上地幔（英語：Upper Mantle）是地球內部的一層厚的岩石層，分佈於地殼底界（離地表約 35 公里，離海洋約 10 公里），到下地幔頂界（ 670 公里（420 英里）。 其溫度範圍從大約 200 C 392 F 到大約 900 C 1650 F。 出露到地表的地幔物質含 55 的橄欖石、35 的輝石和 5 至 10 的氧化鈣和氧化鋁礦物，如斜長石、尖晶石或石榴石上地幔的成分隨深度而變化。 地球的密度是根據地震波速度來推定的。 因受到上載岩石重量的壓縮，其密度隨深度也增加。 成分變化時，也能導緻密度發生突變 Langmuir Charles H Broecker Wally 20120722 How to Build a Habitable Planet The Story of Earth from the Big Bang to Humankind pp 179183 。 在上地幔中的內部運動是引起板塊構造移動的主要原因。地殼和地幔的區分是根據成分不同，而岩石圈和軟流圈的區分則根據其機械性質 Rothery David A Gilmour Iain Sephton Mark A March 2018 An Introduction to Astrobiology p 56 。安德里亞莫霍羅維奇在 1909 年首先發現地震波達到地幔的頂界時，其速度會突然增加，後此介面就被稱為莫氏不連續面 Mohorovičić 不連續面或 Moho Alden Andrew 2007 Todays Mantle a guided tour Aboutcom Retrieved 20071225 。 莫氏不連續面也是地殼的底部介面，因為地殼厚度不同，此不連續面分佈深度也不一樣，由地球表面以下 10 公里（62 英里）到 70 公里（43 英里）不等。 大洋地殼比大陸地殼薄，通常不到 10 公里（62 英里）厚。 大陸地殼厚約 35 公里（22 英里），但青藏高原下的地殼根部厚約 70 公里（43 英里） Istria on the Internet Prominent Istrians Andrija Mohorovicic 2007 Retrieved 20071225 上地幔的厚度約為 640 公里（400 英里）。 整個地幔的厚度約為 2900 公里（1800 英里），上地幔僅佔地幔總厚度的 20 左右。 上地幔和下地幔之間的邊界是一個 670 公里（420 英里）的不連續面。地震在淺層是走滑斷層造成的； 但是在大約 50 公里（31 英里）以下，由於高溫高壓，地幔是黏性的，不能產生斷層，因此無地震活動 ，但在在俯衝帶中是例外，地震活動延申到 670 公里（420 英里）深。 萊曼不連續面 萊曼不連續面位於 220 公里（140 英里）深，由於在此深度 P 波和 S 波的速度突然增加而被認出此不連續面 William Lowrie 1997 Fundamentals of geophysics Cambridge University Press p 158 過渡區 上地幔和下地幔之間屬過渡帶，深度介於 410 公里（250 英里）和 670 公里（420 英里）之間。 由於地層壓力增加，橄欖石在此深度，它的晶粒會重新排列，能形成更緻密的晶體結構 Fowler C M R Fowler Connie May 2005 The Solid Earth An Introduction to Global Geophysics 。 例如尖晶橄欖石 變為布里奇曼石 bridgmanite 和方鎂石。地震的體波也會在此介面形成轉換波、反射或折射。從礦物物理學也能預測到此介面，因為相變隨溫度和密度而變，因此亦隨深度而變。 410 公里不連續面 地震資料中在 410 公里（250 英里）深，都顯示一個單一的主峰，它代表從 α 到 β Mg2SiO4（橄欖石到瓦士利石）的礦物相變。根據克勞修斯－克拉佩龍方程，這不連續面在寒冷地區較淺，如俯衝板片，而在較暖地區，如地幔柱這不連續面較深。 670 公里不連續面 這不連續面比較複雜，是上地幔和下地幔之間的介面。PP （入射波及反射波皆為縱波）波僅在某些區域， 顯示此介面，但 SS （入射波及反射波皆為橫波）顯示區域很廣汎。P 到 S 的轉換波可在此介面上反射一次或雙次。此介面深度分佈很寬（640720 公里，或 397447 英里）。根據克勞修斯－克拉佩龍方程的預測，在較冷地區此介面較深，而在較熱地區此介面較淺。通常尖晶橄欖石 ringwoodite 在此介面相變到布里奇曼石和方鎂石 periclase Ito E Takahashi E 1989 Postspinel transformations in the system Mg2SiO4Fe2SiO4 and some geophysical implications Journal of Geophysical Research Solid Earth 94 B8 1063710646 。這種相變在熱力學上是一種吸熱反應，而且粘度會跳躍增加。這兩個特徵是建造地球動力學模型中的主要因素 Fukao Y Obayashi M 2013 Subducted slabs stagnant above penetrating through and trapped below the 660 km discontinuity Journal of Geophysical Research Solid Earth 118 11 59205938 Bibcode2013JGRB1185920F doi1010022013jb010466 。 其他不連續面 另一個主要的相變在地幔 520 公里（320 英里）深，這是橄欖石（β 到 γ）和石榴石的轉變 Deuss Arwen Woodhouse John 20011012 Seismic Observations of Splitting of the MidTransition Zone Discontinuity in Earths Mantle Science 294 5541 354357 。 