地幔

地幔（Mantle）介於莫霍面和古登堡面之間，厚度在2800km以上，平均密度為4.59g/cm，體積約占地球體積的82.26%，地幔的質量約占地球總質量的67.0%，在很大程度上影響了地球物質的總組成。地幔的橫向變化比較均勻，根據地震波速度的變化以1000km激增帶為界面(雷波蒂面)，進一步劃分出上地幔和下地幔兩個次一級圈層。

基本介紹

• 中文名：地幔
• 外文名：Mantle
• 學科：地球科學
• 厚度：2865公里
• 次級圈層：上地幔，下地幔

主要圈層劃分

(一)地殼

地殼是莫霍面以上的地球表層。其厚度變化在5-70km之間。其中大陸地區厚度較大，平均約為33km；大洋地區厚度較小，平均約7km；總體的平均厚度約16km，約占地球半徑的1/400，占地球總體積的1.55%，占地球總質量的0.8%。地殼物質的密度一般為2.6-2.9g/cm，其上部密度較小，向下部密度增大：地殼為固態岩石所組成，包括沉積岩、岩漿岩和變質岩三大岩類：由十：地殼是當前地質學、地球物理學、地理學等學科的主要研究對象，因此，有關其詳細情況將在下一節作進一步介紹。

地幔主要圈層劃分

(二)地幔

地幔是地球的莫霍面以下、古登堡面(深2885km)以上的中間部分。其厚度約2850km，占地球總體積的82.3%，占地球總質量的67.8%，是地球的主體部分。從整個地幔叫以通過地震波橫波的事實看，它主要由固態物質組成。根據地震波的次級不連續面，以650km深處為界，可將地幔分為上地幔和下地幔兩個次級圈層。

1．上地幔

上地幔的平均密度為3.5g/cm，這一密度值與石隕石相當，暗示其可能具有與石隕石類似的物質成分。從火山噴發和構造運動從上地幔上部帶出來的深部物質來看，也均為超基性岩。近年來通過高溫高壓試驗來模擬地幔岩石的性質時發現，用橄欖岩55%、輝石35%、石榴子石10%的混合物作為樣品(礦物成分相當於超基性岩)，在相當於上地幔的溫壓條件下測定其波速與密度，得到與上地幔基本一致的結果。根據以上理由推測，上地幔由相當於超基性岩的物質組成，其主要的礦物成分可能為橄欖石，有一部分為輝石與石榴子石，這種推測的地幔物質被稱為地幔岩。

上地幔上部存在一個軟流圈，約從70km延伸到250km左右，其特徵是出現地震波低速帶。物理實驗表明，波速降低可能是由於軟流圈物質發生部分熔融，使其強度降低而引起的。據地內溫度估算，軟流圈的溫度可達700-1300℃，已接近超基性岩在該壓力下的熔點溫度，因此一些易熔組分或熔點偏低的組分便可開始發生熔融。據計算，軟流圈的熔融物質可能僅占1%-10%，熔融物質散布於固態物質之間，因而大大降低了強度，使軟流圈具較強的塑性或流動性。由於軟流圈物質已接近熔融的臨界狀態，因此它成為岩漿的重要發源地。

2．下地幔

下地幔的平均密度為5.1g/cm．由於這裡經受著強大的地內壓力作用，使得存在於上地幔的橄欖石等礦物分解成為FeO、MgO、SiO₂和Al₂O₃，等簡單的氧化物。與上地幔相比，其物質化學成分的變化可能主要表現為含鐵量的相對增加(或Fe/Mg的比例增大)。由於壓力隨深度的增大，物質密度和波速逐漸增加。

(三)地核

地核是地球內部古登堡面至地心的部分，其體積占地球總體積的16.2%，質量卻占地球總質壁的31.3%，地核的密度達9.98-12.5g/cm。根據地震波的傳播特點可將地核進一步分為三層：外核(深度2885-4170km)、過渡層(4170-5155km)和核心(5155km至地心)。在外核中，根據橫波不能通過，縱波發生大幅度衰減的事實推測其為液態；在核心中，橫波又重新出現，說明其又變為固態；過渡層則為液體一固體的過渡狀態。

地核的密度如此之大，從地表物質來看只有一些金屬物質才可與之相比，而地表最常見的金屬是鐵，具密度為8g/cm，它在超高壓下完全可以達到地核的密度。地核的密度與鐵隕石較接近，也表明地核可能主要為鐵、鎳物質。地球具有主要由內部物質引起的磁場，這說明地球內部一定具有高磁性的鐵、鎳物質非常集中的某個圈層，而地殼、地幔中均不存在，那么它應存在於地核中。此外，人們用爆破衝擊波提供的瞬時超高壓宋模擬地核的嚴卞狀態，並測定一些元素在瞬時超高壓下的波速與密度，結果發現地核的波速與密度值與鐵，鎳比較接近。綜合多方面推測，地核應主要由鐵、鎳物質組成。近年來的進一步研究還發現，在地核的高壓下，純鐵、鎳的密度略顯偏高，推測地核最合理的物質組成應是鐵、鎳及少量的矽、硫等輕元素組成的合金。

