地球科學(xué)原理之三：地球構(gòu)造
作者：廖永巖 編輯：探礦者
我們上一回介紹了地球的形成，這里，我們?cè)賮矸治鲆幌碌厍虻臉?gòu)造。
經(jīng)過近46億年的演化，地球形成了現(xiàn)在的大氣圈、水圈、生物圈、固體地球等圈層。
1.1 地球的基本圈層
1.1.1 大氣圈
大氣圈為包圍地球的空氣總體。大氣總質(zhì)量約占地球總質(zhì)量的百萬分之一，總質(zhì)量的99.9%集中在大氣圈下部48km以內(nèi)。按熱力性質(zhì)，可將大氣圈分為對(duì)流層、平流層、中間層、熱層和外逸層。
1.1.2 水圈
水圈是地球表層水體的總稱。水體是水的聚集體，如海洋、湖泊、河流、沼澤、地下水、冰川、積雪和大氣中的水。這些水形成一個(gè)斷斷續(xù)續(xù)圍繞地球表層的水殼，即水圈。假設(shè)地殼是一個(gè)平坦的球面，若將水圈中的水均勻地平鋪在地球表面上，那么地球?qū)⑹且粋€(gè)被2700m深的水所覆蓋的“水球”。
全球海洋總面積約占地表總面積的71%；全球海洋總水量占地球總水量的97%以上。因此，海洋是水圈的最大水體。海洋的中心主體部分稱為洋，邊緣附屬部分稱為海，海與洋彼此溝通組成統(tǒng)一的世界大洋。世界大洋分為太平洋、大西洋、印度洋和北冰洋。
1.1.3 生物圈
地球表層的大氣圈、水圈和巖石圈中適于生物生存的范圍就是生物圈。水圈中幾乎到處都有生物，在深度超過11000m的海溝最深處，還能發(fā)現(xiàn)深海生物，但生物主要還是集中在表層和淺水的底層。大氣圈中的生物主要集中在下層，即與巖石圈的交界處，但在高達(dá)22000m的平流層中，也發(fā)現(xiàn)有細(xì)菌和真菌。在巖石圈中，大多數(shù)生物生存在地下幾百m的土壤上層，但在地下2500-3000m處的石油中，也發(fā)現(xiàn)有石油細(xì)菌。無論如何，就厚度而言，生物圈只占地球表面薄薄的一層（馬宗晉等，2003）。
1.2 固體地球的圈層結(jié)構(gòu)
1909年莫霍洛維奇（Mohorovì?i?, 1909）根據(jù)近震初至波的走時(shí)，算出地下56km深處存在一間斷面，其上物質(zhì)的波速為5.6km/s，其下為7.8km/s。后來稱這一間斷面為莫霍面或M界面，它在絕大多數(shù)地區(qū)都存在。這個(gè)面以上的圈層稱為地殼。
1914年古登堡（Gutenberg）根據(jù)地震波走時(shí)，測(cè)定出在2900km深度處存在一間斷面，其下的部分為地核，其上直至地殼底部的部分為地幔。這一間斷面就是核-幔界面或核-幔邊界（CMB），其深度至今一直沿用2900km（Gutenberg, 1959）。
萊曼（Lehmann, 1936）根據(jù)通過地核的地震縱波走時(shí)，首先提出在地核內(nèi)部還存在一個(gè)間斷面，由此又將地核分為內(nèi)核和外核。后來，古登堡（Gutenberg, 1959）和杰弗瑞斯（Jeffreys, 1962）相繼證實(shí)了萊曼的假設(shè)，并得出內(nèi)核的半徑在1200-1250km間。因此，內(nèi)、外核邊界（ICB）的深度約為5100km。進(jìn)一步觀測(cè)研究表明，外核不能傳播S波（橫波），而內(nèi)核可以傳播S波，并根據(jù)地球潮汐和地球自由振蕩所得地球剛性，推斷外核為液態(tài)，內(nèi)核為固態(tài)（馬宗晉等，2003）。
布倫（Bullen, 1963, 1975）根據(jù)地球內(nèi)部地震波的速度分布，將固體地球分為7層。地殼為A層；地幔為B、C、D三層；外核為E層；內(nèi)、外核的過渡區(qū)為F層；內(nèi)核為G層。
