地球的起源演化和径向分层

第一节　地球的起源演化和径向分层

事物的存在都是一个永恒演变的序列，其序列的端极便是生和灭。宇宙也是一个无限演化过程的集合。虽人的一生能看到的只是一瞬，但智慧之神却可以施之于无限的推测。

几百年来，天文观测告知了人们许多想象之外的事。各种天体无不处在聚积与分散、塌缩与爆炸、生成与死亡的演化之中。年纪大了的星球逐渐地暗下去，青春年少的星星又正在热起来……到处都发生着随能量的不断扩散和集结而导致的生生灭灭。

地球早期的演化过程，一直是个争论很热烈的问题。就目前的研究而言，关于太阳系的起源和地球的形成演化主要有三个假说：灾变说、俘获说、星云说。灾变说认为太阳是先形成的，由于某个事件，如恒星与太阳相碰撞或距离很近，从太阳中拉出一部分物质，并赋予巨大的转动角动量，这些物质后来逐渐形成了行星及卫星，地球就是在大约46亿年前当太阳还年轻的时候从围绕太阳的星云和尘埃里脱胎而出的。俘获说同样也认为太阳是先形成的，但是认为原始行星物质是来自其他星际，被太阳的引力俘获而来。

星云说认为，形成太阳的物质基础是星云，即大团旋转着的气体和尘埃，形成太阳系的动力是自引力，及星云各部分相互吸引的引力。由于原始收缩的太阳具有磁场，而太阳外围的圆盘星云内有电离气体，所以太阳与圆盘星云内产生了一种磁致力矩，使得太阳的角动量转移给星云圆盘，因而圆盘形成的行星具有较大的角动量，旋转速度会加快，而太阳由于失去角动量而转速越来越慢。星云说是最为流行的和被人们认可的有关太阳系起源的假说。图1．1为星云说的一个简单解说图。

图1．1　星云假说模型图

太阳在收缩的过程中表面温度保持着3500℃左右，因此，作为太阳系行星之一的地球在形成的过程中，会接收太阳所辐射出来的热量。当地球的自转角动量足够大，热量的转化达到一定程度时，就会出现在近融熔状态下以引力为主导的分离过程。这样，组成地球的原始物质里，在地球轨道附近地区，沸点低的挥发性物质相继逃逸，逐渐演化形成大气圈、水圈、地壳。而不易挥发的铁、镁、硅等元素则凝聚为尘埃，通过碰撞黏合而形成块状物质，沉积到地球内部形成地核。这就是星云学说所认为的地球的形成演化过程。

地球内部的物质不均匀性使得地球内部的弹性性质不一样，而地震波中的体波在弹性参数不同的介质中的传播速度是不一样的，因此，根据地震波速度相的变化可以把地球划分为几个性质相异的圈层。

依据在地球内部传播的地震波的走时、频率、视速度、振幅特性或者面波的频散等特性、地球自由振荡的本征周期，以及一些其他的数据，可以反演得到地球内部速度和密度的分层模型，进而推测地球内部各圈层介质的速度分布和结构（如图1．2所示）。

图1．2　地震波速度与地球内部构造

根据地震波传播速度的突然变化，先后发现地球内部存在着7个显著的地震波速不连续界面，其中最主要的不连续界面有3个。

1909年，克罗地亚学者莫霍洛维奇（A．Mohoroviche，1857—1936）发现，在地球内部大约33km处，纵波速度从7．0km/s迅速增加到8．1km/s左右；横波速度则从4．2km/s增加到4．4km/s左右，出现了一个明显的波速分界面，速度加快，证明出现了密度很大的可塑性固体层。人们把这一个地震波速不连续的界面，命名为莫霍面。莫霍面的出现深度，全球平均为33km，在大洋之下平均仅为7km。后来，人们就把莫霍面之上的地层称为地壳，莫霍面之下到古登堡面之间的地层称为地幔。

1914年，由美籍德裔学者古登堡（B．Gutenberg，1889—1960）通过大量天然地震震相分析发现：位于地下2885km深处存在一个速度不连续面。在这个面上，纵波速度由13．6km/s突然降低为7．98km/s，横波速度从7．23km/s到突然消失，这个面被命名为古登堡界面。此界面之下到地心，称为地核。人们常把地球内部的地壳、地幔和地核比喻为鸡蛋的鸡蛋壳、蛋清和蛋黄。

1936年，丹麦地震学家莱曼女士首先发现，在地球内部从2900km以下进入地核，纵波速度逐渐回升，横波速度因不能通过，恒为零，直到大约5300km深处，横波又重新出现，这时纵波的速度也呈明显跳跃，从而形成了地球内部的第三大间断面，称为“L”面，是内核与外核的分界面。

