地球内部构造

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 地球内部构造,一 是表示地球内部各单元之间几何关系的结构，如分层、裂隙、断裂等；,二 是表示内部物质组成的岩石、矿物或化学成分等。,1,地球物理学的目标之一,就是利用地面观测和试验的各种地球物理场来推断地球内部深不可见的构造情况,.,2,1,地球的表面形态,地球表面最大的地形构划是海、陆的划分。海洋约占地球表面的,70%,。大陆和海底从宏观上看，都具有平面的特点，分别代表了两个高低不同的平台。大陆平台大致高,800m,左右，海底则以深四千多米的深海底为主体平面。两者相差约,5Km,左右。这个高差远远超过海、陆内部的一般相对高差。这一宏观的特征表明大陆和海洋的深部地质情况有区别。,3,“,阿波罗”,17,号,1972,年拍摄的地球照片,4,测深,地形测量,变形观测,5,Alfred Wegener (1880-1930),continental drift,6,7,陆地和海底都有许多线状的特殊地形，如大陆和洋底的山脉，海底的深沟等。它们之间的地带，则是相对较平坦的地块。,大陆上按形态和成因最具典型意义的地形单元为,呈线状延展的山脉、裂谷系和呈面状展布的平原、高原和丘陵等。,海底重要的地形单元为,洋脊、海沟、大洋盆地、岛屿和海山,等。,8,大陆和海洋之间的过渡带为大陆边缘,常包含有,大陆架,(continental shelf),、,大陆坡,(continental slope),和,大陆基,（,continental rise,）,大陆边缘,9,大陆架,是围绕大陆分布的浅水台地，是大陆在水下自然延伸的部分，表面平坦，平均坡度为,0,o,07,，靠近大陆的部分坡度稍大，平均达,0,o,12.4,。大陆架外缘有一坡度明显变陡的坡折线，坡折线的平均深度为,133m,，大陆架平均宽,5070Km,。大西洋的大陆架较宽一般为,100200Km,。北欧沿海、北冰洋的大陆架最宽，达,500Km,以上。,我国东部大陆架宽达,500Km,左右，是世界上较宽的大陆架之一。太平洋沿岸因有海沟，大陆架很窄，有的地方只有,48Km,。,10,大陆坡,:,大陆架坡折线以下为一较陡的斜坡，其平均坡度为,4.3,o,，最大可达,20,o,，宽度平均为,28Km,，坡脚的深度为,14003200m,左右。大陆坡是海底地形最复杂的地段，常常有许多通向大洋方向的深峡谷这些峡谷深可达数百米，两壁很陡可达,45,o,以上。是真正的海底峡谷，在形态上与大陆山区的峡谷。,大陆基,大陆坡脚坡度逐渐变缓，过渡为大洋盆地。这一过渡地带称为,大陆基,(continental rise),。,11,12,大陆边缘分类：,1,大西洋型大陆边缘,:,以扩张的大西洋为代表，,由大陆,大陆架,大陆坡,大陆基,大样盆地组,成，特点是没有海沟。,2,太平洋型大陆边缘,:,以南美洲西岸为典型，有海,沟，并在大陆上有与之并行的山脉。,由大陆,大陆边缘山脉,大陆架和大陆坡,海沟,大洋盆地组成，大陆架很窄。,3,日本海型大陆边缘,:,与太平洋类似，由岛弧代替了大陆边缘山脉，岛弧与大陆之间还有一片海域，称为弧后盆地,由,大陆,弧后盆地,岛弧,(,包括其旁侧很窄的大陆架和大陆坡,),海沟,大洋盆地,组成。弧后盆地可以是深海或,浅海，或过渡类型的海,(,边缘海,),。,13,2,地球的内部结构,?,14,(1),地球内部的圈层划分,根据,地震波,在地球内部传播规律的研究得出波速分布特征，将其与实验岩石学的高温高压测试资料相结合，发现地球内部相应深度处存在不同的波速与密度界面。