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地幔是地殼和熔融鐵心之間的一層厚厚的、熱的、固體的巖石。它占地球的大部分，占地球質(zhì)量的三分之二。地幔大約開(kāi)始于地表以下30km，厚約2900km。

▲地球的圈層結(jié)構(gòu)

根據(jù)地球與太陽(yáng)和其他行星有著相同的元素配方（忽略氫和氦，它們逃過(guò)了地球的引力），再減去地核中的鐵、鎳，我們可以計(jì)算出地幔是鎂、硅、鐵和氧的混合物，它們的比例大致與石榴子石的成分相匹配。

▲石榴子石（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）

但是，在給定的深度，究竟是什么礦物的混合物，這是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，目前并沒(méi)有得到肯定的答案。某些火山爆發(fā)中能攜帶地下300km或更深的大塊巖石，這有助于我們獲得地幔巖石的樣本。通過(guò)對(duì)這些樣本的分析，我們發(fā)現(xiàn)地幔最上部由橄欖巖和榴輝巖兩種巖石類型組成。

▲橄欖石（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）

不過(guò)，我們從地幔中得到的最令人興奮的東西是——鉆石。

▲鉆石（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）

地幔頂部被其上方發(fā)生的板塊運(yùn)動(dòng)緩慢攪動(dòng)著。主要的板塊構(gòu)造活動(dòng)有：

1）俯沖板塊向下運(yùn)動(dòng)；

2）板塊間的互相滑動(dòng)；

3）當(dāng)兩個(gè)板塊分離或擴(kuò)展時(shí)，地幔巖向上運(yùn)動(dòng)。

然而，這些作用并沒(méi)有完全混合上地幔，地球化學(xué)家認(rèn)為上地幔是巖石版的大理石紋蛋糕。

除了地球上一些被稱為熱點(diǎn)的區(qū)域，世界上的火山、地震活動(dòng)反映了板塊構(gòu)造的作用。熱點(diǎn)（hotspots）可能是地幔深處物質(zhì)與地表物質(zhì)交換的通道，它們有可能起源于地幔的最底部（核幔邊界）。這些和熱點(diǎn)有關(guān)的科學(xué)問(wèn)題是地球科學(xué)討論最激烈的問(wèn)題之一。

▲全球深源地幔柱的分布（heyn等，2020，EPSL）

我們探測(cè)地幔最有力的技術(shù)是監(jiān)測(cè)來(lái)自世界各地地震產(chǎn)生的地震波。兩種不同類型的地震波，P波（類似于聲波）和S波（類似于搖晃的繩索中的波），它們會(huì)對(duì)所經(jīng)過(guò)的巖石的物理性質(zhì)作出反應(yīng)。這些波在某些物理性質(zhì)變化較大的表面發(fā)生反射、折射（彎曲）等，我們利用這些反應(yīng)來(lái)繪制地球內(nèi)部的地圖。

▲圖片來(lái)源：IRIS

如果我們的工具足夠好，就可以像醫(yī)生給病人做超聲波照片一樣，能夠全方位地刻畫(huà)地球的地幔。經(jīng)過(guò)一個(gè)世紀(jì)的地震采集，我們能夠繪制出一些令人印象深刻的地幔圖。

礦物和巖石在高壓下將會(huì)發(fā)生變化。例如，普通的地幔橄欖石在410km和660km左右的深度會(huì)變化為不同形式的晶體。我們研究地幔條件下礦物的行為主要有兩種方法：基于礦物物理方程的計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。因此，現(xiàn)代地幔研究是由地震學(xué)家、計(jì)算機(jī)程序員和實(shí)驗(yàn)室研究人員等組成，他們現(xiàn)在可以利用高壓實(shí)驗(yàn)室設(shè)備（如金剛石壓腔）對(duì)任何深度的地幔環(huán)境進(jìn)行再現(xiàn)。

▲金剛石壓腔

近一個(gè)世紀(jì)的研究幫助我們填補(bǔ)了地幔中的一些空白。它主要有三層：1）上地幔，從地殼底部（莫霍面）延伸至660km深處。其中的地幔轉(zhuǎn)換帶位于410km至660km之間，在這個(gè)深度上，礦物會(huì)發(fā)生重大的物理變化。2）下地幔，從660km一直延伸到2700km左右。3）D’’層，地幔底部有爭(zhēng)議的圈層，其厚度約200km。在這里，地震波受到很強(qiáng)烈的影響，以至于大多數(shù)的研究人員認(rèn)為這里的巖石不僅僅是在晶體學(xué)上有不同，更可能是化學(xué)性質(zhì)上也有不同。

與地球的姐妹行星（如，水星、金星和火星）相比，地球有一個(gè)活躍的，潤(rùn)滑的地幔，可能這也是地球上有生命的原因之一。地幔作為地球的主體，它的故事是地學(xué)的基礎(chǔ)。在地球誕生的時(shí)候，地幔開(kāi)始于鐵核上方的液態(tài)巖漿海洋。當(dāng)它凝固時(shí)，不符合地幔主要礦物的元素收集于地球頂部形成了地殼。此后，地幔開(kāi)始了40億年的緩慢循環(huán)。而它上部物質(zhì)（上地幔）在地表的板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和水合作用的影響下已經(jīng)冷卻了。

▲不同性質(zhì)下的地球圈層

美編：徐海潮

校對(duì)：張騰飛