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地幔

地幔(Mantle)介于莫霍面和古登堡面之间,厚度在2800km以上,平均密度为4.59g/cm³,体积约占地球体积的82.26%, 地幔的质量约占地球总质量的67.0%,在很大程度上影响了地球物质的总组成。地幔的横向变化比较均匀,根据地震波速度的变化以1000km激增带为界面(雷波蒂面),进一步划分出上地幔和下地幔两个次一级圈层。 

(一)地壳

(二)地幔

地幔是地球的莫霍面以下、古登堡面(深2885km)以上的中间部分。其厚度约2850km,占地球总体积的82.3%,占地球总质量的67.8%,是地球的主体邵分。从整个地幔叫以通过地震波横波的事实看,它主要由固态物质组成。根据地震波的次级不连续面,以650km深处为界,可将地幔分为上地幔和下地幔两个次级圈层。

1.上地幔

上地幔的平均密度为3.5g/cm³,这一密度值与石陨石相当,暗示其可能具有与石陨石类似的物质成分。从火山喷发和构造运动从上地幔上部带出来的深部物质来看,也均为超基性岩。近年来通过高温高压试验来模拟地幔岩石的性质时发现,用橄榄岩55%、辉石35%、石榴子石10%的混合物作为样品(矿物成分相当于超基性岩),在相当于上地幔的温压条件下测定其波速与密度,得到与上地幔基本一致的结果。根据以上理由推测,上地幔由相当于超基性岩的物质组成,其主要的矿物成分可能为橄榄石,有一部分为辉石与石榴子石,这种推测的地幔物质被称为地幔岩。

上地幔上部存在一个软流圈,约从70km延伸到250km左右,其特征是出现地震波低速带。物理实验表明,波速降低可能是由于软流圈物质发生部分熔融,使其强度降低而引起的。据地内温度估算,软流圈的温度可达700-1300℃,已接近超基性岩在该压力下的熔点温度,因此一些易熔组分或熔点偏低的组分便可开始发生熔融。据计算,软流圈的熔融物质可能仅占1%-10%,熔融物质散布于固态物质之间,因而大大降低了强度,使软流圈具较强的塑性或流动性。由于软流圈物质已接近熔融的临界状态,因此它成为岩浆的重要发源地。

2.下地幔

下地幔的平均密度为5.1g/cm³.由于这里经受着强大的地内压力作用,使得存在于上地幔的橄榄石等矿物分解成为FeO、MgO、SiO2和Al2O3,等简单的氧化物。与上地幔相比,其物质化学成分的变化可能主要表现为含铁量的相对增加(或Fe/Mg的比例增大)。由于压力随深度的增大,物质密度和波速逐渐增加。

(三)地核

地核是地球内部古登堡面至地心的部分,其体积占地球总体积的16.2%,质量却占地球总质壁的31.3%,地核的密度达9.98-12.5g/cm³。根据地震波的传播特点可将地核进一步分为三层:外核(深度2 885-4170km)、过渡层(4170-5155km)和内核(5155km至地心)。在外核中,根据横波不能通过,纵波发生大幅度衰减的事实推测其为液态;在内核中,横波又重新出现,说明其又变为固态;过渡层则为液体一固体的过渡状态。

地核的密度如此之大,从地表物质来看只有一些金属物质才可与之相比,而地表最常见的金属是铁,具密度为8g/cm³,它在超高压下完全可以达到地核的密度。地核的密度与铁陨石较接近,也表明地核可能主要为铁、镍物质。地球具有主要由内部物质引起的磁场,这说明地球内部一定具有高磁性的铁、镍物质非常集中的某个圈层,而地壳、地幔中均不存在,那么它应存在于地核中。此外,人们用爆破冲击波提供的瞬时超高压宋模拟地核的严卞状态,并测定一些元素在瞬时超高压下的波速与密度,结果发现地核的波速与密度值与铁,镍比较接近。综合多方面推测,地核应主要由铁、镍物质组成。近年来的进一步研究还发现,在地核的高压下,纯铁、镍的密度略显偏高,推测地核最合理的物质组成应是铁、镍及少量的硅、硫等轻元素组成的合金。 

