地幔的熔融作用

地幔部分熔融的原因中绝热降压作用是什么意思？~

地幔部分融化的原因中，绝热降压的作用是燃烧吸收氧气，从而吸收压力

1）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。
2）地核
地幔下面是地核，地核的平均厚度约3400公里。地核还可分为外地核、过渡层和内地核三层，外地核厚度约2080公里，物质大致成液态，可流动；过渡层的厚度约140公里；内地核是一个半径为1250公里的球心，物质大概是固态的，主要由铁、镍等金属元素构成。地核的温度和压力都很高，估计温度在5000℃以上，压力达1.32亿千帕以上，密度为每立方厘米13克。
美国一些科学家用实验方法推算出地幔与核交界处的温度为3500℃以上，外核与内核交界处温度为6300℃，核心温度约6600℃。
3）因此， 地幔的高温是由地壳的温度传递上来的。

熔融作用是指固体岩石经加热后转变为岩浆的作用。由于从地幔到地壳的质量传输通常涉及岩浆 (尽管热的固相物质也可以羽状形式向上迁移),因此要更为详细地考察熔融过程。熔融作用可能从来就不是完全的,部分熔体和残余物通常能够展现相当大的化学差异。

从结晶晶体向液相状态的转变从原子或分子尺度上可能非常难以理解。对熔融过程化学上的描述是,岩石的熔融就是原子到最弱化学键被切断那一点之间化学键震动拉伸增大的结果。另一种从结构角度对熔融的描述为:熔融就是从长程结晶有序到熔体的短程有序特征的平行转变,对矿物在低温和高温下的X射线衍射研究表明,随着熔融温度的到达,晶体结构没有发生显著的扭曲,但是单位晶胞的体积增大。对于熔融过程物理学的认识还有许多工作要做 (McSween et al.,2003)。

1.熔融的热力学效应

如同地幔中发生的其他相转变一样,熔融作用造成体系热力学性质的不连续转变。

热力学熵的突然增大,反映了相对于晶体,液相中原子处在较高的无序状态,这可能是熔融作用最明显的热力学变化。然而,从地球化学观点来看,更重要的是伴随熔融作用热焓的增加,即在一个特定温度下将固态岩石转变为相同温度下的液体所需的热能,即熔融焓或称为熔融潜热 (latent heat of fusion)。这一能量远远大于将岩石温度升高到其熔点所需的热能。

熔融热焓能够通过在温度略微高于熔点或略微低于熔点时将晶体或玻璃沉入量热计来测量。升高量热计浴池的温度,或者改变晶体和液体的比例,可以确定物质的每一个状态下释放的能量。假定与这些相有关的相图和单个相的ΔH_m 值能够确定,那么就有可能计算有几种结晶相组成的更为复杂体系的熔融焓。

获得地幔橄榄岩的真实熔融热焓值不太容易,这是因为对高压和辉石、橄榄石以及石榴子石和尖晶石固溶体组成对熔融的效应还不清楚。一般引用的40GPa下石榴子石橄榄岩的熔融焓值为135cal·g^-1。对于发生于地幔中的熔融来说,这一数量的热能必须由超过将地幔岩石上升到熔融温度所需的热量来提供。

2.熔融行为的类型

部分熔融作用是指固体岩石熔融产生的熔体量小于整个岩石体积的熔融作用,又称为深熔作用 (anatexis)。如果地幔橄榄岩的温度增加到岩石的熔点,且加入一些额外的热能用于岩石的熔融热焓,那么就会形成岩浆。如同透辉石—钙长石体系的共结熔融情况那样,熔融开始于不变点,因此几个相同时发生熔融。熔融过程可以由几种过程来描述。平衡熔融,也被称为批次熔融 (equilibrium melting or batch melting),是相对简单的熔融过程,在这一过程中,熔出的液相保留在熔融位置并与残余固相呈化学平衡,直到力学条件允许熔出的熔体作为岩浆的一个单独批次 (a single“batch”)离开。分离熔融 (fractional melting)涉及从形成熔体的体系中熔体的连续萃取过程,通过这种作用阻止形成的熔体与残留固相的反应。分离熔融可以看做是大量的无限小量平衡熔融事件的集合。增量批次熔融处在上述两种端元之间,熔体自体系中的萃取以离散的间隔进行。

为了证明平衡熔融和分离熔融的区别,可以考查图4-23 中镁橄榄石-二氧化硅二组分体系的熔融过程,在平衡和分离熔融条件下描述该体系的熔融过程。

图4-23 镁橄榄石 (Mg ₂ SiO ₄ )—二氧化硅 (SiO ₂ )体系相图

(据McSween et al.,2003)

