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  • 地幔

    地幔(Mantle),位于地壳下面,是地球的中间层。厚度约2865公里,主要由致密的造岩物质构成,这是地球内部体积最大、质量最大的一层。化学成分主要是含铁镁的硅酸盐,平均密度是3.3-5.5g/cm3,占地球体积的83%,总质量的68%。地幔是驱动地球工作的引擎,也是地震、火山喷发和大陆移动的原因。

    编辑摘要

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    基本信息/地幔 编辑

    地幔地幔
    地幔亦称中间层,位于莫霍面以下和古登堡面以上的地下33~2900千米深处,地幔的质量占地球总质量的 67. 8%;体积占地球总体的积82%。质量和体积,都是固体地球的冠军。受地壳隔离,人们是直接看不到地幔的,只有当火山喷发时,地幔才将它的一部分岩浆“产品”,送到地面上加以“展示”。由于它像房子的帐幔一样遮住了人们从地壳角度察看地核的视线,故称其为“地幔”。

    地幔分为上下两层。上地幔深度在地下33~1000千米,主要由橄榄岩组成,故也称“橄榄岩层”。该层岩石比较软些,为地球岩浆的发源地,也称做“软流圈”。火山喷发、地震活动、地壳运动等现象的发生,都与它有着很大干系。下地幔深度为从深处1000~2900千米,主要由金属硫化物氧化物组成,因铁镍成分显著增加,故又称“金属硫化物—氧化物层”。地幔的密度,从上部的 3.32克/厘米3,向下可递增到5.66克/厘米3。底界面上的压力,也增大了很多,高达140万大气压。温度从上部的1200℃到下部增到 2000℃。[1]

    温度/地幔 编辑

    美国一些科学家用实验方法推算出地幔与核交界处的温度为3500℃以上,外核与内核交界处温度为6300℃,核心温度约6600℃。地幔的组成除了少数由玄武岩的捕获体获得外,因无法直接观察,只能以间接的方法研究。研究方法包括地震波重力和岩石的刚性和弹性反演,以及实验岩石学研究。

    结构/地幔 编辑

    地幔地幔
    地幔的组成除了少数由玄武岩的捕获体获得外,因无法直接观察,只能以间接的方法研究。研究方法包括地震波、重力和岩石的刚性和弹性反演,以及实验岩石学研究。

    上地幔的组成可以从岩浆岩推知。源于地幔的基性、超基性岩以及金伯利岩等都具有共同的高铁、特征,与地震波传播速度也一致,结合地球化学研究,认为上地幔的成分接近于超基性岩即二辉橄榄岩的组成。它经由部分熔融而产生玄武岩浆,剩余的为难熔的阿尔卑斯型橄榄岩林伍德(Ringwood)认为上地幔的化学成分相当于由3份阿尔卑斯型橄榄岩(橄榄石79%、斜方辉石20%和尖晶石1%)和一份夏威夷型拉斑玄武岩组成。上地幔的理想成分为: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%。[2]

    1914年B. 古登堡根据地震波传播速度测定地核的深度为2900千米,比现代精密测量的结果只差15千米。因此,地核-地幔边界又称古登堡不连续面。 

    上地幔顶部存在一个地震波传播速度减慢的层(古登堡低速层),一般又称为软流层,推测是由于放射性元素大量集中,蜕变放热,使岩石高温软化,并局部熔融造成的,很可能是岩浆的发源地。软流层以上的地幔是岩石圈的组成部分。下地幔温度、压力和密度均增大,物质呈可塑性固态。

    表现形式/地幔 编辑

    地幔地幔
    据同位素和微量元素组成,在地球化学上已划分为以下6种地幔端元或储源(reservoirs),通过这些地幔端员广泛的混合作用可以解释所有观察到的各种幔源岩浆岩的同位素和微量元素组成。

    (1)DM  亏损地幔,是洋中脊玄武源区的主要成分,主要特征是低Rb/Sr,高Sm/Nd;143Nd/144Nd比值高,87Sr/86Sr比值低,其&Nd(t)为高正值,&Sr(t)为负值。

    (2)EMI  I型富集地幔,特点是Rb/Sr比值较高,Sm/Nd比值较低;Ba/Th和Ba/La比值高,87Sr/86Sr比值变化大;143Nd/144Nd比值较低。对于给定的206Pb/204Pb,其207Pb/204Pb和208Pb/204Pb比值高。

    (3)EMII  II型富集地幔,特点是Rb/Sr比值高,Sm/Nd比值低,Th/Nd  K/Nb和Th/La比值较高。143Nd/144Nd和87Sr/86Sr比值均高于EMI。EMII具有壳幔相联系的交代成因。EMII与上部陆壳有亲缘关系,可能代表了陆源沉积岩  陆壳   蚀变地大洋地壳或洋岛玄武岩再循环作用,也可能是次大陆岩石圈进入地幔与之混合。

