《宝石地质基础》03 地球的内部结构

地球的内部结构本节内容一、地球内部圈层的划分依据二、地震波速突变的主要界面三、地球内部各层圈的物质组成四、固体地球主要物理性质本节提示1、探测地球内部的圈层结构依靠地震波，由此而确定两个一级界面（即莫霍面和古登堡面）。2、根据一级界面，固体地球内部可分为地壳、地慢、地核三个圈层：地壳主要由低密度的富铝硅酸盐岩石所组成。地幔主要由中等密度固态富镁硅酸盐岩石组。地核主要由高密度的铁镍合金所组成，外核呈液态，内核呈固态。3、地磁与重力是在地表影响最明显的两种地球物理现象。1、地震波的传播速度与介质的密度成正比，2、地震波在不同介质界面会发生折射、反射，3、不同地震波在传播介质中表现形式不同。由此研究，揭示出地球的层圈构造。地震波可以提供地球内部构造的依据，原理是：一、地球内部圈层的划分依据地震波以波的形式通过岩石中的质点进行传播。地震波按传播的方式，分为三种：纵波横波表面波纵波，又称P波，推进波质点的传播方向与波的传播方向一致，在各种介质都能传播，在地壳中的传播速度是5.5-7.0Km/s。最先到达震中，上下振动，破坏性弱。横波，又称S波，剪切波质点的传播方向与波的传播方向垂直，只能在固体中传播，在地壳中的传播速度是3.2-4.0Km/s。到达震中，横向振动，破坏性强。表面波，也称L波由上述两种波在地表相遇后产生，仅沿介质间界面传播。其波长大、振幅大，传播速度小，振动方向兼纵、横波特点，是破坏建筑物的主要因素。二、地震波速突变的主要界面1、莫霍面（Moho）莫霍面：是划分地壳和地幔的界面，首先由南斯拉夫地球物理学家莫霍洛维奇于1909年发现的，而被称为莫霍洛维奇面，简称莫霍面（MohorovicicDiscontinuity）。该界面普遍存在于地表以下几Km-30、40Km，地震纵波波速在此界面上由6-7Km/s，向下突然升至8.1Km/s。古登堡面：是划分地幔和地核的界面，为纪念最早研究者美国的地球物理学家古登堡（1914）而命名。该界面出现在地表以下2900Km。地震横波在此消失，而纵波波速在此界面突然减慢，由13.64Km/s减至8.1Km/s。并且纵波通过古登堡面后，产生的折射在一定区间收不到纵波，表明地核表面存在液态物质。莫霍面和古登堡面是地球内部划分的一级界面，由此分成地壳、地幔和地核三个层圈，随后又陆续发现了以下三个界面。2、古登堡面（GutenbergDiscontinuity）3、康拉德面（ConradDiscontinuity）康拉德面：位于地壳内部，地震纵波波速表现出从6Km/s突变至6.6Km/s，是由康拉德（1925）首先发现的，故称康拉德面。根据地震波速推测分别相当花岗质和玄武质成分，故将此面叫做上部花岗岩层和下部玄武岩层。上世纪末，国际上开展的超深钻探计划，在俄罗斯科拉半岛12Km深钻孔揭示的地质依据，使地质学家对此面的存在与否产生怀疑？4、岩石圈和软流圈界面岩石圈：包括地壳和地幔顶部。地震横波的波速在地壳和地幔顶部一直处于逐渐加快的状态，在地下约60Km深度，速度逐渐降低（4.6Km/s），至150Km深达到最低（4.0Km/s），在250Km深度横波的波速又开始增速。由此认为：底下平均深度从50-250Km地带，物质由固态和液态组成的混合物，混合比大于90︰10，因含液态物质，相比上下固体状态显示塑性性质，故称之为软流圈。5、内地核和外地核界面在地核5120Km深处，纵波波速又由8.1Km/s增高到11Km/s，说明地核内部又出现物质状态的变化，据此，将地核分为液态外核和固态内核，两者间的界面是4703-5154Km深的过渡地带。除上述一些界面外，在地幔中900Km深处也出现地震波速的变化。因此，也可将地幔再分为上地幔和下地幔两部分。三、地球内部各层圈的物质组成地球内部各层圈的物质组成是通过地表观察、洋底考察、深海钻探、岩石包裹体、陨石和高温高压实验所获得的。1、地壳（Crust）目前认为：组成地壳的岩石主要是各种火成岩和变质岩，地壳表层覆盖着厚度不等的沉积岩。但是，各种岩石在大陆和大洋是有明显不同：大陆地壳（ContinentalCrust），简称陆壳。