地球科学概论第三章 地球的内部圈层

第三章地球的内部圈层第一节地球的内部圈层第二节地壳第一节地球的内部圈层一、地球内部圈层的划分二、地球内部的主要物理性质三、地球内部各圈层的物质组成及物理状态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。质点的振动方向与地震波传播方向一致的波称纵波；质点振动方向与地震波传播方向垂直的波称横波。一、地球内部圈层的划分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，了解地球的内部构造。地震波传播速度:与介质的密度和弹性性质有关，可用公式表示为：vp=vs=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)。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。纵波速度高于横波约1.73倍。在液体中，切变模量μ＝0，所以横波不能通过。34地震波的传播如同光波一样，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。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，M面)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；横波的速度从4.2km/s突然增至4.4km/s。古登堡不连续面(简称古登堡面，G面)位于地下2885km的深处,从上往下，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,且地震波出现极明显的反射、折射现象。低速带(或低速层)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；并且，局部地段横波消失。该圈层称为软流圈。软流圈以上为岩石圈。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。地球内部圈层结构及各圈层的主要地球物理数据二、地球内部的主要物理性质（一）密度目前对地球内部各圈层物质密度大小与分布的计算，主要是依靠地球的平均密度、地震波传播速度、地球的转动惯量及万有引力等方面的数据与公式综合求解而得出的。(1)地球平均密度5.516g/cm3（2）地表岩石密度2.7-2.8g/cm3（3）密度由地表向下是逐渐增加的。密度由表层的2.7-2.8g/cm3向下逐渐增加到地心处的12.51，并且在一些不连续面处有明显的跳跃，其中，在古登堡面从5.56剧增到9.98；在莫霍面从2.9左右突然增至3.32g/cm3。（二）压力指地球内部不同深度上单位面积上的压力，实质上是压强。压力与上方物质的重量（或质量）成正比；P＝ｈ×ρh×ｇh单位：帕Pa\Mpa(MPa读兆帕，1MPa＝106N/m2)地内的这种压力又称为静压力或围压：在地内深处某点，来自其周围各个方向的压力相等。地内的压力总是随深度向下连续而逐渐地增加的。例如，地壳的平均密度约2.75g/cm3,那么深度每增加1km，压力将增加约27.5MPa（二）压力（三）重力地球吸引力和离心力的合力就是重力。离心力相对吸引力来说是非常微弱的，其最大值不超过引力的1/288，因此重力的方向仍大致指向地心。地球周围受重力影响的空间称重力场。重力场的强度用重力加速度衡量，并简称为重力(单位为伽或毫伽：1Gal=1cm/s2=103mGal)地球表面各点的重力值因引力与离心力的不同呈现一定的规律性变化。重力值具有随纬度增高而增加的规律，赤道处重力值为978.0318Gal,两极为983.2177Gal,两极比赤道增加5.1859Gal。地球内部圈层结构及各圈层的主要地球物理数据重力在地球内部的变化（四）温度温度在地球内部的分布状况称为地温场。通常把地表常温层以下每向下加深100m所升高的温度称为地热增温率或地温梯度(温度每增加1℃所增加的深度则称为地热增温级)。地球表层平均地温梯度为3℃／100m.莫霍面处地温400-1000℃，在岩石圈底部约为1100℃，在上、下地幔界面约为1900℃，在古登堡面约为3700℃，地心处的温度约为4300-4500℃。通常把单位时间内通过地表单位面积的热量称为地热流密度。目前全球实测的平均地热流值为1.47×41.686mW/m2，大陆地表热流的平均值(1.46HFU)与海底的平均值(1.47)基本相等。地表热流值或地温梯度明显高于平均值或背景值的地区称为地热异常区。地热及地热异常的研究意义。（五）磁场地球周围存在着磁场，称地磁场。地磁场近似于一个放置地心的磁棒所产生的磁偶极子磁场，它有两个磁极，S极位于地理北极附近，N极位于地理南极附近。两个磁极与地理两极位置相近，但并不重合，磁轴与地球自转轴的夹角约为11.5°。磁极－磁赤道－磁子午线地磁场的磁场强度是一个具有方向(即磁力线的方向)和大小的矢量，为了确定地球上某点的磁场强度，通常采用磁偏角、磁倾角和磁场强度三个地磁要素。磁偏角是磁场强度矢量的水平投影与正北方向之间的夹角，即磁子午线与地理子午线之间的夹角。东偏---西偏磁倾角是磁场强度矢量与水平面的交角.磁场强度矢量指向下为正值，指向上则为负值。磁倾角在磁赤道上为0°；由磁赤道到磁北极磁倾角由0°逐渐变为+90°；由磁赤道到磁南极磁倾角由0°逐渐变为－90°。磁场强度大小指磁场强度矢量的绝对值。地磁场的强度很弱，平均为50μT；在磁力线较密的地磁极附近强度最大，为60μT左右；在磁赤道附近最小，为30μT。地磁场由基本磁场、变化磁场和磁异常三个部分组成。