軟流圈

軟流圈由巴拉鹿(J.Barrel，西元一九一四年)命名并介紹。巴拉鹿基于強(qiáng)度將地球之內(nèi)部分成三 帶或三圈，由上而下，為巖石圈(Lithosphere)、軟流圈(Asthenosphere)及中心圈(Centrosphere)。巖石圈為地球的外圈，相當(dāng)于地殼(EarthCrust)或矽鋁帶(SialZone)之部分，其厚度約達(dá)一百公里。巖石圈其有剛性(Rigidity)，并形成橫造板快(TectonicPlates)。巖石圈下，幾乎無(wú)直接觀察之方法，因此地質(zhì)學(xué)家依據(jù)各種自然現(xiàn)象及地球物理之測(cè)勘。而假定有種種層圈之存在。當(dāng)火山噴發(fā)時(shí)，常有極高溫之熔巖或巖漿之噴出，因此主張?jiān)趲r石圈下，必有一軟流圈或火圈它(Pyrosphere)之存在。巖石圈下之軟流圈為較弱的層圈，具有可塑性或黏性流，因此較巖石圈易變形:軟流圈或火圈之下，地球之核心部分，必有中心圈之存在。

依據(jù)震波速度之不連續(xù)性，可將地球內(nèi)部分成(由上而下):地殼(EarthCrust)，地幔(Mantle)及地核(Core)三帶。此分帶與上述分圈不同。軟流圈大致相當(dāng)于上部地幔，中心圈大致相當(dāng)于下部地幔及地核。

中國(guó)青年學(xué)者發(fā)現(xiàn)軟流圈地幔不均一性新證據(jù):"對(duì)北冰洋新鮮樣品開展的相關(guān)礦物巖石地球化學(xué)工作表明，北冰洋Gakkel洋脊下方存在古老且不均一的地幔。古老地幔能在軟流圈中長(zhǎng)時(shí)間保存，這說(shuō)明地幔對(duì)流作用并非像傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)的那樣可以高效地消除其不均一性，之前有關(guān)軟流圈地幔具有均一成分的這一普遍認(rèn)識(shí)需要重新修正。" 2008年3月20日，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所年輕學(xué)者劉傳周博士及其合作者在Nature 2008年452卷上以論文的形式，發(fā)表了他們對(duì)來(lái)自世界上擴(kuò)張速率最慢的北極Gakkel洋脊的大洋橄欖巖的研究成果，對(duì)傳統(tǒng)觀點(diǎn)提出了創(chuàng)新性的認(rèn)識(shí)。論文題目為《北冰洋Gakkel洋脊下方存在古老且不均一的地?！贰?/p>

軟流圈是指地球淺部巖石圈以下至660公里不連續(xù)面以上，剛性較弱且能夠發(fā)生長(zhǎng)期緩慢變形的地幔部分，是討論殼幔相互作用等一系列地質(zhì)過(guò)程的重要參考體系。軟流圈的對(duì)流也是地球表層板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的主要"引擎"。軟流圈地幔的物理性質(zhì)和化學(xué)成分一直是目前地學(xué)界關(guān)注的重點(diǎn)。但軟流圈地幔是否具有均一的化學(xué)成分這一問(wèn)題，還爭(zhēng)議很大。

之前國(guó)際學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為，發(fā)生在軟流圈中的元素?cái)U(kuò)散及地幔對(duì)流可以有效消除軟流圈中不同規(guī)模的不均一性，這得到了對(duì)于來(lái)源于軟流圈地幔的大洋中脊玄武巖研究的支持。

受中國(guó)科學(xué)院在讀博士生赴外研修獎(jiǎng)學(xué)金以及馬普學(xué)會(huì)博士生獎(jiǎng)學(xué)金的聯(lián)合資助，劉傳周在博士研究生階段對(duì)選自北冰洋Gakkel洋脊兩個(gè)采樣點(diǎn)的大洋橄欖巖樣品開展了相關(guān)礦物巖石地球化學(xué)工作，其中一個(gè)采樣點(diǎn)的橄欖巖樣品非常新鮮。全巖的Re-Os(錸―鋨)同位素結(jié)果表明，在同一個(gè)采樣點(diǎn)的尺度范圍內(nèi)(<5千米)，地幔的Os同位素存在著高度的不均一性。同時(shí)，兩個(gè)采樣點(diǎn)的方輝橄欖巖均具有極低的Os同位素比值，反映Gakkel洋脊下方存在20億年左右的古老地幔。由于遭受過(guò)古老的熔體抽取，這些古老的地幔變得更為難熔。因而，當(dāng)這些古老的地幔重新進(jìn)入到Gakkel洋脊時(shí)，它們發(fā)生部分熔融的程度很低或者不再發(fā)生部分熔融。

