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上地幔

一月 24, 2024

上地幔（英語：Upper Mantle）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、尖晶石或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，而岩石圈和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，地幔是黏性的，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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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 地幔是黏性的 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 目录 1 萊曼不連續面 2 過渡區 3 410公里不連續面 4 670公里不連續面 5 其他不連續面 6 溫度和壓力 7 運動 8 礦物成分 9 化學成分 10 探勘 11 參考文獻 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 a 到 b 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 b 到 g 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 gt 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 Chikyu 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 Chikyu 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 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 Langmuir Charles H Broecker Wally 2012 07 22 How to Build a Habitable Planet The Story of Earth from the Big Bang to Humankind pp 179 183 ISBN 9780691140063 2 0 2 1 Rothery David A Gilmour Iain Sephton Mark A March 2018 An Introduction to Astrobiology p 56 ISBN 9781108430838 3 0 3 1 Alden Andrew 2007 Today s Mantle a guided tour About com Retrieved 2007 12 25 4 0 4 1 Istria on the Internet Prominent Istrians Andrija Mohorovicic 2007 Retrieved 2007 12 25 William Lowrie 1997 Fundamentals of geophysics Cambridge University 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