第三章 地球的内部圈层
第一节  地球的内部圈层

一、地球内部圈层的划分

（一）划分依据

限于科学技术水平，人类可以直接观察到的地下深度十分有限。现在世界上最深的矿井仅4～5km，最深的钻井不过12.5km，即使是火山喷溢出来的岩浆，最深也只能带出地下几十到200km左右的物质。目前对地球内部的了解，主要是借助于地震波研究的成果。地震发生时，人们会感到地球在剧烈颤动，这是由于地震所激发出的弹性波在地球中传播的结果，这种弹性波就叫地震波（seismic  wave）。地震波主要包括纵波（P波）、横波（S波）和面波，其中对地球内部构造研究有意义的是纵波和横波（注：面波只沿地表传播）。质点的振动方向与地震波传播方向一致的波称纵波；质点的振动方向与地震波传播方向垂直的波称横波。地震波从地震的震源激发向四面八方传播，到达地表的各个地震台站后被地震仪所记录下来。根据这些记录，人们可以推断地震波的传播路径、速度变化以及介质的特点，通过对许多台站的记录进行综合分析研究，便可以了解地球的内部构造。所以，有人把地震比喻为地球内部的一盏明灯，它发出的地震波“照亮”了地球的内部。

地震波传播速度的大小与介质的密度和弹性性质有关，其关系可用公式表示为：

式中，vp、vs分别为纵波和横波速度，ρ为介质密度，K为介质的体变模量（即物体在围限压力下能缩小的程度，K值愈大物体愈难缩小），μ为切变模量（即物体在定向力作用下形状能改变的程度，μ值愈大物体愈难变形。体变模量和切变模量可统称为弹性模量）。

所以，地震波速的变化就意味着介质的密度和弹性性质发生了变化。纵波的传播速度高于横波，在同一介质中纵波速度约为横波速度的1.73倍。在液体中，由于切变模量μ=0，所以横波不能通过。

地震波的传播如同光波的传播一样，当遇到不同波速介质的突变界面时，地震波射线就会发生反射和折射，这种界面称为波速不连续面。假如地球物质完全是均一的，那么由震源发出的地震波都将以直线和不变的速度前进。但实际分析的结果表明，地震波总是沿着弯曲的路径传播并且不同深度的波速不一致，这表明地球内部的物质是不均一的。传播路线的连续缓慢弯曲表示物质密度和弹性性质是逐渐变化的，传播速度的跳跃及传播路线的折射与反射表示物质密度和弹性性质发生了显著变化。

（二）地球内部圈层的划分

地震波的传播速度总体上是随深度而递增变化的。但其中出现2个明显的一级波速不连续界面、1个明显的低速带和几个次一级的波速不连续面。

莫霍洛维奇不连续面（简称莫霍面，Moho  discontinuity）该不连续面是1909年由前南斯拉夫学者莫霍洛维奇首先发现的。其出现的深度在大陆之下平均为33km，在大洋之下平均为7km。在该界面附近，纵波的速度从7.0km/s左右突然增加到8.1km/s左右；横波的速度也从4.2km/s突然增至4.4km/s。莫霍面以上的地球表层称为地壳（crust）。

古登堡不连续面（简称古登堡面，Gutenberg  discontinuity）该不连续面是1914年由美国地球物理学家古登堡首先发现的，它位于地下2885km的深处。在此不连续面上下，纵波速度由13.64km/s突然降低为7.98km/s，横波速度由7.23km/s向下突然消失。并且在该不连续面上地震波出现极明显的反射、折射现象。古登堡面以上到莫霍面之间的地球部分称为地幔（mantle）；古登堡面以下到地心之间的地球部分称为地核（core）。

低速带（或低速层，low-velocity  zone）低速带出现的深度一般介于60～250km  之间，接近地幔的顶部。在低速带内，地震波速度不仅未随深度而增加，反而比上层减小5％～10％左右。低速带的上、下没有明显的界面，波速的变化是渐变的；同时，低速带的埋深在横向上是起伏不平的，厚度在不同地区也有较大变化。横波的低速带是全球性普遍发育的，纵波的低速带在某些地区可以缺失或处于较深部位。低速带在地球中所构成的圈层被称为软流圈（asthenosphere）。软流圈之上的地球部分被称为岩石圈（lithosphere）。

因此，地球的内部构造可以以莫霍面和古登堡面划分为地壳、地幔和地核三个主要圈层。根据次一级界面，还可以把地幔进一步划分为上地幔和下地幔，把地核进一步划分为外地核、过渡层及内地核。在上地幔上部存在着一个软流圈，软流圈以上的上地幔部分与地壳一起构成岩石圈。地球内部各圈层的划分、深度及特征见图3.2和表3.1。

表3.1  地球内部圈层结构及各圈层的主要地球物理数据
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