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地幔（德語：Erdmantel；英語：Mantle），地球內部結構模型中的中間層，位于地殼和地核之間，是地球內部三大圈層中體積最大、質量最大的圈層。地幔的平均深度為地殼底界到地下2900千米左右，體積約占地球總體積的82%，質量約為4.05×1021噸、占地球總質量的67.8%，平均密度為4.5克/立方厘米。

科學家們通過研究發現，地震波在地球中的傳播，存在突然變化及不連續的現象，這證明地球內部可以劃分為若干個同心的球形圈。1909年，克羅地亞地球物理學安德烈·莫霍洛維奇（克羅地亞語：Andrija Mohorovi?i?）通過研究大量的地震記錄，界定出了地殼和地幔的邊界，即“莫霍界面”。1914年，美國地震學家本諾·古登堡（Beno Gutenberg）首先發現在距震中11500~16000千米的范圍內存在地震波的影區；后來被證實這是地核與地幔的分界層，即“古登堡面”。莫霍面與古登堡面之間的地幔，主要由以鐵鎂硅酸鹽為主的礦物組成，如橄欖石、輝石；在高溫高壓的條件下，它們處于第四種物態，即沒有晶體結構或氣體和冷流體狀態的分子排列的混合物狀態。

地核內部不斷產生的熱量是地幔對流的動力，而地幔對流則是板塊構造、大陸形成和漂移、火山作用、地震和造山運動的根本原因，它是地球內部的重要動力學過程，使得地球內部熱能向外傳播、化學物質不斷循環并在地球表面產生動力學地形。人類歷史上，為探測地幔進行了不少鉆探研究，例如1958~1966年的“莫霍計劃”、1968~1983年的深海鉆探項目（DSDP）、1984~2003年的遠洋鉆探計劃（ODP），以及仍在進行中的國際大洋發現計劃（IODP）。2023年6月，國際大洋發現計劃（IODP）的一艘名為喬迪斯·決心號（JOIDES Resolution，JR）的海洋鉆探船在大西洋中部的海床下成功采集到地幔巖石樣本，這將極大促進人類在地球地質構造、巖漿及火山活動、遠古生命起源以及地球物理學等領域的研究。

研究歷程

1909年，克羅地亞地球物理學家安德烈·莫霍洛維奇通過研究薩格勒布（Zagreb）當地的地震記錄時，發現一些地震產生的地震波到達儀器的速度比預期的要快得多。分析研究后，安德里亞·莫霍羅維奇得出的結論是地震發生在地球最上層（即地殼）時會產生地震波，其中部分波會穿過位于更低位置的“較快”層（即地幔）；在此過程中，他界定出了地殼和地幔的邊界，即莫霍界面。

1914年，美國地震學家本諾·古登堡首先發現在距震中11500~16000千米的范圍內存在地震波的影區，推斷地下存在地震波速的低速間斷面；計算出界面深約2900千米，對應影區105~143°，并且在該不連續面上地震波出現極明顯的反射、折射現象。后證實，這是地核與地幔的分界層，并稱其為“古登堡面”。

1919年，英國地質學家亞瑟·霍爾姆斯（Arthur Holmes）針對德國地質學家阿爾弗雷德·魏格納（Alfred Wegener）提出的大陸漂移學說，提出了一種猜想，即大陸是由它們所處的地幔流動所攜帶的，而地幔流動是因為它在對流。亞瑟·霍爾姆斯提出的猜想，補充了大陸漂移學說，使得“是什么導致大洲在地球表面移動”的問題得到解答。

1958年，莫霍計劃從國家科學基金會獲得資金后正式啟動。1961年，美國多樣性協會（American Miscellaneous Society，AMSOC）使用“CUSS I號”鉆井船在墨西哥瓜德羅普島附近進行了一系列鉆探。從鉆孔中獲得的巖芯顯示，中新世時期的海底沉積層是由玄武巖組成。盡管獲得了初步的成功，但是該計劃受到了來自政治和經濟上的影響，最終美國眾議院于1966年8月18日否決了對該計劃的撥款，莫霍計劃因此擱淺。

