二、地球的内部圈层

　　该内部圈层指从地面往下直到地球中心的各个圈层，包括地壳、地幔和地核。虽然人们渴望“向地球的心脏进军”，彻底搞清楚地球内部状况，但目前世界上深井记录为12300m（俄罗斯科拉半岛一口深钻，截至1986年），只占地球半径的1/530，所以还不能用直接观察的方法来研究地球内部构造。通常采用地球物理方法，更主要是利用地震波的传播变化来研究地球内部构造情况。地震波分为纵波（P）和横波（S）。纵波可以通过固体和流体，速度较快；横波只能通过固体，速度较慢。同时地震波的传播速度随着所通过介质的刚性和密度的变化而改变。因此地震波实际上对地球起到“透视”的作用。当然，也可以借助宇宙地质（特别是陨石的成分）来判断地球内部的成分。

　　如果地球从表及里，是由均一物质组成，则纵横波速度在任何深度和任何方向都应该相同。但根据地球内部震波传播曲线分析，可以看出震波传播速度随深度而发生变化，并且有些地方还发生突然变化，可见地球内部物质不是均一的，而且还存在许多界面。地震波在地下若干深度处，传播速度发生急剧变化的面，称为不连续面。其中有两个变化最显著的不连续面，叫一级不连续面（表1-4）。根据地震波的传播数据，可以制成地球内部震波传播速度曲线图。从表或图中可以看出两个一级不连续面：

　　一个在地下（自海平面起算）平均33km处（指大陆部分）。在此不连续面以上，纵波速度为7.6km/s，以下则急增向8.0km/s；而横波则由4.2km/s增到4.4km/s。这个一级不连续面称莫霍洛维奇不连续面，简称莫霍面或莫氏面。

表1-4地球内部圈层和物理数据

　　另一个在2900km深处。在这里纵波速度由13.32km/s突然降为8.1km/s，而横波至此则完全消失。这个面称古登堡不连续面。

　　这两个一级不连续面，将地球内部划分为3个圈层：地壳、地幔和地核（表1-4）。此外，根据次一级不连续面还可以划分出次一级圈层，如表1-4所示，共可划分出A、B、C、D、E、F、G7个圈层；次一级圈层还可根据更次一级不连续面划分出更次一级的圈层，如A′、A″，B′、B″等。

　　（一）地壳

　　指地球莫霍面以上的固体硬壳（A层），属于岩石圈的上部。地壳主要由硅酸盐类岩石组成，它的质量为5×10¹⁹t，约占地球质量的0.8％，体积占整个地球体积的0.5％。

　　1.地壳的化学组成 地壳中含有元素周期表中所列的绝大部分元素，而其中O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg等8种主要元素占98％以上，其他元素共占1—2％。化学元素在地壳中平均含量称克拉克值。

表1-5地壳中主要元素的平均含量（重量％）

　　从表1-5可以看出，地壳中化学元素的克拉克值相差极为悬殊。氧几乎占有一半，硅约占1/4，铝约占1/13，而表中未列入的大多数元素的含量是微不足道的。比如铜的克拉克值为0.007％，铅为0.0016％，钍为0.0012％，锑为0.0001％，金为5×10^-7％。

　　组成地壳的各种元素并非孤立存在，大多数情况是相关元素化合形成各种矿物，其中以O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg等组成的硅酸盐矿物为最多，其次为各种氧化物、硫化物、碳酸盐等。各种不同矿物特别是硅酸盐类又组成各种岩石，所以说地壳是岩石圈的一部分。

　　其他大部分元素的克拉克值虽然很小，但它们在一定条件下可以迁移和富集。如在一定地段和一定时间某些元素富集起来，含量超过该元素的克拉克值，并在质和量上达到开采的要求，这样的地段就形成了矿床。

　　2.地壳的厚度和结构 地壳是地球表面的一层薄壳，其厚度大致为地球半径的1/400，但各处厚度不一（表1-6），大陆部分平均厚度37km多，而海洋部分平均厚度则只有约7km。一般说来，高山、高原部分地壳最厚，如我国青藏高原地壳最厚可达70km。

　　地壳（A层）可以分为上下两层，中间被康拉德面所分开。但这一界面在海洋部分不明显或者根本不存在。

　　上层地壳（即A层），其成分以O、Si、Al及K、Na等为主，和花岗岩的成分相似，所以叫花岗

表1-6地壳类型和平均厚度（据罗诺夫，1967）

　　岩层；此层又称为硅铝层（Sial）。在这一层的表层部分常分布有0—10km厚的沉积岩层。平均密度为2.6—2.7g/cm³。此层厚度在山区和高原可达40km，在平原区常为10km，在海洋地区变薄甚至完全缺失（如太平洋），因此是一个不连续圈层。这一层物质组成极为多样，构造形态和地貌形态也非常复杂。

下层地壳（即A″），其成分虽然也以O、Si、Al等为主，但Mg、Fe、Ca等成分则显著增加，和玄武岩的成分相似，所以叫玄武岩层，又称为硅镁层（Sima）。平均密度为2.9—3.0g/cm³。此层在海洋地壳部分平均厚5—8km，在大陆部分则延伸至花岗岩层之下，推测可厚达30km，是一个连续圈层。

