地球的表层结构

地球的表层结构

一、地球表层的结构

科学家通过地震波等手段探测到地球固体部分的密度从地表到地心逐渐加大，并且依据这个特点把地心到地表依次分为3个层圈，即地核、地幔和地壳。地球的液体部分则分为上下两界，上界为江河湖海的水面，下界为江河湖海底部及地下水的最下层。地球的气体部分分为对流层、同温层、中间层、热成层和外逸层。

从严格意义上讲，地理学研究的地球表层并非地球的最外层，而是与地球固体表面相连接的部分。这个部分由以下5个层圈组成：

1．岩石圈。岩石圈是地球表层的固体岩石部分，包括地壳的全部和地幔的一部分。整个地球的地壳厚度并不完全相同，一般来说，高山高原处地壳较厚，大洋底部地壳较薄，大洋底部地壳的平均厚度仅为30千米左右。地壳分上下两层：下层为硅镁层，上层为硅铝层。上层在大洋处较薄，太平洋底部甚至根本没有这一层。岩石圈的表层还可分为土壤圈和沉积岩石圈。沉积岩石圈在陆地厚约2千米处，在海洋的下界一般在水下4千米，最深海沟处甚至超过水下11千米。岩石圈非常不平坦，呈现出复杂多样的地貌起伏。

地球表层系统

2．水圈。水圈包括海洋、河流、湖泊、冰川及岩石孔隙中的地下水，最大厚度约20千米。

3．大气圈。大气圈指地球的气体部分。海洋和陆地的表面是大气圈的下界，向上可分为不同层次。地理学中所讲的地球表层系统是指大气圈中最下层、最接近地球固体表面的部分，即对流层。对流层集中了3/4的大气质量和几乎全部水汽以及固体杂质，对流层每增高100米就会降温0．6℃，温度梯非常明显，水平运动和垂直运动显著，主要天气现象都发生在这里。对流层的厚度依纬度和季节而异，低纬地带平均17～18千米，高纬地带平均8～9千米，夏季厚于冬季。

生物圈

4．生物圈。生物圈即地球上所有的生物及其生存环境的总和。生物圈的总厚度在20千米左右，主要集中在水面以下200米至地面以上100米的空间范围内。生物圈比起地球其他层圈来显得很薄，有人把它称为“生物膜”。

5．智慧圈。智慧圈即人类圈、技术圈、文化圈，指人类及由人类所创造的人工物质环境。人类虽然也是生物圈的一部分，并与其他4个层圈有着相当紧密的关系，但是人类是由生物进化而来的，它具有自己独特的个性，因而应该让它作为一个单独的层圈与其他生物世界区分开来。人类不仅通过自己的生物功能去影响自然，而且通过自己的智慧和有意识、有目的的劳动去改变自然，即通过生产劳动、科学技术来改造和建设环境。人类对地球的影响远远超过了生物的活动范围，也在很多方面超出生物圈的范围，有的甚至达到外层空间和其他星球，现在地球上没有一块完全不受人类影响的土地。因此，智慧圈成为与其他4个层圈共同存在的层圈。

1942年，前苏联学者维尔纳茨基首次提出了“智慧圈”这个概念，他指出：“智慧圈是地球新的地质现象，在这里首次成为巨大的地质力量。智慧圈能够而且应该以自己的劳动和思想改造自己的生存领域，这种改造是根本的改造。”维尔纳茨基的这一思想很快得到了世界上大多数科学家的认同，他的这一思想为人类认识地球和环境做出了突出的贡献。智慧圈是人文地理学的研究内容，这一概念的产生对人文地理学的发展具有重要意义。

