地球的内部圈层-内部圈层

第一节  地球的内部圈层

一、地球内部圈层的划分

（一）划分依据

限于科学技术水平，人类可以直接观察到的地下深度十分有限。现在世界上最深的矿井仅4～5km，最深的钻井不过12.5km，即使是火山喷溢出来的岩浆，最深也只能带出地下几十到200km左右的物质。目前对地球内部的了解，主要是借助于地震波研究的成果。地震发生时，人们会感到地球在剧烈颤动，这是由于地震所激发出的弹性波在地球中传播的结果，这种弹性波就叫地震波（seismic  wave）。地震波主要包括纵波（P波）、横波（S波）和面波，其中对地球内部构造研究有意义的是纵波和横波（注：面波只沿地表传播）。质点的振动方向与地震波传播方向一致的波称纵波；质点的振动方向与地震波传播方向垂直的波称横波。地震波从地震的震源激发向四面八方传播，到达地表的各个地震台站后被地震仪所记录下来。根据这些记录，人们可以推断地震波的传播路径、速度变化以及介质的特点，通过对许多台站的记录进行综合分析研究，便可以了解地球的内部构造。所以，有人把地震比喻为地球内部的一盏明灯，它发出的地震波“照亮”了地球的内部。

地震波传播速度的大小与介质的密度和弹性性质有关，其关系可用公式表示为：

式中，vp、vs分别为纵波和横波速度，ρ为介质密度，K为介质的体变模量（即物体在围限压力下能缩小的程度，K值愈大物体愈难缩小），μ为切变模量（即物体在定向力作用下形状能改变的程度，μ值愈大物体愈难变形。体变模量和切变模量可统称为弹性模量）。

所以，地震波速的变化就意味着介质的密度和弹性性质发生了变化。纵波的传播速度高于横波，在同一介质中纵波速度约为横波速度的1.73倍。在液体中，由于切变模量μ=0，所以横波不能通过。

地震波的传播如同光波的传播一样，当遇到不同波速介质的突变界面时，地震波射线就会发生反射和折射，这种界面称为波速不连续面。假如地球物质完全是均一的，那么由震源发出的地震波都将以直线和不变的速度前进。但实际分析的结果表明，地震波总是沿着弯曲的路径传播并且不同深度的波速不一致，这表明地球内部的物质是不均一的。传播路线的连续缓慢弯曲表示物质密度和弹性性质是逐渐变化的，传播速度的跳跃及传播路线的折射与反射表示物质密度和弹性性质发生了显著变化。

（二）地球内部圈层的划分

地震波的传播速度总体上是随深度而递增变化的。但其中出现2个明显的一级波速不连续界面、1个明显的低速带和几个次一级的波速不连续面。

莫霍洛维奇不连续面（简称莫霍面，Moho  discontinuity）该不连续面是1909年由前南斯拉夫学者莫霍洛维奇首先发现的。其出现的深度在大陆之下平均为33km，在大洋之下平均为7km。在该界面附近，纵波的速度从7.0km/s左右突然增加到8.1km/s左右；横波的速度也从4.2km/s突然增至4.4km/s。莫霍面以上的地球表层称为地壳（crust）。

古登堡不连续面（简称古登堡面，Gutenberg  discontinuity）该不连续面是1914年由美国地球物理学家古登堡首先发现的，它位于地下2885km的深处。在此不连续面上下，纵波速度由13.64km/s突然降低为7.98km/s，横波速度由7.23km/s向下突然消失。并且在该不连续面上地震波出现极明显的反射、折射现象。古登堡面以上到莫霍面之间的地球部分称为地幔（mantle）；古登堡面以下到地心之间的地球部分称为地核（core）。

低速带（或低速层，low-velocity  zone）低速带出现的深度一般介于60～250km  之间，接近地幔的顶部。在低速带内，地震波速度不仅未随深度而增加，反而比上层减小5％～10％左右。低速带的上、下没有明显的界面，波速的变化是渐变的；同时，低速带的埋深在横向上是起伏不平的，厚度在不同地区也有较大变化。横波的低速带是全球性普遍发育的，纵波的低速带在某些地区可以缺失或处于较深部位。低速带在地球中所构成的圈层被称为软流圈（asthenosphere）。软流圈之上的地球部分被称为岩石圈（lithosphere）。

因此，地球的内部构造可以以莫霍面和古登堡面划分为地壳、地幔和地核三个主要圈层。根据次一级界面，还可以把地幔进一步划分为上地幔和下地幔，把地核进一步划分为外地核、过渡层及内地核。在上地幔上部存在着一个软流圈，软流圈以上的上地幔部分与地壳一起构成岩石圈。地球内部各圈层的划分、深度及特征见图3.2和表3.1。