這項(xiàng)研究的結(jié)果表明，部分大洋橄欖巖和與之相伴生的大洋中脊玄武巖之間可能并不存在成因上的聯(lián)系，而是代表了殘存在軟流圈中的古老地幔。這些難熔的古老地幔由于不參與部分熔融或熔融程度很低，它們的成分因而不能通過(guò)大洋中脊玄武巖體現(xiàn)出來(lái)。以前利用大洋中脊玄武巖來(lái)估計(jì)軟流圈地幔的成分由于忽略了這些更為難熔的古老地幔，可能會(huì)過(guò)高地估計(jì)軟流圈地幔的飽滿程度。同時(shí)，還說(shuō)明古老地?？梢蚤L(zhǎng)時(shí)間(數(shù)十億年)地殘存在軟流圈地幔中。正是這些古老地幔的存在，模糊了軟流圈地幔與巖石圈地幔在Os同位素上的差異，因此運(yùn)用Re-Os同位素對(duì)巖石圈地幔和蛇綠巖進(jìn)行定年時(shí)須倍加小心。

地質(zhì)與地球物理所所長(zhǎng)助理國(guó)連杰在接受《科學(xué)時(shí)報(bào)》記者采訪時(shí)表示，自2000年以來(lái)，地質(zhì)與地球物理所先后以第一作者和第一署名單位在Nature發(fā)表了6篇研究論文。"此前6篇Nature文章研究的主要是中國(guó)境內(nèi)的地質(zhì)問(wèn)題，而劉傳周則是以全球地質(zhì)重大問(wèn)題為視野開展研究工作的，涉及的是固體地球科學(xué)的關(guān)鍵研究領(lǐng)域，也是我們地質(zhì)與地球物理所知識(shí)創(chuàng)新工程的重要研究主題。他是在博士后站工作不足半年的年輕科研人員，既是這篇論文的第一作者也是通訊作者，在研究思路、實(shí)驗(yàn)分析技術(shù)與方法、結(jié)果解釋和論文撰寫等方面作出了實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)。"

軟流圈(Asthenosphere)是指在距地球表面(earth surface)以下約100公里的上地幔(mantle)中，有一個(gè)明顯的地震波(seismic wave)的低速層，這是由古登堡在1926年最早提出的，稱之為軟流圈(asthenosphere)，它位于上地幔的上部(upper mantle)，巖石圈(Lithosphere)之下。在洋底(under oceanic crust)下面，它位于約60公里深度以下;在大陸地區(qū)(continental crust)，它位于約120公里深度以下，平均深度約位于60~250公里處?，F(xiàn)代觀測(cè)和研究已經(jīng)肯定了這個(gè)軟流圈層(Asthosphere)的存在。也就是由于這個(gè)軟流圈(asthosphere)的存在，將地球外圈與地球內(nèi)圈區(qū)別開來(lái)了。地球之巖石圈(Lithosphere)下之軟層圈為軟流圈(Asthenosphere)。軟流圈(asthenosphere)呈低震波速度，而其震波(seismic wave)吸收率較高，而可能部分呈熔融狀態(tài)。此層圈可能有對(duì)流(Convection)現(xiàn)象，因此稱之為軟流圈(asthenosphere)。此層圈具有活動(dòng)性(Mobility)，因此亦可以為活動(dòng)圈或活動(dòng)帶(ZoneofMobility)。此圈內(nèi)可能有巖漿(magma)。此圈為地殼均衡(Isostasy)之調(diào)整帶。軟流圈相當(dāng)于上部地幔(UpperMantle)。