值得一提的是，地球表层各层圈不是截然分开的，而是互相影响和渗透的，因此我们对各个层圈的划分和研究应从宏观上和整体上去把握。

地球的表层

二、地球表层的特征

科学研究的对象之所以值得研究，是因为它们具有特殊矛盾性。地球表层也具有特殊矛盾性，这种特殊矛盾性主要表现在以下4个方面。

1．地球表层是固、液、气三态相互作用的地方。

地球是整个宇宙中最具有独特性的星体，到现在为止，地球是人类所发现的唯一有生命存在的星体。地球与太阳的距离远近适中，因而地球表面具有比较适合的温度；地球的形状和大小适宜，所以它的表面能够吸引到适量的水和大气，这样就产生了地表固、液、气三态共存并互相作用的情况。地球表面丰富多彩、生机勃勃，这是至今人类发现的所有天体都没有的。

固、液、气三态共同存在并相互影响是地球表层的一个重要特征，这个特征主要表现为两个方面：一个是界面机制；另一个是异质机制。

物质世界的进化发展主要依靠界面来完成。从物理意义上看，能量和物质的转换和运输需要通过界面来进行；从化学意义上讲，吸附和吸收作用也要通过界面来实现。在三相界面上，地球重力的表现最为明显。当界面之间的物质密度产生变化时，各界面之间的约束力很差，平衡力也极为脆弱，这样外部条件稍有变化，重力就明显地表现出来。比如我们通常看到的崩塌、滑波、泥石流、雪崩、冰川运动、河流、瀑布、地下水渗透、海流等现象都是地球重力的具体表现。在三相界面上，地球内力的表现也很显著。在地球的内部，岩石的密度和压力很大，这样就限制了构造力的表现，因而各界面之间的约束力就受到限制，但是通过火山、地震、构造运动可以塑造千姿百态的地表。在三相界面上，太阳能对地球也有着很大的影响，太阳很容易穿透大气、水和疏松的地表，从而导致地球内部的温度升高和降低，这些温度的变化造成了彼此相异的热力学特性，比如水的冻胀加剧岩石的风化，陆地、水面的温度差异直接控制气压形势和空气的运动，从而使季风、山风、谷风等不同类型的环流得以形成。

生物依赖三相界面而存在。固体地壳为生物的生存提供了根基，气体和液体构成了生命存在的基本条件。地球在不断地进化和发展，三相界面的总面积也在不断扩展。三相界面的扩展有几个原因：首先，由于外部环境不断输入能量到地球表层和岩石不断风化破碎，这就导致三相面积不断扩大；其次，来自地球内部的构造力又使岩石圈表面出现褶曲和凹陷，这也使得界面的面积越来越大；另外，包括人类在内的生物也是扩大界面面积的积极力量。界面面积的大小与物质能量的循环、交换和传输的程度以及复杂性呈正比，界面的存在和表面积的扩大促进了地球表层的物质进步和能量传输，而来自地球内部的能量和来自地球外部的能量又不断地促进地球三相界面总面积的扩大，这种相互促进、不可逆转的发展过程造成了地球表层的高速进化。

异质机制是相对于界面机制来说的，它指的是气、液、固三态的组成和结构之间因为具有明显差异所产生的特殊效应。有一位科学家曾经说过：“异质化是系统功能发展、组织结构完善和进化的基础，世界上所有的生物过程、社会过程和某些物理过程的基本规律，都是异质性和共生性的增加。”地表气、液、固三态共存，因而形成了海洋、陆地、冰川、沙漠、湖泊、沼泽等异质系统，而这些异质系统的形成又造成了水分和空气的循环，实现了物质和能量的转换。气、液、固三态的存在也形成了人类社会不同的资源条件、生产环境和生活环境，促进了人类社会生产和生活信息的流动和交换。

总之，气、液、固三态共存的地球在界面机制和异质机制共同作用下处于不可逆的前进状态，形成了一个特殊的物质流运动、能量流运动和转换系统，强化了各组成要素之间的相互制约性、共生性和整体性。转换系统的组织水平越来越高级，越来越复杂，这就使得地球表层区别于地球其他层圈，形成了自己独特的性质。

2．地球表层是内力和外力相互作用的地方。

内力即地球的构造力，这种力来自地球内部，在地球表层会很清晰地表现出来，例如火山、地震、岩浆活动、地壳隆起和沉陷等等。这些内力除火山爆发外，其他的几种基本都终止于地球固体表面。地球内力造成地球表层地理位置的相对改变，构成地球表层固体部分的基本框架。内力作用造就了千姿百态的地表形态。

