地球内部圈层系统

1. 地球内部的基本特征

地球从星云盘中的尘埃集聚成为一个行星时，是一个接近均质的球体，即各种物质混杂在一起，没有明显的分层现象，分层作用与地球内部热力有关，当地球体积集聚到足够大时，尘埃彼此撞击，由动能转化的热、地球收缩从位能转化的热以及放射性元素在蜕变中释放的热，就不至于立即散失，而使内部增温。岩石物质中铁的熔点低而密度高，硅酸盐则熔点高而密度低。当地内温度达到铁镍熔点时，铁镍就开始熔融，并在重力的作用下，渗过尚未熔融的硅酸盐，流向地心，地球内部就开始了分层作用。

地内温度随时间而逐渐积累增高，地球在形成后10亿年时，400～800km深处的铁开始熔融。地球的主要元素铁下沉后所产生的重力转化为热，使地内温度增高到2000℃以上，这一温度更促进了铁的熔融，同时硅酸盐也接近熔点且具有可塑性。铁下沉，硅酸盐上浮，使地核、地幔分异。在地球形成的初期，各部分的热量积累不均匀，火山活动和造山运动活动频繁，从地内涌出的岩浆，覆盖在地球表面，冷却后形成地壳。花岗岩密度最低(2.7g/cm3)，上升到最上层;玄武岩次之(2.8g/cm3)，在花岗岩之下;橄榄岩密度为3.2g/cm3，是上地幔的岩石，它与花岗岩、玄武岩组成厚约70km的岩石圈。因此组成地球的主要元素是铁，约占地球总质量的1/3左右，由于分层作用，下沉到地核，导致地核的主要成分是铁，地壳的铁仅占地壳质量的6%。而较轻的元素氧、硅、铝、钙、钾、钠的百分比增加，地幔介于地核、地壳之间，以铁镁硅酸盐为主，如橄榄石(Mg， Fe)2Si O4和辉石(Mg，Fe)Si O3。

地球内部的元素分布不单纯按元素的原子量的大小从地表向地心依序排列，而是要联系各元素和氧、硅的化合能力以及本身的物理性质，因此铀和钍这两种重元素在地球内部物质大分化时上升到地壳。由于铀和钍这类放射性元素上升集中到地壳，它们蜕变产生的热就易于散发，使得地球内部增热机制缓和下来。此外，由于热量积累，内部增温大于上层，地幔可塑性物质便产生缓慢的对流作用，下部物质上升携带大量的热到上层，进而散发到空间，这样就使地球内部温度不致积累过高，从而在地球演化的历程中，不曾达到过全部熔融的情况。

凡是球状的天体，在热力、重力作用下都会产生圈层分化作用，但各行星的圈层不尽相同，这取决于演化过程中所处星云盘位置的热状况及尘粒的物理性质。例如在水星轨道附近，当时该处星云温度为1400K，在这样的温度下，星云中的钙、铝已凝结成难熔解的化合物，铁已凝结成金属态微粒，但硅、镁等元素尚未完全形成微粒，大部分仍以气态存在。所以，集聚成的水星以金属铁和氧化铁形成的核心较大，而以硅、镁形成的中间层就较薄。地球离太阳比水星离太阳远一些，形成时星云盘的温度约为600K，除铁之外，硅、镁等元素也大量凝结，铁还和硫结合成为硫化铁，并和硅镁化合成铁镁硅酸盐等尘粒。所以，形成的地球，其外地核含有较多的硫化铁，中间层铁镁硅酸盐的比例就比水星高一些。至于土星、木星等类木行星，距太阳更远，温度更低，原始星云最丰富的氢、氦得以保留，所以组成木星和土星的元素主要是氢和氦，它们都只有一个很小的铁和硅酸盐组成的核心。

2. 地球内部圈层的结构

地壳与地幔之间的界面为莫霍面，地幔与地核之间的界面为古登堡面。这些界面上、下物质的密度和地震波波速等特征出现明显变化。

地壳是厚度很薄(洋壳约8km，陆壳20～70km;平均30～40km)的固体外壳。地壳可分为大洋地壳和大陆地壳两层。洋壳可以分为3层:沉积层、玄武岩层和大洋层。洋壳物质一般由玄武岩、辉长岩和橄榄岩等混合组成，它的平均密度为3.01g/cm3，纵波波速平均为7km/s。大陆地壳可分为上、下两层。上层仅分布于大陆区域，(平均密度为2.65g/cm3)及地震波波速(纵波速度Vp为5.6～6.0km/s)等特征与硅铝质为主的花岗岩质岩石一致，因此常被称为“花岗岩质层”或“硅铝层”。下层的相应特征(平均密度为2.9g/cm3，纵波速度Vp为6.8km/s左右)与由硅、铁、镁、铝组成的玄武岩相当，故被称为“玄武岩质层”或“硅镁层”。

地幔厚度约2900km，按体积算约占整个地球的82.3%，按质量算则占67.8%，因此它是地球的主体部分。地幔又可分为上、下两层。上地幔的上部存在一个由固体与少量(1%～10%)液态物质的混合体组成的软流圈，厚度大约为200km，会出现震波低速带，地幔的其余主体部分则为固体。岩石圈是地壳和软流圈上部的上地幔固体部分。具有一定规模的岩石圈块体被称为“板块”，可分为大洋板块和大陆板块。

上地幔岩石密度在3.3g/cm3以上，平均为3.5g/cm3;顶部Vp为8.0km/s，是与地壳明显区分的标志。根据密度、地震波波速和地质等资料，上地幔的物质相当于含铁、镁很高的超基性岩，一般称为“上地幔岩”。

下地幔密度较高，达5.1g/cm3以上，一般认为其物质成分仍然以铁、镁的硅酸盐矿物为主，其化学成分与上地幔无明显差别，但是由于压力很大，在下地幔形成了一些晶体结构更加紧密的高密度矿物。因此，可以认为下地幔是成分相当于超基性岩的高温超高压相矿物组成的岩石。

地核是古登堡面(深度约为2900km)至地心的地球中心部分，厚度约为3470km，占地球总体积的16.3%，总质量的1/3左右。地核亦可分为上、下两层，即外核和内核。由于地震波纵波波速急剧降低和横波不能通过，说明外核为液态物质。外核平均密度为10.5g/cm3。内核平均密度为12.9g/cm3。地震波纵波和横波都能穿过内核，说明内核由固态物质组成。一般认为地核主要是由铁、镍组成的，还含有一些硫、硅等元素。

整个地球的内部圈层构造见图1-11。

图1-11 地球内部的圈层构造(据舒良树，2010)