第三章1地球内部圈层

第三章地球的内部圈层

第一节地球的内部圈层第二节地壳

第一节地球的内部圈层一、地球内部圈层的划分二、地球内部的主要物理性质三、地球内部各圈层的物质组成及物理状态一、地球内部圈层的划分

目前对地球内部的了解主要是借助于地震波研究的成果。地震波:纵波:质点的振动方向与地震波传播方向一致的波称；横波:质点的振动方向与地震波传播方向垂直的波称。一、地球内部圈层的划分根据地震仪记录，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，了解地球的内部构造。波速不连续面

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)

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；横的速度也从4.2km/s突然增至4.4km/s。

古登堡不连续面(简称古登堡面)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,并且地震波出现极明显的反射、折射现象。

低速带(或低速层)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。

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低速层，即叫软流圈，软流圈以上的上地幔部分与地壳一起构成岩石圈。二、地球内部的主要物理性质

1、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。二、地球内部的主要物理性质

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。表3－1地球内部圈层结构及各圈层的主要地球物理数据2、重力地球吸引力和离心力的合力就是重力。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。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。

3、温度地球内部的分布状况称为地温场。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(温度每增加1℃所增加的深度则称为地热增温级)。

根据推算，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℃。

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。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，一般一些构造活动地区(如年青山脉、大洋中脊、火山、岛弧等)热流值偏高；而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。

4、地磁地球周围存在着磁场，称地磁场。

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°。

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。地磁场由基本磁场、变化磁场和磁异常三个部分组成。

地磁场起源自激发电机假说认为,地磁场主要起源于地球内部的外地核圈层,由于外核为液态，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。如果上述差异运动或对流就会感生出电流产生新的磁场，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，便形成了现在的基本地磁场。地磁

（一）发现地磁场（二）地球历史上的磁场（三）地磁场的成因（一）发现地磁场地磁场：地球周围存在的磁场。它有两个磁极，但不重合，磁轴与地球自转轴的夹角现在约为11.5度，1980年实测的磁北极位于北纬78.2度、西经102.9度（加拿大北部），磁南极位于南纬65.5度，东京139.4度（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。地磁场三要素:磁感应强度、磁偏角、磁倾角被称为地磁场三要素。一般在磁两极附近磁感应强度大（约为60T（微特拉斯））；地磁场的组成地磁场由基本磁场、变化磁场和磁异常三个部分组成。在地球中心好象存在着一块柱状的大磁铁，这个假定的磁柱被称为磁偶极子，由它产生的偶极子磁场占地磁场成分的95%以上，是构成稳定地磁场的主体，即基本磁场。变化磁场太阳是这些带电粒子的主要来源，而当它的表面出现黑子、耀斑(活动特别强烈的区域)并正对着地球时，便会把大量带电的粒子抛向地球，使迭加在基本磁场上的变化磁场突然增强，使地磁场发生大混乱，出现磁暴。这时不仅指南针不灵了，还会干扰无线电通讯和人类的正常生活。地球两极常在随后出现奇异的极光。磁异常

是地壳浅部具有磁性的岩石或矿石所引起的局部磁场，它也叠加在基本磁场之上。一个地点的磁异常可以首先通过对实测磁场强度进行变化磁场的校正，然后再减去基本磁场的正常值来求得。如所得值为正值称正异常，为负值称负异常。磁异常

地壳内含铁较多的岩石和富含铁族元素(Fe、Ti、Cr等)的矿体常可引起正磁异常。而膏盐矿床，石油、天然气储层，富水地层或富水的岩石破碎带则常引起负磁异常。可用此方法进行找矿、勘探工作。地球磁层