這相變只是偶爾在地震資料中可觀察到 Egorkin A V 19970101 Evidence for 520Km Discontinuity In Fuchs Karl ed Upper Mantle Heterogeneities from Active and Passive Seismology NATO ASI Series Springer Netherlands pp 5161 doi1010079789401589796_4 。 其他非全球性的相變，在各種深度都有被發現 Khan Amir Deschamps Frédéric 20150428 The Earths Heterogeneous Mantle A Geophysical Geodynamical and Geochemical Perspective Springer 溫度和壓力 地幔的溫度範圍從上邊界的 200 C 到核幔邊界的 4000 C Katharina Lodders 1998 The planetary scientists companion Fegley Bruce New York Oxford University Press 。 上地幔的最高溫度為 900 C 1650 F What Are Three Differences Between the Upper Lower Mantle Sciencing Retrieved 14 June 2019 。此高溫範圍，若在地表，地幔巖已被熔化。但地幔幾乎完全是固體 Louie J 1996 Earths Interior University of Nevada Reno Archived from the original on 20110720 Retrieved 20071224 。 這是因為固體開始熔化的溫度，隨壓力而增加。在地幔上所承受的巨大岩石靜壓，阻止了地幔在深處的熔化。在長時間內。整個地幔能像流體一樣變形，具有永久的塑性變形。上地幔的最高壓力為 240 GPa（237000 atm）ref nameWhat，而地幔底部為 136 GPa（1340000 atm） Burns Roger George 1993 Mineralogical Applications of Crystal Field Theory Cambridge University Press p 354 Retrieved 20071226 。 根據深度 Walzer Uwe Mantle Viscosity and the Thickness of the Convective Downwellings Archived from the original on 20070611 溫度、成分、應力狀態和許多其他因素，估計上地幔的粘度範圍在 1019 和 1024 Pas 之間。上地幔的流動非常緩慢。當對最上地幔施加較大的壓力時，它會變得更弱，這種效應被認為是形成構造板塊邊界的重要因素。 雖然粘度隨深度而增加，但這種關係遠非線性，並且有粘度顯著降低的層次，特別是在上地幔和與地核的邊界處。 運動 地幔中的對流物質迴圈運動，是起由於地球表面和外核之間的溫差，以及在高壓和高溫下，結晶能夠在數百萬年內經歷緩慢、蠕變、粘性狀的變形。 熱的物質上升，而較冷（和較重）的物質向下沉。在俯衝帶的會聚板塊邊界處，物質是向下運動的。位於地幔柱之上的地表海拔較高（因為地幔柱較熱、密度較低並具有浮力），並有熱點火山活動。 礦物成分 地震資料不能判斷地幔的成分。但其成分可由岩石露頭和其他證據分析而得，上地幔主要為鎂鐵質礦物的橄欖石和輝石，密度約為 333 gcm3（0120 lbcu in） 。出露到地表的上地幔物質包括約 55 的橄欖石和 35 的輝石，以及 5 至 10 的氧化鈣和氧化鋁。上地幔主要由不同比例的橄欖石、單斜輝石、斜方輝石和鋁相組成。含鋁礦物在最上層地幔中是斜長石，然後是尖晶石，大約 100 公里（62 英里）以下為石榴石。 在上地幔深處，輝石變得不穩定並多數轉變為石榴石。 在加壓實驗中，橄欖石和輝石的礦物結構會發生變化。當轉變為更緻密的礦物結構時，密度曲線及地震速度會產生不連續面。在過渡帶的頂部，橄欖石會進行等化學相，轉變為瓦士利石 wadsleyite 和尖晶橄欖石 ringwoodite。這些高壓橄欖石的多晶型礦物，在其晶體結構中具有很大的儲水能力。這和無水橄欖石不同，這引起在過渡帶可能擁有大量水的假設 Bercovici David Karato Shunichiro September 2003 Wholemantle convection and the transitionzone water filter Nature 425 6953 3944 。 在地球內部，橄欖石的穩定深度在 410 公里（250 英里）以上。而尖晶橄欖石的穩定深度被推斷在深度約 520 至 670 公里的過渡帶內。在 410 公里、520 公里和 670 公里深度的地震波的不連續性，均歸因於橄欖石的多晶型物的相變。 在過渡帶的底部，尖晶橄欖石分解成布里奇曼石 Bridgmanite（以前稱為矽酸鎂鈣鈦礦）和鐵方鎂石。石榴石在過渡區底部或略低於過渡區底部也不穩定。 金伯利岩從地球內部溢位時，有時會攜帶岩石碎片。一些捕虜岩碎片含鑽石，鑽石是在地殼下方的高壓區產生的。伴隨鑽石而來的岩石通常是超鎂鐵質結核和橄欖巖。 化學成分 地幔成分與地殼非常相似。但地幔的岩石和礦物往往比地殼含有更多的鎂，而矽和鋁則更少。