    (4)HIMU   高U/Pb比值的地幔,U和Th相对于Pb是富集的.HIMU的成因可能是由于蚀变地大洋地壳进入地幔并与之混合,丢失的铅进入地核,地幔中交代流体使Pb和Rb流失。

    (5)PREMA  prevalent mantle 的缩写,称为流行或普遍地幔,为经常观察到的普通地幔成分。特点是206Pb/204Pb为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   地幔集中带。它在DM-EMI-HIMU所构成三角形底部,它是DM和HIMU的混合物,可能源于下地幔,由起源于核-幔边界的地幔热柱捕获。

    地幔弦动/地幔 编辑

    地幔弦动地幔弦动
    地球不是一个固体球,而是由多层同心球层组成的一个非常活跃的行星。因地球的公转和倾斜自转,与天体引力的存在,又引发了各层同心球层的自身运动,其中有圈、大气圈、液体外核、固体外壳的潮汐运动。地球的倾斜自转使液体外核的潮汐方向倾斜,又导致其“以上的层圈差速产生产倾斜(地幔弦动)”,地幔弦动的结果是;地幔和地壳的两极在倾斜差速中两极换位以至板块线速度改变,也是造成地震频繁的主要原因。

    科学家们发现,地球内核的旋转速度每年要比地幔和地壳快0.3到0.5度,也就是说,地球内核比地球表面构造板块的运动速度快5万倍,新发现有助于科学家们解释地球磁场是怎样产生的。美国伊利诺伊大学地球物理学家宋晓东教授是这项研究工作的负责人,他们的成果发表在2005年8月26日出版的美国《科学》杂志上。新发现也结束了一场为期9年的争论。宋晓东说:“我们相信我们得到 了确凿的证据。”

    加州大学圣克鲁斯分校的地球科学教授加里·格拉兹麦尔说:“这是一项有意义的发现,它减少了一个领域 中的不确定性,你能从中学到新东西。”同期的《科学》杂志专门为这一发现配发评述文章,美国的《纽约时报》、《国家地理》杂志和英国《物理学世界》等对这一发现进行了详细报道。美国国家科学基金会和 中国国家自然科学基金会为这项工作提供了资助。

    研究历史

    早在1996年,宋晓东保罗·理查德还是纽约哥伦比亚大学拉蒙特―多尔蒂地球观测站的地震学家,通过对穿越地球的地震波的分析,他们第一次提出了地球内核的旋转速度比其它部分快的观点。但这在当时有相当争议,部分地震学家怀疑推导出结果的数据有误,或是假象;也有科学家曾试图证明地球内核的运动速度并 不比其它部分快;部分科学家说,虽然内核在旋转,但它的速度比哥伦比亚学者提出的速度慢多了;有人则说,他们没有发现迹象表明内核比地球的其它部分转得快。

    之后,宋晓东到伊利诺伊大学地质系做教授,他和仍在哥伦比亚大学的理查德共同领导了一项新研究,他们的研究将消除人们对这个结论的任何怀疑。宋晓东说:“尽管还不能精确地测定出内核旋转的速度,但我们的论文表明这个速度不可能是零。”地球在 一天时间里自转一次,或360度,新研究表明,地球内核的旋转速度每年比其它部分快0.3到0.5度。这个更为精确的发现比他们1996年提出的快1.1度慢一点。

    通过对历史上地震波穿过地球液体核和固体内核的数据进行对比,宋晓东等发现了令人信服的证据,表明地球的固体内核确实以不同的速度在旋转。从大西洋的南桑威奇群岛地区到美国南部海岸线,他们对18个相似地震进行了观察。相似地震也称为波形地震对(earthquake waveform doublet), 在同一台站记录的一对地 震的波形完全一样,说明这两个地震发生在同一地点。宋晓东等发现, 这些地震对在阿拉斯加州及靠近的地方的58个地震台站都有记录,地震对的间隔时间跨越0到35年,从而让研究人员能观察地震波随时间的变化 。

    华盛顿大学的地震学家肯尼思·克里杰对这一发现进行评论说:“这一发现消除了地球内核是否与地幔以不同的速度旋转的仅存不多的怀疑。” 格拉兹麦尔说,他和同事的计算机模拟显示,地球内核确实比外部旋转得快,但由于缺少详细的数据,模型 没有得出究竟快多少。

    探索/地幔 编辑

    2012年10月,科学家们计划进行有史以来首次地幔层探索,国际海洋钻探计划的一个国际科学家团队将开始一项耗资十亿美元的探险来钻孔到达地幔层进行有史以来的第一次取样。团队在太平洋选择了三个合适的位置,这些位置地壳是由蔓延的海岭形成而且是地壳最薄的位置。一旦钻探设备成功穿过海水抵达海底,他们将在海洋盆地钻出一个只有30厘米宽的孔洞。钻头需要每工作50至60个小时就更换一次,新钻头从4公里上方的船上被引导进入30厘米的孔也为这个项目增加了难度。[3]

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    参考资料
    [1]^引用日期:2012-10-08
    [2]^引用日期:2012-10-08
    [3]^引用日期:2012-10-08

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