这些结果成了推算,地球内部的密度分布状况，进而分析地球内部物理结构和物质分布特征的最基本的依据,。,15,1981,年国际地球物理联合会提出了一个初步的地球参考模型,(Preliminary Reference Earth Model),，简称,PREM,模型，具体将地球内部划分了三种级别的圈层结构,PREM,模型,16,17,18,19,地球内部的主要分层,名 称,深度范围,/km,物理状态,地壳,上地幔：,非地壳的岩石圈,软流圈,下地幔,过渡层,外地核,内地核,5,11(,大洋,),0,40(,大陆,),莫霍面到,150 km,150,670,670,2780,2780,2885,2885,5155,5155,6371,固态,固态,固态,固态,(,上部接近熔融,),固态,固态,(,较低的速度,),液态,固态,20,(,一,),大事件,1906,年奥尔德姆首先试图从地震波穿过地球的时间来推断整个地球的内部结构，他也是地核的发现者；,1909,年，莫霍洛维奇根据近震初至波走时，算出地下,56km,出存在一个间断面。后来发现绝大多数地区都存在这个间断面，平均深度约为,30 km,，称为“莫霍界面”，也就是地壳的底面；,1914,年古登堡根据地震体波的“影区”确认了地核的存在；,1936,年莱曼通过对体波“影区”进一步研究，发现液态的地核中还有一个固态的地球内核；,1996,年中国旅美学者宋晓东通过研究穿过地核的地震波，推断出内核旋转速度要比外核快。,21,地球划分出,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,，深度为,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，都有很大的区别。,22,根据更细致的分异特性，可以进一步将地球内部划分为,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，大陆地壳还可以再分为上、下两层地壳，即,A1,和,A2,；地幔的,B,层中则包含,3,个次级分层：,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,层中包含着两个次级分层，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。,23,地壳的厚度在全球各处是不均匀的。大陆之下，地壳平均厚度约为,33km,，但变化很大。世界屋脊,青藏高原下面的地壳厚度约为,70km,左右，而华北地区有些地方还不到,30km,。海洋下面的地壳厚度只有,58km,。,(,二,),地壳,24,全球地壳厚度分布,25,在大陆的稳定地区：,地壳约厚,3545km,，一般分为两层。上层中的,P,波速度由,5.86.4km/s,随深度递加到下层的,6.57.6km/s,，但递加的情况各处不同。在有些地区，上下层中存在着一个速度间断面，叫做,康拉德,(V,Conrad),间断面，或叫,C,间断面，但在另地区，速度随深度的增加是连续的。由地壳下部过渡到地幔一般是很快的，,P,波速度由每秒,7km,多在几公里深度之内就增加到,88.2km/s,。,26,在大陆造山带地区：,地壳构造比稳定地区复杂。地壳厚度较大并且还时常出现速度为,7.27.8km/s,的深部岩层。在有些地区，莫霍面并不明显，表明速度是连续变化的。在南美安第斯山和北美阿巴拉契亚山地区，地壳厚度约为,65km,在阿尔卑斯地区，厚度约为,55km,，在青藏高原，地壳厚度可达,70km,左右。这些地区的上层地壳一般是酸性的。速度为,6.0-6.5km/s,，厚约,2030km,，在这层下部，,有时还存在一个低速层,。