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地幔(Mantle):地质学专业术语,地壳下面是地球的中间层,叫做“地幔”,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。 地幔又可分成上地幔和下地幔两层。上地幔上部存在一个地震波传播速度减慢的层,一般又称为软流层,推测是由于放射性元素量集中,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。

构造

上地幔顶部存在一个地震波传播速度加快的层(莫霍面),岩石圈(岩石圈指地壳和上层地幔顶部)以下称为软流层(Asthenosphere),推测软流层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(Magma)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。厚度约有2900公里。
地幔 地幔
美国一些科学家用实验方法推算出地幔与地核交界处的温度为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深源岩浆岩(玄武岩、富碱斑岩、金伯利岩等)的捕虏体获得外,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应,以及实验岩石学研究。
一般而言,基于地球化学特征的地幔模式下,地幔在两个圈层中对流,然而多数地球物理证据和数值模拟强烈支持整体地幔对流。认识这些不同对了解地球火山活动和热烟花而言非常重要。

成分

上地幔的组成可以从岩浆岩推知。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铁、镁特征,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%。

地震探测

地幔和地壳的分界面是莫霍洛维奇不连续面(莫霍面),地幔和地核的分界面是古登堡面。前者由南斯拉夫地震学家莫霍洛维奇于1909年发现,后者由美籍德国地震学家古登堡于1914年发现。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。
探测地幔的最有力的工具是监测来自世界各地的地震波。地震时会产生两种不同的地震波:P波(纵波)和S波(横波)。这两种波都是穿越地球内部的体波,它们分别对应于地震波通过岩石时产生的物理特性,纵波与声波相似,就是传播方向与波动方向在同一水平线上,速度比横波快。横波与抖动的绳子产生的波形相似,即横波通过时岩石的震动方向与波的传播方向垂直。像光波一样,当穿越不同密度的岩石边界时,地震波也会发生反射和折射。利用这些特性,我们就可以对地球内部成像。
我们用于探测地幔的方法足以与医生检查病人的超声波照影媲美。经过一个世纪对地震数据的收集,我们已经有能力制作令人印象深刻的地幔图。
2007年3月,科学家利用近地表石油和天然气勘探的成像技术,绘制出了地球深部核幔边界构造的高解析度三维图像。这次绘图使用了世界各地1000多个地震台站记录的数千次地震的数据。这些数据使科学家能够分辨有关核幔边界构造的细节,这些构造反映出复杂的下地幔结构,这是先前从未见过的,也是第一次估计出核幔边界附近的温度大约为3700℃。

端元划分

在地球发展演化的早期阶段,地幔不断地发生部分熔融,相当部分容易进入液相的元素随着熔融作用不断地移出地幔源区进入岩浆,从而使地幔亏损了上述组分,形成了化学上的亏损地幔。如Si、AL、Ca、Na、K等。如果地幔中加入了上述元素,则形成富集地幔。
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。(不同学术门派有不同划分方案)
(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)EMII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的再循环作用,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

成因

地球不是一个固体球,而是由多层同心球层组成的
地幔 地幔
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,其中有水圈、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。”

理论

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》杂志和英国的《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。
地核由固体金属构成,它包括一个大小与月球相当的直径为2400公里的固态内核,和直径为7000公里的液态外核。科学家们认为,内核在产生地球磁场的地球动力学中发挥了重要作用,来自地球动力学的电磁转矩导 致内核相对于地幔和地壳旋转。

1996年的发现

早在1996年,宋晓东和保罗·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 。
宋晓东说:“当地震对的两个事件的时间相隔大于几年时,穿越地球内核的相似地震波在旅行时间和波形上 表现出系统性的变化。惟一可信的解释就是内核的运动。” 为什么地球内核会以不同速度旋转呢?宋晓东认为最可能的解释是电磁耦合,“在外核层产生的磁层扩散到 内核层,并在那里产生出电流。电流与磁场的相互作用导致内核旋转,就像电枢在电动机中旋转”。

评论

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。新研究的数据将提高计算机模型的水平,让科学家能更好地理解地球内部是如 何工作的。这篇论文的共同作者除了宋晓东和理查德以外,还包括哥伦比亚大学的研究生张健和研究科学家费利斯·瓦 尔德豪泽,以及伊利诺伊大学的研究生李迎春和孙新雷
地幔弦动 地幔弦动
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