千姿百态的地表形态

外力即以太阳辐射为基本能源而产生的风化作用、流水作用和风蚀作用。外力有物理变化和化学变化，其总的作用方式是通过物质的侵蚀、搬运和堆积来消除内力所造成的起伏，总的作用趋势是夷平地表。外力的影响深度仅限于地表以下几米到几十米。

总之，地表形态是内力和外力共同作用的结果，地球表层是内力和外力相互作用的地方。

3．地球表层是有机物质和无机物质互相转化的地方。

生物圈是一层很薄的有机膜，是地球表层物质和能量赖以生存的基础，是有机和无机物质相互转化的中介。生物圈的中介作用是这样来实现的：有机界中的绿色植物通过光合作用固定太阳能，然后通过食物链将太阳能传递给食草、食肉动物，这些食草、食肉动物死后又在太阳能的作用下通过微生物将有机体分解成无机盐类，参加地表物质循环，供植物再吸收，从而转化为新的有机体。这种有机与无机物质的互相转化只有地球表层才存在。

4．地球表层是人类生存的基础。

地球表层因为人类的存在而发生质的改变，从此生物圈开始与其他层圈区别开来。人类对地球表层的影响最初呈斑点状，随着时间的推移，人类对地球表层的作用面积越来越大。200万年以前，人类开始出现，但这时人类对地球表层的影响还很小，只是社会生产力形成以后，特别是近代工业革命以后，人类对地球表层的作用和影响才突出地表现出来。人类通过自己的活动改变了大气圈，造成温室效应、热岛效应，甚至控制局部环流；人类改变水循环，创造人工地形，从根本上改变了生物界的面貌。现在地球上几乎找不到一块没有人类影响的土地，人类的作用和影响在地球上已经连为一个整体，形成了名副其实的智慧圈，地球表层渐渐成了人及其生活环境相互联系的新系统。对现代地理学而言，不仅人文地理学要研究人类与生产和生活环境的关系，就是自然地理学在分析地面诸种现象和过程时，也不能忽视人对环境的影响。

上述4个特征从整体上使地球表层形成了区别于其他层圈的独特的物质系统，地理学就是以这个系统为对象建立起自己的科学体系的。

三、地球表层的能量转换

地球表层通过内部和外部两种方式产生能量。

内生能主要分为两部分：

1．地球本身具有引力能。这种引力能总是以潜在的形式存在，并力图使地球上的所有物质都处于相对稳定的状态。在其他力的影响下，地球自身释放出的能量是地壳中物质运动的重要能源，比如滑坡、泥石流以及河流、瀑布等都是以引力能为基础产生的。

2．地球内部的放射性元素产生的热能。这种能量是内生能的主要部分，也是造成火山、地震、岩浆活动和构造运动等现象的主要能源。放射性元素产生的热能能改变地表的基本轮廓，并决定海陆分布与地势起伏。地球内能会造成各种各样的地壳运动，这些地壳运动分为突变和渐变的两种形式，比如火山、地震是地壳运动的突变，它们能在瞬间释放巨大的能量，从而改变地表形态，日本北海道昭和新山就是在两年的时间里拔地而起的，现在已经形成了一座400米高的山。在通常情况下，地壳运动采取的都是渐变的方式，通过渐变在相当长的时间内对地表进行改造，让沧海变成桑田。海底发现陆生动物化石，高山发现海生动物化石，这在今天的地质考察中已是司空见惯的现象，这种种现象向人类展示了地球表层缓慢而巨大的地壳运动。现在的科技证实，同位素会放出热量，并且这种热量基本上都是在地表14千米以下的花岗岩中产生的。经过精确的计算，科学家得出从地表向下每隔33米，地球的温度便升高1℃，每摄氏度对应的地表深度被称为地热增温级。地热增温级在火山活动区最小，构造活动区次之，构造稳定区最大。放射性元素产生的热能会转化为地壳运动的运动能，运动能对地表产生影响并造成地表的高低起伏。

