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地球科学原理之三：地球构造 作者：廖永岩 编辑：探矿者
我们上一回介绍了地球的形成，这里，我们再来分析一下地球的构造。 经过近46亿年的演化，地球形成了现在的大气圈、水圈、生物圈、固体地球等圈层。 1.1 地球的基本圈层 1.1.1 大气圈 大气圈为包围地球的空气总体。大气总质量约占地球总质量的百万分之一，总质量的99.9%集中在大气圈下部48km以内。按热力性质，可将大气圈分为对流层、平流层、中间层、热层和外逸层。 1.1.2 水圈 水圈是地球表层水体的总称。水体是水的聚集体，如海洋、湖泊、河流、沼泽、地下水、冰川、积雪和大气中的水。这些水形成一个断断续续围绕地球表层的水壳，即水圈。假设地壳是一个平坦的球面，若将水圈中的水均匀地平铺在地球表面上，那么地球将是一个被2700m深的水所覆盖的“水球”。 全球海洋总面积约占地表总面积的71%；全球海洋总水量占地球总水量的97%以上。因此，海洋是水圈的最大水体。海洋的中心主体部分称为洋，边缘附属部分称为海，海与洋彼此沟通组成统一的世界大洋。世界大洋分为太平洋、大西洋、印度洋和北冰洋。 1.1.3 生物圈 地球表层的大气圈、水圈和岩石圈中适于生物生存的范围就是生物圈。水圈中几乎到处都有生物，在深度超过11000m的海沟最深处，还能发现深海生物，但生物主要还是集中在表层和浅水的底层。大气圈中的生物主要集中在下层，即与岩石圈的交界处，但在高达22000m的平流层中，也发现有细菌和真菌。在岩石圈中，大多数生物生存在地下几百m的土壤上层，但在地下2500-3000m处的石油中，也发现有石油细菌。无论如何，就厚度而言，生物圈只占地球表面薄薄的一层（马宗晋等，2003）。 1.2 固体地球的圈层结构 1909年莫霍洛维奇（Mohorovì?i?, 1909）根据近震初至波的走时，算出地下56km深处存在一间断面，其上物质的波速为5.6km/s，其下为7.8km/s。后来称这一间断面为莫霍面或M界面，它在绝大多数地区都存在。这个面以上的圈层称为地壳。 1914年古登堡（Gutenberg）根据地震波走时，测定出在2900km深度处存在一间断面，其下的部分为地核，其上直至地壳底部的部分为地幔。这一间断面就是核-幔界面或核-幔边界（CMB），其深度至今一直沿用2900km（Gutenberg, 1959）。 莱曼（Lehmann, 1936）根据通过地核的地震纵波走时，首先提出在地核内部还存在一个间断面，由此又将地核分为内核和外核。后来，古登堡（Gutenberg, 1959）和杰弗瑞斯（Jeffreys, 1962）相继证实了莱曼的假设，并得出内核的半径在1200-1250km间。因此，内、外核边界（ICB）的深度约为5100km。进一步观测研究表明，外核不能传播S波（横波），而内核可以传播S波，并根据地球潮汐和地球自由振荡所得地球刚性，推断外核为液态，内核为固态（马宗晋等，2003）。 布伦（Bullen, 1963, 1975）根据地球内部地震波的速度分布，将固体地球分为7层。地壳为A层；地幔为B、C、D三层；外核为E层；内、外核的过渡区为F层；内核为G层。 1914年，美国地质学家巴雷尔（J. Barrell, 1914）根据地壳均衡理论推测地球深处存在塑性层，因而，首先提出把地球上部刚性部分中岩石圈（层），其下塑性较大的部分叫软流圈（层）。1926年古登堡发现，当地震波通过100-200km深度时，P波（纵波）速度由8.1-8.5km/s减慢到7.2-7.8km/s。后来，其它学者也发现过类似现象。1960年5月的智利大地震，提供了上地幔内的低速层（LVZ）可能具有全球性质的证据。这样，把地球表面至低速层，包括地壳和上地幔上部的部分称为岩石圈，而将其下的低速层称为软流圈，此构造分层概念得到普遍承认，并成为板块构造学说的立论基础之一。于是，对地球内部的圈层划分又有了岩石圈、软流圈、中圈和地核的划分方案，中圈指软流圈底至核-幔边界的地幔部分。有的学者则将地壳和上地幔称为构造圈，认为地球这个部分是内力地质作用-构造运动、岩浆活动和变质作用的直接起因。 地壳是莫霍面之上的地球最外层。无论是厚度还是成分，地壳都是很不均匀的。最明显的差别是在大陆地壳和大洋地壳之间。因此，一般将地壳分为大陆型地壳和大洋型地壳两大类。平均而言，大陆地壳比大洋地壳厚，比大洋地壳老，也比大洋地壳的密度小。就化学和矿物成分而言，这两类地壳也明显不同。 地震波及其他的地球物理探测都表明，上地幔的地球物理场的分布，例如重力场、地震波速度分布和电导率等，在纵向和横向上都具有非均质和非均匀特性。这一特性可以延伸到上地幔深部，甚至全部上地幔（安德森，1993）。 人类生存的地球，是一个有水、有氧气、有有生命的独特星球。为什么太阳系8大行星，仅只有地球具有这些特征？人类对地球知之甚少。为了使地球科学研究更有效，我们地球工作者该怎么办？当今的地球科学，对我们提出了什么要求？且听下回分解。 未完，待续。 下回预告：地球科学原理之四 做一个“博地”学家 参考文献 安德森 D. L. 地球的理论. 北京: 地震出版社.1993. 马宗晋，杜品仁，洪汉净.地球构造与动力学. 广州: 广东科技出版社.2003，1-130 Barrell J. The status of hypotheses of polar wanderings. Science, 1914, 40: 333-340 Bullen, K. E. The Earth's density. New York: John Wiley & Sons. 1975. 1-420 Bullen, K. E. An index of degree of chemical inhomogeneity in the earth. Geophys. J., 1963, 7: 584-592 Gutenberg B. Physics of the earth's interior. Internat. Geophysics Ser., Ⅻ. New York: Academic Press. 1959. 1-240 Jeffreys H. The Earth (4th edition). Cambridge: Cambridge University Press. 1962. Lehmann I. Publ. Bur. Cent. Assoc. Int. A, 14: 87-115. 1936 Mohorovì?i?. A. Das Beben vom 8, Ⅹ, 1909. Jahrb. Des Meteoroiogischen Observ, (Zagerb), 1909
（注：本“地球科学原理”系列，是根据廖永岩著，海洋出版社（2007年5月）出版的《地球科学原理》一书改编而来，转载者请署明出处，请不要用于商业用途）
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