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地幔

地幔

地幔（德语：Erdmantel；英语：Mantle），地球内部结构模型中的中间层，位于地壳和地核之间，是地球内部三大圈层中体积最大、质量最大的圈层。地幔的平均深度为地壳底界到地下2900千米左右，体积约占地球总体积的82%，质量约为4.05×1021吨、占地球总质量的67.8%，平均密度为4.5克/立方厘米。

科学家们通过研究发现，地震波在地球中的传播，存在突然变化及不连续的现象，这证明地球内部可以划分为若干个同心的球形圈。1909年，克罗地亚地球物理学安德烈·莫霍洛维奇（克罗地亚语：Andrija Mohorovičić）通过研究大量的地震记录，界定出了地壳和地幔的边界，即“莫霍界面”。1914年，美国地震学家本诺·古登堡（Beno Gutenberg）首先发现在距震中11500~16000千米的范围内存在地震波的影区；后来被证实这是地核与地幔的分界层，即“古登堡面”。莫霍面与古登堡面之间的地幔，主要由以铁镁硅酸盐为主的矿物组成，如橄榄石、辉石；在高温高压的条件下，它们处于第四种物态，即没有晶体结构或气体和冷流体状态的分子排列的混合物状态。

地核内部不断产生的热量是地幔对流的动力，而地幔对流则是板块构造、大陆形成和漂移、火山作用、地震和造山运动的根本原因，它是地球内部的重要动力学过程，使得地球内部热能向外传播、化学物质不断循环并在地球表面产生动力学地形。人类历史上，为探测地幔进行了不少钻探研究，例如1958~1966年的“莫霍计划”、1968~1983年的深海钻探项目（DSDP）、1984~2003年的远洋钻探计划（ODP），以及仍在进行中的国际大洋发现计划（IODP）。2023年6月，国际大洋发现计划（IODP）的一艘名为乔迪斯·决心号（JOIDES Resolution，JR）的海洋钻探船在大西洋中部的海床下成功采集到地幔岩石样本，这将极大促进人类在地球地质构造、岩浆及火山活动、远古生命起源以及地球物理学等领域的研究。

研究历程

1909年，克罗地亚地球物理学家安德烈·莫霍洛维奇通过研究萨格勒布（Zagreb）当地的地震记录时，发现一些地震产生的地震波到达仪器的速度比预期的要快得多。分析研究后，安德里亚·莫霍罗维奇得出的结论是地震发生在地球最上层（即地壳）时会产生地震波，其中部分波会穿过位于更低位置的“较快”层（即地幔）；在此过程中，他界定出了地壳和地幔的边界，即莫霍界面。

1914年，美国地震学家本诺·古登堡首先发现在距震中11500~16000千米的范围内存在地震波的影区，推断地下存在地震波速的低速间断面；计算出界面深约2900千米，对应影区105~143°，并且在该不连续面上地震波出现极明显的反射、折射现象。后证实，这是地核与地幔的分界层，并称其为“古登堡面”。

1919年，英国地质学家亚瑟·霍尔姆斯（Arthur Holmes）针对德国地质学家阿尔弗雷德·魏格纳（Alfred Wegener）提出的大陆漂移学说，提出了一种猜想，即大陆是由它们所处的地幔流动所携带的，而地幔流动是因为它在对流。亚瑟·霍尔姆斯提出的猜想，补充了大陆漂移学说，使得“是什么导致大洲在地球表面移动”的问题得到解答。

1958年，莫霍计划从国家科学基金会获得资金后正式启动。1961年，美国多样性协会（American Miscellaneous Society，AMSOC）使用“CUSS I号”钻井船在墨西哥瓜德罗普岛附近进行了一系列钻探。从钻孔中获得的岩芯显示，中新世时期的海底沉积层是由玄武岩组成。尽管获得了初步的成功，但是该计划受到了来自政治和经济上的影响，最终美国众议院于1966年8月18日否决了对该计划的拨款，莫霍计划因此搁浅。

