2496.上下地幔与地心热交换

2011.3.7

地球内部具有分层结构,其物理性质在径向和横向上都有变化。由于地球内部是不能直接观测的,而且电磁波在地球表层的衰减很快,钻孔的深度又太浅,所以从前有关地球内部的知识多是间接得来的。例如,根据天文学得知的地球质量和大地测量所得的地球形状,可以计算出地球的平均密度为5.5克/厘米3。但是,地表物质的密度小于2.7克/厘米3;因此可以推知地球内部物质的密度要比5.5克/厘米3为大。对于地球内部能够有定量的认识应当归功于地震学。1909年莫霍洛维奇 (A.Mohorovi呇i婞)根据近震初至波的走时,算出地下深度56公里处存在一个间断面,间断面以上物质的平均速度为5.6公里/秒,以下物质的速度为7.8公里/秒。后来发现,无论海洋或是大陆,绝大多数地区都存在这个间断面,通常称它为莫霍界面,或是简称为M界面。M界面以上的物质称为地壳,界面以下的物质称为地幔。大陆地壳的厚度为15~80公里,海洋地壳的厚度只有11公里(包括海水)。不同构造带的地壳构造,差异很大。

1914年B.古登堡根据地震波的走时,测定地幔和地核之间的间断面,其深度为2900公里。这个数值相当准确,近来获得的最新数值比它只大15公里。地震纵波速度自地幔底部到地核顶部,突然降低。

1936年莱曼 (I.Lehmann)根据通过地核的地震纵波走时,首先提出地核内部还有一个间断面,称为内核间断面。迄今,在地震记录图中没有发现通过地核的地震横波(横波不能通过液体),并且根据地球潮汐和振荡所算得的地球刚性,可以推论外核是液态,而内核仍属固态。

在地球内部地震波速度随深度而连续增大,但在莫霍界面和核幔界面上,速度存在明显的不连续和跳跃,说明地壳、地幔和地核的化学组成或物理性质亦各不相同。

地质构造的演化、板块的形成和运动、以及地震、火山等自然现象,说明地球内部存在巨大的力源。上地幔或是整个地幔的物质对流可以解释洋底分裂、大陆漂移和板块俯冲等大规模的地表运动现象(见地幔对流)。因此地球内部仍然处于热学和力学不平衡的状态,地球内部的运动仍然持续不停。

地幔

自地壳到地幔顶部,地震波速跳跃增大,说明地幔顶部的物质和地壳不同。上地幔的物质成分可能变化不大,它主要是橄榄石、辉石和硬玉的成分所组成。下地幔铁的成分可能略为增多。自表1可知,地幔可分为上地幔、过渡层和下地幔。过去有人将900公里深度作为上下地幔的分界,也有将650公里作为上下地幔的分界。从图1可以看到,上地幔的速度变化很不规则,而且速度梯度很大;下地幔的速度单调地增大,而且速度梯度小。上地幔的速度梯度可以用矿物相变来解释。

① 上地幔 无论是大陆,还是海洋,正常地幔顶部的地震纵波速度约为8.1~8.3公里/秒,活动构造带的地幔顶部,其速度较小,只有7.4~7.8公里/秒。上地幔的一个特点是存在一个低速层(B″层)。自M面至低速层顶面之间称为盖层 (B′层)。有关盖层的速度结构主要来自 Pn和Sn波(莫霍面的绕射波)。根据天然地震资料,它们的速度随震中距(△)的变化很小,因此长期以来认为,盖层的速度比较均匀。但是根据欧洲某些深地震测深的资料,在△>300公里后,Pn的走时是由几段视速度相继增大的截线所组成的,因此盖层的构造应当用几个速度梯度层和逆转层来解释,梯度层的速度高达8.5~8.7公里/秒。但是根据作者分析其他大陆地区的Pn震相,认为盖层中存在几个高速薄夹层。盖层的速度比较均匀,但是薄层的变化可能很大。根据人工爆破的资料,盖层与地壳相似,其中也存在许多特殊构造,横向变化很大。

大陆低速层的深度从150公里开始,海洋的低速层较浅,约自深度60公里开始。大陆和海洋的低速层底面深度均为 220公里。低速层的地震横波速度比地幔顶部大约减小10%。低速层的产生可以归因于该处物质发生部分熔融,也许还有化学成分改变的影响。

低速层下面是速度比较均匀的物质称为均匀层。

有人根据重力均衡的现象(见地壳均衡)以及其他力学的考虑,认为上地幔必须存在物质可以沿水平方向流动的地层,并称它为软流层。软流层以上到地面,包括地壳的物质称为岩石层,岩石层的物质不能沿水平方向流动。力学上的软流层与地震波的低速层其含义和位置不一定符合,但是很多人都把它们等同起来。

