带你从6个角度看一看地幔
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地幔是地壳和熔融铁心之间的一层厚厚的、热的、固体的岩石。它占地球的大部分,占地球质量的三分之二。地幔大约开始于地表以下30km,厚约2900km。

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地球的圈层结构

01 算出来的地幔矿物

根据地球与太阳和其他行星有着相同的元素配方(忽略氢和氦,它们逃过了地球的引力),再减去地核中的铁、镍,我们可以计算出地幔是镁、硅、铁和氧的混合物,它们的比例大致与石榴子石的成分相匹配。

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石榴子石(图片来源于网络)

但是,在给定的深度,究竟是什么矿物的混合物,这是一个复杂的问题,目前并没有得到肯定的答案。某些火山爆发中能携带地下300km或更深的大块岩石,这有助于我们获得地幔岩石的样本。通过对这些样本的分析,我们发现地幔最上部由橄榄岩和榴辉岩两种岩石类型组成。

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橄榄石(图片来源于网络)

不过,我们从地幔中得到的最令人兴奋的东西是——钻石。

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钻石(图片来源于网络)

02 活着的地幔

地幔顶部被其上方发生的板块运动缓慢搅动着。主要的板块构造活动有:

1)俯冲板块向下运动;

2)板块间的互相滑动;

3)当两个板块分离或扩展时,地幔岩向上运动。

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然而,这些作用并没有完全混合上地幔,地球化学家认为上地幔是岩石版的大理石纹蛋糕。

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除了地球上一些被称为热点的区域,世界上的火山、地震活动反映了板块构造的作用。热点(hotspots)可能是地幔深处物质与地表物质交换的通道,它们有可能起源于地幔的最底部(核幔边界)。这些和热点有关的科学问题是地球科学讨论最激烈的问题之一。

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全球深源地幔柱的分布(heyn等,2020,EPSL)

03 地震波眼中的地幔

我们探测地幔最有力的技术是监测来自世界各地地震产生的地震波。两种不同类型的地震波,P波(类似于声波)和S波(类似于摇晃的绳索中的波),它们会对所经过的岩石的物理性质作出反应。这些波在某些物理性质变化较大的表面发生反射、折射(弯曲)等,我们利用这些反应来绘制地球内部的地图。

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图片来源:IRIS

如果我们的工具足够好,就可以像医生给病人做超声波照片一样,能够全方位地刻画地球的地幔。经过一个世纪的地震采集,我们能够绘制出一些令人印象深刻的地幔图。

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04 实验室中的地幔

矿物和岩石在高压下将会发生变化。例如,普通的地幔橄榄石在410km和660km左右的深度会变化为不同形式的晶体。我们研究地幔条件下矿物的行为主要有两种方法:基于矿物物理方程的计算机模拟和实验室测试。因此,现代地幔研究是由地震学家、计算机程序员和实验室研究人员等组成,他们现在可以利用高压实验室设备(如金刚石压腔)对任何深度的地幔环境进行再现。

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金刚石压腔

05 复杂的地幔内部世界

近一个世纪的研究帮助我们填补了地幔中的一些空白。它主要有三层:1)上地幔,从地壳底部(莫霍面)延伸至660km深处。其中的地幔转换带位于410km至660km之间,在这个深度上,矿物会发生重大的物理变化。2)下地幔,从660km一直延伸到2700km左右。3)D’’层,地幔底部有争议的圈层,其厚度约200km。在这里,地震波受到很强烈的影响,以至于大多数的研究人员认为这里的岩石不仅仅是在晶体学上有不同,更可能是化学性质上也有不同。

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06 特别的地球地幔

与地球的姐妹行星(如,水星、金星和火星)相比,地球有一个活跃的,润滑的地幔,可能这也是地球上有生命的原因之一。地幔作为地球的主体,它的故事是地学的基础。在地球诞生的时候,地幔开始于铁核上方的液态岩浆海洋。当它凝固时,不符合地幔主要矿物的元素收集于地球顶部形成了地壳。此后,地幔开始了40亿年的缓慢循环。而它上部物质(上地幔)在地表的板块构造运动和水合作用的影响下已经冷却了。

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不同性质下的地球圈层

参考文献:

文章内容参考:6 Fascinating Facts About the Earth’s Mantle https://www.thoughtco.com/all-about-the-earths-mantle-1440906.

美编:徐海潮

校对:张腾飞

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