下地幔的物质组成

关于下地幔的物质组成20世纪70～80 年代已有大量的实验岩石学家进行研究。Liu（1976a）用MgSiO3玻璃做初始材料，在金刚石压砧上进行高温（1000～1400℃）、高压（175～275 kbar）下的相变实验。在200～220kbar时实验产物中出现橄榄石尖晶石相、斯石英及MgSiO3的钛铁矿相；在250 kbar压力下，出现MgSiO3的斜方对称的钙钛矿相。斯石英、硅酸盐钙钛矿相、硅酸盐钛铁矿相中的 Si都是六次配位的。Liu（1976 b）又用FeSiO3（合成的斜方铁辉石和斜铁辉石）作为初始材料，在1200～1600℃、80～280 kbar压力下进行相转换的实验研究。在80 kbar时，出现 Fe2SiO4的尖晶石、斜铁辉石和斯石英；在100 kbar时，FeSiO3开始歧化为方铁矿和斯石英；在240～280 kbar压力下，主要为方铁矿和斯石英的混合物。与MgSiO3的相变产物不同，这里没有出现FeSiO3的钛铁矿相和斜方钙钛矿相。Liu（1976a）认为MgSiO3的钙钛矿相是业已知道的堆积最紧密的镁质硅酸盐，他提出下地幔可能主要由镁铁硅酸盐的钙钛矿组成。Jeanloz等（1986）在第24 届国际矿物会议上报道，在压力超过200～250 kbar，温度超过1300 K时，上地幔中主要矿物橄榄石、辉石和石榴子石都转变为硅酸盐的钙钛矿相。实验表明，在压力超过1000 kbar时，硅酸盐钙钛矿还是稳定的。高温高压下（Mg，Fe）SiO3钙钛矿相和富钙钛矿集合体的特性与下地幔的地震资料是一致的，因而他们认为硅酸盐钙钛矿相是最丰富的矿物相，它占整个地球的45%。

图5-18 在下地幔温度、压力条件下硅酸盐钙钛矿（Mg92）和镁方铁矿（Mg84）的密度

O'Neill等（1994）报道，天然的镁铝榴石[（Mg088Fe009Ca003）3Al2Si3O12]在1600℃和50 GPa压力下转换为铝质钙钛矿。他们认为，下地幔地幔岩中的全部Al2O3作为固溶体出现在硅酸盐钙钛矿中，不需要存在与钙钛矿伴生的其他的富铝相。Kesson等（1995）认为，在60～70GPa压力范围内，MgSiO3钙钛矿能容纳摩尔分数为25%的Al2O3。Irifune等（1996）也认为，在下地幔不存在与钙钛矿和镁质方铁矿伴生的其他富铝相。Wood等（2000）认为，660km以下的下地幔橄榄岩的成分包括79%（Mg、Fe、Al）-钙钛矿、16%的镁质方铁矿和5%的Ca-钙钛矿。所有的Al2O3溶解在（Mg、Fe、Al）-钙钛矿中。

Jeanlo等（1986）在压力为250～600kbar、用激光加热的实验中定量地测量（Mg，Fe）SiO3钙钛矿相的熔化温度为3000～3200K，且硅酸盐钙钛矿在高压下的熔融温度与压力无关，体积变化几乎为零。据电子探针分析，在加温过程中，Fe从钙钛矿相中分离出来，这意味着在高压下熔体的密度大于共存的固体的密度，富铁的熔体可能沉降到下地幔更深处。

Boehler等（1995）计算了在下地幔条件下硅酸盐钙钛矿（Mg 92）和镁方铁矿（Mg 84）的密度，从图5-18可以看出，硅酸盐钙钛矿、镁方铁矿与模拟地球在下地幔温度、压力条件下的密度接近。该图也概略表明了下地幔不同温度、压力条件下的密度变化。

上地幔约1000千米，下地幔约为1900千米。

相关说明

地幔（Mantle）介于莫霍面和古登堡面之间，厚度在2800km以上，平均密度为459g/cm³，体积约占地球体积的8226%， 地幔的质量约占地球总质量的670%，在很大程度上影响了地球物质的总组成。地幔的横向变化比较均匀，根据地震波速度的变化以1000km激增带为界面(雷波蒂面)，进一步划分出上地幔和下地幔两个次一级圈层。

