[科普中國]-下地幔

下地幔，厚度為660～ 2890千米。目前認(rèn)為下地幔的成分比較均一。但因處于極端高溫和高壓環(huán)境，地幔巖石呈現(xiàn)為塑性狀態(tài)。1

簡介曾稱硫氧化物圈(sulpho oxidized sphere)。地幔的一部分，即D層(670～2885千米)，物質(zhì)成分主要為硅酸鹽，此外還有金屬氧化物與硫化物，特別是鐵、鎳顯著增加，主要為鎂方鐵礦，具石鹽結(jié)構(gòu)，硅酸鹽，具鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，它們是下地幔的主要礦物相。平均密度5.7克/厘米3，壓力約135 吉帕，溫度約1850～4400℃，物質(zhì)狀態(tài)屬固態(tài)。化學(xué)作用向深處逐漸減弱，以致很難進(jìn)行，放射性物質(zhì)含量很低。1

結(jié)構(gòu)地球下地幔位于660～ 2 890 km 深度， 厚度達(dá)2230 km。過去一般認(rèn)為下地幔的物質(zhì)橫向變化較小，是一個相當(dāng)均勻的物質(zhì)層。

新一代的地震層析成像揭示出下地幔并不像以前想象的那樣均勻，它的下部特別是靠近核幔邊界的底層，是一個極其不均勻的物質(zhì)層，其橫向變化及各向異性的程度甚至超過了地球表層的巖石圈。

在下地幔中部(1 350 km ) 顯示了高速異常分布在地中海—喜馬拉雅—印度尼西亞一帶，以及北美洲的中、東部至中美洲加勒比海一帶。它們與古生代以來海洋巖石圈板塊向下地幔俯沖的的位置十分一致。Caro lina 等根據(jù)熱點(diǎn)的歷史軌跡(海底火山鏈及海山分布走向)，可以追溯120M a 以來的板塊俯沖史。巖石圈主要沿環(huán)太平洋及特提斯帶俯沖到下地幔的底部，因而可以計算出它們在不同時期到達(dá)不同深度的位置。

在下地幔2750 km 深處太平洋西緣至東亞有大片高速異常分布。這一成片的高速異常，推測是古海洋板片在過去1～ 2 億年俯沖到下地幔， 在核幔邊界積聚成毯狀的巖石圈殘留物。在這一深度北美洲及中美洲也分布有片狀高速異常區(qū)，但其規(guī)模較小，推測也是古海洋板片俯沖到下地幔底部形成的殘留巖石圈。

在太平洋中南部的社會群島還發(fā)現(xiàn)一個從地表一直通到下地幔2 500 km 深處的低速異常。1

下地幔底層D″位于核幔邊界之上的下地幔D″層，是20 世紀(jì)70 年代提出并于80 年代得到證實(shí)，由于D″層在地球動力學(xué)上有重大意義，因而一直是地震學(xué)研究的熱點(diǎn)。不過， 由于它的復(fù)雜性且捉摸不定，不同研究者得到的結(jié)果往往大相徑庭，使我們至今仍難窺其全貌。

首先是其厚度不確定，可以在100～ 450 km 之間變化，平均厚度約250～ 265 km，利用D″中的散射波， 可以發(fā)現(xiàn)該層中S 波速度變化可達(dá)±5%， 而P 波速度變化為±2. 5%。此外，D″層的頂部速度隨深度增大， 而在其下部速度隨深度減小。D″層在地理位置上的分布也是變化莫測的，在沿CMB 追蹤時，它時隱時現(xiàn)， 它可能在十分短的距離(10～ 100km ) 中斷， 也可能連續(xù)長距離出現(xiàn)(1 000 km )。在阿拉斯加及加勒比地區(qū)能得到很好的D″層的觀測結(jié)果，那里是中生代巖石圈板塊的俯沖帶。1

探測方法探測地幔的最有力的工具是監(jiān)測來自世界各地的地震波。地震時會產(chǎn)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(nèi)部的體波，它們分別對應(yīng)于地震波通過巖石時產(chǎn)生的物理特性，縱波與聲波相似，就是傳播方向與波動方向在同一水平線上，速度比橫波快。橫波與抖動的繩子產(chǎn)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(dāng)穿越不同密度的巖石邊界時，地震波也會發(fā)生反射和折射。利用這些特性，我們就可以對地球內(nèi)部成像。

2007年3月，科學(xué)家利用近地表石油和天然氣勘探的成像技術(shù)，繪制出了地球深部核幔邊界構(gòu)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(shù)千次地震的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)使科學(xué)家能夠分辨有關(guān)核幔邊界構(gòu)造的細(xì)節(jié)，這些構(gòu)造反映出復(fù)雜的下地幔結(jié)構(gòu)，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℃。

2015年12月2日，美國、英國、中國等12個國家的30名科學(xué)家登上美國“決心”號鉆探船，準(zhǔn)備在西南印度洋開展打穿地球殼幔邊界的第一次大洋鉆探。

固體地球結(jié)構(gòu)表

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本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

屈明 - 副研究員 - 西南大學(xué)