通过这6件事情解读地幔

老刘tdrhg 2017-01-29

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宇宙解码2017-01-29阅读原文

众所周知地球分为三层：地壳、地幔、地核。地壳包括地表的岩石和大陆。地壳下面是地球的中间层地幔。地幔位于地壳和熔融态铁质地核之间，是厚厚的高温固体岩石层，它是地球体积和质量都最大的一层，占了地球体积的三分之二。地下30千米往下都属于地幔，其厚度达2,900千米。

如果要真正做到了解地球的地幔，你就必须应该知道以下的6件事。

1. 采集地幔样本

地球上的元素成份与太阳和其它行星上的一样(除了氢和氦，因为这两种元素不受地心引力的控制)。减去地核中的铁，我们可以计算出地幔是由镁、硅、铁和氧组成的，大致与石榴石的成份相同。

要准确地说出地幔内部某个指定的深度会有什么样的矿物质混合体确实是个复杂的问题，我们还没能彻底地解决这个问题。来自地幔中的一些样本给了我们一些帮助，它们是火山喷发带来的大块岩石，来自300公里深的地方。这些岩石告诉我们，地幔的最上层是由橄榄岩和榴辉岩组成。但我们从地幔中得到的最令人兴奋的东西是钻石。

2.地幔的活动

地幔最上层随着其上面的地球板块运动慢慢搅动。主要的活动是俯冲板块的向下运动以及地幔岩石从地心向外的扩散运动。这些运动不能彻底搅匀上地幔，地质专家认为上地幔就像一个大理石蛋糕，只不过似用岩石做的。

世界火山活动的方式如实地反映了板块构造理论，但火山爆发的中心并不是热点，地幔深处甚至最底部的物质的上升和下降可能意味着是热点，但也可能不是。最近有关热点问题引起了一场生机勃勃的科学大讨论。

3.利用地震波探测地幔

探测地幔的最有力的工具是监测来自世界各地的地震波。地震时会产生两种不同的地震波：P波(纵波)和S波(横波)。这两种波都是穿越地球内部的体波，它们分别对应于地震波通过岩石时产生的物理特性，纵波与声波相似，速度比横波快。横波与抖动的绳子产生的波形相似，即横波通过时岩石的震动方向与波的传播方向垂直。像光波一样，当穿越不同密度的岩石边界时，地震波也会发生反射和折射。利用这些特性，我们就可以对地球内部成像。

我们用于探测地幔的方法足以与医生检查病人的超声波照影媲美。经过一个世纪对地震数据的收集，我们已经有能力制作令人印象深刻的地幔图。

2007年3月，科学家利用近地表石油和天然气勘探的成像技术，绘制出了地球深部核幔边界构造的高解析度三维图像。这次绘图使用了世界各地1000多个地震台站记录的数千次地震的数据。这些数据使科学家能够分辨有关核幔边界构造的细节，这些构造反映出复杂的下地幔结构，这是先前从未见过的，也是第一次估计出核幔边界附近的温度大约为3700℃。

4.在实验室建立地幔模型?

对于人体，在我们了解皮肤下的构造之前，超声波影像仅仅是一些阴影。对于受地震影响的地幔图而言亦是如此。矿物和岩石在高压下会发生改变，例如，普通的矿物橄榄石在410到660千米深处变成不同的晶体形态。现在的地震台阵网，就像在地球表面安置了听诊器一样，可以采集、解析地震信号，这样人们就能得知地球内部发生的事情。

我们采用两种方法研究地幔在不同条件下矿物的表现：基于矿物物理方程式的计算和实验室中的实验。这样，地幔的研究就是地震学家、计算机程序员和实验室研究人员的三方协作，利用类似于钻石对顶砧(DAC)一样的高压实验设备，就能够再现地幔任何地方的环境条件。在高压下，矿物和岩石在高压下会发生改变，例如，普通的矿物橄榄石在410到660千米深处变成不同的晶体形态。

通过采集地震数据的传播时间等参数，可以制作压缩速度、剪切速度(纵波和横波穿越某一物质的速度)、矿物物理等相关特征模型，其中矿物物理模型能够直接将各种物质和组成联系起来。利用这些模型可以对地幔的组成进行校正，也可以进行热量和化学研究，例如，人们一直关心地幔是否存在着化学分层。

5.地幔的层及其边界

历经一个世纪的地震数据填充了地幔的一些空白。地幔主要有三层，上层从地壳底部开始到地下660千米深处，很多工作人员认为这个过渡区域在410到660千米之间，在这两个深度之间，矿石会发生主要的物理变化。

地幔的中间层位于地下660到2700千米之间，地震波会强烈影响这个区域，大多数研究人员相信下面的岩石会发生不同的化学变化。地幔的最下层是一个有争议的层，大约200千米厚，有一个奇怪的名字，称为“D层”。随着地震层析成像分辨率的不断提高和形成于地核巨大压力和温度下的新矿物的发现，核幔边界的200千米厚的D层已经成为地幔最终命运的研究热点。

利用地震波的传播时间及其穿越地幔的“全部信号”，如一些地震波可能穿越好几个边界层，而其它一些则可能在两个边界层间不断地反弹。过去常常因为地震波的复杂性而不能够测定的这些分散的反射物，现在都可以测定。这样，科学家们就有能力再现近地核区域的极端条件，进而更好地了解D层的性质。