在,30km,以下，速度连续由,6.5,增加到,8.2km/s,。,27,中国地壳厚度,28,海洋地壳的结构：,海水的平均深度约为,4.5km,。海底地壳主要有三层。,第一层是未凝结的沉积，,厚度变化很大，约,02km/s,。,P,波速度为,2km/s,。,第二层是孔隙度很大的玄武岩碎屑，,厚约,0.52km,，,P,波速度约,4.6km/s,。,第三层是海洋地壳的主要层次，,厚度和,P,波速度都比较均匀，各为,4.7,公里和,6.7 km/s,。一般认为这层直接覆盖在地幔之上，但也有人认为中间还有一夹层，厚约,3km,，,P,波速度为,7.4km/s,。,无论有无夹层，地壳与地幔之间的莫霍间断面仍有约不超过一公里的厚度。人工地震探测可测出它的细微结构。关于第三层的组成，现在多数人认为是一种铁镁质的岩石，与玄武岩很相近。,29,海岭和深海沟,海岭处没有末凝结沉积的第一层玄武岩质的第二层出露海底并且较厚，而第三层则较薄且逐渐过渡到地幔。此处地幔的速度特别低，,Moho,面也不明显。,海岭处具有高热流、低密度和低速度、玄武岩喷发以及结构的不均匀性等特点，是地幔对流上升的地带，此处发生着岩石的部分熔融和分异，形成新的玄武岩地壳并由海岭向外扩张。,深海沟和岛弧地区的地壳是不均衡的。在海沟向海的,边，,M,面急剧向下弯曲，地壳积累着很大的应变能，时常发生大的地震。,30,31,莫霍面作为一个明显的速度间断面，人们对它的性质的认识随着地球内部结构研究的不断深入越来越完善。起初，莫霍面被认为是处处连续、横向均一的，但是现在很多地球物理探测结果显示莫霍面是横向不均一的，间断的，甚至有些地区是不明显的,(,如海岭,),。在构造活动的,些造山带地区，莫霍面的形态不是,个单纯的速度间断面，而具有多层结构。莫霍面有一定的厚度，是一个速度梯度层。有些地区莫霍面可能是由,组高速和低速的薄层所组成，即莫霍面由薄层束或薄层组构成。,莫霍面的认识,32,莫霍面的成因：,一派认为地壳底部的岩石是辉长岩性质的，而地幔顶部则是榴辉岩性质的。莫霍面上下的岩石化学成份基本相同，只是结晶相不同，所以莫霍面是一个相变分界面。,另一派认为莫霍面是岩性界面，它把中等的铁镁岩石地壳与上地幔的超铁镁岩石,(,橄榄岩,),分隔开。目前，多数人倾向于第二种认识，即认为莫霍面是一个岩性的化学分界面。现在，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。,33,(,三,),地幔,地幔是指莫霍面至,2891km,深度处古登堡面之间的地球部分。和地壳、地核相比，地幔的物质密度介于前两者之间，但由于地幔的体积约占地球总体积的,82,，地幔的总质量在三者中是最大的，约占地球总质量的,67,。地幔可以分为上地幔,(B),、过渡层,(C),和下地幔,(D),三个部分。,34,1,上地幔,(B),又可分为次一级的三个层：即盖层,(B1),、低速层,(B2),和均匀层,(B3),。盖层的平均,P,波速度为,8.1km/s,，是固态，它与其上部的地壳一起构成岩石圈。,岩石圈地幔底界变化于,60220km,处，其下有一个地震,P,波速度减到平均,8.0km/s,的低速层,(B2),，低速带的成因很多学者用部分熔融或断层卸载来解释，认为它可能是大部分拉斑玄武岩浆的源区，对于上覆岩石圈构造活动和演化有重要影响。因此，地质学家又把这一层称为,软流圈,。岩石圈和软流圈是产生地质构造的主要源地，正因为如此，人们又把它们合称为构造圈。,35,软流圈在距地球表面以下约,100,公里的上地幔中，有一个明显的地震波的低速层，这是由古登堡在,1926,年最早提出的，称之为软流圈，它位于上地幔的上部。