地球內部圈層結構及各圈層的主要地球物理數據

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
外 球	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	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	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 球	內過 度層		過渡層	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

劃分依據

(1)根據各圈層密度和地震波速度與地表岩石或礦物的有關性質對比進行推測。

(2)根據各圈層的壓力、溫度，通過高溫高壓模擬實驗進行推測。

(3)根據來自地下深部的物質進行推斷。火山噴發和構造運動有時能把地下深部(如上地幔)的物質帶到地表，為我們認識深部物質提供了依據。

(4)與隕石研究的結果進行對比。

隕石是來自太陽系空間的天體碎片，就獲得的大量隕石看，按成分可分三類：

石隕石(stonemeteorite)要由橄欖石、輝石等(鐵、鎂的矽酸鹽)礦物組成，按成分大約相當於地表見到的超基性岩，金屬狀態的鐵、鎳成分很少，密度3-3.5g/cm或更大。

鐵隕石(ironmeteorite)主要由金屬狀態的鐵、鎳組成的天然合金，密度8-8.5g/cm或更大；

鐵石隕石為上述兩類隕石的過渡類型，其中鐵、鎂矽酸鹽礦物與金屬狀態的鐵、鎳成分各占一部分。

現代天文學及天文地質學的研究表明：①這些隕石應來自於太陽系內部的天體或小行星，當它們進入地球引力場時被地球吸引，並有相當一部分被大氣圈摩擦燃燒，其殘骸成為隕石落入地表。而太陽系以外的物質穿過遙遠的空間進入地球的可能性是極小的。②太陽系內部的物質成分及形成演化具有統一性，特別是人類登月獲得月球表面岩石與地球表面的某些岩石類似的事實，使太陽系物質統一性的信念進一步確立。因此，可以運用隕石的特徵推斷地球內部的物質狀態。

上地幔岩石

上地幔的基底構造由不同厚度的難熔的橄欖岩層所組成，向下過渡到地幔岩(圖5-1)。接近地幔岩成分的岩石的主要特性是它們能夠以下面四種各自不同的礦物組合結晶出來(Ringwood，1962a，b；Green和Ringwood，1963)：

橄欖石十閃石 閃岩 橄欖石+貧鋁輝石+斜長石 斜長石地幔岩

大氣溫度壓力下地幔岩礦物組合和純橄欖岩、橄欖岩密度及P波速度

橄欖石+鋁輝石土尖晶石 輝石地幔岩

橄欖石+貧鋁輝石+富鎂鋁榴石的石榴石 石榴石地幔岩

這些礦物組合具有的各自不同的物理性質(見右側表格)清楚地表明了它們結晶和平衡時不同的P-T-PH2O條件。這就提出一種可能性，即在上地幔中可能存在由這些礦物組合的穩定區所控制的巨大的礦物分帶。

研究成果

地幔端元

在地球發展演化的早期階段，地幔不斷地發生部分熔融，相當部分容易進入液相的元素隨著熔融作用不斷地移出地幔源區進入岩漿，從而使地幔虧損了上述組分，形成了化學上的虧損地幔。如Si、AL、Ca、Na、K等。如果地幔中加入了上述元素，則形成富集地幔。

據同位素和微量元素組成，在地球化學上已劃分為以下6種地幔端元或儲源（reservoirs）,通過這些地幔端員廣泛的混合作用可以解釋所有觀察到的各種幔源岩漿岩的同位素和微量元素組成。（不同學術門派有不同劃分方案）

（1）DM虧損地幔，是洋中脊玄武源區的主要成分，主要特徵是低Rb/Sr,高Sm/Nd;143Nd/144Nd比值高，87Sr/86Sr比值低，其&Nd(t)為高正值，&Sr(t)為負值。

（2）EMII型富集地幔，特點是Rb/Sr比值較高，Sm/Nd比值較低；Ba/Th和Ba/La比值高，87Sr/86Sr比值變化大；143Nd/144Nd比值較低。對於給定的206Pb/204Pb,其207Pb/204Pb和208Pb/204Pb比值高。

（3）EMII II型富集地幔，特點是Rb/Sr比值高，Sm/Nd比值低，Th/Nd K/Nb和Th/La比值較高。143Nd/144Nd和87Sr/86Sr比值均高於EMI。EMII具有殼幔相聯繫的交代成因。EMII與上部陸殼有親緣關係，可能代表了陸源沉積岩陸殼蝕變地大洋地殼或洋島玄武岩的再循環作用，也可能是次大陸岩石圈進入地幔與之混合。

（4）HIMU 高U/Pb比值的地幔，U和Th相對於Pb是富集的.HIMU的成因可能是由於蝕變地大洋地殼進入地幔並與之混合，丟失的鉛進入地核，地幔中交代流體使Pb和Rb流失。

（5）PREMA prevalent mantle 的縮寫，稱為流行或普遍地幔，為經常觀察到的普通地幔成分。特點是206Pb/204Pb為18.2-18.5，高於DM 和EMI，低於EMII和HIMU地幔；87Sr/86Sr低於EMI和EMII,高於DM.143Nd/144Nd高於EMI和 EMII，低於DM。