上地幔中最豐富的前四種元素是氧、鎂、矽和鐵 Workman Rhea K Hart Stanley R February 2005 Major and trace element composition of the depleted MORB mantle DMM Earth and Planetary Science Letters 231 12 5372 Bibcode2005EPSL23153W doi101016jepsl200412005 ISSN 0012821X Anderson DL 2007 New Theory of the Earth Cambridge University Press p 301 探勘 大洋地殼比大陸地殼相對較薄，因此地幔的勘探通常在海床而不是在陸地上進行。 第一次地幔勘探計劃，Mohole，經過多次失敗和成本超支後，於 1966 年被放棄。最深的鉆深約為 180 m 590 ft。 2005 年，海洋鑽探船 JOIDES Resolution 鑽探深度達到了海底以下 1416 米。2007 年 3 月 5 日，RRS 詹姆斯庫克號，在位於維德角群島和加勒比海之間的大西洋海底鑽探，那裡地幔暴露在於海面以下約 3 公里（19 英里）處，沒有任何地殼覆蓋。地幔覆蓋數千平方公里 Than Ker 20070301 Scientists to study gash on Atlantic seafloor NBC News Retrieved 20080316 A team of scientists will embark on a voyage next week to study an open wound on the Atlantic seafloor where the Earths deep interior lies exposed without any crust coveringEarths Crust Missing In MidAtlantic Science Daily 20070302 Retrieved 20080316 Cardiff University scientists will shortly set sail March 5 to investigate a startling discovery in the depths of the Atlantic Japan hopes to predict Big One with journey to center of Earth PhysOrgcom 20051215 Archived from the original on 20051219 Retrieved 20080316 An ambitious Japaneseled project to dig deeper into the Earths surface than ever before will be a breakthrough in detecting earthquakes including Tokyos dreaded Big One officials said Thursday Chikyu Hakken 用日本船隻 Chikyū ，於 2012 年 4 月 27 日，鑽探到海平面以下 7740 米的深度，創造了深海鑽探的新世界紀錄。此後，該記錄被命運多舛的 Deepwater Horizon 移動海上鑽井船超越，該鑽井船在美國墨西哥灣密西西比峽谷油田的臺伯礦區作業，創造了垂直鑽柱總長度 10062 米的世界紀錄 Explore Records Guinness World Records Archived from the original on 20111017 。之前美國船隻 Glomar Challenger ，曾於 1978 年在馬裡亞納海溝的海平面以下 70495 米處鑽探 Japan deepsea drilling probe sets world record The Kansas City Star Associated Press 28 April 2012 Archived from the original on 28 April 2012 Retrieved 28 April 2012 。2012 年 9 月 6 日，科學深海鑽探船 Chikyū 在太平洋西北部，日本下北半島的海床以下 2111 米深處，採集到岩石樣本，創造了新的世界紀錄。 2005 年探索地球最上層幾百公里的一種新方法被提出，該方法由一個小型、緻密、發熱的探測器組成，該探測器能透過融化而鉆穿地殼和地幔，同時能利用聲學訊號跟蹤，鑽頭在岩石中位置和進展 Ojovan MI Gibb FGF Poluektov PP Emets EP 2005 Probing of the interior layers of the Earth with selfsinking capsules Atomic Energy 99 556562。鑽頭由直徑約 1 米（3 英尺 3 英寸）的鎢質外球組成，內部有鈷 60 作為放射性熱源。要鑽半年才能鑽到洋殼下的莫霍面 Ojovan MI Gibb FGF Exploring the Earths Crust and Mantle Using SelfDescending RadiationHeated Probes and Acoustic Emission Monitoring Chapter 7 In Nuclear Waste Research Siting Technology and Treatment Editor Arnold P Lattefer Nova Science Publishers Inc 2008。 利用計算機模擬也可以探索地幔的演化。 2009 年，一個超級計算機應用程式，建立了對 45 億年前地幔發育時礦床分佈，尤其是對鐵同位素的分佈有創新見解 University of California Davis 20090615 Supercomputer Provides First Glimpse Of Earths Early Magma Interior ScienceDaily Retrieved on 20090616。 參考文獻 Category 地幔