,在洋底下面，它位于约,60,公里深度以下；在大陆地区，它位于约,120,公里深度以下，平均深度约位于,60,250,公里处。,现代观测和研究已经肯定了这个软流圈层的存在。也就是由于这个软流圈的存在，将地球外圈与地球内圈区别开来了。,36,37,220400km,深度的上地幔下部为均匀层,(B3),，其中地震波,(P,波,),速度回升到,8.7km/s,，物质又变得致密、刚性，温度也回归正常增长范围。,38,2,过渡层,(C),地幔中在,400km,和,670km,深处存在,两个不连续面，其间称为地幔过渡层,(C,层,),。呈,固态，地震波速度变化梯度大。,3,下地幔,(D),，地幔中自,670km,深处的不连续面至地幔下界面,(2891km,深处的古登堡面,),之间的部分称为下地幔,(D,层,),。也呈固态，其下部地震波速度变化梯度大。,39,板块构造,岩石圈在软流圈上“漂移”,大洋中脊,扩张 海沟,汇聚,40,41,(,四,),地核,古登堡面以下至地心的部分叫地核，是地球的内圈。地核又可以分为外核,(E,层,),、过渡层,(F,层,),和内核,(G,层,),三个部分。地核与地幔的分界面，即,2891km,深处的古登堡面是尖锐的速度间断面，地震,P,波速度由地幔底部的,13.7km/s,突然降到地核顶部的,8.06km/s,，而,S,波不见了，密度则由,5.55,升到,9.90s/cm3,。外核,(E,层,),处于液态或极为接近于液态，过渡层,(F,层,),也是液态状态，波速变化梯度小，内核,(C,层,),则是固态。,42,奥尔德姆绘制的,P,波和,S,波走时曲线,(,上图,),和简单的穿过两层地球模型的波的路径,(,下图,),。,地核的发现者,奥尔德姆,(1858,1936,年）,43,地球内核的发现者,英格,莱曼,(1888,1993,年,),在研究记录太平洋地震的地震图时，发现不能用地球内部一般的模型解释地震波。这种波的一个例子在图中以箭头标示。莱曼认为如果该波是从小的地球内核反射出来的，其到时就能够得到解释。,44,我国留美学者宋晓东等发现，地球内核相对于地幔的快速差异转动，速率为,1,0,/,年,这一发现现仍有争议，许多研究说：地球外核相对于地幔的快速差异转动，速率为,0.15,0,/,年,45,46,3,、地球内部的物质组成,地球经过约,46,亿年的构造演化，演变成了具有复杂内部圈层结构的特殊的物理化学系统。各圈层之间又通过岩石圈板块运动、地幔对流和超级热幔柱,(Superplume),等来实现壳,幔,核之间的物质,能量交换。关于其内部物质组成的元素丰度，上地壳的成分可以直接观测，但是，下地壳、地幔，尤其是下地幔和地核几乎或根本没有直接观测的资料，因而判断其物质组成是非常困难的。为解决这一问题，许多学者都是借助于宇宙的丰度和已知的观测事实以及地球物理资料来构筑地球模型，届时主要考虑以下四个方面：,47,1,地球作为宇宙天体的一个成员，由宇宙物质演化而来，地球的元素丰度应与宇宙的元素丰度大致相同，因此可以根据宇宙丰度构成地球基本成分的简单模型（具体有陨石类比法等）；,2,地球基本成分及其分布必须符合深部地震资料所反映的物质密度，比重等物理参数（如地球物理类比法等）；,3,地球成分分布必须与地球总的质量和惯性矩相协调；,4,地球元素分布必须符合地球内部温度、压力分布的状况。,48,49,根据高温高压物理实验，获得了地球内部不同深度处物相组成变化的重要信息。组成地壳的基本单位是岩石。不同的地壳类型具有不同的岩石组成。大陆地壳若按两分的观念进行归纳。