（6）FOZO地幔集中帶。它在DM-EMI-HIMU所構成三角形底部，它是DM和HIMU的混合物，可能源於下地幔，由起源於核-幔邊界的地幔熱柱捕獲。

地幔弦動

成因

地球不是一個固體球，而是由多層同心球層組成的一個非常活躍的行星。因地球的公轉和傾斜自轉，與天體引力的存在，又引發了各層同心球層的自身運動，其中有水圈、大氣圈、液體外核、固體外殼的潮汐運動。地球的傾斜自轉使液體外核的潮汐方向傾斜，又導致其“以上的層圈差速產生產傾斜（地幔弦動）”，地幔弦動的結果是；和地殼的兩極在傾斜差速中兩極換位以至板塊線速度改變，也是造成地震頻繁的主要原因。科學家們發現，地球核心的旋轉速度每年要比地幔和地殼快0.3到0.5度，也就是說，地球核心比地球表面構造板塊的運動速度快5萬倍，新發現有助於科學家們解釋地球磁場是怎樣產生的。美國伊利諾伊大學地球物理學家宋曉東教授是這項研究工作的負責人，他們的成果發表在2005年8月26日出版的美國《科學》雜誌上。新發現也結束了一場為期9年的爭論。宋曉東說：“我們相信我們得到了確鑿的證據。”

地幔

理論

加州大學聖克魯斯分校的地球科學教授加里·格拉茲麥爾說：“這是一項有意義的發現，它減少了一個領域中的不確定性，你能從中學到新東西。”同期的《科學》雜誌專門為這一發現配發評述文章，美國的《紐約時報》、《國家地理》雜誌和英國的《物理學世界》等對這一發現進行了詳細報導。美國國家科學基金會和中國國家自然科學基金會為這項工作提供了資助。

地核由固體金屬構成，它包括一個大小與月球相當的直徑為2400公里的固態核心，和直徑為7000公里的液態外核。科學家們認為，核心在產生地球磁場的地球動力學中發揮了重要作用，來自地球動力學的電磁轉矩導致核心相對於地幔和地殼旋轉。

運動速度

早在1996年，宋曉東和保羅·理察還是紐約哥倫比亞大學拉蒙特―多爾蒂地球觀測站的地震學家，通過對穿越地球的地震波的分析，他們第一次提出了地球核心的旋轉速度比其它部分快的觀點。但這在當時有相當爭議，部分地震學家懷疑推導出結果的數據有誤，或是假象；也有科學家曾試圖證明地球核心的運動速度並不比其它部分快；部分科學家說，雖然核心在旋轉，但它的速度比哥倫比亞學者提出的速度慢多了；有人則說，他們沒有發現跡象表明核心比地球的其它部分轉得快。之後，宋曉東到伊利諾伊大學地質系做教授，他和仍在哥倫比亞大學的理察共同領導了一項新研究，他們的研究將消除人們對這個結論的任何懷疑。

宋曉東說：“儘管還不能精確地測定出核心旋轉的速度，但我們的論文表明這個速度不可能是零。”地球在一天時間裡自轉一次，或360度，新研究表明，地球核心的旋轉速度每年比其它部分快0.3到0.5度。這個更為精確的發現比他們1996年提出的快1.1度慢一點。

通過對歷史上地震波穿過地球液體核和固體核心的數據進行對比，宋曉東等發現了令人信服的證據，表明地球的固體核心確實以不同的速度在旋轉。從大西洋的南桑威奇群島地區到美國南部海岸線，他們對18個相似地震進行了觀察。相似地震也稱為波形地震對(earthquake waveform doublet)，在同一台站記錄的一對地震的波形完全一樣，說明這兩個地震發生在同一地點。宋曉東等發現，這些地震對在阿拉斯加州及靠近的地方的58個地震台站都有記錄，地震對的間隔時間跨越0到35年，從而讓研究人員能觀察地震波隨時間的變化。

宋曉東說：“當地震對的兩個事件的時間相隔大於幾年時，穿越地球核心的相似地震波在旅行時間和波形上表現出系統性的變化。惟一可信的解釋就是核心的運動。”為什麼地球核心會以不同速度旋轉呢？宋曉東認為最可能的解釋是電磁耦合，“在外核層產生的磁層擴散到核心層，並在那裡產生出電流。電流與磁場的相互作用導致核心旋轉，就像電樞在電動機中旋轉”。

相關學科

地幔岩石學是以地幔為對象的一門岩石學，研究的內容包括上地幔的組成(岩石、礦物、地球化學)及其縱向橫向的不均一性；上地幔熔融岩漿的作用及岩漿化學儲源庫；上地幔流變學及動力學特徵；上地幔熱狀態；地幔的演化以及在地幔中發生的其他地質作用(如交代作用)等。在地表，可以從金伯利岩及鹼性玄武岩中的上地幔包體、阿爾卑斯型侵入岩及蛇綠岩套中的變質橄欖岩獲得上地幔樣品，提供組成的資料。但要想建立起完整的模型還必須有地球物理學、物理化學、實驗岩石學的相互滲透才能提供更多的約束條件。