1970年，"挑戰者號"（Glomar Challenger）在南大西洋大西洋中脊鉆探了一系列鉆孔，取回了沉積在大洋地殼上的基底沉積物。這些樣本的生物地層學年齡隨著與海脊峰的距離增加而幾乎呈線性增長，與分析海底磁異常所預測的年齡非常吻合。這證實新的海洋地殼正在大洋中脊生成，從而支持了完整的板塊構造理論。

1992年，遠洋鉆探計劃（ODP）的第145航段，鉆井船在底特律海山（Detroit Seamount）對面，對海底的玄武巖進行了取樣并確定其形成的古地磁緯度位于夏威夷以北。此后的第197航段則找到了令人信服的古地磁證據，表明從大約76到45百萬年，夏威夷熱點迅速向南遷移到達了現在的位置，這一發現對重建原本的太平洋板塊運動和地幔動力學的概念都有影響。

2023年6月，國際大洋發現計劃（IODP）的一艘名為“喬迪斯·決心號”的海洋鉆探船在大西洋中部的海床下成功采集到地幔巖石樣本，并且許多樣品結構完整。該發現在研究地球地質構造、巖漿及火山活動、遠古生命起源以及地球物理學等領域具有重大意義。

形成

早期地幔伴隨地球內核出現。大約45億年前，地球開始形成，鐵和迅速從其他巖石和礦物中分離出來，形成了這顆新行星的內核；而圍繞地核的熔融物質就是早期地幔。在之后的數百萬年的時間里，地幔逐漸冷卻、凝固，形成現在的地幔。

早期硅酸鹽地球分異（地幔分異和殼幔分異）是形成早期地幔不均一的可能機制之一。對于放射性衰變體系來說，這些分異將造成同位素體系中母子體元素分異，經過放射性衰變產生不同程度的子體同位素積累，進而形成了具有不同放射性成因同位素組成的地幔源區。如早期地幔的分幽靈螳螂成I/Xe、Sm/Nd和Hf/W比值不同的地幔源區，經過母體衰變之后造成幔源巖石中不同129Xe/130Xe、142Nd/144Nd和182W/184W比值。此外，地核形成之后，由于天體撞擊，導致約有相當于地球質量0.5％的地外物質加入到地幔中。

核幔分異后，地核與地幔之間的物質交換改變了地幔的化學成分，在核幔邊界形成了帶有地核“信號”的地幔，其隨著地幔柱上升至淺部地幔或地表，形成硅酸鹽地球的不均一。殼幔分異之后，形成了古老的克拉通巖石圈地幔，它懸浮于軟流層之上，且具有機械抵抗力，能夠防止地幔對流造成的破壞。克拉通巖石圈地幔是原始地幔經過高程度的部分熔融，大量玄武質熔體被抽取之后殘余的難熔組分，且以難熔的方輝橄欖巖為主。熔融模型認為，克拉通巖石圈地幔是通過地幔物質底辟上升、地幔倒轉，或者地幔柱攜帶地幔過渡帶的物質上升并發生高程度熔融形成的。堆積模型則認為，古老的克拉通巖石圈地幔最初是通過俯沖的大洋地殼及形成于洋中脊的虧損地幔疊置堆積而成。

主要組成

通過對地震波傳播速度、石隕石和深部巖漿源物質的研究推斷，地幔主要由硅酸鹽礦物集合成的巖石組成，主要是鐵鎂硅酸鹽礦物，如橄欖石等。在地幔中發現的另一種主要巖石是氧化鎂，此外地幔中還包括鐵、鋁、鈣、鈉和鉀等化學元素。

研究認為，地幔上部（深度約60~400千米）的成分接近于超基性巖（即二輝欖巖）的組成；深度約為400~670千米的地幔中部，是由橄欖石和輝石的礦物相轉變吸熱降溫形成的物質組成；深度約為670~2891千米的地幔下部，主要由鐵、鎳氧化物和硫化物組成。

