層：外核(深度2885-4170km)、過(guò)渡層(4170-5155km)和內(nèi)核(5155km至地心)。在外核中，根據(jù)橫波不能通過(guò)，縱波發(fā)生大幅度衰減的事實(shí)推測(cè)其為液態(tài)；在內(nèi)核中，橫波又重新出現(xiàn)，說(shuō)明其又變?yōu)楣虘B(tài)；過(guò)渡層則為液體一固體的過(guò)渡狀態(tài)。

地核的密度如此之大，從地表物質(zhì)來(lái)看只有一些金屬物質(zhì)才可與之相比，而地表最常見(jiàn)的金屬是鐵，具密度為8g/cm3，它在超高壓下完全可以達(dá)到地核的密度。地核的密度與鐵隕石較接近，也表明地核可能主要為鐵、鎳物質(zhì)。地球具有主要由內(nèi)部物質(zhì)引起的磁場(chǎng)，這說(shuō)明地球內(nèi)部一定具有高磁性的鐵、鎳物質(zhì)非常集中的某個(gè)圈層，而地殼、地幔中均不存在，那么它應(yīng)存在于地核中。此外，人們用爆破沖擊波提供的瞬時(shí)超高壓來(lái)模擬地核的嚴(yán)卞狀態(tài)，并測(cè)定一些元素在瞬時(shí)超高壓下的波速與密度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)地核的波速與密度值與鐵，鎳比較接近。綜合多方面推測(cè)，地核應(yīng)主要由鐵、鎳物質(zhì)組成。近年來(lái)的進(jìn)一步研究還發(fā)現(xiàn)，在地核的高壓下，純鐵、鎳的密度略顯偏高，推測(cè)地核最合理的物質(zhì)組成應(yīng)是鐵、鎳及少量的硅、硫等輕元素組成的合金。

劃分依據(jù)

(1)根據(jù)各圈層密度和地震波速度與地表巖石或礦物的有關(guān)性質(zhì)對(duì)比進(jìn)行推測(cè)。

(2)根據(jù)各圈層的壓力、溫度，通過(guò)高溫高壓模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行推測(cè)。

(3)根據(jù)來(lái)自地下深部的物質(zhì)進(jìn)行推斷?；鹕絿姲l(fā)和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)有時(shí)能把地下深部(如上地幔)的物質(zhì)帶到地表，為我們認(rèn)識(shí)深部物質(zhì)提供了依據(jù)。

(4)與隕石研究的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。，

隕石是來(lái)自太陽(yáng)系空間的天體碎片，就獲得的大量隕石看，按成分可分三類：

石隕石(stonemeteorite)要由橄欖石、輝石等(鐵、鎂的硅酸鹽)礦物組成，按成分大約相當(dāng)于地表見(jiàn)到的超基性巖，金屬狀態(tài)的鐵、鎳成分很少，密度3-3.5g/cm3或更大。

鐵隕石(ironmeteorite)主要由金屬狀態(tài)的鐵、鎳組成的天然合金，密度8-8.5g/cm3或更大；

鐵石隕石為上述兩類隕石的過(guò)渡類型，其中鐵、鎂硅酸鹽礦物與金屬狀態(tài)的鐵、鎳成分各占一部分。

現(xiàn)代天文學(xué)及天文地質(zhì)學(xué)的研究表明：①這些隕石應(yīng)來(lái)自于太陽(yáng)系內(nèi)部的天體或小行星，當(dāng)它們進(jìn)入地球引力場(chǎng)時(shí)被地球吸引，廾有相當(dāng)一部分被大氣圈摩擦燃燒，其殘骸成為隕石落入地表。而太陽(yáng)系以外的物質(zhì)穿過(guò)遙遠(yuǎn)的空間進(jìn)入地球的可能性是極小的。②太陽(yáng)系內(nèi)部的物質(zhì)成分及形成演化具有統(tǒng)—”陸，特別是人類登月獲得月球表面巖石與地球表面的某些巖石類似的嚌實(shí)，使太陽(yáng)系物質(zhì)統(tǒng)一性的信念進(jìn)一步確立，因此，可以運(yùn)用隕石的特征推斷地球內(nèi)部的物質(zhì)狀態(tài)。

上地幔巖石

上地幔的基底構(gòu)造由不同厚度的難熔的橄欖巖層所組成，向下過(guò)渡到地幔巖(圖5-1)。接近地幔巖成分的巖石的主要特性是它們能夠以下面四種各自不同的礦物組合結(jié)晶出來(lái)(Ringwood，1962a，b；Green和Ringwood，1963)：

