通過這6件事情解讀地幔

2021-01-15 宇宙解碼

        眾所周知地球分為三層：地殼、地幔、地核。地殼包括地表的巖石和大陸。地殼下面是地球的中間層地幔。地幔位於地殼和熔融態鐵質地核之間，是厚厚的高溫固體巖石層，它是地球體積和質量都最大的一層，佔了地球體積的三分之二。地下30千米往下都屬於地幔，其厚度達2,900千米。


        如果要真正做到了解地球的地幔，你就必須應該知道以下的6件事。



1. 採集地幔樣本

        地球上的元素成份與太陽和其它行星上的一樣(除了氫和氦，因為這兩種元素不受地心引力的控制)。減去地核中的鐵，我們可以計算出地幔是由鎂、矽、鐵和氧組成的，大致與石榴石的成份相同。


        要準確地說出地幔內部某個指定的深度會有什麼樣的礦物質混合體確實是個複雜的問題，我們還沒能徹底地解決這個問題。來自地幔中的一些樣本給了我們一些幫助，它們是火山噴髮帶來的大塊巖石，來自300公裡深的地方。這些巖石告訴我們，地幔的最上層是由橄欖巖和榴輝巖組成。但我們從地幔中得到的最令人興奮的東西是鑽石。




2.地幔的活動

        地幔最上層隨著其上面的地球板塊運動慢慢攪動。主要的活動是俯衝板塊的向下運動以及地幔巖石從地心向外的擴散運動。這些運動不能徹底攪勻上地幔，地質專家認為上地幔就像一個大理石蛋糕，只不過似用巖石做的。


        世界火山活動的方式如實地反映了板塊構造理論，但火山爆發的中心並不是熱點，地幔深處甚至最底部的物質的上升和下降可能意味著是熱點，但也可能不是。最近有關熱點問題引起了一場生機勃勃的科學大討論。


3.利用地震波探測地幔

        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巖石時產生的物理特性，縱波與聲波相似，速度比橫波快。橫波與抖動的繩子產生的波形相似，即橫波通過時巖石的震動方向與波的傳播方向垂直。像光波一樣，當穿越不同密度的巖石邊界時，地震波也會發生反射和折射。利用這些特性，我們就可以對地球內部成像。




        我們用於探測地幔的方法足以與醫生檢查病人的超聲波照影媲美。經過一個世紀對地震數據的收集，我們已經有能力製作令人印象深刻的地幔圖。


        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多個地震臺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℃。


4.在實驗室建立地幔模型?

        對於人體，在我們了解皮膚下的構造之前，超聲波影像僅僅是一些陰影。對於受地震影響的地幔圖而言亦是如此。礦物和巖石在高壓下會發生改變，例如，普通的礦物橄欖石在410到660千米深處變成不同的晶體形態。現在的地震臺陣網，就像在地球表面安置了聽診器一樣，可以採集、解析地震信號，這樣人們就能得知地球內部發生的事情。



        我們採用兩種方法研究地幔在不同條件下礦物的表現：基於礦物物理方程式的計算和實驗室中的實驗。這樣，地幔的研究就是地震學家、電腦程式員和實驗室研究人員的三方協作，利用類似於鑽石對頂砧(DAC)一樣的高壓實驗設備，就能夠再現地幔任何地方的環境條件。在高壓下，礦物和巖石在高壓下會發生改變，例如，普通的礦物橄欖石在410到660千米深處變成不同的晶體形態。


        通過採集地震數據的傳播時間等參數，可以製作壓縮速度、剪切速度(縱波和橫波穿越某一物質的速度)、礦物物理等相關特徵模型，其中礦物物理模型能夠直接將各種物質和組成聯繫起來。利用這些模型可以對地幔的組成進行校正，也可以進行熱量和化學研究，例如，人們一直關心地幔是否存在著化學分層。


5.地幔的層及其邊界

        歷經一個世紀的地震數據填充了地幔的一些空白。地幔主要有三層，上層從地殼底部開始到地下660千米深處，很多工作人員認為這個過渡區域在410到660千米之間，在這兩個深度之間，礦石會發生主要的物理變化。




        地幔的中間層位於地下660到2700千米之間，地震波會強烈影響這個區域，大多數研究人員相信下面的巖石會發生不同的化學變化。地幔的最下層是一個有爭議的層，大約200千米厚，有一個奇怪的名字，稱為「D層」。隨著地震層析成像解析度的不斷提高和形成於地核巨大壓力和溫度下的新礦物的發現，核幔邊界的200千米厚的D層已經成為地幔最終命運的研究熱點。    


        利用地震波的傳播時間及其穿越地幔的「全部信號」，如一些地震波可能穿越好幾個邊界層，而其它一些則可能在兩個邊界層間不斷地反彈。過去常常因為地震波的複雜性而不能夠測定的這些分散的反射物，現在都可以測定。這樣，科學家們就有能力再現近地核區域的極端條件，進而更好地了解D層的性質。




6.為什麼地幔很特殊?

        因為地球的大部分是地幔，地幔是地質學的基礎。從地球誕生之日起，地幔就以鐵質地核上面的熔巖形態存在。當地球凝固時，沒有形成礦物的元素就像泡沫一樣固化為地殼，再其後40億年漫長的循環流動中，隨著地面板塊構造運動，至少最上層的部分一直在冷卻、攪動並進行水合反應。


        有關地殼的形成也是一個長期的謎。形成地殼的熔巖是從地幔間歇性地運送到地表呢，還是持續緩慢地到達地表?近期科學家對地表古地幔中抗蝕礦物的同位素特徵和日期進行了研究，他們發現抗蝕礦物的生成日期與地殼形成日期非常接近，由此表明數10億年前，地殼以很快的速度在很短的時間內從地幔中形成。


        相比於地球的姊妹行星--水星、金星和火星的構造，地球具有一個活動的、多動的地幔，這要特別感謝地球有一個明顯的與眾不同的表面成分：水。很久以前，地球漸漸形成漂移的板塊、劇烈攪動的地幔和緻密的地核，隨著釋放出的自由氧氣和熱量，誕生了一個有生命的行星。

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