,上地壳：,主要由偏酸性的岩浆岩和沉积岩组成，在不同区域间岩石组成差异大，且岩石类型及岩石变质的程度也不相同；,下地壳：,主要由不同比例的长英质麻粒岩和镁铁质麻粒岩组成，岩石类型相对比较简单，但也是不均一的。大洋地壳中最主要的岩石类型为岩浆岩，其中又以基性火山岩,(,玄武岩,),为主，以及少量基性,中基性岩墙。大洋地壳的表层，还常覆盖着不同厚度的、末固结成岩的碳酸质或硅质、泥质沉积物。,50,地幔的最上部：,是由坚硬的硅酸岩石组成，它们和地壳一起构成了地球的岩石圈。依据地球物理资料和高温高压实验结果拟合，岩石由地幔,(B1),的镁硅酸岩矿物应为橄榄石，大洋地壳之下已观测到橄榄岩的存在。在上地幔的温压条件下，橄榄石、斜方辉石和单斜辉石是稳定的，因而，认为上地幔顶部可以看成是橄榄石和辉石的集合体，上地幔的低速层,(B2),可以用物质的部分融化来解释，如把低速层下面均匀底层和盖层,(B1),的物质没有很大区别，是固相超铁镁质和铁镁质岩石，也是大量碱性玄武岩岩浆的形成区。,51,过渡层,(C,层,),：,上界面,(400km,深,),深度的温度和压力条件下，斜方晶系的橄榄石变成等轴晶系的尖晶石，密度增加约,60,。至下界面,600km,深处，尖晶石分解成更重的氧化物，如方镁石,(MgO),、方铁矿,(FeO),和斯石英,(,一种比重达到,4.28,的高密石英,),。,下地幔,(D,层,),：,中硅酸盐矿物已转变成氧化物或具钙钛矿结构的硅酸盐，随深度增大惟一的成分变化表现为,FeO,含量的小幅度增高。下地幔的主要成分是,MgO,和,SiO,2,。其次是,CaO,和,Al,2,O,3,。,CaO,、,Al,2,O,3,在下地幔中的平均含量虽较低，但它们可能有一些富集区。,52,下地幔底部：,2000Km,范围,(,区,),内物质较上覆地幔致密，由于高热梯度导致其内物质小规模频繁对流，而且该区,Ca,、,Al,、,Ti,较上覆部分富集。上、下地幔的化学组成有变化，地幔内存在横向的化学不均一性，上地幔的结构和组成并不是简单的分层结构能概括的，反映出地幔内部也存在较复杂的物质,能量转变过程,53,地核：,中最主要的元素是,Fe,和,Ni,，所以地核常被称为铁镍核，但纯铁镍核与地核已知的地球物理资料不一致，它有太高的密度和太低的地震波速，因此地核中可能渗杂了较轻的元素。目前一般推测外地核,(E,层,),可能由液态铁组成，其中镍含量可能达,10,，并有大约,5,15,较轻的元素，如硫、硅、氧、钾、氢等。内地核,(C,层,),应为刚性很高的，在极高压,(3.3101161011Pa),下结晶的固体铁镍合金组成。,54,4,、固体地球各圈层之间的关系,固体地球各圈层之间存在物质组成和能量状态的差异，正是这种差异构成了各圈层间相互作用和物质能量交换的动力。,55,能量交换,地球的内能主要由内部温压状态所决定。我们知道，热量总是从高温区向低温区传递的，而地球内部温度分布状况为内高外低，所以，地球表面不断有从内到外的热量散发。地球内部的热可以通过,热传导、热辐射、激子,(,辐射激发的原子,),、,物质运动,(,如地下热泉、火山活动、岩浆活动以及地幔对流等,),等几种方式传递到地球表面。当然，这种热能的传递大小有明显的横向不均一性，具体体现在地表热流值的不均匀分布。,56,地球不同圈层之间的物质交换有多种方式，最主要的是地球的,物质循环过程,和,元素的迁移过程。,地球最大规模的物质循环是与板块构造运动分不开的，沿地幔热柱上升的玄武岩熔浆从大洋中脊涌出并冷却形成的洋壳，并在海沟处因俯冲作用被插入大陆岩石圈之下的软流圈，在地幔软流圈被加热并熔融，与地幔物质混合后重新加人地幔的对流循环。火山活动使幔源岩浆上升到地壳浅部或溢出地表，使地幔物质向地壳迁移。,物质交换,57,