2496.上下地幔與地心熱交換
2011.3.7
地球內(nèi)部具有分層結(jié)構(gòu)，其物理性質(zhì)在徑向和橫向上都有變化。由于地球內(nèi)部是不能直接觀測的，而且電磁波在地球表層的衰減很快，鉆孔的深度又太淺，所以從前有關(guān)地球內(nèi)部的知識多是間接得來的。例如，根據(jù)天文學(xué)得知的地球質(zhì)量和大地測量所得的地球形狀，可以計算出地球的平均密度為5.5克／厘米3。但是，地表物質(zhì)的密度小于2.7克／厘米3；因此可以推知地球內(nèi)部物質(zhì)的密度要比5.5克／厘米3為大。對于地球內(nèi)部能夠有定量的認識應(yīng)當(dāng)歸功于地震學(xué)。1909年莫霍洛維奇 (A.Mohorovi呇i婞)根據(jù)近震初至波的走時，算出地下深度56公里處存在一個間斷面，間斷面以上物質(zhì)的平均速度為5.6公里／秒,以下物質(zhì)的速度為7.8公里／秒。后來發(fā)現(xiàn)，無論海洋或是大陸,絕大多數(shù)地區(qū)都存在這個間斷面，通常稱它為莫霍界面，或是簡稱為M界面。M界面以上的物質(zhì)稱為地殼，界面以下的物質(zhì)稱為地幔。大陸地殼的厚度為15～80公里，海洋地殼的厚度只有11公里（包括海水）。不同構(gòu)造帶的地殼構(gòu)造，差異很大。
1914年B.古登堡根據(jù)地震波的走時，測定地幔和地核之間的間斷面，其深度為2900公里。這個數(shù)值相當(dāng)準確，近來獲得的最新數(shù)值比它只大15公里。地震縱波速度自地幔底部到地核頂部，突然降低。
1936年萊曼 (I.Lehmann)根據(jù)通過地核的地震縱波走時，首先提出地核內(nèi)部還有一個間斷面，稱為內(nèi)核間斷面。迄今，在地震記錄圖中沒有發(fā)現(xiàn)通過地核的地震橫波（橫波不能通過液體），并且根據(jù)地球潮汐和振蕩所算得的地球剛性，可以推論外核是液態(tài)，而內(nèi)核仍屬固態(tài)。
在地球內(nèi)部地震波速度隨深度而連續(xù)增大，但在莫霍界面和核幔界面上,速度存在明顯的不連續(xù)和跳躍,說明地殼、地幔和地核的化學(xué)組成或物理性質(zhì)亦各不相同。
地質(zhì)構(gòu)造的演化、板塊的形成和運動、以及地震、火山等自然現(xiàn)象，說明地球內(nèi)部存在巨大的力源。上地?；蚴钦麄€地幔的物質(zhì)對流可以解釋洋底分裂、大陸漂移和板塊俯沖等大規(guī)模的地表運動現(xiàn)象（見地幔對流）。因此地球內(nèi)部仍然處于熱學(xué)和力學(xué)不平衡的狀態(tài)，地球內(nèi)部的運動仍然持續(xù)不停。
地幔 自地殼到地幔頂部，地震波速跳躍增大，說明地幔頂部的物質(zhì)和地殼不同。上地幔的物質(zhì)成分可能變化不大，它主要是橄欖石、輝石和硬玉的成分所組成。下地幔鐵的成分可能略為增多。自表1可知，地?？煞譃樯系蒯?、過渡層和下地幔。過去有人將900公里深度作為上下地幔的分界，也有將650公里作為上下地幔的分界。從圖1可以看到,上地幔的速度變化很不規(guī)則,而且速度梯度很大；下地幔的速度單調(diào)地增大，而且速度梯度小。上地幔的速度梯度可以用礦物相變來解釋。