超基性巖

超基性巖（ultrabasicrock），屬于火成巖的一類，一般深灰黑色；二氧化硅（SiO?）含量低（小于45%），為硅酸不飽和巖，鐵、鎂質含量高。其重要特征是不含石英，主要由橄欖石、輝石以及它們的蝕變產物如蛇紋石、滑石、綠泥石等組成。超基性巖是上地幔的主要組成物質，從上地幔的不同部位帶到地表上的超基性巖類，按數量統計可分為四種類型，即純橄欖巖、斜方輝橄巖、斜方輝橄巖-二輝橄巖、二輝橄欖巖。

鐵

鐵是鐵族的代表，呈銀白色，并帶有金屬光澤，比重是7.9，熔點為1535℃，沸點為2735℃，能導電，有延展性、傳熱性，具有親鐵、親硫和親氧的三重性。在地球內部結構中，約6/10的鐵分布于地核，剩余部分則主要分布于地幔，尤其是下地幔中。鐵在下地幔多以氧化鐵的形式存在，約占下地幔中金屬氧化物的16%。

鎳

鎳是鐵系元素組的最后一個元素，位于元素周期表第四周期第八副族中，它是一種銀白色金屬，密度為8.9g/cm3，熔點為1455℃，沸點為2730℃，質堅硬，具有磁性。鎳在地球內部的分布是不均勻的，在上地幔的含量為1500x10-6，在下地幔的含量為2000x10-6。此外，鎳在各類巖漿巖中的平均含量變化也很大，例如在超基性巖中，鎳的平均含量是酸性巖的250倍，與地幔巖大體相當。因此，通常把鎳看作地幔巖的特征性元素。

主要特征

物態

一些學者認為地幔是一種“固體”；也有一些學者認為地幔的物質處于第四種物質狀態。其中，第四種物質狀態被稱為“固液態”（Soliqueous state），處于壓力的維持和控制下；它由所有地球地表和大氣物質的化學元素組成，但是這些元素處于沒有晶體結構或氣體和冷流體狀態的分子排列的混合物狀態。作用于地幔的壓力一旦消失，這些元素將恢復到三種普通的物質狀態。此外，地幔的粘度變化很大，在地幔的上部主要呈固體（硅土四面體）；但在構造板塊邊界和地幔熱柱之處的部分，地幔粘性較低、質地較軟，能夠在很大的深度和壓力下，在數百萬年的過程中進行塑性移動。

密度

地幔的物質密度隨深度變化而變化，從地幔頂部的大約3.32克/立方厘米逐步遞增到底部的約5.7克/立方厘米，平均密度為4.5克/立方厘米。其中，莫霍面以下至1000千米深處的地幔部分，其平均密度大約為3.8克/立方厘米；1000千米深處以下至古登堡面的地幔部分，其平均密度為5.6克/立方厘米。

溫度

地幔的溫度變化很大，從地殼邊界附近的1000°C（1273.15 K）遞增到地核邊界附近的3700°C（3973.15 K）。在地幔中，熱量通常隨著深度的增加而增加；在大多數地方，地溫梯度約為每千米深度增加25°C。

運行特征

由于地幔的熱導性不強，放射性元素產生的放射熱會聚集起來，經過熱通量相對較小的地幔物質朝向地殼運動，到達地殼附近，因受地殼阻礙而向兩邊分流；同時把靠近地殼，且溫度較低的地幔物質帶回地幔深處，形成環流。當頂層的低溫物質與底層的高溫物質中和冷卻到環流前的溫度時，對流停止，一直到下一次對流出現。根據對地球表面移動速率的觀察，地質學家估計地幔以每年幾厘米的速度對流。地幔對流的“驅動力”有三個來源，其一是“原始”熱量，也就是導致地核形成的吸積和分化遺留下來的熱量；其二是放射性同位素，主要是鉀、和等元素的衰變導致的熱能；其三是月球對地球的潮汐摩擦力。