　　3.地壳的类型 地壳可以分为大陆型地壳（简称陆壳）和大洋型地壳（简称洋壳）。陆壳的特征是厚度较大（30—70km），具双层结构，即在玄武岩层之上有花岗岩层（表层的大部分地区有沉积岩层）。总的来看，硅铝层好像浮在硅镁层之上，地表起伏越大（如高山、高原），莫霍面的位置越深，地壳越厚。洋壳的特征是厚度较小，最薄的地方不到5km，一般只有单层结构，即玄武岩层，其表层为海洋沉积层所覆盖。此外，在陆壳和洋壳交会处还可以分出过渡型地壳，又称次大陆型地壳，其特点介于以上二种类型地壳之间。

　　地壳厚度的差异性和垂直结构及物质成分的不均匀性，构成了地壳总的特征，这种特征常导致地壳物质的重新分配和调整，以便达到新的平衡关系，这是引起地壳运动的多种因素之一。

　　（二）地幔

　　指莫霍面以下到古登堡面以上的圈层。深度为从地壳底界到2900km。其体积占地球总体积的82％，质量为4.05×10²¹t，占地球总质量的67.8％。物质密度大约从3.32g/cm³递增到5.7g/cm³，即在地幔下部接近于地球的平均密度。压力随深度而增加，界面上压力可达约1.5×10¹¹Pa。温度也随深度缓慢增加，下部约为3000℃左右。

　　从莫霍面到古登堡面，根据地震波传播速度大体是缓慢而均匀变化的，中间缺少一级不连续面，说明地幔物质较地壳具有很大的均匀性。但是，在约400km和约1000km深处各有一个次一级不连续面存在，即拜尔勒面和雷波蒂面（表1-4），并据此划分为B、C、D层。由此可见，地幔物质又具有一定的分异作用。目前，一般以1000km为界，把地幔分为上地幔和下地幔。

　　1.上地幔 由于震波数值和在橄榄岩中实验所得的数值相似，所以也称橄榄岩层，又称榴辉岩层。橄榄岩的成分和广泛分布的石陨石（又称球粒陨石）相似，和地壳相比，SiO₂成分减少，镁铁成分增加。

　　上地幔包括B、C两层，其中B层又可分成B′和B″两层。位于莫霍面以下的B′层，相当于固态的橄榄岩层，故通常把这一层加上地壳（即A+B′）合称为岩石圈。

　　在深度60—400km范围内，震波速度明显下降，特别是在100—150km深度左右下降更多，这一层称为古登堡低速层（相当B″层）。所以如此，一般认为在这一层可能有部分熔融，具有较大的塑性或潜柔性，因此又称为软流圈。软流圈的深度、厚度和范围常随地而异，边界有起伏变化，有时呈渐变关系。软流圈的温度大约为700—1600℃，这里可能是岩浆的主要发源地，同时地壳运动、岩浆活动、火山活动以及热对流等皆可能与此层有关。

　　上地幔下部（C层）也有次一级不连续面，具体情况有待于继续探索。中、深源地震（最深可达720km）的震源皆发生在上地幔中。因此，对上地幔的研究日益受到国际上的重视，是固体地球物理学国际合作研究计划之一。为了进一步探索地球深部，1960年曾提出“上地幔计划”，于1970年结束，对研究上地幔地球物理起了很大的推动作用。

　　2.下地幔（D层） 这一层物质密度较大，一般在5g/cm³以上，在底界接近地球的平均密度，压力可达1.5×10¹¹Pa。化学成分目前认为仍然相当于镁铁的硅酸盐矿物，与上地幔无甚差别。但由于这里压力很大，这些硅酸盐矿物可能形成晶体结构紧密的高密度矿物。

　　由于纵波和横波都能在地幔通过，因此一般认为地幔呈固态存在。

　　（三）地核

　　位于深2900km古登堡面以下直到地心部分称地核。由于震波速度在这一部分发生了突然变化，即纵波速度从每秒13.32km下降到8.1km，横波则消失，表明组成地核物质的化学成分和物理性质等有了很大的变化。

　　根据地震纵波的变化情况（表1-4），地核又可分为外核（E层）、过渡层（F层）和内核（G层）。

　　据推测，地核物质非常致密，密度9.7—13g/cm³，地核总质量为1.88×10²¹t，占整个地球质量的31.5％；压力可达3.0—3.6×10¹¹Pa；温度为3000℃，最高可能达5000℃或稍高。

　　外核由于只有P波才能通过，呈液态。过渡层和内核有S波出现，呈固态。关于地核的成分，很早就认为是铁镍成分，相当于铁陨石的成分，称为铁镍地核说。后来有人认为组成地核的物质也是硅酸盐，但在高温高压下，原子结构受到破坏，使各元素原子中的电子游离出来，好像原子核融于电子之中，具有很大的密度，又具有良好的导电性，成为具有金属特性和液体特性的物质，这称为压力电离现象，这种物质状态称超固态。近来又提出了更新的看法。目前借助于冲击波的动力研究，已经能够进行超过地心压力的实验。据实验，在5×1011Pa的超高压情况下，并不产生硅酸盐的金属化，即压力电离现象；同时，可以求得在超高压下物质密度与压力的关系以及相当的P波速度值，实验结果表明P波速度相当于铁族金属。因此，对上述硅酸盐金属化的假设提出了怀疑，而重新肯定了铁镍地核说。其中可能还存在一些硅、硫等较轻的元素。

　　关于地核的形状也是科学家们所关注的问题。最近美国哈佛大学的地球物理学家根据地震波在地球内部传播情况的监测和分析，发现地震波在包含地球自转轴的平面方向容易穿透地核，而在与地球自转轴垂直的赤道平面则较难穿透地核，从而提出地核形状接近于圆柱体的形状，其中轴线与地球的自转轴重合。当然这样的问题有待于不断深入论证。