根據(jù)地球圈層的熱力學(xué)性質(zhì)和變形物理環(huán)境，以及地震波速帶(seismic wave)，又可以將地球劃分為巖石圈(Lithosphere)、軟流圈(Asthenosphere)、中間圈(Mesosphere)和地核(core)。巖石圈(lithosphere)是固體地球的表層(surface)，它的定義是"地球的剛性外殼層，是由一些能夠相互獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的離散型板塊構(gòu)成(plates tectonic)的。概言之，板塊(plates)的這種組合就成為巖石圈(lithosphere)。根據(jù)現(xiàn)有模型(models)，巖石圈板塊(continental crust)在洋脊上形成，在俯沖帶(subduction zone)沉入地球內(nèi)部"(美國(guó)地球動(dòng)力學(xué)委員會(huì)，1987)。軟流圈是易于蠕動(dòng)變形和緩慢移動(dòng)的軟弱層，是巖石圈之下包括上地幔低速層以下至過(guò)渡帶上部的統(tǒng)稱。正是由于軟弱層對(duì)剛硬層的控制作用才形成了板塊構(gòu)造。因此，包括地殼和地幔蓋層的巖石圈，特別是大陸巖石圈及軟流圈是板塊構(gòu)造及大陸動(dòng)力學(xué)研究的重點(diǎn)。

科學(xué)家認(rèn)為:軟流圈的強(qiáng)度減弱來(lái)自于水在地函的組成礦物之一斜方輝石中的溶解度突然降低，導(dǎo)致較多的水保留在橄欖石中，因產(chǎn)生部分熔融、使得軟流圈相對(duì)于地函其他部分黏滯度較小，更容易變形、流動(dòng)。剛性的板塊坐落在強(qiáng)度較弱的軟流圈彼此的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、在不同邊界上產(chǎn)生種種的地表構(gòu)造，這是板塊學(xué)說(shuō)重要的根基。根據(jù)地球物理的觀測(cè)，相對(duì)于巖石圈，震波在軟流圈傳播的速度較慢、并且具有較高的導(dǎo)電度，科學(xué)家推測(cè):軟流圈的粘滯度的確比上方的巖石圈及下方的地函來(lái)得小，深度大約在從60公里到220公里不等。過(guò)去認(rèn)為，軟流圈強(qiáng)度減弱來(lái)自地函物質(zhì)在此產(chǎn)生部分熔融，因震波不易在液體中傳播，使得震波速度減慢。至于產(chǎn)生部分熔融的機(jī)制，則并不清楚。

在今天的地球上，如果沒(méi)有板塊運(yùn)動(dòng)，火山不會(huì)噴發(fā)(早期地球的情形除外)，地球內(nèi)能僅通過(guò)巖石傳導(dǎo)緩慢散發(fā)。隨著地球自轉(zhuǎn)越來(lái)越慢，板塊運(yùn)動(dòng)和火山活動(dòng)會(huì)逐漸平息，就像今天的月亮。(這是個(gè)更復(fù)雜的板塊驅(qū)動(dòng)力問(wèn)題，這里暫不討論)

今天的巖漿活動(dòng)發(fā)源于大陸30km,洋殼6km以下。即軟流層。但軟流圈的物質(zhì)并不是巖漿。軟流圈在巨大的巖石靜壓力下呈半塑性狀態(tài)。只有當(dāng)壓力降低，如地殼裂開時(shí)才轉(zhuǎn)變?yōu)閹r漿并朝著壓力低的方向移動(dòng)，如大洋裂谷。其二，當(dāng)溫度升高時(shí)也能形成巖漿，并把上覆巖層熔透而形成火山噴發(fā)。

所以巖漿作用的發(fā)源地的地質(zhì)條件是

地殼(包括洋殼)開裂處。即洋中脊大裂谷。這里因壓力降低導(dǎo)致火山噴發(fā)。

板塊俯沖消亡帶，即海溝島弧系。這里因板塊劇烈摩擦，壓力、溫度升高，導(dǎo)致火山爆發(fā)。這種火山能量極高。如印度尼西亞群島的火山爆發(fā)。

兩個(gè)大陸板塊相撞處也有巖漿活動(dòng)，不過(guò)這里的地殼很厚60公里左右，巖漿以侵入巖的形式冷卻，很少有火山噴發(fā)。

巖漿巖的特征

巖漿巖有別于變質(zhì)巖和沉積巖，其主要特征有。

1:巖漿巖大部分為塊狀的結(jié)晶巖石，部分為玻璃質(zhì)巖石。具有玻璃質(zhì)的巖石，一般是巖漿巖。

2:巖漿巖中有一些特有的礦物和結(jié)構(gòu)構(gòu)造，如霞石，白榴石等礦物和氣孔構(gòu)造和杏仁構(gòu)造等。

3:巖漿巖體和圍巖間一般有明顯界限，呈現(xiàn)各種各樣的形態(tài)于地層中，有的平行，有的切穿圍巖的層理或片理，多具淬火邊。

4:巖體中常含有圍巖碎塊，這些捕獲的圍巖碎塊和圍巖常遭受熱變質(zhì)作用。