帶你從6個角度看一看地幔

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地幔是地殼和熔融鐵心之間的一層厚厚的、熱的、固體的岩石。它佔地球的大部分,佔地球質量的三分之二。地幔大約開始於地表以下30km,厚約2900km。
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地球的圈層結構

01 算出來的地幔礦物

根據地球與太陽和其他行星有著相同的元素配方(忽略氫和氦,它們逃過了地球的引力),再減去地核中的鐵、鎳,我們可以計算出地幔是鎂、矽、鐵和氧的混合物,它們的比例大致與石榴子石的成分相匹配。

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石榴子石(圖片來源於網路)

但是,在給定的深度,究竟是什麼礦物的混合物,這是一個複雜的問題,目前並沒有得到肯定的答案。某些火山爆發中能攜帶地下300km或更深的大塊岩石,這有助於我們獲得地幔岩石的樣本。通過對這些樣本的分析,我們發現地幔最上部由橄欖岩和榴輝巖兩種岩石型別組成。

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橄欖石(圖片來源於網路)

不過,我們從地幔中得到的最令人興奮的東西是——鑽石。

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鑽石(圖片來源於網路)

02 活著的地幔

地幔頂部被其上方發生的板塊運動緩慢攪動著。主要的板塊構造活動有:

1)俯衝板塊向下運動;

2)板塊間的互相滑動;

3)當兩個板塊分離或擴充套件時,地幔巖向上運動。

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然而,這些作用並沒有完全混合上地幔,地球化學家認為上地幔是岩石版的大理石紋蛋糕。

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除了地球上一些被稱為熱點的區域,世界上的火山、地震活動反映了板塊構造的作用。熱點(hotspots)可能是地幔深處物質與地表物質交換的通道,它們有可能起源於地幔的最底部(核幔邊界)。這些和熱點有關的科學問題是地球科學討論最激烈的問題之一。

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全球深源地幔柱的分佈(heyn等,2020,EPSL)

03 地震波眼中的地幔

我們探測地幔最有力的技術是監測來自世界各地地震產生的地震波。兩種不同型別的地震波,P波(類似於聲波)和S波(類似於搖晃的繩索中的波),它們會對所經過的岩石的物理性質作出反應。這些波在某些物理性質變化較大的表面發生反射、折射(彎曲)等,我們利用這些反應來繪製地球內部的地圖。

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圖片來源:IRIS

如果我們的工具足夠好,就可以像醫生給病人做超聲波照片一樣,能夠全方位地刻畫地球的地幔。經過一個世紀的地震採集,我們能夠繪製出一些令人印象深刻的地幔圖。

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04 實驗室中的地幔

礦物和岩石在高壓下將會發生變化。例如,普通的地幔橄欖石在410km和660km左右的深度會變化為不同形式的晶體。我們研究地幔條件下礦物的行為主要有兩種方法:基於礦物物理方程的計算機模擬和實驗室測試。因此,現代地幔研究是由地震學家、計算機程式設計師和實驗室研究人員等組成,他們現在可以利用高壓實驗室裝置(如金剛石壓腔)對任何深度的地幔環境進行再現。

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金剛石壓腔

05 複雜的地幔內部世界

近一個世紀的研究幫助我們填補了地幔中的一些空白。它主要有三層:1)上地幔,從地殼底部(莫霍面)延伸至660km深處。其中的地幔轉換帶位於410km至660km之間,在這個深度上,礦物會發生重大的物理變化。2)下地幔,從660km一直延伸到2700km左右。3)D’’層,地幔底部有爭議的圈層,其厚度約200km。在這裡,地震波受到很強烈的影響,以至於大多數的研究人員認為這裡的岩石不僅僅是在晶體學上有不同,更可能是化學性質上也有不同。

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06 特別的地球地幔

與地球的姐妹行星(如,水星、金星和火星)相比,地球有一個活躍的,潤滑的地幔,可能這也是地球上有生命的原因之一。地幔作為地球的主體,它的故事是地學的基礎。在地球誕生的時候,地幔開始於鐵核上方的液態岩漿海洋。當它凝固時,不符合地幔主要礦物的元素收集於地球頂部形成了地殼。此後,地幔開始了40億年的緩慢迴圈。而它上部物質(上地幔)在地表的板塊構造運動和水合作用的影響下已經冷卻了。

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不同性質下的地球圈層

參考文獻:

文章內容參考:6 Fascinating Facts About the Earth’s Mantle https://www.thoughtco.com/all-about-the-earths-mantle-1440906.

美編:徐海潮

校對:張騰飛

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