插图表示了该体系的共熔点 (eutectic)和转熔点 (peritectic)的性质;上面的插图(熔化途径)用于熔融途径,下面的插图用于结晶途径。图中二氧化硅一侧含有一个硅酸盐液体不混溶区 (二液相区),插图中的x和y 相应表示顽火辉石和方石英的混合物

该体系含有一个在镁橄榄石 (Fo)和顽火辉石 (En)组成之间的转熔点和一个在顽火辉石和方石英 (Cr)组成之间的共结点。如果能够提供足够的热使体系的温度可以升高到 1540℃并抵消熔融焓变,那么在顽火辉石 (En)和方石英 (Cr)之间的任何组成都可以在共结 (熔)点开始熔融,即两种固相同时进入熔融状态。对于在平衡条件下的低度部分熔融来说,这种熔体将具有共结组成。随着熔融的进行,一个相将先于另一相在残余熔体中耗尽。例如,最初具有图4-23 中所示处在转熔点和共结点之间x点组成的岩石在上面的插图中表示,随着En+Cr混合物的熔融,Cr将首先从残余物中耗尽,随着平衡条件下熔融的持续进行,液相组成将离开共结点,沿着液相线向上移动,而熔融的所有熔体都将是顽火辉石。当液相到达初始组成位置时,岩石全部发生熔融。该途径就是平衡 (批次)熔融,也是平衡结晶的逆向过程。

分离熔融形成的是一系列组成不同的熔体而不是一种组成的熔体。再次考察处在顽火辉石和方石英之间具有x组成的相同混合物。初始形成的具有共结组成的液体,当其形成后就与体系分离,所以残留下来固相的组成将移动至 En。当 Cr从残余固相中被耗尽后,欲产生任何进一步的熔融,温度必须升高至转融温度。当温度达到 1557℃时, En产生不一致熔融形成镁橄榄石+液相,液相立即被移出。当所有的 En都转化为 Fo之后,熔融不再发生直到液相达到纯 Fo熔点。分离熔融如果进行完全的话,会形成具有不同组成的三个批次的熔体,而平衡熔融则只能形成一种但是在任何时间都是均一的熔体。

地幔橄榄岩熔融的一些细节可以参见图4-24。在富集橄榄岩中稳定含铝矿物的相变发生在位于固相线下的温度时,当温度升高到恰好高于固相线之上时,橄榄岩开始熔融。随着温度的进一步升高,单斜辉石、尖晶石和石榴子石都完全熔融,使得残留固相被耗尽,就像图中相应标示为“斜方辉石熔化”、“尖晶石熔化”和“石榴子石熔化”的曲线表明的那样。这都发生在固相线约 50℃温度间隔中,形成了橄榄石+斜方辉石与液相共存宽广的 P-T 域。橄榄石+斜方辉石固相残留物就是所谓的亏损橄榄岩。

图4-24 地幔橄榄岩示意相图,证明部分熔融的效应

(据McSween et al.,2003)

粗实线相应标示为固相线和液相线。随压力增加,含铝矿物呈现从斜长石 (Pl)到尖晶石 (Sp)然后到石榴子石 (Gar)的相变。随温度增加,从残余固相中被耗尽的矿物依次为单斜辉石 (Cpx)、尖晶石或石榴子石,留下橄榄石 (Ol)+斜方辉石 (Opx)或橄榄石。断线是熔体中溶解橄榄石的百分数,它们表明,随着压力增大,岩浆变得更富橄榄石。图中还表示出了典型大洋和大陆地区的地温梯度线。Ol—橄榄石;Opx—斜方辉石;Cpx—单斜辉石;Gar—石榴子石;Sp—尖晶石;Pl—斜长石

由橄榄岩部分熔融形成的玄武岩岩浆的组成随压力发生改变。高压下,熔体变得亏损SiO₂。液相中二氧化硅含量降低增加了其中橄榄石的比例,一旦冷却将最终从熔体中晶出。图4-24 中断线是具有不同橄榄石百分数的等值线。岩浆形成时压力 (或深度)的改变将造成玄武岩组成从中等压力下的拉斑玄武岩 (大洋中脊的普通熔岩)变为较高压力下富橄榄石的碱性玄武岩和碧玄岩。

3.熔融的原因

所谓的地温梯度即温度随压力或深度增加的速率。研究表明,地幔中低速带具有的塑性性质与部分熔融带相一致。然而,从图4-24 中地温梯度线和橄榄石固相线的相对位置考察,没有证据能够证明在该带曾发生熔融作用,或地幔的其他任何地方能够发生熔融作用。那么怎样才能阐明岩浆的产生呢? 对此问题没有简单的答案,但是至少有三个非常有趣的可能性:局部温度的增加,减压以及挥发分的加入。让我们看看这每一种情况是怎样引起熔融发生的。