① 上地?！o論是大陸，還是海洋，正常地幔頂部的地震縱波速度約為8.1～8.3公里／秒，活動構(gòu)造帶的地幔頂部，其速度較小，只有7.4～7.8公里／秒。上地幔的一個特點是存在一個低速層（B″層）。自M面至低速層頂面之間稱為蓋層 （B′層）。有關(guān)蓋層的速度結(jié)構(gòu)主要來自 Pn和Sn波（莫霍面的繞射波）。根據(jù)天然地震資料，它們的速度隨震中距（△）的變化很小，因此長期以來認為，蓋層的速度比較均勻。但是根據(jù)歐洲某些深地震測深的資料，在△>300公里后，Pn的走時是由幾段視速度相繼增大的截線所組成的，因此蓋層的構(gòu)造應(yīng)當(dāng)用幾個速度梯度層和逆轉(zhuǎn)層來解釋，梯度層的速度高達8.5～8.7公里／秒。但是根據(jù)作者分析其他大陸地區(qū)的Pn震相，認為蓋層中存在幾個高速薄夾層。蓋層的速度比較均勻，但是薄層的變化可能很大。根據(jù)人工爆破的資料，蓋層與地殼相似，其中也存在許多特殊構(gòu)造，橫向變化很大。
大陸低速層的深度從150公里開始,海洋的低速層較淺，約自深度60公里開始。大陸和海洋的低速層底面深度均為 220公里。低速層的地震橫波速度比地幔頂部大約減小10％。低速層的產(chǎn)生可以歸因于該處物質(zhì)發(fā)生部分熔融，也許還有化學(xué)成分改變的影響。
低速層下面是速度比較均勻的物質(zhì)稱為均勻?qū)印?span lang="EN-US">
有人根據(jù)重力均衡的現(xiàn)象（見地殼均衡）以及其他力學(xué)的考慮，認為上地幔必須存在物質(zhì)可以沿水平方向流動的地層，并稱它為軟流層。軟流層以上到地面，包括地殼的物質(zhì)稱為巖石層，巖石層的物質(zhì)不能沿水平方向流動。力學(xué)上的軟流層與地震波的低速層其含義和位置不一定符合，但是很多人都把它們等同起來。
根據(jù)板塊構(gòu)造理論，全球的巖石層可以分成幾個大的板塊,它們“浮”在軟流層之上,并且彼此之間有相對的運動。軟流層頂面的位置隨板塊的不同荷載而異，而底面的深度應(yīng)當(dāng)相同。但是，根據(jù)天然地震體波的分析，不同構(gòu)造帶的橫向差異至少延伸至400公里深度以上,這樣，軟流層也許延伸很深。
② 過渡層 自深度350公里至700公里左右稱為過渡層，也稱C層。在深度約350公里和650公里處,存在兩個速度梯度的間斷面。前者可以用橄欖石轉(zhuǎn)變?yōu)榧饩蚴禽x石和石榴石轉(zhuǎn)變?yōu)槭袷墓倘垠w來解釋。后者也可以用礦物的相變來解釋，也許還有物質(zhì)成分的改變。
值得注意的是深源地震的深度也在700公里左右,有人認為，深源地震的發(fā)生與物質(zhì)的相變有關(guān)。
?、?下地?！∽陨疃?span lang="EN-US"> 700公里直至核幔界面稱為下地幔。與上地幔以及過渡層相比較，下地幔的速度梯度較小，速度的變化也較為均勻。但是在深度 830、1000、1230、1540以及1910公里處可能仍有一些物質(zhì)相變的現(xiàn)象發(fā)生。下地幔的物質(zhì)成分可能含有較多的FeO,其含量可能隨深度而增加。地幔底部有一個約150公里厚的D″層，其縱波速度為13.65公里／秒，橫波速度為 7.22公里／秒。D″層的特征是它的速度梯度近于零,表明這里的溫度梯度特別大，或是物質(zhì)成分產(chǎn)生變化，它才能補償因壓力所產(chǎn)生的速度正梯度。
地核
