答：「月幔」：首先聊聊「地幔」

知識 05-23

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空少問答

小課堂

第116期

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周

一

答：「月幔」：首先聊聊「地幔」？

上周六，空少為大家留了1個問題，來看看空少的解答以及從留言中選出的最佳答案吧！

想要查看原問題背景介紹的朋友們可以點擊《問：「月幔」：首先聊聊「地幔」？》~下面就讓我們來看看空少的解答吧！

空少正解

上周的提問篇我們講到，根據近期的美國權威科學期刊《自然》（Nature）發表的論文，嫦娥四號著陸月球背面後所得的測量結果顯示，著陸點存在來自月球「地幔」（也簡稱月幔）的物質。嫦娥四號部署的玉兔二號月球車的可視-近紅外成像光譜儀（VNIS）的觀測結果顯示，獲得的光譜數據和典型的月球表面物質的光譜數據存在差異，科學家據此推斷月球表面存在的低鈣輝石和橄欖石礦物可能來自月球的「上地幔」。

「地幔」這個詞中的「地」，指的是地球，我們首先是通過研究我們的地球來了解關於星球的知識的，而「幔」（Mantle）這種東西是星球的一個組成部分，這次探測到的月球的「地幔」就簡稱「月幔」。當然由於我們現在多使用雙音節辭彙，習慣上還是用「地幔」稱呼各種星球的「幔」，也就是Mantle。那麼，地幔到底是什麼東西呢？

「地幔」是地球內部結構中的一部分，我們常說的火山熔岩就跟它有關。我們所居住的地球，表層是岩石，稱為地殼；中心是高溫高壓的地球核心，稱為地核；而這中間的部分就是地幔。那麼它們的分界在哪裡呢？

1909年克羅埃西亞地震學家莫霍洛維奇發現（Mohorovicic）一些地震波（包括橫波和縱波）在地下的某個深度突然變快，他認為地下可能存在一個上下物質性質不同的間斷面，後來這個面以他的名字命名為莫霍不連續面（moho discontinuity）；莫霍面在大陸之下平均為33公里，在大洋之下平均為7公里，平均深度為17公里；這個莫霍面就分隔了地殼與地幔。相似的道理，1914年，美國學者古登堡（Gutenberg）發現地下約2885公里處也存在地震波速的間斷面，縱波速度突然下降，橫波消失了，在該界面地震波出現極明顯的反射、折射現象；地震波的這種變化表明界面下方可能是液態，也就是外地核，而上方則是地幔，這個界面稱為古登堡不連續面（Gutenberg discontinuity）。

綜上，莫霍面和古登堡面把地底分成地殼（地面到地下平均深度約17公里，實際厚度約5-70公里變化）、地幔和地核（地下約2885公里深度以下）。位於中間的地幔，厚度在2800km以上，平均密度為4.59/cm3，體積約佔地球體積的82.26%，質量約佔地球總質量的67.0%，可以說是地球主要的構成。儘管早期人們出於對岩漿的認識認為地幔可能就是岩漿一樣的液體，但由地震波的特徵分析可以得出，地幔是固體的。地幔又可以由地震波的性質分成上地幔和下地幔，它們的密度、壓力有所不同。

地球地表的大氣圈層和地下結構，Crust指地殼，Mantle指地幔（包含上下區域），Core指地核（來源：wiki，https://simple.wikipedia.org/wiki/File:Earth-crust-cutaway-english.svg）

上面的示意圖中標出了地球地表的大氣圈層和地下結構，Crust指地殼，Mantle指地幔（包含上Upper、下Lower區域），Core指地核（也包含內Inner、外Outer核）。注意示意圖中的厚度不代表實際的厚度。

我們本期主要講的是地幔。首先是上地幔，根據分析，它的平均密度為3.5g/cm3。我們熟悉的火山噴發會帶出地幔的地球深部物質，基本屬於上地幔，研究認為上地幔上部存在一個軟流圈，約從70km延伸到250km左右，其特徵是出現地震波低速帶，它可能是岩漿的重要發源。地球的構造運動同樣會從這裡帶出地幔物質。通過分析這些物質，可以發現其為超基性岩——超基性（Ultrabasic）指二氧化硅含量小於45%（SiO2

至於下地幔，它的平均密度為5.1g/cm3．由於這裡經受著強大的地內壓力作用，使得存在於上地幔的橄欖石等礦物被分解成為FeO、MgO、SiO2和AL2O3等簡單的氧化物。與上地幔相比，其物質化學成分的變化可能主要表現為含鐵量的相對增加（或Fe/Mg的比例增大）。由於壓力隨深度的增大，物質密度和波速逐漸增加。

儘管地幔不是液體，但它也是由高溫的熱物質組成的，由於存在密度和溫度的差異，導致固態物質也可以發生流動；它既是一種熱傳導方式，又是一種物質流的運動。軟流層中的地幔物質由於熱量增加，密度減小，體積膨脹，產生上升熱流，上升的地幔物質遇到地殼底部向四周分流，隨著溫度下降，地幔物質密度增大，又沉降到地幔中，這一過程稱為地幔對流。地幔對流活動的時間可達幾千萬年，甚至幾億年。下圖就給出了一個關於地幔對流的模擬圖。偏暖色的是熱區，偏冷色的是冷區。