由图4-25,简单地升高岩石的温度(图4-25 中ΔT路径)是使熔融发生最为明显的机理,也可以称为热板模式 (hot plate model)。但是在考虑该模式时,一定要考虑到硅酸盐矿物的熔融焓和热容之间存在较大的差异,即矿物的热容改变值一般要比相应矿物熔融的热焓变化值低得多。欲使岩石熔融必须供给矿物熔融潜热所需的热量要比将温度提高到其熔点所需的比热高约 300 倍(Winter,2001),即升高岩石的温度要比使这种岩石部分熔融形成相当数量的熔体容易得多。因此仅靠温度升高产生部分熔融相当困难 (McSween et al.,2003)。

地球化学

即便如此,在地幔局部通过加热形成岩浆还是有可能的。消减岩石圈板片的摩擦生热或因太阳和月亮重力吸引造成潮汐能的耗散,都已被提出作为地幔局部加热的可能原因。地壳内花岗岩和花岗闪长岩的熔融可能归因于玄武岩浆的加热或K-U-Th 产热元素的聚集。相应于被地幔来源岩浆底侵的下地壳局部加热引起岩石部分熔融可能更为合理可行。

造成地幔岩石熔融最重要的机理几乎肯定是压力的释放,这可以由热的塑性地幔岩石的对流上升而引起。降低围限压力的效应一般是降低岩石的固相线温度,例如在透辉石-钙长石体系中 (图4-26)。

当压力从 1GPa降低到 1atm,作为部分熔融开始的共结温度降低幅度大于 100℃。由于在特定的压力变化条件下,透辉石熔点增加的幅度远大于钙长石熔点的增加幅度,因此共结点位置也发生了漂移。随着压力的增加,在消耗斜长石域的同时,透辉石稳定域扩大。从图4-24 也能看出,降压对于地幔橄榄岩固相线的影响。由于这种熔融曲线在P-T空间呈现正的斜率,因此固相岩石的减压会引起熔融作用发生,正如图4-25 中标示的路径ΔP那样。

图4-26 透辉石 (CaMgSi ₂ O ₆ )-钙长石 (CaAl ₂ Si ₂ O ₈ )体系相图

(据McSween et al.,2003)

该图证明围限压力增加对熔融关系的效应。压力从 1GPa降低到 1atm会造成共结点熔融温度降低幅度大于 100℃An—钙长石;Di—透辉石;L—液相

由于挥发分 (主要是 H₂ O 和CO₂ )的加入或失去造成岩石体系组成的改变,在引起熔融方面也具有潜在的重要意义,如图4-25 中湿固相线那样,水加入到已经处于湿固相线之上的干橄榄岩中时将引起自发熔融。如同在一个水化岩石圈消减板片中因脱水反应引起大量的水进入地幔那样。CO₂ 加入到地幔橄榄岩中的效应没有 H₂ O 那样剧烈,但也是重要的。图4-27 标示CO₂ 的线绘出了当存在 CO₂ 时橄榄岩的固相线。当流体相含有 H₂ O 和CO₂ 时,对橄榄岩的熔融曲线的效应变得复杂。图4-27 中表示了

=0.6的混合流体组成的固相线。在 1～2GPa 的中等压力下,由于最易于溶于熔体中,因此以水为主;但在高压下,随着溶解度的增加,CO₂ 的效应变得更为显著。

图4-27 表示橄榄岩-CO ₂-H ₂ O 体系固相线的相图

(据McSween et al.,2003)

与存在纯CO₂ 相比,含有纯水时的熔融发生在更低的温度下。标示

=0.6的断线相应于组成具有混合流体时橄榄岩的熔融。在小于～2GPa的压力下,水是最重要的挥发组分,而在高压下,由于在熔体中溶解度的增加,CO₂ 变得越来越重要

上述两种组分都会显著影响形成熔体的组成,在熔融发生之前。水选择性地从地幔岩中溶出二氧化硅,熔体一旦形成,它会有效地吸收这种流体,使熔体变得更富二氧化硅(有时会形成安山岩而非玄武岩)。然而 CO₂ 则偏向于形成贫二氧化硅的碱性岩浆 (霞石岩和金伯利岩)。

现有的关于地幔来源岩浆如何在各种构造环境中形成的认识:①相对较干橄榄岩的部分熔融可以说明大洋中脊处大量拉斑玄武岩浆的涌出;熔融是因在扩张中心地幔上升造成的减压所触发的;②在会聚板块边缘大洋岩石圈消减的水化板片在约 100km 深处转变进入地幔,水被释放进入上覆的橄榄岩地幔楔。水的加入可以引起熔融形成硅质岩浆如安山岩浆;③在地幔更深处和热点处的局部加热 (可能通过内核的结晶产生的热)能够产生碱性岩浆。大陆地壳下的岩浆底侵也能通过局部温度的增加导致上覆地壳发生熔融作用。

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柳河县18642394075： 为何是地幔上层的软流层出现熔融,而不是温度较高的下层 - ？
陀姣头孢： 那里的物质较轻,熔点较低,最关键的是温度正好.再看看别人怎么说的.