表3.1  地球内部圈层结构及各圈层的主要地球物理数据

   

二、地球内部的主要物理性质

地球内部的主要物理性质包括密度、压力、重力、温度、磁性及弹塑性等。

（一）密度

根据万有引力公式可算出地球的质量为5.974×1021t，再利用地球体积可得出地球的平均密度为5.516g/cm3。但从地表岩石实测的平均密度仅为2.7～2.8g/cm3，可以肯定地球内部必定有密度更大的物质。

目前，对地球内部各圈层物质密度大小与分布的计算，主要是依靠地球的平均密度、地震波传播速度、地球的转动惯量及万有引力等方面的数据与公式综合求解而得出的。计算结果表明，地球内部的密度由表层的2.7～2.8g/cm3向下逐渐增加到地心处的12.51g/cm3，并且在一些不连续面处有明显的跳跃，其中以古登堡面（核-幔界面）处的跳跃幅度最大，从5.56g/cm3剧增到9.98g/cm3；在莫霍面（壳-幔界面）处密度从2.9g/cm3左右突然增至3.32g/cm3。各圈层物质密度的大小及变化见表3.1。

（二）压力

地球内部的压力是指不同深度上单位面积上的压力，实质上是压强。在地内深处某点，来自其周围各个方向的压力大致相等，其值与该点上方覆盖的物质的重量成正比。地内的这种压力又称为静压力或围压，按静压力平衡公式可表示为ρ=hρhgh（即静压力ρ等于某深度h和该深度以上的地球物质平均密度ρh与平均重力加速度gh的乘积）。

因此，地内压力总是随深度连续而逐渐地增加的。如果知道了地球内部物质的密度大小与分布，便可求出不同深度的压力值。例如，地壳的平均密度的2.75g/cm3，那么深度每增加1km，压力将增加约27.5MPa（MPa读兆帕，1MPa=106N/m2）。计算证明，压力值在莫霍面处约1200MPa、古登堡面处约135200MPa、地心处达361700MPa。地球内部各圈层的压力大小及变化情况见表3.1。

（三）重力

地球上的任何物体都受着地球的吸引力和因地球自转而产生的离心力的作用。地球吸引力和离心力的合力就是重力（gravity）。地球的离心力相对吸引力来说是非常微弱的，其最大值不超过引力的1/288，因此重力的方向仍大致指向地心。地球周围受重力影响的空间称重力场。重力场的强度用重力加速度来衡量，并简称为重力（单位为伽或毫伽：1Gal=1cm/s2=103mGal）。

地球表面各点的重力值因引力与离心力的不同呈现一定的规律性变化。根据万有引力定律（F=Gm1m2/r2），地球表面的引力与地球半径的平方成反比，而地球的形状接近于一个赤道半径略大、两极半径略小的扁球体。因此，地球两极的重力值最大，并向赤道减小，减小数值可达1.8Gal左右。依照离心力公式（C=mω2r），在角速度相同的情况下，地表各点的离心力与它到地球自转轴的垂直距离成正比。因此，离心力以赤道最大，可达3.4Gal，并全部用来抵消引力；向两极离心力逐渐减小为零，所以，在引力与离心力的共同引响下，重力值具有随纬度增高而增加的规律，赤道处重力值为978.0318Gal，两极为983.2177Gal，两极比赤道增加5.1859Gal。

在地球内部，重力因深度而不同。由于地球内部的惯性离心力变得更加微弱，故地球内部的重力可简单地看成是引力。地球大体上是一个由均质同心球层组成的球体，在这样的球体内部，影响重力大小的不是地球的总质量，而只是所在深度以下的质量。如质点位于地下2885km深处的核-幔界面上时，对质点具有引力的只是地核，而地壳与地幔对质点的引力因其呈圈层状而正好相互抵消。根据上述原理，利用地球内部的密度分布规律，便可求出地球内部不同深部的重力值。从地表到地下2885km的核-幔界面，重力值大体上随深度而增加，但变化不大，在2885km处达到极大值（约1069Gal）。这是因为地壳、地幔的密度低，而地核的密度高，以致质量减小对重力的影响比距离减小的影响要小一些。从2885km  到地心处，由于质量逐渐减小为零，故重力也从极大值迅速减小为零（参见表3.1）。

