地球的內部圈層及深度（地球的內部是什麼）

2023-05-25 00:06:49 1

一提到地球科學，大家可能會想到「實地考察」。特別是在研究巖石和地質的時候，有必要去山川和大海採集有趣的巖石，觀察地層。

但是，在實地調查中，有些領域是無論如何也無法觸及的。是「地球上的內容」。實際上，人類連挖掘地殼到達地幔的經驗都沒有。

儘管如此，我們還是經常能看到描繪地球內部情況的畫面。書籍上寫著「地幔是橄欖巖形成的」「巖心是鐵製的」等。闡明這一事實的，是地球科學界的「椅子上的男人(guy in the chair)」，也就是以實驗室為主戰場的地球科學家們。

那麼，如前所述，地殼的巖石比較容易得到，也被調查得很清楚。而且，大陸和海洋(下面)的地殼是不同的(大陸地殼和海洋地殼有明確的區別)。

這裡需要注意的是「大陸」一詞的使用方法。一般來說，字面意思是「大的陸地」，指歐亞大陸和北美大陸等。

在地球科學中，「大陸地殼」才是大陸，這未必與一般的「大陸」一致。也就是說，光看世界地圖是無法知道大陸地殼和海洋地殼的分界的。

大陸地殼和海洋地殼完全是兩回事。構成的巖石種類不同。另外，作為層的厚度不同。而且，古老程度也不同

大陸地殼主要由花崗巖構成，海洋地殼主要由玄武巖構成。雖然都是巖漿冷卻凝固後形成的巖石，但巖漿的性質和冷卻速度不同。花崗巖是由含水較多、溫度較低(700 ~ 800℃)的巖漿慢慢冷卻凝固而形成的。玄武巖是由不怎麼含水的高溫(噴發時1200℃左右)巖漿急劇冷卻凝固而成。

構成巖石的不同，造成了大陸地殼和海洋地殼密度的不同。大陸地殼的密度為每立方釐米2.7克，海洋地殼的密度為3.0克。大陸地殼輕，海洋地殼重。

雖然與密度不同有關，但大陸地殼和海洋地殼的厚度有很大差異。海洋地殼在任何地方的厚度都差不多，約為6公裡(相當於地球半徑的約千分之一)。大陸地殼根據地點的不同厚度也有差異。粗略地說，高山下的大陸地殼很厚。平均是30公裡左右。

綜上所述，我們對地殼有了比較深入的了解。下面的地幔又如何呢？它隱藏在地殼之下，很難觀察。

但是也有地幔露出地表的地方。板塊之間的碰撞，讓其向上翻騰。

所謂板塊，就是覆蓋地表的十幾塊堅硬的巖板。它區別於包括地殼和地幔的最上部，以及其下的一些具有流動性的區域。

各板塊的運動方向各不相同，因此到處都在碰撞。碰撞的結果是，其中一個板塊翻卷，構成該板塊的地幔最上部露出地表。

在這種地方發現的地幔巖石被稱為橄欖巖。這是以黃鶯色(橄欖色)的美麗礦物(橄欖石)為主體的巖石。在可以觀察到風化不嚴重的幌滿巖體的地方，就可以找到這種黃鶯色的巖石。

橄欖巖的密度是每立方釐米3.3克左右。地幔是由比地殼更重的巖石構成的。

地震波觀測結果顯示，地幔將延伸到地下2900公裡。在板塊碰撞地帶露出的地幔深度最多只有100公裡。能得到下面的物質嗎?

地幔深處的物質有可以獲取的地方。

比如火山。噴出從地幔深處上升的巖漿的火山，有時會得到巖漿帶來的地幔巖石。

巖漿是巖石熔化後形成的液體。地球內部有一部分巖石融化形成巖漿的地方。巖漿比周圍的(未熔化的)巖石輕，受到浮力，浮到地表。實際上，地殼是地幔的一部分融化後在地表冷卻凝固而成的，可以說地幔和地殼是父子關係。如果追根溯源，大陸地殼也是來自地幔的巖漿。

被挖掘成鑽石礦的地方，也是地幔深處噴出的巖漿的通道。

眾所周知，鑽石是碳的結晶。在地球內部作為二氧化碳和甲烷存在的碳，在地球內部的高壓力下被還原或氧化，形成鑽石。需要多大的壓力呢？相當於5萬大氣壓以上——深度150公裡以上。