仪器探测证实了太阳风的存在，地磁场对着太阳的一面，受到太阳风的压迫，不得不退缩，同时太阳风在受地磁场阻挡后，迂回绕行，将它包围起来，地磁场背着太阳的一面随之被拉伸很远，形成一个在高层大气之外，形状类似慧星的磁性包层，这就是地球磁层。太阳风与地磁场相持不下所形成的曲面是磁层的边界，叫做磁层顶。（二）地球历史上的磁场岩石等材料的磁性是如何获得的？加温和降温--居里点；不同的物质各有自己的居里点。地壳岩石的居里点温度一般为500～600℃，地壳内达到此温度的深度一般在20～30km（因而，只有在地表附近的岩石，才可以在地磁场的作用下，具有永久的磁性。在居里点深度之下，地内温度越来越高，因而岩石磁性消失。（二）地球历史上的磁场在地质时期中，地表附近的岩石都被当时的古地磁场所永久磁化。岩石中的这种磁性就称为剩余磁性。借助于各地质时期的岩石剩余磁性，我们就可能恢复不同时期的古地磁场。进而可以用来大致确定古经线方向，用古磁倾角就可确定当时所处的古纬度。地磁极的翻转

在测定岩石的剩余磁场时，发现相当一批岩石的磁化方向与现在的地磁场方向相反。于是就认为地磁场发生了180°的改变，原来的磁北极转变为磁南极，磁南极则变成了磁北极。这种现象被称为地磁极翻转或地磁场翻转。地磁极的翻转

从20世纪40年代开始，对海底磁场进行了系统的观测，发现以大洋脊为中心，两侧对称地交替分布着正磁极性(磁极与现代的一致)与反磁极性(磁极与现代相反)的两类岩石。地磁极的翻转离扩张中心越远，岩石年龄越老)。由此得到了海底在不同的时期以不同的速度在扩张的认识，为地球科学中的板块构造理论的出现，提供了重要的依据。地磁极的翻转随着取得的资料增多，逐步建立了以不同时期地磁极翻转为主要特征的地磁年代表。一种地磁极性期平均可持续22万年(短的仅持续3万年，长的可达500万年)。每次磁极倒转过程仅持续数百年到上千年，此时表现为磁场强度大幅度减弱，磁极缓慢转动，直到完全翻转，才达到稳定。

4.5Ma以来地磁场转向年代表古地磁场转向年代表：

根据不同时期岩石磁化的方向排列出地磁场转向的先后顺序，并利用同位素定年方法测出各个极性期和极性事件的延续时间。（三）地磁场的成因地震波研究告诉我们，地核的外部是液态，给地球中心具有电磁场的假设带来了新的希望，因为只要地核内原来存在着微弱的磁场，这些液态铁的非均匀运动就会发生扰动、旋涡，产生感应电流，不断增强原有电磁场，逐渐形成较稳定的地电磁场。铁质的地核固然不能成为一块磁铁，但可以作为一个发电机系统。（三）地磁场的成因“非稳定磁流体发电机”假说在二十世纪四十至五十年代形成，并成为现今占主导地位的地磁成因假说。按照这个假说，“发电机”在地核内还可能有好多部。因而，地磁场不大稳定。70年代的“双耦合发电盘”提出。正是这种非稳定发电机模式，后来恰好有可能解释磁极为什么会翻转。宋晓东和里查兹（1996）提出，内核比地幔每年转动快1.1。重力（一）重力的特征（二）重力的研究（三）重力在地球演化中的作用（一）重力

地球自转引起的离心力和地球引力的合力为地球的重力。重力的大小即其强度，一般用重力加速度来表述，单位为伽(Ga)（1伽=1cm/s2=103毫加。在国际单位制(SI)中，为m/s2，即“g.u.”；1mGa1=10g.u.），这是为了纪念世界上第一位测定重力加速度的物理学家伽利略而命名的。

（一）重力

影响重力大小的不是整个地球的总质量，而主要是所在深度以下的质量。由于地壳与地幔的密度都比较小，从地表到地下2885km的核幔界面，重力大体上是随深度增加而略有增加。在核幔界面上，重力值达到极大(约1069伽)；再往深处去,各个方向上的引力趋向平衡,重力值逐渐减少，直至变小为零。（一）重力