目前仍习惯采用A～G字母来命名地球内部的7个不连续面，A—地壳，B—上地幔，C—过渡层，D—下地幔，E—外核，F—间断面，G—内核。具体的分层信息如表1．1所示。

表1.1　地球内部的分层

据“初步地球参考模型（PREM）”改编。

自莫霍面至地面的A层称为地壳。各地区的地壳构造差别很大，这不仅显示了过去地壳演化所遗留的痕迹，而且说明现代地壳内部的作用过程及其对地表的影响。地壳内也没有全球性的界面，莫霍面在大陆和海洋下面都存在，它的正常波速为8．0～8．3km/s。但是在活动构造带上，莫霍面上的波速较正常值低得多。从莫霍面到650km的深度之间的B层、C层称为上地幔，B层中的横向变化也很复杂。把莫霍面至地幔低速层的顶面称为盖层。海洋底的盖层厚度约为40km，下面是180km厚的低速层。大陆地盾的盖层很厚，可达150～200km。

另外，在上地幔内部（即B层内），还存在一个地震波的低速层，其深度一般在地表之下60～200km之间。在低速层内，地震波速反而比上部减少5%～10%，这表明此处岩石强度较低，可能局部熔融。低速层的上下并没有明显的界面，地震波速表现为渐变的特征。低速层后来就被命名为软流圈。软流圈以上、岩石强度较大的部分（包括地壳和上地幔顶部）称为岩石圈。岩石圈和软流圈共同组成了地球的构造圈。

低速层下面深度为220～400km间的介质是比较均匀的。400～670km间的地层称为过渡层（C层），速度梯度较大。

670km以下至2891km，称为下地幔（D层）。相对说来，下地幔比较均匀，速度梯度较小，速度的变化也比较均匀，但是在1800km以上的某些层区，其速度梯度也显示有较小的变化。下地幔底是厚150km的D″层，它的纵波速度为13．7km/s，横波速度为7．3km/s。D″层的速度梯度接近于零，表明这里的温度梯度特别大，或者是物质成分发生变化，它才能补偿因压力所产生的速度正梯度。

P波通过幔核界面后，速度陡降，而S波不能通过外核。由地球物理资料人们获得了地球外核E层属于液态性质，而内核G层属于固态性质的认识结果。

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1．为什么能用地震波来探测地球的内部结构？

地震波是由于地球内部介质局部发生急剧破裂，地下岩石受到强烈冲击所产生的弹性振动传播波，它能在整个地球传播。地震波可分为纵波、横波、面波和界面波四种类型。纵波（P波），也称疏密波，通过物体时，物体质点的振动方向与地震波传播的方向一致，传播速度最快，能通过固体、液体和气体传播，地震发生后，纵波最先到达地面，引起地面上下颠簸。横波（S波），通过物体时，物体的质点振动方向与地震波传播方向垂直，在地壳中传播速度比纵波慢，只能通过固体介质传播，比纵波到达地面晚，横波能引起地面摇晃。纵波、横波合称体波，体波在地球体内部可以向任何方向传播。面波（L波），是纵波或横波到达地面后，从震中沿地面表层向四周传播的次生波。利用面波的波散现象，可推算相应地区的地壳和上地幔的结构状况和性质。界面波是在两个弹性层之间的平界面附近传播的地震波。目前人们还不能对地球整个内部进行直接观察研究，由于不同的地震波，具有不同的性质和传播特点，地震波在地球深处传播时，如果传播速度突然发生变化，这突然发生变化所在的面，称为不连续面，根据不连续面的存在，人们间接地知道地球内部具有圈层结构。因此可以利用地震波来探测地球的内部构造。

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2．地球的圈层结构

地球圈层分为地球外圈和地球内圈两大部分。地球外圈可进一步划分为四个基本圈层，即大气圈、水圈、生物圈和岩石圈；地球内圈可进一步划分为三个基本圈层，即地幔圈、外核液体圈和固体内核圈。此外，在地球外圈和地球内圈之间还存在一个软流圈，它是地球外圈与地球内圈之间的一个过渡圈层，位于地面以下平均深度约150km处。这样，整个地球总共包括八个圈层，其中岩石圈、软流圈和地球内圈一起构成了所谓的固体地球。对于地球外圈中的大气圈、水圈和生物圈，以及岩石圈的表面，一般用直接观测和测量的方法进行研究。而地球内圈，目前主要用地球物理的方法，例如地震学、重力学和高精度现代空间测地技术观测的反演等进行研究。地球各圈层在分布上有一个显著的特点，即固体地球内部与表面之上的高空基本上是上下平行分布的，而在地球表面附近，各圈层则是相互渗透甚至相互重叠的，其中生物圈表现最为显著，其次是水圈。