地幔是地球的莫霍面以下、古登堡面(深2885km)以上的中间部分。其厚度约2850km，占地球总体积的823%，占地球总质量的678%，是地球的主体邵分。从整个地幔叫以通过地震波横波的事实看，它主要由固态物质组成。根据地震波的次级不连续面，以650km深处为界，可将地幔分为上地幔和下地幔两个次级圈层。

问题一：地壳以内是什么 地幔

地壳下面是地球的中间层，叫做“地幔”，厚度约2865公里，主要由致密的造岩物质构成，这是地球内部体积最大、质量最大的一层。 地幔又可分成上地幔和下地幔两层。一般认为上地幔顶部存在一个软流层，推测是由于放射元素大量集中，蜕变放热，将岩石熔融后造成的，可能是岩浆的发源地。软流层以上的地幔部分和地壳共同组成了岩石圈。下地幔温度、压力和密度均增大，物质呈可塑性固态。

地幔上层物质具有固态特征，主要由铁、镁的硅酸盐类矿物组成，由上而下，铁、镁的含量逐渐增加。

问题二：有谁知道关于路的诗 5分 路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。（屈原）

独上高楼，望尽天涯路。（晏殊）

问题三：中水灌溉，不得饮用的中水是什么意思？ 中水也叫“再生水”，是经过处理的污水再回用。因为城市建设中将供水称为“上水”，污水排放称为“下水”，所以中水取其两者之间的意思。

中水有阀市污水处理厂集中处理回用的，也有一个社区甚至一座单独住房自行回用的。社区或住房小范围的中水，一般只收集比较清洁的污水，如洗澡水、游泳池水、厨房排水等进行简单的处理，如过滤、沉淀等。城市集中回用的中水需单独设置管网，因此投资较大，但可以节约水资源，并减少污水排放量，因此可以大大地减少供水和污水处理费用。

中水回用主要用于冲厕所、绿地灌溉、冲洗街道、洗车等。

目前由于世界范围内淡水资源的匮乏，中水越来越受到重视。日本从20世纪60年代就开始开发中水利用；美国从80年代也开始开发；中华人民共和国从1980年开始研究中水利用，1983年制定了《建筑设计中水利用规范》，1990年开始在北京试验性地建设中水管网，1993年在大连、青岛、天津等几个城市推广，1998年向全国普遍推广。但目前人们的观念还有一些疑虑。

随着人类生产生活用水量的加大，而淡水资源的进一步枯竭和被污染，中水利用已经成为全世界关注的焦点。

问题四：谁知道我们大地下面是什么吗？ 地壳是有岩石组成的固体外壳，地球固体圈层的最外层，岩石圈的重要组成部分。其底界为莫霍洛维奇不连续面（莫霍面）。整个地壳平均厚度约17千米，其中大陆地壳厚度较大，平均为33千米。高山、高原地区地壳更厚，最高可达70千米；平原、盆地地壳相对较薄。大洋地壳则远比大陆地壳薄，厚度只有几千米。

地壳分为上下两层。上层化学成分以氧、硅、铝为主，平均化学组成与花岗岩相似，称为花岗岩层，亦有人称之为“硅铝层”。此层在海洋底部很薄，尤其是在大洋盆底地区，太平洋中部甚至缺失，是不连续圈层。下层富含硅和镁，平均化学组成与玄武岩相似，称为玄武岩层，所以有人称之为“硅镁层”（另一种说法，整个地壳都是硅铝层，因为地壳下层的铝含量仍超过镁；而地幔上部的岩石部分镁含量极高，所以称为硅镁层）；在大陆和海洋均有分布，是连续圈层。两层以康拉德不连续面隔开

地幔（Mantle）介于莫霍面和古登堡面之间，厚度在2800km以上，平均密度为459g/cm³，体积约占地球体积的8226%， 地幔的质量约占地球总质量的670%，在很大程度上影响了地球物质的总组成。地幔的横向变化比较均匀，根据地震波速度的变化以1000km激增带为界面(雷波蒂面)，进一步划分出上地幔和下地幔两个次一级圈层。