（四）温度

深矿井温度增高、温泉和火山喷出炽热的岩浆等等事实，都告诉我们地球内部是热的。温度在地球内部的分布状况称为地温场（geotermal  field）。

在地壳表层，由于太阳辐射热的影响，其温度常有昼夜变化、季节变化和多年周期变化，这一层称为外热层。外热层受地表温差变化的影响由表部向下逐渐减弱，外热层的平均深度约15m，最多不过几十米。在外热层的下界处，温度常年保持不变，等于或略高于年平均气温，这一深度带称为常温层。在常温层以下，由于受地球内部热源的影响，温度开始随深度逐渐增高。通常把地表常温层以下每向下加深100m所升高的温度称为地热增温率或地温梯度（geothermal  gradient）（温度每增加1℃所增加的深度则称为地热增温级）。世界上不同地区地温梯度并不相同，如我国华北平原约为1～2℃，大庆油田可达5℃。据实测，地球表层的平均地温梯度约为3℃；海底的平均地温梯度为4～8℃，大陆为0.9～5℃，海底的地温梯度明显高于大陆。

地温梯度是据地壳浅部实测所得的平均值，一般只适合于用来大致推算地球浅层（地壳以内）的地温分布规律，并不适用于整个地球内部。如果按平均100m增温3℃计算，至地壳底部地温将超过900℃，到地心将高达200000℃的惊人数值，在这样的温度条件下，地球内部除了地壳以外当绝大部分处于熔融甚至气体状态，这与地球内部绝大部分可以通过地震波横波（即主要为固态）的观测事实不符。实际上，地温梯度是随深度增加逐渐降低的。对于地球深部的温度分布，目前主要是根据地震波的传播速度与介质熔点温度的关系式推导得出的。根据目前最新的推算资料，在莫霍面处的地温大约为400～1000℃，在岩石圈底部大约为1100℃，在上、下地幔界面附近（约650km深处）大约为1900℃，在古登堡面（核幔界面）附近大约为3700℃，地心处的温度大约为4300～4500℃（见表3.1）。由于热具有从高温向低温传播的性质，所以地球内部的高温热能总是以对流、传导和辐射等方式向地表传播并散失到外部空间，通常把单位时间内通过地表单位面积的热量称为地热流密度（geothermal  heat  flow）。目前全球实测的平均地热流值为1.47×41.686mW/m2，大陆地表热流的平均值（1.46×41.686mW/m2）与海底的平均值（1.47×41.686mW/m2）基本相等。地表的不同地区地热流值并不相同，一般在一些构造活动的地区（如年青山脉、大洋中脊、火山、岛弧等）热流值偏高，而在一些构造稳定的地区热流值偏低。

地表热流值或地温梯度明显高于平均值或背景值的地区称为地热异常区。地热异常可以用来研究地质构造的特征，同时对研究矿产（如金矿、石油等）的形成与分布也具有重要作用。地热也是一种重要的天然资源，寻找地热田可用于发电、工业、农业、医疗和民用等。

（五）磁场

地球周围存在着磁场，称地磁场（geomagnetic  field）。地磁场近似于一个放置地心的磁棒所产生的磁偶极子磁场，它有两个磁极，S极位于地理北极附近，N极位于地理南极附近。两个磁极与地理两极位置相近，但并不重合，磁轴与地球自转轴的夹角约为15°。以地磁极和地磁轴为参考系定出的南北极、赤道及子午线被称为磁南极、磁北极、磁赤道及磁子午线。1980年实测的磁北极位置为北纬78.2°、西经102.9°（加拿大北部），磁南极位置为南纬65.5°、东经139.4°（南极洲）。长期观测证实，地磁极围绕地理极附近进行着缓慢的迁移。

地磁场的磁场强度是一个具有方向（即磁力线的方向）和大小的矢量，为了确定地球上某点的磁场强度，通常采用磁偏角、磁倾角和磁场强度三个地磁要素。

磁偏角是磁场强度矢量的水平投影与正北方向之间的夹角，变即磁子午线与地理子午线之间的夹角。如果磁场强度矢量的指向偏向正北方向以东称东偏，偏向正北方向以西称西偏。我国东部地区磁偏角为西偏，甘肃酒泉以西多为东偏。

磁倾角是磁场强度矢量与水平面的交角，通常以磁场强度矢量指向下为正值，指向上则为负值。磁倾角在磁赤道上为0°；由磁赤道到磁北极磁倾角由0°逐渐变为+90°；由磁赤道到磁南极磁倾角由0°逐渐变为-90°。

磁场强度大小是指磁场强度矢量的绝对值。地磁场的强度很弱，平均为50μT（T为特[斯拉]的符号）；在磁力线较密的地磁极附近强度最大，为6OμT左右；由磁极向磁赤道强度逐渐减弱；在磁赤道附近最小，