在地球表面又是另外一种状况：重力要受到地势高低的影响，在珠穆朗玛峰顶，到地心的距离比华北平原要多8000多米。引力自然要小一点。重力的大小还要受到离心力的影响，在赤道上，离心力最大。如赤道重力值较小一般为978.03伽(离心力可达3.4伽)，两极较大为983.22伽，两者相差5.19伽。（二）重力的探究大地水准面由平均海平面所构成并延伸通过陆地的封闭曲面。重力异常

实际测得的重力值与理论重力值之间的差值。自由空气重力异常

测点位置越高，实测重力值就越比理论重力值小。因此实测的结果需要校正（自由空气校正或高度校正），换算成为海平面上的数据。校正后的重力异常被称之为自由空气重力异常。布格重力异常在陆地上测量时，测点与海平面之间并非空气，而是岩石。考虑了测点高度及其与大地水准面之间岩石密度的影响而进行的校正，称为布格校正。经布格校正后的重力异常称为布格重力异常。重力均衡从地下某一深度算起，相同截面积所承载的表面岩石柱体的总质量应趋于相等，这一概念就称为重力均衡。从重力均衡的角度对布格异常进一步进行校正，即均衡校正。通过均衡校正就得到均衡重力异常。如果均衡异常值很小，表明该处地壳基本上处于均衡状态。重力均衡补偿假说a-普拉特假设b-艾里假设重力均衡正均衡异常是指山脉下部较轻岩石的增多对地表山脉隆起的质量补偿不足，存在着质量亏损，也即莫霍面在山下凹陷得还不够，还不足以补偿山脉的隆起，这也就意味着山脉正在隆升、并将进一步隆升。负均衡异常是指莫霍面凹陷过深，浅部岩石过多地补偿了地形的隆起，即下沉。（三）重力在地球演化中的作用重力对地球各圈层的形成与演化，主要起到了趋向平衡与稳定的作用。但同时又会在趋向均衡的过程中造成一些圈层间或圈层内部的相互作用。滑坡三、地球内部各圈层的物质组成及物理状态

推断各圈层物质组成的主要依据：

(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。(4)与陨石研究的结果进行对比。

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。这些岩石主要由各类富铝的硅酸盐矿物所组成。它们具有架状、链状或层状等比较松散的硅酸盐晶体结构。A、架状结构，硅氧四面体排列成空架状，为各类长

石的晶体结构；

B、链状结构，硅氧四面体排列成链状，为角闪石与

辉石的晶体结构；

C、层状结构，硅氧四面体排列成层状为云母与粘土

矿物的晶体结构；

D、岛状结构，硅氧四面体排列成孤立的岛状，它直

接与周围的铁、镁等离子相连结，为

橄榄石等的晶体结构；

E、尖晶石结构，硅氧组成四面体与八面体混合的结

构，为尖晶石所常见的晶体结构；

F、钙钛矿结构，硅氧组成八面体与立方体混合的紧

密结构，为钙钛矿所常见的晶体结构；

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。

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，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。内部圈层的运动

在本世纪初,古气象学家魏格纳（A.L.Wegner,1880-1930）最早提出大陆漂移假说的时候，几乎遭到同时代绝大多数地球科学家的反对（不过他当时对大陆漂移速度的估计过大，以为达到每年几米的速度）。内部圈层的运动50年代大规模的海底调查，导致海底扩张学说的建立．以海底古地磁、深海底钻探资料为依据，得到了全球海底正以每年几厘米到十几厘米的速度在扩张的认识．内部圈层的运动现在利用全球定位系统与激光测量等方法也发现不同的大陆地块正以每年几厘米到几毫米的速度发生着水平运动，其高度也可以发生每年几毫米到几十微米的变化．因而，岩石圈在运动的事实是确凿无疑的．对平移断层的观测

地球内部各圈层之间的界面（包括相变界面），其实都不是一个截然的界面，而是一个过渡带的特