3 地球内部的圈层结构和圈层耦合

    3．1 地球内部的圈层划分

    上两节提到地球的密度和重力等性质，从地表到地内深处并非是均匀变化的，而是有几处重大的突变现象存在。因此地球内部的物质分布究竟是逐渐和缓地过渡，还是存在着某种界面，从而可以将其划分为不同的圈层，就成为一个引人注目的问题。

    地球物理学家根据地震波在地球内部不同深度下传播特征的变化情况（图3-9a），结合实验岩石学的测试资料，发现了不同的波速与密度界面。以此为基础推算了地球内部的密度分布状况（图3-2，图3-9b），进而分析了地球内部的物理结构和物质分布的基本特征。20世纪70年代后期，国际地球物理联合会提出了一个初步地球参考模型（PREM），具体划分了地球内部三种级别的圈层（表3-1）。

    如图3-9和表3-1所示，根据地球内部波速和密度的分异，首先可将其划分出3个一级圈层，即地壳、地幔和地核，这也是地球内部最主要的物性及化学组分的分界单元。其中，地壳和地幔之间的分界面称作莫霍面，平均深度33km；地幔和地核之间的分界面称作古登堡面，深度2891km。这两个界面上下的物质，无论在化学组成、物质状态和物理性质上，都有重大的区别（图3-9，表3-1，表3-2）。根据在这些方面更细致的分异特征，可以再从整体上将地球内部划分为7个二级圈层，从地表向地球深部依次为A（地壳）；B，C，D（地幔）；以及E，F和G层（地核）。进一步地，大陆地壳还可再分为上、下地壳两层，即A1和A2；在地幔的B层中则包括3个三级分层：B1，B2（为一地震波低速层，故推断为熔融状态．也称软流圈）和B3；D层中包含着两个三级分层，它们依次被称为D'和D''层。

    地球内部圈层的形成，一般认为是由于地球内部加热、原始物质分异和分层作用共同产生的结果。在最初的时候，地球上的原始物质熔离出重金属铁和镍，后者下沉形成地核。当它们熔离出去以后，残留的物质——以橄榄石+辉石为主——形成地幔岩，组成现代的地幔。地幔是地球体积和质量最大的一个圈层，具有相当复杂的成分（详见第四章3．1节）。除了地幔上部有一层软流圈是熔融态外，其余部分主要是固态的。地幔物质的分异作用今天仍然在继续进行：对压力和温度变化的分析结果表明，在B层内还在发生玄武岩的熔离作用，这个熔离带成为软流圈（即B2层）的主要组成部分。此外，当较轻的玄武岩熔出并上升到地壳中后，上地幔B层的物质组成中失去了部分二氧化硅，这一部分的地幔岩从成分上相当于组成上地幔的超基性岩石。上地幔的玄武岩与超基性岩的分界，具有密度和弹性波速度显著变化的特征，而且对应于波速界面——莫霍面。此外，分异作用不仅涉及到古登堡面，而且也涉及到其下伏的C层。

    地壳也是地球分导作用的结果。玄武岩是由软流圈中的地幔岩分熔出来的，然后呈巨大的熔融状岩流上升到地壳中并溢出地表，成为地壳的重要组成部分。在接近地壳底部时，这类岩体便成为地球表面各种地质活动的发源地。“固定”在地壳底部的熔融状岩流，称作玄武岩的底侵作用，它使地壳下部物质加热和熔化，形成地壳中主要的长英质岩浆源。

    根据对陨石学研究，推断地核所具有的铁镍成分，应该近似于一种铁陨石——古橄铁镍陨石。对金属进行的冲击压缩实验结果则表明，外地核（E层）处于液态或极为接近于液态，而且除铁镍成分外，还含有氧化铁；在这种情况下，铁镍熔浆的成分不超过84％～92％。在深度为4900～5150km范围内的过渡带（F层），推断主要是由二硫化铁，也即古橄铁镍陨石特有的化合物所组成的。有关内核（G层）的资料最少，但从地球物理分析的结果来看，它显然是由铁镍合金组成，并且是固态的。

    在地球内部不同深度，对其物相组成的研究还发现了一些重要的物质相变现象，它们也成为检验圈层结构划分方案的重要依据（表3-2）。

表3-2 地球内部不同深度的物相组成

    20世纪80年代以来，对地球内部结构的研究又有了很多新认识。比如，过去被认为是处处连续，横向均一的莫霍面，最新的地球物理研究结果表明并非如此。莫霍面不仅存在着明显的横向不均一性，在一些地方，如造山带的下面，甚至有可能出现多层。更有甚者，有人还提出莫霍面是一个动态的概念：在造山运动后，因为地壳均衡等因素的影响，早期形成的莫霍面还有可能逸走乃至消失。和这一新的认识相联系，还发现大陆地壳的垂向分异程度也超出了过去的推断。根据物质组分、结构和运动规律的差异，大陆地壳更合适的划分方案应以分为上、中、下三层结构。此外，在1999年，美国地学家通过高精度的地球内部测深资料，研究得出了地球内核的顶层也有可能是液态的结论。

    如果仅就整体结构特征来看，地球的同心圈层特征和一个鸡蛋差不多（图3-10）。地壳可以比作蛋壳，壳下的一层薄膜类似于软流圈；地幔好比蛋白，而地心则如同蛋黄一样位居地球的中央。
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