下地幔

下地幔

下地幔,厚度為660~ 2890千米。目前認為下地幔的成分比較均一。但因處於極端高溫和高壓環境,地幔岩石呈現為塑性狀態。

基本介紹

  • 中文名:下地幔
  • 外文名:lower mantle,inner mantle
  • 曾稱:硫氧化物圈
  • 厚度:660~ 2890 km 
  • 特徵:成分比較均一
  • 物質成分矽酸鹽金屬氧化物硫化物
簡介,結構,下地幔底層D″,探測方法,固體地球結構表,

簡介

曾稱硫氧化物圈(sulpho oxidized sphere)。地幔的一部分,即D層(670~2885千米),物質成分主要為矽酸鹽,此外還有金屬氧化物硫化物,特別是顯著增加,主要為鎂方鐵礦,具石鹽結構,矽酸鹽,具鈣鈦礦結構,它們是下地幔的主要礦物相。平均密度5.7克/厘米3,壓力約135 吉帕,溫度約1850~4400℃,物質狀態屬固態。化學作用向深處逐漸減弱,以致很難進行,放射性物質含量很低。

結構

地球下地幔位於660~ 2 890 km 深度, 厚度達2230 km。過去一般認為下地幔的物質橫向變化較小,是一個相當均勻的物質層。
新一代的地震層析成像揭示出下地幔並不像以前想像的那樣均勻,它的下部特別是靠近核幔邊界的底層,是一個極其不均勻的物質層,其橫向變化及各向異性的程度甚至超過了地球表層的岩石圈。
在下地幔中部(1 350 km ) 顯示了高速異常分布在地中海—喜馬拉雅—印度尼西亞一帶,以及北美洲的中、東部至中美洲加勒比海一帶。它們與古生代以來海洋岩石圈板塊向下地幔俯衝的的位置十分一致。Caro lina 等根據熱點的歷史軌跡(海底火山鏈及海山分布走向),可以追溯120M a 以來的板塊俯衝史。岩石圈主要沿環太平洋及特提斯帶俯衝到下地幔的底部,因而可以計算出它們在不同時期到達不同深度的位置。
在下地幔2750 km 深處太平洋西緣至東亞有大片高速異常分布。這一成片的高速異常,推測是古海洋板片在過去1~ 2 億年俯衝到下地幔, 在核幔邊界積聚成毯狀的岩石圈殘留物。在這一深度北美洲及中美洲也分布有片狀高速異常區,但其規模較小,推測也是古海洋板片俯衝到下地幔底部形成的殘留岩石圈。
在太平洋中南部的社會群島還發現一個從地表一直通到下地幔2 500 km 深處的低速異常。

下地幔底層D″

位於核幔邊界之上的下地幔D″層,是20 世紀70 年代提出並於80 年代得到證實,由於D″層在地球動力學上有重大意義,因而一直是地震學研究的熱點。不過, 由於它的複雜性且捉摸不定,不同研究者得到的結果往往大相逕庭,使我們至今仍難窺其全貌。
首先是其厚度不確定,可以在100~ 450 km 之間變化,平均厚度約250~ 265 km,利用D″中的散射波, 可以發現該層中S 波速度變化可達±5%, 而P 波速度變化為±2. 5%。此外,D″層的頂部速度隨深度增大, 而在其下部速度隨深度減小。D″層在地理位置上的分布也是變化莫測的,在沿CMB 追蹤時,它時隱時現, 它可能在十分短的距離(10~ 100km ) 中斷, 也可能連續長距離出現(1 000 km )。在阿拉斯加及加勒比地區能得到很好的D″層的觀測結果,那裡是中生代岩石圈板塊的俯衝帶。

探測方法

探測地幔的最有力的工具是監測來自世界各地的地震波。地震時會產生兩種不同的地震波:P波(縱波)和S波(橫波)。這兩種波都是穿越地球內部的體波,它們分別對應於地震波通過岩石時產生的物理特性,縱波與聲波相似,就是傳播方向與波動方向在同一水平線上,速度比橫波快。橫波與抖動的繩子產生的波形相似,即橫波通過時岩石的震動方向與波的傳播方向垂直。像光波一樣,當穿越不同密度的岩石邊界時,地震波也會發生反射折射。利用這些特性,我們就可以對地球內部成像。
2007年3月,科學家利用近地表石油和天然氣勘探的成像技術,繪製出了地球深部核幔邊界構造的高解析度三維圖像。這次繪圖使用了世界各地1000多個地震台站記錄的數千次地震的數據。這些數據使科學家能夠分辨有關核幔邊界構造的細節,這些構造反映出複雜的下地幔結構,這是先前從未見過的,也是第一次估計出核幔邊界附近的溫度大約為3700℃。
2015年12月2日,美國、英國、中國等12個國家的30名科學家登上美國“決心”號鑽探船,準備在西南印度洋開展打穿地球殼幔邊界的第一次大洋鑽探。

固體地球結構表

地球圈層名稱
深度
(公里)
地 震
縱波速度
(公里/秒)
地 震
橫波速度
(公里/秒)
密度(克/立方厘米)
物 質
狀 態
一級
分層
二級
分層
傳統
分層


地 殼
地 殼
0—33
5.6—7.0
3.4—4.2
2.6—2.9
固態物質




外過渡層
(上)
上地幔
33—980
8.1—10.1
4.4—5.4
3.2—3.6
部 分
熔融物質
外過渡層
(下)
下地幔
980—2900
12.8—13.5
6.9—7.2
5.1—5.6
液態—固態 物 質



液 態 層
外地核
2900—4700
8.0—8.2
不能通過
10.0—11.4
液態物質


內 過
度 層
過度層
4700—5100
9.5—10.3
12.3
液態—固態 物 質
地 核
內地核
5100—6371
10.9—11.2
12.5
固態物質

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