上地幔

上地幔(英語:Upper Mantle (earth))是地球內部的一層厚的岩石層,分佈于地殼底界(離地表約 35 公里,離海洋約 10 公里),到下地幔頂界( 670 公里(420 英里)。 其溫度範圍從大約 200 °C (392 °F) 到大約 900 °C (1,650 °F)。 出露到地表的地幔物質含 55% 的橄欖石、35% 的輝石和 5% 至 10% 的氧化鈣和氧化鋁礦物,如斜長石尖晶石石榴石上地幔的成分隨深度而變化。

地球的密度是根據地震波速度來推定的。 因受到上載岩石重量的壓縮,其密度隨深度也增加。 成分變化時,也能導致密度發生突變[1]。 在上地幔中的内部運動是引起板塊構造移動的主要原因。地殼和地幔的區分是根據成分不同,而岩石圈軟流圈的區分則根據其機械性質[2]。安德里亞·莫霍羅維奇在 1909 年首先發現地震波達到地幔的頂界時,其速度會突然增加,后此界面就被稱為莫氏不連續面Mohorovičić 不連續面或“Moho”” [3]

莫氏不連續面也是地殼的底部界面,因爲地殼厚度不同,此不連續面分佈深度也不一樣,由地球表面以下 10 公里(6.2 英里)到 70 公里(43 英里)不等。 大洋地殼比大陸地殼薄,通常不到 10 公里(6.2 英里)厚。 大陸地殼厚約 35 公里(22 英里),但青藏高原下的地殼根部厚約 70 公里(43 英里)[4].上地幔的厚度約為 640 公里(400 英里)。 整個地幔的厚度約為 2,900 公里(1,800 英里),上地幔僅佔地幔總厚度的 20% 左右[4]

上地幔和下地幔之間的邊界是一個 670 公里(420 英里)的不連續面[2]。地震在淺層是走滑斷層造成的; 但是在大約 50 公里(31 英里)以下,由於高溫高壓,地幔是粘性的,不能產生斷層,因此無地震活動 ,但在在俯衝帶中是例外,地震活動延申到 670 公里(420 英里)深[1]

萊曼不連續面编辑

萊曼不連續面位於 220 公里(140 英里)深,由於在此深度 P 波和 S 波的速度突然增加而被認出此不連續面[5].

過渡區编辑

上地幔和下地幔之間屬過渡帶,深度介於 410 公里(250 英里)和 670 公里(420 英里)之間。 由於地層壓力增加,橄欖石在此深度,它的晶粒會重新排列,能形成更緻密的晶體結構[6]。 例如尖晶橄榄石 變為布里奇曼石bridgmanite 和方鎂石。地震的體波也會在此界面形成轉換波、反射或折射。從礦物物理學也能預測到此界面,因為相變隨溫度和密度而變,因此亦隨深度而變[6]

410公里不連續面编辑

地震數據中在 410 公里(250 英里)深,都顯示一個單一的主峰,它代表從 α- 到 β- Mg2SiO4(橄欖石到瓦士利石)的礦物相變。根據克劳修斯-克拉佩龙方程,這不連續面在寒冷地區較深,如俯衝板片,而在較暖地區,如地幔柱這不連續面較淺[6]

670公里不連續面编辑

這不連續面比較複雜,是上地幔和下地幔之間的界面。PP (入射波及反射波皆爲縱波)波僅在某些區域, 顯示此界面,但 SS (入射波及反射波皆爲橫波)顯示區域很廣汎[6]。P到S的轉換波可在此界面上反射一次或雙次。此界面深度分佈很寬(640-720 公里,或 397-447 英里)。根據克劳修斯-克拉佩龙方程的預測,在較冷地區此界面較深,而在較熱地區此界面較淺[6]。通常尖晶橄榄石 ringwoodite在此界面相變到布里奇曼石和方鎂石 periclase[7]。這種相變在熱力學上是一種吸熱反應,而且粘度會跳躍增加。這兩個特徵是建造地球動力學模型中的主要因素[8]

其他不連續面编辑

另一個主要的相變在地幔 520 公里(320 英里)深,這是橄欖石(β 到 γ)和石榴石的轉變[9] 。 這相變只是偶爾在地震數據中可觀察到[10]。 其他非全球性的相變,在各種深度都有被發現[6][11].

溫度和壓力编辑

地幔的溫度範圍從上邊界的200 °C 到核幔邊界的4,000 °C [12]。 上地幔的最高溫度為 900 °C (1,650 °F)[13]。此高溫範圍,若在地表,地幔岩已被熔化。但地幔幾乎完全是固體[14]。 這是因爲固體開始熔化的溫度,隨壓力而增加。在地幔上所承受的巨大岩石靜壓,阻止了地幔在深處的熔化。在長時間內。整個地幔能像流體一樣變形,具有永久的塑性變形。上地幔的最高壓力為 24.0 GPa(237,000 atm)ref name=”What”/>,而地幔底部為 136 GPa(1,340,000 atm)[12][15]。 根據深度[16],溫度、成分、應力狀態和許多其他因素,估計上地幔的粘度範圍在 1019 和 1024 Pa•s 之間。上地幔的流動非常緩慢。當對最上地幔施加較大的壓力時,它會變得更弱,這種效應被認為是形成構造板塊邊界的重要因素。 雖然粘度隨深度而增加,但這種關係遠非線性,並且有粘度顯著降低的層次,特別是在上地幔和與地核的邊界處[16]