总的特征是：厚度大，平均35Km厚，高山区厚达60-70Km，平原区最薄20Km。平均成分为接近中性火成岩，向下变为深变质岩。时代老，构造复杂。大洋地壳（OceanicCrust），简称洋壳。总的特征是：分布广（占地壳面积的2/3），厚度小（平均7-8Km，变化范围5-10Km厚），主要由玄武岩组成，时代新。2、地幔（Mantle）地幔的物质组成是通过洋底考察、深海钻探、岩石包裹体和高温高压实验，结合地震波速资料获得。上地幔的岩石成分由55%的橄榄石、35%的辉石和10%的石榴石混合，经高温高压实验证实。其岩石相当于辉石橄榄岩，一般称地幔岩（Pyrolite）。下地幔因压力大、推测岩石组成中FeO、MgO含量更高，并且横向存在不均一的现象。3、地核（Core）地核的物质组成是通过物质的密度推测的，一般认为是铁和少量镍、硫的混合物，其密度应在10-11g/cm3。四、固体地球主要物理性质主要物理性质包括：质量：5．9472×1024kg密度：平均5．516g／cm3温度：分为变温层、常温层和增温层压力：与所处的深度、上覆物质的平均密度及平均重力加速度成正比。重力：随纬度有关。磁性：地磁轴与地球自转轴成11．5°角。弹塑性：变形地温梯度℃／100m地球的重力是地球对地表或地球内部物质的吸引力。地表物质除了重力外，还受地球自转产生的离心力、与地心的距离影响，赤道的重力为978.0318伽，两极为983.2177伽，理论重力值设为海平面为0米。因地球是个椭球体，自转离心力和离地心的距离随纬度而变，因而，重力也随纬度而变。1、重力由于地形高度、岩石密度的差异，都使重力偏离正常理论值，形成局部的重力异常。在海洋地质学，采用经高度校正的重力异常，即自由空气异常，它是经海平面校正后与理论重力值之差。一般高差每增减1米，重力差为0.3083毫伽。另一种重力异常称布格重力异常，地球的平均密度是5.517g/cm3，而花岗岩、玄武岩的密度分别是2.6g/cm3和2.9g/cm3，一般取地表平均值2.67g/cm3。海底重力测量首先是荷兰地球物理学家W.Meinesz在上世纪三十年代，在印度洋爪哇海沟进行的，他们发现了海沟有较大的重力负异常。根据地壳均衡原理：在地下一定深度以上单位面积内岩石柱的总质量相等。该深度称作补偿基准面，一般视为莫霍面或软流圈顶部，补偿的模式主要有两种：普拉特模式艾利模式。2、磁异常地球的磁性是由地核外层液态金属铁镍导体的对流、感应而自动激发产生的。地磁极和地理极的位置并不完全重合，两者的夹角称磁偏角。磁力线的方向也并非水平，北半球下倾而南半球上翘，其倾角随纬度而变，它与水平面的夹角称为磁倾角。岩石的磁性是由含铁磁性矿物引起的，当岩浆开始冷却时，其中的含铁矿物会结晶成固相，在温度降到居里点时便获得磁性（如磁铁矿的居里点是600℃），矿物获得的磁性会按当时的地磁场定向，矿物的这种磁性称之为天然剩磁。岩石的磁性研究始于陆地，法国地球物理学家B.布伦尼斯（1909）在测量法国中央地块玄武岩的天然剩磁时发现了磁性的倒转现象，1930年日本火山学家松山在研究本国的火山岩时，也观察到同样想象。如何解释？不外乎两个答案：磁极倒转——难以想象！大陆漂移——不能接受！因为A.Wegener大陆漂移的两条重要理论依据，花岗岩陆壳飘在熔融的玄武岩上发生漂移、飘移的驱动力来自极移力和潮汐引力均遭到否定。上世纪50年代以来，大陆上岩石古地磁的研究成果表明：研究的岩石中近一半是正向磁化，而另一半则是反向磁化。说明在漫长的地质历史中，地磁场南、北极的极性并不固定，而发生周期性的反转。极性反转现象是地磁场演化的一个基本特征，通常把保持一定地磁极性的大的时间段（约1Ma万年以上）称为极性期，把每个极性期内的短期转向时间称为极性事件。根据地磁场转向的先后顺序排列，结合岩石同位素年龄测定各极性期和极性事件的延续时间，就可以建立古地磁场转向年代表。复习思考题重要术语：莫霍面，软流圈，岩石圈，地温梯度，均衡原理思考题：1、为什么各处地温梯度值有高有低？2、地球内部有哪些重要的分界面？3、地壳与岩石圈有什么差别？END