大陆上地幔的层序
发布网友
发布时间：2022-04-22 04:01
共1个回答
热心网友
时间：2022-05-13 01:32
在图3.1中，有上地幔岩石成层分布的感觉。在下一讲中我们将看到，这种准层状上地幔只是在统计意义上的一种粗略的模型，实际的地球上地幔要复杂得多，研究这种准层状的地幔模型旨在探索地幔物质分布的总体规律性，而不在于其内部的精细结构。关于这种总体规律性，我认为表现在“层序”上。“层序”这个词本来是在研究沉积盆地的沉积韵律时用的，现在借用来表示上地幔岩石的物质分布，只具有空间位置的含义，而不再有岩石从上到下时间上由新到老的含义。事实上，由于软流圈物质具有较强的活动性，接近软流圈的岩石倒可能是新近结晶形成的。
在图3.2中，表示出不同构造单元的波速模型（左），此图虽然比3.1要精细一些，但依然显示出如图3.1所表示的层序。即（1）岩石圈含地壳和浅地幔；（2）软流圈含大量玄武质岩浆；（3）上地幔中间层，主要矿物为橄榄石，辉石与石榴子石；（4）400～450km过渡带，橄榄石发生向立方尖晶石结构转化的相变；（5）上地幔底层；（6）630～690km过渡带，尖晶石结构在高温高压下进一步相变为钙钛矿或钨钛矿结构。此过渡带下方进入相对稳定的下地幔。在这个层序中，层3～6属于中地幔的上层。我们讲这只是一种层序，其含义是指上地幔内可以含有六个主要的层位，也可以缺失其中一部分层位，但顺序是固定的。
在图3.2中还可以看出，不同的大地构造单元内上地幔各层地震波速有明显的变化。总的来说，接近地球表面的层波速变化较大，而在300km深度以下平均波速逐渐趋向一致（差别＜3%）。换句话说，中幔圈物质及温度压力是相对均匀分布的，而岩石圈和软流圈很不均匀，以致局部地区可缺失岩石圈（如洋脊）或软流圈。另外，中幔圈以上地盾区的地震波速最大，而构造活动区偏小。在中幔圈内这种情况反转过来，即地盾区波速反而略为偏小。
图3.1 上地幔S波变化与早期的地幔岩石相变解释
近期研究表明，这种解释是粗略的
为了更清楚地了解不同构造单元S波速度的区别，可用平均波速为中线，将不同构造单元的统计波速示如图3.2（右）。首先看大洋中上地幔的情况，用A、B、C、D表示洋壳从老到新的变化（180Ma到1Ma），可知最老的洋壳下方上地幔的波速最高，说明那里软流圈内岩浆多已固结。但软流圈的波速在不那么老的洋壳下方迅速降低，说明岩浆活动仍是大多数洋区软流圈的主要特征。同时.在最年轻的洋壳下方低速层变浅（D线），指示软流圈玄武岩浆上抬，而此处中幔圈上部的波速也偏低6%左右，与热羽柱有关。*的情况较为复杂，地盾区与构造活动区的波速变化呈相反趋势。构造区呈S型，而地盾区成反S型，主要说明构造活动区软流圈较浅，而地盾区可能是“残渣”堆积增厚，或者软流圈下移，甚至消失。这种S或反S型的波速分布也意味着物质分布的均衡和补偿。
图3.2 不同构造单元的波速模型（左）及其与平均S波波速值的比较（右）
S—（Shield）地盾；M—（山脉）；T—（构造活动区）；Rise包括M和T;Arc—岛弧；Australia—澳大利亚A至D分别为从最老到最年轻的海洋区，βv在此为横波平均速度（sv）
在此图中还可以看到，*构造活动带以外的地盾或山脉分布区，表层（0～8km）S波速度偏低5%～10%,P波速区偏低3%左右。根据第一讲的讨论，构造活动区软流圈上抬，地热流上涌，表层波速应该降低才是，而且构造变形强，也不利于波速增加，解释不了其波速比地盾区大的现象。回忆图1.18所示的流变学性质随时间的变化，也许可以认为，*构造活动区因岩石年轻而呈现弹性使波速升高；而地盾区老岩石呈现脆性或韧性，使表层波速偏低。当然，这种现象的解释也需深入研究和进一步实验。
要附带说明的是，承认上地幔的似层状结构，隐含有否定上地幔存在反映物质对流模式的意思，从下一讲关于全地幔层析成像的结果也不能看出地幔有反映对流的低速通道。另外，关于400km过渡带的性质，图3.1中简单地将它作为由橄榄石向立方尖晶石结构转化的相变面。经过计算认为，如果在400km处发生这样的相变，其波速跃升将比实际反演结果大很多。由于上地幔富含正辉石，它在400km也会向类石榴子石相变。因此，在400km深度大约只有一半的橄榄石向尖晶石相转变，其余的在400～600km范围内陆续相变，这样计算出的波速跃升与反演结果较为接近。