柳河县18642394075： 地幔的特征是什么? - ？
陀姣头孢： 一、地幔主要由致密的造岩物质构成,又可分成上地幔和下地幔两层 二、地幔特点: 1、上地幔:上部存在一个地震波传播速度减慢的层,一般又称为软流层,推测是由于放射性元素量集中,蜕变放热,使岩石高温软化,并局部熔融造成的,很可能是岩浆的发源地.软流层以上的地幔是岩石圈的组成部分.2、下地幔:温度、压力和密度均增大,物质呈可塑性固态.

柳河县18642394075： 地球的演化过程?详细点的介绍, - ？
陀姣头孢：[答案] 太阳系在大约50亿年前诞生后,大约过了5亿年,地球开始形成.地球是由原始的太阳星云分馏、坍缩、凝聚而形成的.首先,... 并形成了大洋和大气圈. 地核和地幔的变化对地球磁场的变化起主导作用.地质构造演化,板块的形成与运动,以及地震、火...

柳河县18642394075： 地幔和地壳什么条件下可以熔融 具体的物理和化学条件 - ？
陀姣头孢： 不得不说,这个问题问得很天真,首先,科学家是不会去研究这类问题,因为没有人回去把地壳给融了,地幔更不用说,人类根本到不了,成分什么的都是通过地震波的传播来推断的.第二,他们的成分非常复杂,很难得出一个总的结论或平均值. 我猜想,你是不是担心高温的地心把地壳和地幔给熔化了,其实,我们的地球的内部是处于动态平衡的,当一部分物质被熔,他因为吸热造成周围的物质凝固,而凝固的物质又降低了原来的物质的温度,然后自己又熔化,总之是平衡的,这与能量守恒有关. 还有,熔融是物理变化,没有化学条件希望我的回答对你有斑竹

柳河县18642394075： 地球的内部结构是怎样的？
陀姣头孢：http://zhidao.baidu.com/question/3918732.html 地球的结构: 地球作为一个整体,在构造上有它自己显著的特征,即它是由同心圈所组成,不论是地球内部还是地球表面都是如此. 地球最外面的一层叫地壳,这就是地球的表皮,假如把地球比作...

柳河县18642394075： 地幔是不是岩浆地幔是岩浆吗,地球的岩浆 - ？
陀姣头孢： 地幔(Mantle):地质学专业术语,是指地壳下面是地球的中间层,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.上地幔上部存在一个地震波传播速度减慢的层,一般又称为软流层,推测是由于放射性元素量集中,蜕变放热,使岩石高温软化,并局部熔融造成的,很可能是岩浆的发源地.软流层以上的地幔是岩石圈的组成部分.下地幔温度、压力和密度均增大,物质呈可塑性固态.

柳河县18642394075： 地球内部圈层结构地幔的特性有哪些? ？
陀姣头孢： 地幔位于地壳以下,地核以上,亦称为“中间层”.其下界深2900公 里.地幔约占地球总体积的83.3%.地幔可分为上、下两层,上地幔约到1000公里深处,一般认为,这里的物质处于局部的熔融状态,是岩浆的发源地,地球上分布广泛的玄武岩就是这一层喷发出来的.下地幔在1000公里以下到2900公里,主要是由金属硫化物和氧化物组成.地幔的质量为 4.05*1021吨,占地球总质量的67.77% ;温度较高,上地幔约为1200~1500℃,下地幔为1500~2000℃.

柳河县18642394075： 地球的构造是怎么样的?? - ？
陀姣头孢： 地球作为一个整体,是由同心圈组成的. 地球最外面的一层叫地壳,这就是地球的表皮.地壳由各种岩石组成,除地表覆盖一层薄薄的沉积岩、风化土和海水外,上部主要由花岗岩类的岩石组成,由于富含硅和铝,称为硅铝层.在大洋深处有...

柳河县18642394075： 地核是什么物理状态的? - ？
陀姣头孢：[答案] 太阳系在大约50亿年前诞生后,大约过了5亿年,地球开始形成.地球是由原始的太阳星云分馏、坍缩、凝聚而形成的. 首先... 并形成了大洋和大气圈. 地核和地幔的变化对地球磁场的变化起主导作用.地质构造演化,板块的形成与运动,以及地震、火山...

柳河县18642394075： 地球的结构 - ？
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