1970年，"挑战者号"（Glomar Challenger）在南大西洋大西洋中脊钻探了一系列钻孔，取回了沉积在大洋地壳上的基底沉积物。这些样本的生物地层学年龄随着与海脊峰的距离增加而几乎呈线性增长，与分析海底磁异常所预测的年龄非常吻合。这证实新的海洋地壳正在大洋中脊生成，从而支持了完整的板块构造理论。

1992年，远洋钻探计划（ODP）的第145航段，钻井船在底特律海山（Detroit Seamount）对面，对海底的玄武岩进行了取样并确定其形成的古地磁纬度位于夏威夷以北。此后的第197航段则找到了令人信服的古地磁证据，表明从大约76到45百万年，夏威夷热点迅速向南迁移到达了现在的位置，这一发现对重建原本的太平洋板块运动和地幔动力学的概念都有影响。

2023年6月，国际大洋发现计划（IODP）的一艘名为“乔迪斯·决心号”的海洋钻探船在大西洋中部的海床下成功采集到地幔岩石样本，并且许多样品结构完整。该发现在研究地球地质构造、岩浆及火山活动、远古生命起源以及地球物理学等领域具有重大意义。

形成

早期地幔伴随地球内核出现。大约45亿年前，地球开始形成，铁和迅速从其他岩石和矿物中分离出来，形成了这颗新行星的内核；而围绕地核的熔融物质就是早期地幔。在之后的数百万年的时间里，地幔逐渐冷却、凝固，形成现在的地幔。

早期硅酸盐地球分异（地幔分异和壳幔分异）是形成早期地幔不均一的可能机制之一。对于放射性衰变体系来说，这些分异将造成同位素体系中母子体元素分异，经过放射性衰变产生不同程度的子体同位素积累，进而形成了具有不同放射性成因同位素组成的地幔源区。如早期地幔的分异形成I/Xe、Sm/Nd和Hf/W比值不同的地幔源区，经过母体衰变之后造成幔源岩石中不同129Xe/130Xe、142Nd/144Nd和182W/184W比值。此外，地核形成之后，由于天体撞击，导致约有相当于地球质量0.5％的地外物质加入到地幔中。

核幔分异后，地核与地幔之间的物质交换改变了地幔的化学成分，在核幔边界形成了带有地核“信号”的地幔，其随着地幔柱上升至浅部地幔或地表，形成硅酸盐地球的不均一。壳幔分异之后，形成了古老的克拉通岩石圈地幔，它悬浮于软流层之上，且具有机械抵抗力，能够防止地幔对流造成的破坏。克拉通岩石圈地幔是原始地幔经过高程度的部分熔融，大量玄武质熔体被抽取之后残余的难熔组分，且以难熔的方辉橄榄岩为主。熔融模型认为，克拉通岩石圈地幔是通过地幔物质底辟上升、地幔倒转，或者地幔柱携带地幔过渡带的物质上升并发生高程度熔融形成的。堆积模型则认为，古老的克拉通岩石圈地幔最初是通过俯冲的大洋地壳及形成于洋中脊的亏损地幔叠置堆积而成。

主要组成

通过对地震波传播速度、石陨石和深部岩浆源物质的研究推断，地幔主要由硅酸盐矿物集合成的岩石组成，主要是铁镁硅酸盐矿物，如橄榄石等。在地幔中发现的另一种主要岩石是氧化镁，此外地幔中还包括铁、铝、钙、钠和钾等化学元素。

研究认为，地幔上部（深度约60~400千米）的成分接近于超基性岩（即二辉榄岩）的组成；深度约为400~670千米的地幔中部，是由橄榄石和辉石的矿物相转变吸热降温形成的物质组成；深度约为670~2891千米的地幔下部，主要由铁、镍氧化物和硫化物组成。