現代地球主要的地幔對流形式是地幔熱柱與地幔冷柱，分別對應著上升流和下降流。地幔熱柱一般發育于地球的核幔邊界，并且在向上升的過程中逐漸擴大，當垂直運動的地幔熱柱上升到巖石圈底部時，幔流變為向外的拆離擴散，形成具火山活動的熱區，并可能使巖石圈上降。地幔冷柱主要起因于俯沖板塊，當板塊前緣俯沖到670千米深度時，它遇到強大阻力，加之溫壓條件的升高，使板塊前緣發生水平彎曲、增厚并沿邊界面聚集為巨石，在這里滯留100~400百萬年；當其滯留體積達到某一臨界值后，滯留巨石便發生重力塌陷，形成一個插入到下地幔的冷幔柱，并且可能會一直陷落到地核表層上。地幔熱柱與地幔冷柱的形成和演化不僅是地球物質運動的重要形式，也是地殼運動的主要驅動力。但地幔柱假設仍不完善，與事實存在諸多矛盾，例如部分學者通過地球物理學層析成像方法對在黃石地區地幔熱異常進行研究，發現該地區熱異常僅存在于地幔上部。

分層結構

劃分依據

英國地質學家和地震學家理查德·迪克森·奧爾德姆（Richard Dixon Oldham）在1897年發現了三種不同的地震波，即縱波（P-waves）、橫波（S-Waves）和表面波（Surface Waves）；并確定了這些波沿著不同的路徑以不同的速度穿過地球。這使得科學家有可能通過地震波研究地球內部的結構。

研究發現，地震波在地球中傳播的速度，一般越到深處越大，但其速度不是均勻增加的而是達到某些深度時突然增大，達到核心表面又顯著地減少。這種突然變化及不連續的現象，標志著地球內部，可以劃分為若干個同心的球形圈。在地幔內，地震波的速度隨深度而增加；但這種地震波速的變化并不是深度的解析函數，而是隨深度增加而階梯式地增加。根據地震波速在約400千米和約670千米深度上存在兩個明顯的不連續面，可將地幔分成由淺至深的三個部分，即上地幔、過渡層和下地幔。

主要層級

上地幔是指深度約20千米至400千米的部分，縱波波速為8.1千米/秒左右，但在深度60~400千米范圍內，震波速度明顯下降，特別是在100~150千米深度附近下降更多，這一部分被稱為“古登堡低速層”；在這一層中，縱波波速可由8.2千米/秒降至7.7千米/秒，橫波波速可從4.6千米/秒降至4.0千米/秒。一般認為，在該層以固體為主并在局部呈熔融或軟化狀態，具有較大的塑性或潛柔性，因此又稱為“軟流圈（層）”。據地內溫度估算，軟流圈的溫度可達700-1300℃，已接近超基性巖在該壓力下的熔點溫度，因此一些易熔組分或熔點偏低的組分便可開始發生熔融。物理實驗表明，波速降低可能是由于軟流圈物質發生部分熔融，使其強度降低而引起的。這里可能是巖漿的主要發源地，同時地殼運動、巖漿活動、火山活動以及熱對流等皆可能與此層有關。

一般認為，上地幔的成分接近于超基性巖（即二輝橄欖巖）的組成。通過對源自上地幔的玄武巖巖漿的成分研究發現，它最重要的原始礦物是橄欖石和斜方輝石，因此，這兩種礦物質也被認為是上地幔成分之一。此外，大量巖石學研究表明，上地幔可能是主要礦物由橄欖石、輝石、石榴石成某種比例構成的組合物；但也存在上地幔組成成分是橄欖巖質成分還是榴輝巖質的爭論焦點。

過渡層是指深度約400千米至670千米的部分，縱波速度從9.1千米/秒增加到10.3千米/秒，橫波速度從4.9千米/秒增加到5.6千米/秒；過渡層的地震波速隨深度加大的梯度大于其他兩部分。眾多研究結果認為，過渡層的物質已經發生了由橄欖石結構向尖晶石結構的相轉變。

下地幔是指深度約670千米至2891千米的部分，縱波速度10.8~13.7千米/秒，橫波速度5.9~7.3千米/秒。下地幔的地震波速隨深度加大的梯度變化小，尤其中部1000千米范圍的波速變化梯度相等；在2741千米以下深度，波速變化梯度才有巨大變化。通過物質的地震波速度、密度、彈性與巖石的比較以及沖擊波實驗推知，下地幔是由堆積緊密的氧化物礦物組成，其中二氧化硅（SiO?）占50%、氧化鎂（MgO）占32%、氧化鐵（Fe?O?）占18%。