瀑布

外生能也有很多来源，太阳辐射是最主要的外生能，其次是星际间的引力能，例如太阳和月亮对地球的潮汐作用、陨石坠落时的机械能以及各种宇宙线散发出的能量。太阳辐射最先进入地球的大气层，由于大气层圈的物质组成使得太阳的辐射强度和辐射光谱都发生了转变。在离地面90千米以上的地方存在原子氧，由于原子氧对太阳辐射中的紫外线进行了吸收，因而这个地方的温度很高。在离地面50千米处存在臭氧层吸收紫外线的情况，因此大气中出现另一个增温层。原子氧层和臭氧层可以减少到达地面的太阳辐射强度，从而有效地保护地球上的生命，这两个层的存在是非常有意义的，如果没有这两个层的保护，地球上的大多数生命可能会因辐射过于强烈而丧生。据科学家推测，由于大量紫外线可以直接到达火星固体表面，这导致了火星上没有氧气，因而火星上没有发现生命。目前地球2万～3万米的高空中活跃着超音速飞机，它们会污染臭氧层，长期下去将会对臭氧层产生破坏，现在科学家已经呼吁人类保护臭氧层。大气层中还存在第三个增温层，即大气底层的水汽和CO₂，它们通过吸收太阳辐射形成所谓的温室效应，这个增温层如同一层棉被保护着地表，使地球的热量不会散失到层外空间去。人类进入工业文明以来，化石燃料的使用与日俱增，这造成了空气中CO₂的增加，科学家们为此感到忧虑。他们认为，全球温度的升高会使南极冰川融化，海面上升，从而威胁沿海各大城市的安全。

地球表层的热量基本上来自太阳辐射，地球的冰期、间冰期和干湿寒暖变化不仅体现在地球表层，而且与太阳本身的活动有直接的关系。通常太阳辐射的强度用太阳常数来表示，据科学家计算，太阳常数增加2%，地球的平均气温就上升3℃，太阳常数减少2%，地球的平均气温就降低4．3℃。太阳黑子直接影响地球表层的气候变迁，据研究，太阳黑子有11年、22年、80年到70年的变化周期。虽然太阳黑子通过怎样的方式来影响地球表层这个问题在科学界存在争议，但太阳黑子直接影响地球表层的气候变迁却是不容忽视的事实。

太阳辐射能到达地球表层后并非以原始的形态存在，而是需要经过一系列的转化，太阳辐射能在无机界和有机界的转化形式不同。

在无机界，太阳辐射能直接转化为大气、水和固体物质的热能，陆地上的岩石和土壤吸收太阳辐射能后增温，其影响深度日变化为1．5～2米，年变化平均深度20～30米，水下影响深度达100米左右。大气热能中的一小部分直接来源于太阳辐射，大部分来源于地面、水面的长波辐射。大气热能的梯度每上升100米，地球平均降温0．6℃，这形成植被、土壤等自然要素的垂直带性。太阳辐射能转化为热能以后，热能又转化为动能。地球形状造成了太阳入射角的不同，再加上地球自转偏向力的影响，形成经线方向的大气环流、气候带、风带。由于海陆位置形成大气的海陆环流，造成季风气候和由沿海向内陆的干湿差异。由于陆地表面地形影响造成了地方性环流，在大气环流的作用下，地方性环流形成水循环，从而转化为江河湖海的动能，雕塑着千姿百态的地貌形态。在海洋，热能造成的热力梯度直接转化为洋流的动能。增热的大气、水体和地壳同时又以长波辐射形式将热能转化为辐射能，彼此相互影响和转化。