1914年，美國地質(zhì)學(xué)家巴雷爾（J. Barrell, 1914）根據(jù)地殼均衡理論推測(cè)地球深處存在塑性層，因而，首先提出把地球上部剛性部分中巖石圈（層），其下塑性較大的部分叫軟流圈（層）。1926年古登堡發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)卣鸩ㄍㄟ^100-200km深度時(shí)，P波（縱波）速度由8.1-8.5km/s減慢到7.2-7.8km/s。后來，其它學(xué)者也發(fā)現(xiàn)過類似現(xiàn)象。1960年5月的智利大地震，提供了上地幔內(nèi)的低速層（LVZ）可能具有全球性質(zhì)的證據(jù)。這樣，把地球表面至低速層，包括地殼和上地幔上部的部分稱為巖石圈，而將其下的低速層稱為軟流圈，此構(gòu)造分層概念得到普遍承認(rèn)，并成為板塊構(gòu)造學(xué)說的立論基礎(chǔ)之一。于是，對(duì)地球內(nèi)部的圈層劃分又有了巖石圈、軟流圈、中圈和地核的劃分方案，中圈指軟流圈底至核-幔邊界的地幔部分。有的學(xué)者則將地殼和上地幔稱為構(gòu)造圈，認(rèn)為地球這個(gè)部分是內(nèi)力地質(zhì)作用-構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、巖漿活動(dòng)和變質(zhì)作用的直接起因。
地殼是莫霍面之上的地球最外層。無論是厚度還是成分，地殼都是很不均勻的。最明顯的差別是在大陸地殼和大洋地殼之間。因此，一般將地殼分為大陸型地殼和大洋型地殼兩大類。平均而言，大陸地殼比大洋地殼厚，比大洋地殼老，也比大洋地殼的密度小。就化學(xué)和礦物成分而言，這兩類地殼也明顯不同。
地震波及其他的地球物理探測(cè)都表明，上地幔的地球物理場(chǎng)的分布，例如重力場(chǎng)、地震波速度分布和電導(dǎo)率等，在縱向和橫向上都具有非均質(zhì)和非均勻特性。這一特性可以延伸到上地幔深部，甚至全部上地幔（安德森，1993）。
人類生存的地球，是一個(gè)有水、有氧氣、有有生命的獨(dú)特星球。為什么太陽系8大行星，僅只有地球具有這些特征？人類對(duì)地球知之甚少。為了使地球科學(xué)研究更有效，我們地球工作者該怎么辦？當(dāng)今的地球科學(xué)，對(duì)我們提出了什么要求？且聽下回分解。
未完，待續(xù)。
下回預(yù)告：地球科學(xué)原理之四 做一個(gè)“博地”學(xué)家
參考文獻(xiàn)
安德森 D. L. 地球的理論. 北京: 地震出版社.1993.
馬宗晉，杜品仁，洪漢凈.地球構(gòu)造與動(dòng)力學(xué). 廣州: 廣東科技出版社.2003，1-130
Barrell J. The status of hypotheses of polar wanderings. Science, 1914, 40: 333-340
Bullen, K. E. The Earth's density. New York: John Wiley & Sons. 1975. 1-420
Bullen, K. E. An index of degree of chemical inhomogeneity in the earth. Geophys. J., 1963, 7: 584-592
Gutenberg B. Physics of the earth's interior. Internat. Geophysics Ser., Ⅻ. New York: Academic Press. 1959. 1-240
Jeffreys H. The Earth (4th edition). Cambridge: Cambridge University Press. 1962.
Lehmann I. Publ. Bur. Cent. Assoc. Int. A, 14: 87-115. 1936
Mohorovì?i?. A. Das Beben vom 8, Ⅹ, 1909. Jahrb. Des Meteoroiogischen Observ, (Zagerb), 1909
（注：本“地球科學(xué)原理”系列，是根據(jù)廖永巖著，海洋出版社（2007年5月）出版的《地球科學(xué)原理》一書改編而來，轉(zhuǎn)載者請(qǐng)署明出處，請(qǐng)不要用于商業(yè)用途）
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