近代对地磁场的研究指出，地磁场由基本磁场、变化磁场和磁异常三个部分组成。

基本磁场占地磁场的99％以上，是构成地磁场主体的稳定磁场。它决定了地磁场相似于偶极场的特征，其强度在近地表时较强，远离地表时则逐渐减弱。这些特征说明了基本磁场是起源于地球内部。对于基本磁场的起源，过去曾认为地球本身是一个大永久磁铁，使得它周围产生磁场。但现代物理证明，当物质的温度超过其居里温度点时，铁磁体本身便失去磁性。铁磁体的居里温度是500～700℃，而地球深部的温度远远超过此数值，所以地球内部不可能是一个庞大的磁性体。现今比较流行的地磁场起源假说是自激发电机假说。该假说认为地磁场主要起源于地球内部的外地核圈层。由于外地核可能为液态，并且主要由铁、镍组成，因此它可能为一个导电的流体层，这种流体层容易发生差异运动或对流。如果在地核空间原来存在着微样的磁场时，上述差异运动或对流就会感生出电流产生新的磁场，使原来的弱磁场增强；增强了的磁场使感生电流增强，并导致磁场进一步增强。如此不断进行，磁场增强到一定程度就稳定下来，于是便形成了现在的基本地磁场。

变化磁场是起源于地球外部并叠加在基本磁场上的各种短期变化磁场。它只占地磁场的很小部分（＜1％）。这种磁场主要是由太阳辐射、太阳带电粒子流、太阳的黑子活动等因素所引起的。因此，它常包含有日变化、年变化及太阳黑子活动引起的磁暴（即较剧烈的变化）等成分。

磁异常（magnetic  anomaly）是地球浅部具有磁性的矿物和岩石所引起的局部磁场它也叠加在基本磁场之上。一个地区或地点的磁异常可以通过将实测地磁场进行变化磁场的校正之后，再减去基本磁场的正常值而求得。如所得值为正值称正磁异常，为负值称负磁异常。自然界有些矿物或岩石具有较强的磁性，如磁铁矿、铬铁矿、钛铁矿、镍矿、超基性岩等，它们常常能引起正异常。因此，利用磁异常可以进行找矿勘探和了解地下的地质情况。

（六）弹塑性

地球具有弹性，表现在地球内部能传播地震波，因为地震波是弹性波。日、月的吸引力能使海水发生涨落即潮汐现象，用精密仪器对地表的观测发现，地表的固体表面在日、月引力下也有交替的涨落现象，其幅度为  7～15  cm，这种现象称为固体潮，这也说明固体地球具有弹性。同时，地球也表现出塑性。地球自转的惯性离心力能使地球赤道半径加大而成为椭球体，表明地球具有塑性；在野外常观察到一些岩石可发生强烈的弯曲却未破碎或断裂，这也表明固体地球具有塑性。地球的弹、塑性这两种性质并不矛盾，它们是在不同的条件下所表现出来的。如在作用速度快、持续时间短的力（如地震作用力）的条件下，地球常表现为弹性体；在作用力缓慢且持续时间长（如地球旋转离心力、构造运动作用力）或在地下深部较高的温、压条件下，则可表现出较强的塑性。

三、地球内部各圈层的物质组成及物理状态

推断地球内部各圈层物质组成的主要依据有下列几个方面：

（1）根据各圈层密度和地震波速度与地表岩石或矿物的有关性质对比进行推测。

（2）根据各圈层的压力、温度，通过高温高压模拟实验进行推测。

（3）根据来自地下深部的物质进行推断。火山喷发和构造运动有时能把地下深部（如上地幔）的物质带到地表，为我们认识深部物质提供了依据。

（4）与陨石研究的结果进行对比。

陨石是来自太阳系空间的天体碎片，就目前获得的大量陨石看，按成分可分三类：

石陨石（stone  meteorite）要由橄榄石、辉石等（铁、镁的硅酸盐）矿物组成，按成分大约相当于地表见到的超基性岩，金属状态的铁、镍成分很少，密度3～3.5g/cm3或更大。

铁陨石（iron  meteorite）主要由金属状态的铁、镍组成的天然合金，密度8～8.5g/cm3或更大；

铁石陨石  为上述两类陨石的过渡类型，其中铁、镁硅酸盐矿物与金属状态的铁、镍成分各占一部分。

现代天文学及天文地质学的研究表明：①这些陨石应来自于太阳系内部的天体或小行星，当它们进入地球引力场时被地球吸引，并有相当一部分被大气圈摩擦燃烧，其残骸成为陨石落入地表。而太阳系以外的物质穿过遥远的空间进入地球的可能性是极小的。②太阳系内部的物质成分及形成演化具有统一性，特别是人类登月获得月球表面岩石与地球表面的某些岩石类似的事实，使太阳系物质统一性的信念进一步确立。因此，可以运用陨石的特征推断地球内部的物质状态。