在有机界，生态系统帮助太阳辐射能实现转化。首先通过绿色植物的光合作用固定太阳能，然后通过食物链逐级转化。每级转化都要耗散能量，基本按1/10定律进行。生物死亡之后的残体再由微生物分解为无机成分还原于土壤，其中一部分再由植物吸收。在特殊气候条件下，一部分动植物残体不能被微生物全部分解而形成化石燃料贮存于地下。人类是太阳能转化的重要环节，居于生物链的顶端，人类通过农业尽可能多地固定太阳能，供人类消费。生态系统这个母机的运转的能源只来源于太阳能。绿色植物是地球上生机勃勃的生物世界的第一次发动，生态系统的规模和能量转换的强度由绿色植物固定太阳能的多少决定。地壳中贮存的太阳能是人类工业的主要能源，人类正努力对这部分太阳能进行处理，让它回到大气。

四、地球表层的物质循环

1．一般我们所说的物质循环是宏观的物质循环，超出了地球表层范围。20世纪60年代以后，地质力学认为岩石圈的构造是由板块组成的。在大洋中脊轴部断裂谷中涌出的玄武岩熔岩构成新的海底，使原来的海底向两侧扩张，这种扩张的速度为0．2～10厘米/年。扩张到边缘时，海陆两个板块相遇，海洋板块向陆地板块下俯冲，在大陆侧形成岛弧，海洋侧形成海沟。两个块板相撞处，地壳活动激烈，经常发生火山和地震，如日本列岛—冲绳—台湾岛就是环太平洋岛弧火山带的一环，是亚洲板块和西部太平洋板块相撞形成的。当海洋板块俯冲完后，大陆板块相遇，发生褶皱、断裂，形成线状山系，如喜马拉雅山脉就是印度板块和亚洲板块相撞形成的。下俯冲的板块熔入地幔中，通过地幔对流在大洋中脊重新露出形成新的岩石，这种运动周而复始、形成循环，每个周期约需2亿年到3亿年时间。

地球板块在发生变化，地球内部岩石的岩性也产生周期性变化。地表的晶质岩风化破碎松散后，被流水、风力带走沉积到低洼处形成沉积岩。沉积岩没入板块底部熔于地幔中，在循环中露出地表又重新变成结晶岩，然后再在外力作用下形成新的沉积岩。1858年在巴黎出版了一本名叫《揭开创造的神秘》的书，法国地理学家施奈德以其丰富的想象力，发现地球各大陆似乎原来是连成一体的，他运用“北美洲和欧洲植物化石在石炭纪时几乎一致”的事实做了说明。在1912年，德国地理学家魏格纳发表论文，引用古生物化石的证据，系统地阐述了大陆移动的地质历史过程，但是在科学水平还较低的当时，他的观点只能作为一种假说存在，并且引起很多非议。现代科学发展迅速，板块学说很有力地解释了大陆漂移说的正确性。

地球板块

现在科学家通过探测发现，在大洋中央没有一亿五万年以上的沉积物，大洋中央海岭两侧的地磁分布相近，并与大洋中央海岭走向平行，而且发现各大洲915米深的大陆斜面有多处重合。可见，对科学发展来说，最初的天才思索、丰富的想象与后来严谨的科学证明都是很重要的。

2．地球表层的物质循环的第二个方面就是水循环。地球上的水总是在不断地变化，首先水受太阳能的影响，从水面、陆面和植物叶面蒸发，化成水汽升到高空，被气流带到其他地方，水汽在适当条件下凝结，又以降水形式落到地表形成径流，注入海洋、湖泊，水的这种蒸发、输送、凝结、降落、径流的往复过程叫水循环。水循环分为大循环、陆地小循环和海洋小循环。水循环运动是地表外力的主要动力，也是地球化学迁移的载体，具有重要的地理意义。

3．大气循环是地球表层的物质循环的第三个方面。太阳辐射会影响地表增温，它让各个地方的地表增温产生差异，辐射强的地方增温快，形成上升气流，构成低压区，地面其他地方的空气向这里运动，以补充这里的上升空气。高空中上升的空气向外移动，当来到较冷的地方便下沉，高压区得以形成，从而构成了大气环流。有时高气压不完全是温度造成的，空气的集聚、堆积也可形成高气压。

4．生物循环也是很关键的物质循环，它指的是生态系统中的生产者、消费者和分解者之间形成的有机界与无机界的循环。