地磁场起源自激发电机假说认为,地磁场主要起源于地球内部的外地核圈层,由于外核可能为液态，并且主要由铁、镍组成，因此它可能为一个导电的流体层，这种流体层容易发生差异运动或对流。如果在地核空间原来存在着微弱的磁场时，上述差异运动或对流就会感生出电流产生新的磁场，使原来的弱磁场增强；增强了的磁场使感生电流增强，并导致磁场进一步增强。如此不断进行，磁场增强到一定程度就稳定下来，便形成了现在的基本地磁场。基本磁场的特征与起源假说：变化磁场：是起源于地球外部并叠加在基本磁场上的各种短期变化磁场。它只占地磁场的很小部分(＜1％)。这种磁场主要是由太阳辐射、太阳带电粒子流、太阳的黑子活动等因素所引起的。磁异常：是地球浅部具有磁性的矿物和岩石所引起的局部磁场，它也叠加在基本磁场之上。正磁异常－－－负磁异常磁异常的研究意义：找矿和揭示地质构造。（六）弹塑性弹性－弹性地震波、固体潮－－幅度7—8cm；塑性－地球扁球体、岩石褶皱变形等；弹性－塑性的转变关系：作用力大小、速度、持续时间长短；作用的温度、压力条件等。三、地球内部各圈层的物质组成及物理状态推断地球内部各圈层物质组成的主要依据：(1)根据各圈层密度和地震波速度与地表岩石或矿物的有关性质对比进行推测。(2)根据各圈层的压力、温度，通过高温高压模拟实验进行推测。(3)根据来自地下深部的物质进行推断。火山喷发和构造运动有时能把地下深部(如上地幔)的物质带到地表。(4)与陨石研究的结果进行对比。石陨石：密度3－3.5，由铁、镁的硅酸盐矿物组成，人们推测：相当于上地幔的岩石？铁陨石：密度8－8.5，由铁、镍组成的天然合金，人们推测：相当于地核的物质？铁石陨石：前二者的过渡型，相当于下地幔物质？地壳是莫霍面以上的地球表层。其厚度变化在5-70km之间。其中大陆地区厚度较大，平均约33km；大洋地区厚度较小，平均约7km；总体的平均厚度约16km。占地球总体积的1.55％，占地球总质量的0.8％。地壳物质的密度一般为2.6－2.9g/cm3。为固态岩石组成。有三大类岩石地幔是地球的莫霍面以下、古登堡面(深2885km)以上的中间部分。厚度约2850km，占地球总体积的82.3％，总质量的67.8％,是地球的主体部分。从整个地幔可以通过地震波横波看，它主要由固态物质组成。根据地震波的次级不连续面，以650km深处为界，可分为上地幔和下地幔两个次级圈层。上地幔：密度3.5，物质相当于石陨石，由铁、镁的硅酸盐矿物组成，称地幔岩(相当于地表见的超基性岩)；上部存在软流圈，少部分熔融(1－10%)。下地幔：密度5.1，上地幔的铁、镁的硅酸盐矿物可能已分解为简单氧化物。主要有FeO、MgO、SiO2和Al2O3等，含Fe量增多。地核是地球内部古登堡面至地心的部分，体积占16.2％，质量却占31.3％。地核的密度达9.98～12.5g/cm3。物质相当于铁陨石，即由铁、镍组成的天然合金（有磁性）。可能含少量轻元素。地核可进一步分为三层：外核(深度2885～4170km)：根据横波不能通过，纵波发生大幅度衰减的事实推测其为液态。过渡层(4170～5155km)：过渡层则为液体—固体的过渡状态。内核(5155km至地心)：横波又重新出现，说明其又变为固态；宇宙、太阳系、地球、地壳主要元素的平均质量百分比第二节地壳一、地壳的物质组成二、地壳的类型三、地壳的重力异常与重力均衡一、地壳的物质组成地壳是由各种固体岩石组成的，而岩石则是各种矿物的集合体，矿物又是由各种化学元素结合而成。（一）元素在地壳中的分布已知地壳中大约存在有92种元素。这些元素在地壳中的含量和分布都是极不均匀的。含量不均匀表现在不同元素在地壳中所占的质量百分比是极其不同的;分布不均匀表现在同一种元素在地壳的不同地区或地点含量并不完全一致。当一些有用元素在某一地区高度富集时便形成矿产。地质学上把元素在地壳中的平均质量百分比称为元素的克拉克值。而某一地区某种化学元素的质量百分比称为该元素的丰度值。地壳中10种最主要化学元素的克拉克值由大到小依次是O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg、Ti、H，它们共占地壳总质量的99.96％，其中O、Si、Al、Fe四种元素即占88.13％。氧硅铝铁钙OSiAlFeCa46.0527.888.135.173.65钠钾镁钛氢NaKMgTiH2.782.582.060.620.14地壳主要元素的平均质量百分比(二）矿物1．矿物的概念矿物是地壳中天然形成的单质或化合物，它具有一定的化学成分和内部结构，因而具有一定的物理、化学性质及外部形态。自然界大多数矿物是由两种以上的元素组成的化合物，如石英(SiO2)、方解石(CaCO3)、磁铁矿(Fe3O4)等；少数是由一种元素组成的单质矿物，如自然金(Au)、自然硫(S)、金刚石(C)等。在通常状况下，绝大多数矿物是固体，只有极少数是液体(如自然汞(Hg)、水(H2O)等)。矿物的各种特征不仅与它的化学成分相关；更受到它内部结构（或构造）的控制；固体矿物按其内部质点的结构不同可分为晶质矿物和非晶质矿物两类。晶质矿物的内部质点(原子、离子或分子)呈有规律的排列金刚石石墨即使是化学成分相同的物质，在不同的温度、压力等地质条件下可以形成不同的晶体结构，从而成为不同的矿物，这种现象称为同质多象。晶质矿物在有利的条件下都能生长成规则的几何多面体外形，这种几何多面体称为晶体，包围晶体的平面称晶面。晶体的大小不等，小的可以是几微米到几毫米，大的可以达几十厘米甚至几米以上。由于仪器观测精度越来越高，过去许多以为是非晶质的矿物，其实是晶体微小的“隐晶质”原来被列为非晶质矿物的种数变得越来越少非晶质矿物随时间增长可自发转变为晶质矿物非晶质矿物的内部质点排列无规律，颇类似于液体，可以说是硬化了的液体，它在外形上常表现为均一的、无颗粒的不定形凝固体面貌。自然界中绝大多数固体矿物是晶质矿物，只有少数