超基性岩

超基性岩（ultrabasicrock），属于火成岩的一类，一般深灰黑色；二氧化硅（SiO₂）含量低（小于45%），为硅酸不饱和岩，铁、镁质含量高。其重要特征是不含石英，主要由橄榄石、辉石以及它们的蚀变产物如蛇纹石、滑石、绿泥石等组成。超基性岩是上地幔的主要组成物质，从上地幔的不同部位带到地表上的超基性岩类，按数量统计可分为四种类型，即纯橄榄岩、斜方辉橄岩、斜方辉橄岩-二辉橄岩、二辉橄榄岩。

铁

铁是铁族的代表，呈银白色，并带有金属光泽，比重是7.9，熔点为1535℃，沸点为2735℃，能导电，有延展性、传热性，具有亲铁、亲硫和亲氧的三重性。在地球内部结构中，约6/10的铁分布于地核，剩余部分则主要分布于地幔，尤其是下地幔中。铁在下地幔多以氧化铁的形式存在，约占下地幔中金属氧化物的16%。

镍

镍是铁系元素组的最后一个元素，位于元素周期表第四周期第八副族中，它是一种银白色金属，密度为8.9g/cm3，熔点为1455℃，沸点为2730℃，质坚硬，具有磁性。镍在地球内部的分布是不均匀的，在上地幔的含量为1500x10-6，在下地幔的含量为2000x10-6。此外，镍在各类岩浆岩中的平均含量变化也很大，例如在超基性岩中，镍的平均含量是酸性岩的250倍，与地幔岩大体相当。因此，通常把镍看作地幔岩的特征性元素。

主要特征

物态

一些学者认为地幔是一种“固体”；也有一些学者认为地幔的物质处于第四种物质状态。其中，第四种物质状态被称为“固液态”（Soliqueous state），处于压力的维持和控制下；它由所有地球地表和大气物质的化学元素组成，但是这些元素处于没有晶体结构或气体和冷流体状态的分子排列的混合物状态。作用于地幔的压力一旦消失，这些元素将恢复到三种普通的物质状态。此外，地幔的粘度变化很大，在地幔的上部主要呈固体（硅土四面体）；但在构造板块边界和地幔热柱之处的部分，地幔粘性较低、质地较软，能够在很大的深度和压力下，在数百万年的过程中进行塑性移动。

密度

地幔的物质密度随深度变化而变化，从地幔顶部的大约3.32克/立方厘米逐步递增到底部的约5.7克/立方厘米，平均密度为4.5克/立方厘米。其中，莫霍面以下至1000千米深处的地幔部分，其平均密度大约为3.8克/立方厘米；1000千米深处以下至古登堡面的地幔部分，其平均密度为5.6克/立方厘米。

温度

地幔的温度变化很大，从地壳边界附近的1000°C（1273.15 K）递增到地核边界附近的3700°C（3973.15 K）。在地幔中，热量通常随着深度的增加而增加；在大多数地方，地温梯度约为每千米深度增加25°C。

运行特征

由于地幔的热导性不强，放射性元素产生的放射热会聚集起来，经过热通量相对较小的地幔物质朝向地壳运动，到达地壳附近，因受地壳阻碍而向两边分流；同时把靠近地壳，且温度较低的地幔物质带回地幔深处，形成环流。当顶层的低温物质与底层的高温物质中和冷却到环流前的温度时，对流停止，一直到下一次对流出现。根据对地球表面移动速率的观察，地质学家估计地幔以每年几厘米的速度对流。地幔对流的“驱动力”有三个来源，其一是“原始”热量，也就是导致地核形成的吸积和分化遗留下来的热量；其二是放射性同位素，主要是钾、和等元素的衰变导致的热能；其三是月球对地球的潮汐摩擦力。