地幔與地核的間斷面稱為核幔界面。地核的半徑為 3480公里，這比以往古登堡和 Sir H.杰弗里斯所測定的數(shù)值約大10公里。在核幔界面處，縱波速度自13.68公里/秒突然降低為零。速度的跳躍變化說明地核的物質(zhì)組成與地幔不同。根據(jù)沖擊波實驗的結(jié)果推測，外核（又稱E層）物質(zhì)主要是由Fe、Ni所組成,但是還應(yīng)有一些輕物質(zhì)，最可能的輕物質(zhì)是Si或FeO，FeS。內(nèi)核的物質(zhì)主要是Fe。核幔界面不僅是化學(xué)界面，而且也可能是溫度的間斷面，自地核頂部到地幔底部，溫度突然增大，因此有熱流自地核向地幔流出。核幔界面的幾何形狀可能是不很規(guī)則的，因此可以使地震波產(chǎn)生散射現(xiàn)象。此外自地幔底部可能有一些柱狀的熱物質(zhì)向上部流出，它稱為熱涌流。由此可知，地核、地幔與地殼之間的耦合是相當(dāng)緊密的。
分析通過地核的地震波，可以確定內(nèi)核間斷面的位置。內(nèi)核（也稱 G層）的半徑為1221公里。內(nèi)核界面上地震波的速度有明顯跳躍。內(nèi)核的縱波速度自 10.98公里／秒逐漸增至 11.2公里／秒；橫波速度約為3.5公里／秒。
根據(jù)固體潮所測量的地球剛性，說明地核不可能都是液態(tài)，因此內(nèi)核可能是固態(tài)。以上是從網(wǎng)上搜索的資料，以往通過學(xué)習(xí)也有初步的認識。綜合以往學(xué)習(xí)掌握的知識和最近的思考，我認為上下地幔和過度層的存在說明地心存在上下兩個熱交換和熱循環(huán)。上下地幔熱循環(huán)的熱源主要來自輕物質(zhì)的聚合，而不是核裂變。我認為化學(xué)元素的形成與壓力密切相關(guān)，而據(jù)說化學(xué)元素周期表上鐵前面元素的聚合是放熱反應(yīng)，鐵后面元素的聚合是吸熱反應(yīng)。據(jù)此，我認為巨大星體的內(nèi)部存在低溫和超低溫區(qū)，甚至可能達到絕對零度！磁力線和宇宙射線是外太空的主要物質(zhì)成分，溫度只有2.7K（攝氏零下270.46度），而磁力線主要來自星核，通過兩極發(fā)散和循環(huán)。因此，我認為兩極的低溫不僅僅決定于陽光的斜射，還決定于磁力線的循環(huán)！巨大星體的內(nèi)部缺乏熱源，因為壓力可能束縛核裂變，而核裂變釋放的能量也需要同樣的能量才能生成同樣的物質(zhì)，因此巨大星體核心區(qū)的溫度可能極低，而極低的溫度必然產(chǎn)生熱循環(huán)，地幔存在上下兩個熱循環(huán)也就不足為奇了。鐵鎳是非常奇怪的元素，在化學(xué)元素周期表上挨得很近，可能是金屬元素中最好的磁導(dǎo)體，也可能絕無僅有。為什么以鐵為界產(chǎn)生吸熱反應(yīng)和放熱反應(yīng)？鐵元素的形成是吸熱反應(yīng)，還是放熱反應(yīng)？地核外面的液體是不是有一層鐵溶液？兩極的存在和磁力線的低溫決定地核的形狀可能是橄欖形，即兩極半徑較長。當(dāng)然，這是我的猜測。熱循環(huán)會破壞化學(xué)元素的穩(wěn)定和形態(tài)的穩(wěn)定，形成地幔復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，在地殼生成復(fù)雜的伴生礦。而兩個循環(huán)的界面會發(fā)生什么還不得而知，為什么會引發(fā)地震，什么性質(zhì)的地震？難道是某種爆炸或湍流？本文的目的只是探索上下地幔形成的原因和巨大星體核心區(qū)低溫的可能，而它們又可以相互佐證。我想，這個目的已經(jīng)達到了，本文也就到此結(jié)束。