鑽石礦山相當於150公裡深的地幔巖漿的通道。反過來說，在鑽石礦山可以得到與鑽石一起上升的深度超過150公裡的地幔物質。

在這種程度的深度中，橄欖巖仍然是地幔的主要構成物質。

我們能得到比地幔更深處的物質嗎？遺憾的是，在自然界得到的地球深處的巖石深度最多只有200公裡。沒有任何機制可以將更深的巖石運送到地表。

因此，地球科學家們不斷進行著在實驗室中合成在自然界無法獲得的深度的地幔深部物質的挑戰。

地幔內部的化學組成被認為大致均勻。從元素的角度來看，無論哪個深度都沒有太大區別(很難認為特定的元素集中在特定的深度)。那麼，如果把自然界得到的橄欖巖(橄欖石)放在地幔深部的溫度和壓力條件下，應該就能合成出那個深度的主要礦物。在這個想法的指導下，地球科學家開始了高壓高溫實驗。

高壓高溫實驗有各種各樣的方法，共同點是碾碎樣品(礦物等)，不同之處在於「用什麼」碾碎。作為選擇有煤氣和金屬等，根據目的的壓力來區分使用。地幔底部(深度約2900公裡)的壓力為136萬大氣壓，地球中心的壓力為364萬大氣壓。

實際上，通過高壓高溫實驗，已經合成了地幔深部的物質。

對橄欖巖加壓的話，在15萬大氣壓下會變成不同的礦物(相變)。15萬大氣壓是相當於地球內部深度410公裡的壓力。黃鶯色橄欖石相變形成的礦物被稱為沃茲裡艾特，呈深綠色。

如果對沃茲裡艾特加壓，會在18萬大氣壓(相當於520公裡深度)下發生相變。深綠色的沃茲裡艾特變成了紫色的林烏迪特。

通過高壓實驗，可以確定地幔中的主要礦物會隨著深度的變化而變化。當然，我想挑戰更深的深度，但用金屬加壓的方法有限。如果施加太大的高壓，金屬本身就會變形，無法釋放出更大的壓力。即使是最堅硬的金屬碳化鎢，30萬的大氣壓也是極限。

要理解地幔深部，需要更堅硬的物質。在那裡被使用的，是鑽石。

鑽石是世界上最堅硬的物質。

通過使用diamond cell裝置的實驗，可知ringwoodite在下地幔的壓力下(24萬大氣壓以上)會分解成兩種礦物(1974年)。這兩種礦物是橋石和二茂鐵。橋石是地球上最大量的礦物，據估算，全部加起來幾乎佔地球體積的一半。另外，與其他礦物相比非常堅硬，顏色呈淺茶色。

地震波觀測的數據表明，地幔內部2600公裡深處存在著某種層邊界。雖然對層分界的形成原因一無所知，但一般認為一定是主要礦物發生了相變。驗證這一猜想的方法只有一個——用金剛石單元裝置，實現相當於2600公裡深度的壓力(120萬大氣壓)，對橋接晶體加壓。

科學家們終於在2002年成功將125個大氣壓施加到橋接晶體上。橋接晶體向另一種晶體相變的現象得到了確認。這項成果(Murakami et al.， 2004)刊登在2004年春天的《科學》雜誌封面上。

我們發現的地幔最下部(深度2600 ~ 2900公裡的區域)的主要礦物被稱為「後佩羅夫斯礦」。它的晶體結構非常清楚。由於雲母一樣的層狀結構，具有容易傳遞電和熱的特徵。但是，這種晶體在釋放壓力後會損壞，所以不能從金剛石組件設備中取出來觀察。因此，顏色還不太清楚。

雖然在此無法詳細說明，但通過對地幔最下面的主要礦物的物理特徵的明確，對地幔內部的溫度分布、巖石地幔和金屬巖心的相互作用的理解有了很大的進步。大家明白地球科學中高壓實驗的重要性了嗎?

使用金剛石細胞裝置的高壓實驗成果不僅限於合成地幔的主要礦物。例如，它在解開地幔下面的內核之謎方面也發揮了很大的作用。我們的實驗室在2010年成功實現了對地球中心施加壓力(364萬大氣壓)。不僅是地幔，有關地芯的重大發現也值得期待。