(一)地壳

地壳是莫霍面以上的地球表层。其厚度变化在5-70km之间。其中大陆地区厚度较大，平均约为33km；大洋地区厚度较小，平均约7km；总体的平均厚度约16km，约占地球半径的1/400，占地球总体积的155%，占地球总质量的08%。地壳物质的密度一般为26-29g/cm³，其上部密度较小，向下部密度增大：地壳为固态岩石所组成，包括沉积岩、岩浆岩和变质岩二大岩类：由十：地壳是当前地质学、地球物理学、地理学等学科的主要研究对象，因此，有关其详细情况将在下一节作进一步介绍。

(二)地幔

地幔是地球的莫霍面以下、古登堡面(深2885km)以上的中间部分。其厚度约2850km，占地球总体积的823%，占地球总质量的678%，是地球的主体邵分。从整个地幔叫以通过地震波横波的事实看，它主要由固态物质组成。根据地震波的次级不连续面，以650km深处为界，可将地幔分为上地幔和下地幔两个次级圈层。

1．上地幔

上地幔的平均密度为35g/cm³，这一密度值与石陨石相当，暗示其可能具有与石陨石类似的物质成分。从火山喷发和构造运动从上地幔上部带出来的深部物质来看，也均为超基性岩。近年来通过高温高压试验来模拟地幔岩石的性质时发现，用橄榄岩55%、辉石35%、石榴子石10%的混合物作为样品(矿物成分相当于超基性岩)，在相当于上地幔的温压条件下测定其波速与密度，得到与上地幔基本一致的结果。根据以上理由推测，上地幔由相当于超基性岩的物质组成，其主要的矿物成分可能为橄榄石，有一部分为辉石与石榴子石，这种推测的地幔物质被称为地幔岩。

上地幔上部存在一个软流圈，约从70km延伸到250km左右，其特征是出现地震波低速带。物理实验表明，波速降低可能是由于软流圈物质发生部分熔融，使其强度降低而引起的。据地内温度估算，软流圈的温度可达700-1300℃，已接近超基性岩在该压力下的熔点温度，因此一些易熔组分或熔点偏低的组分便可开始发生熔融。据计算，软流圈的熔融物质可能仅占1%-10%，熔融物质散布于固态物质之间，因而大大降低了强度，使软流圈具较强的塑性或流动性。由于软流圈物质已接近熔融的临界状态，因此它成为岩浆的重要发源地。

2．下地幔

下地幔的平均密度为51g/cm³．由于这里经受着强大的地内压力作用，使得存在于上地幔的橄榄石等矿物分解成为FeO、MgO、SiO2和Al2O3，等简单的氧化物。与上地幔相比，其物质化学成分的变化可能主要表现为含铁量的相对增加(或Fe/Mg的比例增大)。由于压力随深度的增大，物质密度和波速逐渐增加。

(三)地核

地核是地球内部古登堡面至地心的部分，其体积占地球总体积的162%，质量却占地球总质壁的313%，地核的密度达998-125g/cm³。根据地震波的传播特点可将地核进一步分为三层：外核(深度2 885-4170km)、过渡层(4170-5155km)和内核(5155km至地心)。在外核中，根据横波不能通过，纵波发生大幅度衰减的事实推测其为液态；在内核中，横波又重新出现，说明其又变为固态；过渡层则为液体一固体的过渡状态。

地核的密度如此之大，从地表物质来看只有一些金属物质才可与之相比，而地表最常见的金属是铁，具密度为8g/cm³，它在超高压下完全可以达到地核的密度。地核的密度与铁陨石较接近，也表明地核可能主要为铁、镍物质。地球具有主要由内部物质引起的磁场，这说明地球内部一定具有高磁性的铁、镍物质非常集中的某个圈层，而地壳、地幔中均不存在，那么它应存在于地核中。此外，人们用爆破冲击波提供的瞬时超高压宋模拟地核的严卞状态，并测定一些元素在瞬时超高压下的波速与密度，结果发现地核的波速与密度值与铁，镍比较接近。综合多方面推测，地核应主要由铁、镍物质组成。近年来的进一步研究还发现，在地核的高压下，纯铁、镍的密度略显偏高，推测地核最合理的物质组成应是铁、镍及少量的硅、硫等轻元素组成的合金。

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