根据上述各方面的综合研究，现今对地球内部各圈层的物质组成与状态的认识如下：

（一）地壳

地壳是莫霍面以上的地球表层。其厚度变化在5～70km之间。其中大陆地区厚度较大，平均约为33km；大洋地区厚度较小，平均约7km；总体的平均厚度约16km，约占地球半径的1/400，占地球总体积的1.55％，占地球总质量的0.8％。地壳物质的密度一般为2.6～2.9g/cm3，其上部密度较小，向下部密度增大。地壳为固态岩石所组成，包括沉积岩、岩浆岩和变质岩三大岩类。由于地壳是当前地质学、地球物理学、地理学等学科的主要研究对象，因此，有关其详细情况将在下一节作进一步介绍。

（二）地幔

地幔是地球的莫霍面以下、古登堡面（深2885km）以上的中间部分。其厚度约2850km，占地球总体积的82.3％，占地球总质量的67.8％，是地球的主体部分。从整个地幔可以通过地震波横波的事实看，它主要由固态物质组成。根据地震波的次级不连续面，以650km深处为界，可将地幔分为上地幔和下地幔两个次级圈层。

1.上地幔

上地幔的平均密度为3.5g/cm3，这一密度值与石陨石相当，暗示其可能具有与石陨石类似的物质成分。从火山喷发和构造运动从上地幔上部带出来的深部物质来看，也均为超基性岩。近年来通过高温高压试验来模拟地幔岩石的性质时发现，用橄榄岩55％、辉石35％、石榴子石10％的混合物作为样品（矿物成分相当于超基性岩），在相当于上地幔的温压条件下测定其波速与密度，得到与上地幔基本一致的结果。根据以上理由推测，上地幔由相当于超基性岩的物质组成，其主要的矿物成分可能为橄榄石，有一部分为辉石与石榴子石，这种推测的地幔物质被称为地幔岩。

上地幔上部存在一个软流圈，约从70km延伸到250km左右，其特征是出现地震波低速带。物理实验表明，波速降低可能是由于软流圈物质发生部分熔融，使其强度降低而引起的。据地内温度估算，软流圈的温度可达700～1300℃，已接近超基性岩在该压力下的熔点温度，因此一些易熔组分或熔点偏低的组分便可开始发生熔融。据计算，软流圈的熔融物质可能仅占1％～10％，熔融物质散布于固态物质之间，因而大大降低了强度，使软流圈具较强的塑性或流动性。由于软流圈物质已接近熔融的临界状态，因此它成为岩浆的重要发源地。

2.下地幔

下地幔的平均密度为5.1g/cm3，由于这里经受着强大的地内压力作用，使得存在于上地幔的橄榄石等矿物分解成为FeO、MgO、SiO2和Al2O3等简单的氧化物。与上地幔相比，其物质化学成分的变化可能主要表现为含铁量的相对增加（或Fe/Mg的比例增大）。由于压力随深度的增大，物质密度和波速逐渐增加。

（三）地核

地核是地球内部古登堡面至地心的部分，其体积占地球总体积的16.2％，质量却占地球总质量的31.3％，地核的密度达9.98～12.5g/cm3。根据地震波的传播特点可将地核进一步分为三层：外核（深度2885～4170km）、过渡层（4170～5155km）和内核（5155km至地心）。在外核中，根据横波不能通过，纵波发生大幅度衰减的事实推测其为液态；在内核中，横波又重新出现，说明其又变为固态；过渡层则为液体—固体的过渡状态。

地核的密度如此之大，从地表物质来看只有一些金属物质才可与之相比，而地表最常见的金属是铁，其密度为8g/cm3，它在超高压下完全可以达到地核的密度。地核的密度与铁陨石较接近，也表明地核可能主要为铁、镍物质。地球具有主要由内部物质引起的磁场，这说明地球内部一定具有高磁性的铁、镍物质非常集中的某个圈层，而地壳、地幔中均不存在，那么它应存在于地核中。此外，人们用爆破冲击波提供的瞬时超高压来模拟地核的压力状态，并测定一些元素在瞬时超高压下的波速与密度，结果发现地核的波速与密度值与铁、镍比较接近。综合多方面推测，地核应主要由铁、镍物质组成。近年来的进一步研究还发现，在地核的高压下，纯铁、镍的密度略显偏高，推测地核最合理的物质组成应是铁、镍及少量的硅、硫等轻元素组成的合金。

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