運動编辑

地幔中的對流物質循環運動,是起由於地球表面和外核之間的溫差,以及在高壓和高溫下,結晶能夠在數百萬年內經歷緩慢、蠕變、粘性狀的變形[3]。 熱的物質上升,而較冷(和較重)的物質向下沉。在俯衝帶的會聚板塊邊界處,物質是向下運動的。位於地幔柱之上的地表海拔較高(因為地幔柱較熱、密度較低並具有浮力),並有熱點火山活動。

礦物成分编辑

地震數據不能判斷地幔的成分。但其成分可由岩石露頭和其他證據分析而得,上地幔主要為鎂鐵質礦物的橄欖石和輝石,密度約為 3.33 g/cm3(0.120 lb/cu in) [1]。出露到地表的上地幔物質包括約 55% 的橄欖石和 35% 的輝石,以及 5% 至 10% 的氧化鈣和氧化鋁[1]。上地幔主要由不同比例的橄欖石、單斜輝石、斜方輝石和鋁相組成[1]。含鋁礦物在最上層地幔中是斜長石,然後是尖晶石,大約 100 公里(62 英里)以下為石榴石[1]。 在上地幔深處,輝石變得不穩定並多數轉變為石榴石。

在加壓實驗中,橄欖石和輝石的礦物結構會發生變化。當轉變為更緻密的礦物結構時,密度曲線及地震速度會產生不連續面[1]。在過渡帶的頂部,橄欖石會進行等化學相,轉變為瓦士利石(wadsleyite)和尖晶橄榄石(ringwoodite)。這些高壓橄欖石的多晶型礦物,在其晶體結構中具有很大的儲水能力。這和無水橄欖石不同,這引起在過渡帶可能擁有大量水的假設[17]

在地球內部,橄欖石的穩定深度在 410 公里(250 英里)以上。而尖晶橄榄石的穩定深度被推斷在深度約 520 至 670 公里的過渡帶內。在410 公里、520 公里和 670 公里深度的地震波的不連續性,均歸因於橄欖石的多晶型物的相變。 在過渡帶的底部,尖晶橄榄石分解成布里奇曼石(Bridgmanite)(以前稱為矽酸鎂鈣鈦礦)和铁方镁石。石榴石在過渡區底部或略低於過渡區底部也不穩定。 金伯利岩從地球內部溢出時,有時會攜帶岩石碎片。一些捕虏岩碎片含鑽石,鑽石是在地殼下方的高壓區產生的。伴隨鑽石而來的岩石通常是超鎂鐵質結核和橄欖岩[1]

化學成分编辑

地幔成分與地殼非常相似。但地幔的岩石和礦物往往比地殼含有更多的鎂,而矽和鋁則更少。上地幔中最豐富的前四種元素是氧、鎂、矽和鐵[18][19].

探勘编辑

大洋地殼比大陸地殼相對較薄,因此地幔的勘探通常在海床而不是在陸地上進行。 第一次地幔勘探計劃,Mohole,經過多次失敗和成本超支後,於 1966 年被放棄。最深的鉆深約為 180 m (590 ft)。 2005 年,海洋鑽探船 JOIDES Resolution 鑽探深度達到了海底以下 1,416 米。2007 年 3 月 5 日,RRS 詹姆斯庫克號,在位於佛得角群島和加勒比海之間的大西洋海底鑽探,那里地幔暴露在於海面以下約 3 公里(1.9 英里)處,沒有任何地殼覆蓋。地幔覆蓋數千平方公里[20][21][22].

Chikyu Hakken 用日本船隻 Chikyū ,于2012 年 4 月 27 日,鑽探到海平面以下 7,740 米的深度,創造了深海鑽探的新世界紀錄。此後,該記錄被命運多舛的Deepwater Horizon移動海上鑽井船超越,該鑽井船在美國墨西哥灣密西西比峽谷油田的台伯礦區作業,創造了垂直鑽柱總長度10,062 米的世界紀錄[23]。之前美國船隻 Glomar Challenger ,曾於 1978 年在馬里亞納海溝的海平面以下 7,049.5 米處鑽探[24]。2012 年 9 月 6 日,科學深海鑽探船 Chikyū 在太平洋西北部,日本下北半島的海床以下 2,111 米深處,采集到岩石樣本,創造了新的世界紀錄。

2005 年探索地球最上層幾百公里的一種新方法被提出,該方法由一個小型、緻密、發熱的探測器組成,該探測器能通過融化而鉆穿地殼和地幔,同時能利用聲學信號跟踪,鑽頭在岩石中位置和進展[25]。鑽頭由直徑約 1 米(3 英尺 3 英寸)的鎢質外球組成,內部有鈷 60 作為放射性熱源。要鑽半年才能鑽到洋殼下的莫霍面[26]。 利用計算機模擬也可以探索地幔的演化。 2009 年,一個超級計算機應用程序,建立了對45 億年前地幔發育時礦床分佈,尤其是對鐵同位素的分佈有創新見解[27]

參考文獻编辑

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