橄欖石十閃石閃巖橄欖石+貧鋁輝石+斜長(zhǎng)石斜長(zhǎng)石地幔巖

橄欖石+鋁輝石土尖晶石輝石地幔巖

橄欖石+貧鋁輝石+富鎂鋁榴石的石榴石石榴石地幔巖

這些礦物組合具有的各自不同的物理性質(zhì)(見(jiàn)右側(cè)表格)清楚地表明了它們結(jié)晶和平衡時(shí)不同的P-T-PH2O條件。這就提出一種可能性，即在地幔中可能存在由這些礦物組合的穩(wěn)定區(qū)所控制的巨大的礦物分帶。

地幔

研究成果

地幔端元

在地球發(fā)展演化的早期階段，地幔不斷地發(fā)生部分熔融，相當(dāng)部分容易進(jìn)入液相的元素隨著熔融作用不斷地移出地幔源區(qū)進(jìn)入巖漿，從而使地幔虧損了上述組分，形成了化學(xué)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(jù)同位素和微量元素組成，在地球化學(xué)上已劃分為以下6種地幔端元或儲(chǔ)源（reservoirs）,通過(guò)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巖漿巖的同位素和微量元素組成。（不同學(xué)術(shù)門派有不同劃分方案）

（1）DM虧損地幔，是洋中脊玄武源區(qū)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(fù)值。

（2）EMII型富集地幔，特點(diǎn)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(duì)于給定的206Pb/204Pb,其207Pb/204Pb和208Pb/204Pb比值高。

（3）EMIIII型富集地幔，特點(diǎn)是Rb/Sr比值高，Sm/Nd比值低，Th/NdK/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(lián)系的交代成因。EMII與上部陸殼有親緣關(guān)系，可能代表了陸源沉積巖陸殼蝕變地大洋地殼或洋島玄武巖的再循環(huán)作用，也可能是次大陸巖石圈進(jìn)入地幔與之混合。

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

（5）PREMAprevalentmantle的縮寫，稱為流行或普遍地幔，為經(jīng)常觀察到的普通地幔成分。特點(diǎn)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(gòu)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(dòng)

成因

地球不是一個(gè)固體球，而是由多層同心球?qū)咏M成的一個(gè)非常活躍的行星。因地球的公轉(zhuǎn)和傾斜自轉(zhuǎn)，與天體引力的存在，又引發(fā)了各層同心球?qū)拥淖陨磉\(yùn)動(dòng)，其中有水圈、大氣圈、液體外核、固體外殼的潮汐運(yùn)動(dòng)。地球的傾斜自轉(zhuǎn)使液體外核的潮汐方向傾斜，又導(dǎo)致其“以上的層圈差速產(chǎn)生產(chǎn)傾斜（地幔弦動(dòng)）”，地幔弦動(dòng)的結(jié)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?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，地球內(nèi)核的旋轉(zhuǎn)速度每年要比地幔和地殼快0.3到0.5度，也就是說(shuō)，地球內(nèi)核比地球表面構(gòu)造板塊的運(yùn)動(dòng)速度快5萬(wàn)倍，新發(fā)現(xiàn)有助于科學(xué)家們解釋地球磁場(chǎng)是怎樣產(chǎn)生的。美國(guó)伊利諾伊大學(xué)地球物理學(xué)家宋曉東教授是這項(xiàng)研究工作的負(fù)責(zé)人，他們的成果發(fā)表在2005年8月26日出版的美國(guó)《科學(xué)》雜志上。新發(fā)現(xiàn)也結(jié)束了一場(chǎng)為期9年的爭(zhēng)論。宋曉東說(shuō)：“我們相信我們得到了確鑿的證據(jù)?！?/p>

理論

加州大學(xué)圣克魯斯分校的地球科學(xué)教授加里·格拉茲麥爾說(shuō)：“這是一項(xiàng)有意義的發(fā)現(xiàn)，它減少了一個(gè)領(lǐng)域中的不確定性，你能從中學(xué)到新東西?！蓖诘摹犊茖W(xué)》雜志專門為這一發(fā)現(xiàn)配發(fā)評(píng)述文章，美國(guó)的《紐約時(shí)報(bào)》、《國(guó)家地理》雜志和英國(guó)的《物理學(xué)世界》等對(duì)這一發(fā)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)報(bào)道。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)為這項(xiàng)工作提供了資助。

地核由固體金屬構(gòu)成，它包括一個(gè)大小與月球相當(dāng)?shù)闹睆綖?400公里的固態(tài)內(nèi)核，和直徑為7000公里的液態(tài)外核?？茖W(xué)家們認(rèn)為，內(nèi)核在產(chǎn)生地球磁場(chǎng)的地球動(dòng)力學(xué)中發(fā)揮了重要作用，來(lái)自地球動(dòng)力學(xué)的電磁轉(zhuǎn)矩導(dǎo)致內(nèi)核相對(duì)于地幔和地殼旋轉(zhuǎn)。