地球圈层名称

深度

(公里)

地震

纵波速度

(公里/秒)

地震

横波速度

(公里/秒)

密度(克/立方厘米)

物质

状态

一级

分层

二级

分层

传统

分层

地 壳

地 壳

0-33

5.6-7.0

3.4-4.2

2.6-2.9

固态物质

外过渡层

(上)

上地幔

33-980

8.1-10.1

4.4-5.4

3.2-3.6

部分

熔融物质

外过渡层

(下)

下地幔

980-2900

12.8-13.5

6.9-7.2

5.1-5.6

液态—固态物质

液态层

外地核

2900-4700

8.0-8.2

不能通过

10.0-11.4

液态物质

内过

度层

过渡层

4700-5100

9.5-10.3

12.3

液态—固态物质

地核

内地核

5100-6371

10.9-11.2

12.5

固态物质

(1)根据各圈层密度和地震波速度与地表岩石或矿物的有关性质对比进行推测。

(2)根据各圈层的压力、温度,通过高温高压模拟实验进行推测。

(3)根据来自地下深部的物质进行推断。火山喷发和构造运动有时能把地下深部(如上地幔)的物质带到地表,为我们认识深部物质提供了依据。

(4)与陨石研究的结果进行对比。 ,

陨石是来自太阳系空间的天体碎片,就获得的大量陨石看,按成分可分三类:

石陨石(stonemeteorite) 要由橄榄石、辉石等(铁、镁的硅酸盐)矿物组成,按成分大约相当于地表见到的超基性岩,金属状态的铁、镍成分很少,密度3-3.5g/cm³或更大。

铁陨石(ironmeteorite) 主要由金属状态的铁、镍组成的天然合金,密度8-8.5g/cm³或更大;

铁石陨石 为上述两类陨石的过渡类型,其中铁、镁硅酸盐矿物与金属状态的铁、镍成分各占一部分。

现代天文学及天文地质学的研究表明:①这些陨石应来自于太阳系内部的天体或小行星,当它们进入地球引力场时被地球吸引,廾有相当一部分被大气圈摩擦燃烧,其残骸成为陨石落入地表。而太阳系以外的物质穿过遥远的空间进入地球的可能性是极小的。②太阳系内部的物质成分及形成演化具有统—”陆,特别是人类登月获得月球表面岩石与地球表面的某些岩石类似的哜实,使太阳系物质统一性的信念进一步确立,因此,可以运用陨石的特征推断地球内部的物质状态。

上地幔的基底构造由不同厚度的难熔的橄榄岩层所组成,向下过渡到地幔岩(图5-1)。接近地幔岩成分的岩石的主要特性是它们能够以下面四种各自不同的矿物组合结晶出来 (Ringwood,1962a,b;Green和Ringwood,1963):

橄榄石十闪石 闪岩

橄榄石+铝辉石土尖晶石 辉石地幔岩

橄榄石+贫铝辉石+富镁铝榴石的石榴石 石榴石地幔岩

这些矿物组合具有的各自不同的物理性质(见右侧表格)清楚地表明了它们结晶和平衡时不同的P-T-PH2O条件。这就提出一种可能性,即在上地幔中可能存在由这些矿物组合的稳定区所控制的巨大的矿物分带。 

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。

成因

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。

运动速度

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”。

地幔岩石学是以地幔为对象的一门岩石学,研究的内容包括上地幔的组成(岩石、矿物、地球化学)及其纵向横向的不均一性;上地幔熔融岩浆的作用及岩浆化学储源库;上地幔流变学及动力学特征;上地幔热状态;地幔的演化以及在地幔中发生的其他地质作用(如交代作用)等。在地表,可以从金伯利岩及碱性玄武岩中的上地幔包体、阿尔卑斯型侵入岩及蛇绿岩套中的变质橄榄岩获得上地幔样品,提供组成的资料。但要想建立起完整的模型还必须有地球物理学、物理化学、实验岩石学的相互渗透才能提供更多的约束条件。 



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