根据板块构造理论,全球的岩石层可以分成几个大的板块,它们“浮”在软流层之上,并且彼此之间有相对的运动。软流层顶面的位置随板块的不同荷载而异,而底面的深度应当相同。但是,根据天然地震体波的分析,不同构造带的横向差异至少延伸至400公里深度以上,这样,软流层也许延伸很深。

② 过渡层 自深度350公里至700公里左右称为过渡层,也称C层。在深度约350公里和650公里处,存在两个速度梯度的间断面。前者可以用橄榄石转变为尖晶石或是辉石和石榴石转变为石榴石的固熔体来解释。后者也可以用矿物的相变来解释,也许还有物质成分的改变。

值得注意的是深源地震的深度也在700公里左右,有人认为,深源地震的发生与物质的相变有关。

③ 下地幔 自深度 700公里直至核幔界面称为下地幔。与上地幔以及过渡层相比较,下地幔的速度梯度较小,速度的变化也较为均匀。但是在深度 830、1000、1230、1540以及1910公里处可能仍有一些物质相变的现象发生。下地幔的物质成分可能含有较多的FeO,其含量可能随深度而增加。地幔底部有一个约150公里厚的D″层,其纵波速度为13.65公里/秒,横波速度为 7.22公里/秒。D″层的特征是它的速度梯度近于零,表明这里的温度梯度特别大,或是物质成分产生变化,它才能补偿因压力所产生的速度正梯度。

地核

地幔与地核的间断面称为核幔界面。地核的半径为 3480公里,这比以往古登堡和 Sir H.杰弗里斯所测定的数值约大10公里。在核幔界面处,纵波速度自13.68公里/秒突然降低为零。速度的跳跃变化说明地核的物质组成与地幔不同。根据冲击波实验的结果推测,外核(又称E层)物质主要是由Fe、Ni所组成,但是还应有一些轻物质,最可能的轻物质是Si或FeO,FeS。内核的物质主要是Fe。核幔界面不仅是化学界面,而且也可能是温度的间断面,自地核顶部到地幔底部,温度突然增大,因此有热流自地核向地幔流出。核幔界面的几何形状可能是不很规则的,因此可以使地震波产生散射现象。此外自地幔底部可能有一些柱状的热物质向上部流出,它称为热涌流。由此可知,地核、地幔与地壳之间的耦合是相当紧密的。

分析通过地核的地震波,可以确定内核间断面的位置。内核(也称 G层)的半径为1221公里。内核界面上地震波的速度有明显跳跃。内核的纵波速度自 10.98公里/秒逐渐增至 11.2公里/秒;横波速度约为3.5公里/秒。

根据固体潮所测量的地球刚性,说明地核不可能都是液态,因此内核可能是固态。

以上是从网上搜索的资料,以往通过学习也有初步的认识。综合以往学习掌握的知识和最近的思考,我认为上下地幔和过度层的存在说明地心存在上下两个热交换和热循环。

上下地幔热循环的热源主要来自轻物质的聚合,而不是核裂变。

我认为化学元素的形成与压力密切相关,而据说化学元素周期表上铁前面元素的聚合是放热反应,铁后面元素的聚合是吸热反应。据此,我认为巨大星体的内部存在低温和超低温区,甚至可能达到绝对零度!

磁力线和宇宙射线是外太空的主要物质成分,温度只有2.7K(摄氏零下270.46度),而磁力线主要来自星核,通过两极发散和循环。因此,我认为两极的低温不仅仅决定于阳光的斜射,还决定于磁力线的循环!

巨大星体的内部缺乏热源,因为压力可能束缚核裂变,而核裂变释放的能量也需要同样的能量才能生成同样的物质,因此巨大星体核心区的温度可能极低,而极低的温度必然产生热循环,地幔存在上下两个热循环也就不足为奇了。

铁镍是非常奇怪的元素,在化学元素周期表上挨得很近,可能是金属元素中最好的磁导体,也可能绝无仅有。为什么以铁为界产生吸热反应和放热反应?铁元素的形成是吸热反应,还是放热反应?地核外面的液体是不是有一层铁溶液?

两极的存在和磁力线的低温决定地核的形状可能是橄榄形,即两极半径较长。当然,这是我的猜测。

热循环会破坏化学元素的稳定和形态的稳定,形成地幔复杂的化学反应,在地壳生成复杂的伴生矿。而两个循环的界面会发生什么还不得而知,为什么会引发地震,什么性质的地震?难道是某种爆炸或湍流?

本文的目的只是探索上下地幔形成的原因和巨大星体核心区低温的可能,而它们又可以相互佐证。我想,这个目的已经达到了,本文也就到此结束。



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