運(yùn)動(dòng)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(xué)拉蒙特―多爾蒂地球觀測(cè)站的地震學(xué)家，通過(guò)對(duì)穿越地球的地震波的分析，他們第一次提出了地球內(nèi)核的旋轉(zhuǎn)速度比其它部分快的觀點(diǎn)。但這在當(dāng)時(shí)有相當(dāng)爭(zhēng)議，部分地震學(xué)家懷疑推導(dǎo)出結(jié)果的數(shù)據(jù)有誤，或是假象；也有科學(xué)家曾試圖證明地球內(nèi)核的運(yùn)動(dòng)速度并不比其它部分快；部分科學(xué)家說(shuō)，雖然內(nèi)核在旋轉(zhuǎn)，但它的速度比哥倫比亞學(xué)者提出的速度慢多了；有人則說(shuō)，他們沒(méi)有發(fā)現(xiàn)跡象表明內(nèi)核比地球的其它部分轉(zhuǎn)得快。之后，宋曉東到伊利諾伊大學(xué)地質(zhì)系做教授，他和仍在哥倫比亞大學(xué)的理查德共同領(lǐng)導(dǎo)了一項(xiàng)新研究，他們的研究將消除人們對(duì)這個(gè)結(jié)論的任何懷疑。

宋曉東說(shuō)：“盡管還不能精確地測(cè)定出內(nèi)核旋轉(zhuǎn)的速度，但我們的論文表明這個(gè)速度不可能是零。”地球在一天時(shí)間里自轉(zhuǎn)一次，或360度，新研究表明，地球內(nèi)核的旋轉(zhuǎn)速度每年比其它部分快0.3到0.5度。這個(gè)更為精確的發(fā)現(xiàn)比他們1996年提出的快1.1度慢一點(diǎn)。

通過(guò)對(duì)歷史上地震波穿過(guò)地球液體核和固體內(nèi)核的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，宋曉東等發(fā)現(xiàn)了令人信服的證據(jù)，表明地球的固體內(nèi)核確實(shí)以不同的速度在旋轉(zhuǎn)。從大西洋的南桑威奇群島地區(qū)到美國(guó)南部海岸線，他們對(duì)18個(gè)相似地震進(jìn)行了觀察。相似地震也稱為波形地震對(duì)(earthquakewaveformdoublet),在同一臺(tái)站記錄的一對(duì)地震的波形完全一樣，說(shuō)明這兩個(gè)地震發(fā)生在同一地點(diǎn)。宋曉東等發(fā)現(xiàn)，這些地震對(duì)在阿拉斯加州及靠近的地方的58個(gè)地震臺(tái)站都有記錄，地震對(duì)的間隔時(shí)間跨越0到35年，從而讓研究人員能觀察地震波隨時(shí)間的變化。

宋曉東說(shuō)：“當(dāng)?shù)卣饘?duì)的兩個(gè)事件的時(shí)間相隔大于幾年時(shí)，穿越地球內(nèi)核的相似地震波在旅行時(shí)間和波形上表現(xiàn)出系統(tǒng)性的變化。惟一可信的解釋就是內(nèi)核的運(yùn)動(dòng)?！睘槭裁吹厍騼?nèi)核會(huì)以不同速度旋轉(zhuǎn)呢？宋曉東認(rèn)為最可能的解釋是電磁耦合，“在外核層產(chǎn)生的磁層擴(kuò)散到內(nèi)核層，并在那里產(chǎn)生出電流。電流與磁場(chǎng)的相互作用導(dǎo)致內(nèi)核旋轉(zhuǎn)，就像電樞在電動(dòng)機(jī)中旋轉(zhuǎn)”。

地幔

相關(guān)學(xué)科

地幔巖石學(xué)是以地幔為對(duì)象的一門巖石學(xué)，研究的內(nèi)容包括上地幔的組成(巖石、礦物、地球化學(xué))及其縱向橫向的不均一性；上地幔熔融巖漿的作用及巖漿化學(xué)儲(chǔ)源庫(kù)；上地幔流變學(xué)及動(dòng)力學(xué)特征；上地幔熱狀態(tài)；地幔的演化以及在地幔中發(fā)生的其他地質(zhì)作用(如交代作用)等。在地表，可以從金伯利巖及堿性玄武巖中的上地幔包體、阿爾卑斯型侵入巖及蛇綠巖套中的變質(zhì)橄欖巖獲得上地幔樣品，提供組成的資料。但要想建立起完整的模型還必須有地球物理學(xué)、物理化學(xué)、實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)的相互滲透才能提供更多的約束條件。

最新動(dòng)態(tài)

2022年9月26日消息，來(lái)自博茨瓦納的一顆寶石級(jí)鉆石上有一處美麗的藍(lán)色瑕疵，這實(shí)際上是來(lái)自地球內(nèi)部深處的一塊微小碎片——它表明，地幔中含有大量的水。^[1]