相關研究

主要成果

地幔端元組分

地幔端元組分是指依據對鍶[sī]（Sr）、釹[nǚ]（Nd）、鉛（Pb）等同位素組合的相關特征，將地幔源區的組成所劃分成的若干個單元。強不相容元素的比值在地幔部分熔融過程及玄武質巖漿低壓結品分異過程中不發生明顯變化，因此根據元素比值可以確定地幔端元組分及其變化特征。艾倫·辛德勒（Alan Zindler）和斯坦·哈特（Stan Hart）在玄武巖Sr-Nd-Pb等同位素組成基礎上，首次將富集地幔庫分為3個富集端元，即HIMU（高μ值地幔，μ=238U/204Pb，U和Th相對于Pb是富集的）、EMⅠ（富集地幔1）和EMⅡ（富集地幔2）；一個虧損地幔端元，即DMM（虧損地幔端元）；并界定了原始地幔（PREMA，未分異地幔）的組成，并指出地幔在幾厘米的礦物組成尺度上和幾千千米的大洋尺度上都存在著地幔不均一性；HIMU的成因可能是由于蝕變大洋地殼進入地幔并與之混合，丟失的鉛進入地核，地幔中交代流體使Pb和Rb流失。2023年2月，南京大學地球科學與工程學院曾罡副教授課題組通過對東北地區五大連池、科洛、二克山和洛敏河四個鉀質火山區的玄武巖的定量計算，發現大洋與大陸的EM1型玄武巖源區具有相似的巖性特征，而榴輝巖則是EM1型富集地幔端元的重要組成巖性。

地幔弦動

1996年，美國哥倫比亞大學的宋曉東博士和保羅·理查茲（Paul Richards）發現了內核差速旋轉的地震學證據，這一發現對于地球磁場起源、倒轉，以及地球演化的諸多問題意義重大；之后，科學家們提出了包括“地幔弦動”在內的一些地球運動理論。地球的傾斜自轉使液體外核的潮汐方向傾斜，又導致其以上的層圈差速產生以及傾斜（地幔弦動）產生。地幔弦動的結果是和地殼的兩極在傾斜差速中兩極換位以至板塊線速度改變，也是造成地震頻繁的主要原因。科學家們發現，地球內核的旋轉速度每年要比地幔和地殼快0.3到0.5度，也就是說地球內核比地球表面構造板塊的運動速度快5萬倍。

其他成果

2023年10月，中國科學技術大學地球和空間科學學院吳忠慶教授課題組在下地幔熱導率和核幔邊界熱流分布的研究上取得重要進展，他們利用第一性原理計算與機器學習結合的方法，確定了下地幔最主要的礦物布里奇曼石及其高壓相后鈣鈦礦的熱導率，并結合課題組此前獲得的下地幔礦物成分與溫度分布，明確了核幔邊界熱流分布及熱通量大小。

參考資料 >

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KATALOG DER DEUTSCHEN NATIONALBIBLIOTHEK.Deutsche Nationalbibliothek.2024-04-27

地球上打洞?鉆穿地殼?只為與地幔的一次“親密接觸” | 科通社.微信公眾平臺北京科技報社.2024-04-27

..2024-04-24

地球的內部構造.中國科學院地理科學與資源研究所.2024-04-27

中微子告訴你地球內部熱量的秘密.中國科學院.2024-04-27

NC:地幔溫度和板塊厚度對板內火山活動的全球影響.中國科學院地質與地球物理研究所.2024-04-27

Project Mohole.National Academy of Sciences.2024-04-24

1 Introduction to U.S. Scientific Ocean Drilling.National Academy of Sciences.2024-04-27

In a geologic triumph, scientists drill a window into Earth’s mantle.washington post.2024-04-27

ABOUT THE JR.JOIDES Resolution.2024-05-23