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第18章 地幔的秘密

像切西瓜那样,将地球也剖开,粗看一下,地球就像一个巨大的鸡蛋,由表及里依次由地壳、地幔和地核组成。其中地壳拥有陆地和海洋,平均厚约30公里;地幔厚约2870公里,从我们脚下30公里处到2900公里处;地核半径约3470公里,从我们脚下2900公里处到地球中心。仔细观察,地球更像一个巨大的洋葱头,由一层层厚度不同的物质组成。地球外层是地壳,最里边的地核由外地核和内地核构成,外地核厚约2270公里,是一个由铁和硫等元素(铁占80%以上)的混合液体构成的熔融海洋,内地核半径为1200公里,呈固态,构成物以铁为主,也含少量镍等,物质密度大,每立方米(含物质)1300公斤左右。中间的地幔层次复杂,大体可看成由地幔外层、过渡层和地幔内层构成。地幔外层厚约370公里,从我们脚下30公里到400公里;过渡层厚约300公里,从脚下400公里到700公里。地幔内层厚约2200公里,从脚下700公里到2900公里。

根据地震波(包括纵波、横波和地面波3种波)在地球内部的传播方式可以知道地球的内部结构。科学家发现,在地壳与地幔的交界处,有一个物质密度突变(增大)的层面,它在海洋底部以下5公里处(或大陆地面以下10~70公里处)。这就是在此处将地壳与地幔分开的依据。在我们脚下2900公里处,还有一个物质密度突变(增大)的层面,科学家将此处定为地幔内层与外地核的分水岭。同样,用地震波不难发现,物质密度在过渡层内有显着变化。除上述(对地幔已作)的“标准”分层外,科学家还用地震波对地下700公里以上的地幔与地壳;作了另外的分层:地面以下有一层70~150公里厚既坚硬又寒冷的岩石圈,它包括海洋(地壳)底板和大陆地壳底部及地幔外层的一部分。在这岩石圈下面,则是软流圈,它厚550~620公里,具有塑性,内部温度较高,且塑性和温度随深度(增加)而增加。软流圈底部在地下700公里处,往下便是地幔内层。与软流圈上部接壤的岩石圈下部,有些局部熔化的岩石。那里的岩石圈比较容易滑动,这是造成地球陆地变迁的主要因素。

漂浮在软流圈上的岩石圈,并不是一整块,而是由许多碎块组成的。这些碎块叫做板块,它们以不规则的方式,在软流圈上缓慢地滑动。这种滑动虽然非常缓慢,例如,大西洋海底板块每年只扩张几个毫米,太平洋海底板块每年也不过移动10厘米,却形成了今天地球表面的陆海分布。2亿年前,地表上只有一块大陆和一个海洋。正是岩石圈上板块的移动,致使整块大陆逐渐分裂(各板块滑移的速度不一致),形成了目前这样的五大洲及各洲之间的海洋。目前整个地球表面是由13个大大小小的板块拼成的,其中最大的6个是:大西洋板块、澳大利亚板块、北美洲板块、南美洲板块、非洲板块和欧亚板块。这13个板块中有的在相互挤压或靠近,有的则在彼此分离。例如,据科学家预测,在未来5000万年中,美洲大陆将进一步远离非洲和欧亚大陆的欧洲一边,大西洋因而会更加宽广;北美洲与南美洲之间的距离将加大;澳洲大陆将向北移动;而位于欧洲与非洲之间的地中海则将缩小。板块的这种运动最终会引起板块间相互挤压和碰撞,产生可怕的灾难:板块的长期相互缓慢挤压时所积蓄的能量,会在突然滑动时释放出来,发生剧烈的地震。

火山爆发也与板块的移动有关。曾经有人认为,在薄薄的地壳下面,就是沸腾的液体状岩浆,一旦地幔上出现裂缝,岩浆就会把地壳拱开,成为火山,而岩浆即从火山口喷发出来。其实,地球内部唯一的一层液体,位于我们脚下深2900公里的地方,与火山爆发毫无关系。现在已清楚,火山喷发的岩浆,就是地幔中的固体物质,是在一定的温度和压力条件下形成的。当某种岩石所在处未达一定的深度,即其温度不甚高时(越深处岩石温度越高,大约每增加1公里,温度就升高30℃),必须增加它所承受的压力,岩石才能熔化。反之,若岩石深度超出了一定的限度(温度太高),则必须减少它所承受的压力,岩石才能熔化。地幔中的岩石是固态的,所受压力太高,不能为板块移动提供适当压力。岩石圈在大陆上或海洋中发生张拉时,产生裂缝,使下面软流圈所承受的压力减弱,于是那里的某种岩石便开始熔化,在(地幔)内部压力(远比地表面的大)作用下,裂缝处就会喷出基性岩浆即玄武岩浆来,形成火山爆发。当两个板块相互挤压时,挤压处的地壳将加厚,从而使软流圈承受的压力增加,这将导致另一种深成岩熔解,但因地壳较厚,这种岩浆不一定都能喷出地面。未喷出的岩浆冷却后成了花岗岩的矿囊。当海底的板块钻入地幔中时,海水会随之一起渗入。地幔中熔化的岩浆遇水后,将产生又一种喷发奇观,日本的火山爆发大多起源于此。但是,地球上还有一些火山爆发,似乎与板块移动无关。有的火山口位于海洋板块的中心(如太平洋的夏威夷),有的则位于大陆板块的上面(如美国的黄石公园),地质学家称这些火山口为“热点”。“热点”并不跟随板块一起移动,老是在固定的一地喷发;板块移动时,原来喷发过的地方随即成了死火山口,热点又在附近的地方喷发岩浆;随着板块的移动,热点就留下一连串的死火山口。科学家认为,热点所喷发的岩浆,可能来自地幔内层,但目前尚不明白这些岩浆是怎样冒到地面上来的。

使板块发生运动的是对流。在地球内部,越往里温度越高。地球深处的较热岩石受热力驱动,往较冷区域即地球上层缓慢运动,而地球较外层的较冷板块物质(岩石)则恰相反,热力驱动它们逐渐插入地幔深处,形成冷的区域,它们从地幔深处(甚至地核)吸收热量后(熔化)又会向上升起,完成一次涉及整个地幔层的大循环。在这种热物质(岩石)上升,冷物质下降的过程中,有新板块在大洋中脊处生成。地幔板块的这种俯冲、熔化及上升环流运动是在地幔外层中进行的,地幔内层岩石不直接参加这种环流运动。

驱动对流的巨大能量来自何方?一种假设认为,地幔在一定程度上是通过放射性物质的衰变来提供热能的。地幔构成成分统称岩石,它可能主要是橄榄石,这是一种以镁的硅酸盐(Mg2SiO4)为主要矿物的岩石(当然还可能含有其它种类的岩石,如榴辉岩)。在这种岩石构成的地幔中,还杂含有铀、钍、钾等放射性同位素,它们衰变时就放出热量,作为驱动地幔对流的主要能量。有人已估算出,地幔中的放射性物质自地球诞生以来,已减少了大约30%。因此,我们的地球正在逐渐变冷。此外,地幔内层从地核吸收热量,并部分地传至外层。还有,地球在形成过程中遗留下来的部分原始动热也在影响地幔对流。

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