现代地球主要的地幔对流形式是地幔热柱与地幔冷柱，分别对应着上升流和下降流。地幔热柱一般发育于地球的核幔边界，并且在向上升的过程中逐渐扩大，当垂直运动的地幔热柱上升到岩石圈底部时，幔流变为向外的拆离扩散，形成具火山活动的热区，并可能使岩石圈上降。地幔冷柱主要起因于俯冲板块，当板块前缘俯冲到670千米深度时，它遇到强大阻力，加之温压条件的升高，使板块前缘发生水平弯曲、增厚并沿边界面聚集为巨石，在这里滞留100~400百万年；当其滞留体积达到某一临界值后，滞留巨石便发生重力塌陷，形成一个插入到下地幔的冷幔柱，并且可能会一直陷落到地核表层上。地幔热柱与地幔冷柱的形成和演化不仅是地球物质运动的重要形式，也是地壳运动的主要驱动力。但地幔柱假设仍不完善，与事实存在诸多矛盾，例如部分学者通过地球物理学层析成像方法对在黄石地区地幔热异常进行研究，发现该地区热异常仅存在于地幔上部。

分层结构

划分依据

英国地质学家和地震学家理查德·迪克森·奥尔德姆（Richard Dixon Oldham）在1897年发现了三种不同的地震波，即纵波（P-waves）、横波（S-Waves）和表面波（Surface Waves）；并确定了这些波沿着不同的路径以不同的速度穿过地球。这使得科学家有可能通过地震波研究地球内部的结构。

研究发现，地震波在地球中传播的速度，一般越到深处越大，但其速度不是均匀增加的而是达到某些深度时突然增大，达到核心表面又显著地减少。这种突然变化及不连续的现象，标志着地球内部，可以划分为若干个同心的球形圈。在地幔内，地震波的速度随深度而增加；但这种地震波速的变化并不是深度的解析函数，而是随深度增加而阶梯式地增加。根据地震波速在约400千米和约670千米深度上存在两个明显的不连续面，可将地幔分成由浅至深的三个部分，即上地幔、过渡层和下地幔。

主要层级

上地幔是指深度约20千米至400千米的部分，纵波波速为8.1千米/秒左右，但在深度60~400千米范围内，震波速度明显下降，特别是在100~150千米深度附近下降更多，这一部分被称为“古登堡低速层”；在这一层中，纵波波速可由8.2千米/秒降至7.7千米/秒，横波波速可从4.6千米/秒降至4.0千米/秒。一般认为，在该层以固体为主并在局部呈熔融或软化状态，具有较大的塑性或潜柔性，因此又称为“软流圈（层）”。软流圈的温度大约为700~1600℃，这里可能是岩浆的主要发源地，同时地壳运动、岩浆活动、火山活动以及热对流等皆可能与此层有关。

一般认为，上地幔的成分接近于超基性岩（即二辉橄榄岩）的组成。通过对源自上地幔的玄武岩岩浆的成分研究发现，它最重要的原始矿物是橄榄石和斜方辉石，因此，这两种矿物质也被认为是上地幔成分之一。此外，大量岩石学研究表明，上地幔可能是主要矿物由橄榄石、辉石、石榴石成某种比例构成的组合物；但也存在上地幔组成成分是橄榄岩质成分还是榴辉岩质的争论焦点。

过渡层是指深度约400千米至670千米的部分，纵波速度从9.1千米/秒增加到10.3千米/秒，横波速度从4.9千米/秒增加到5.6千米/秒；过渡层的地震波速随深度加大的梯度大于其他两部分。众多研究结果认为，过渡层的物质已经发生了由橄榄石结构向尖晶石结构的相转变。

下地幔是指深度约670千米至2891千米的部分，纵波速度10.8~13.7千米/秒，横波速度5.9~7.3千米/秒。下地幔的地震波速随深度加大的梯度变化小，尤其中部1000千米范围的波速变化梯度相等；在2741千米以下深度，波速变化梯度才有巨大变化。通过物质的地震波速度、密度、弹性与岩石的比较以及冲击波实验推知，下地幔是由堆积紧密的氧化物矿物组成，其中二氧化硅（SiO₂）占50%、氧化镁（MgO）占32%、氧化铁（Fe₂O₃）占18%。