地球的结构构造

第三章地球的结构构造第一节地球的层圈划分第二节地球的外部层圈第三节地球的内部层圈第四节岩石圈的基本特征第一节地球的层圈划分•地球具有圈层结构。•每个圈层都有自己的物质组成、运动特征和物理、化学性质。•对地质作用各有程度不同的、直接或间接的影响。•以地表为界分为内圈和外圈，它们又可再分为几个圈层。一、地球外圈及其划分依据地球表面以上，根据物质性状可以分为大气圈、水圈和生物圈。它们包围地球，各自形成连续完整的圈层。大气圈•无线电探空气球、人造气象卫星，或借助太阳辐射、宇宙线等粒子与大气起作用--------大气圈的内部理化状态。•宇宙飞船--------高空大气层。水圈•陆地水体了解得比较多，•对于海洋水体，20世纪初开始用回声测深仪、超声波回声测深仪测量海水深浅的连续曲线，还能够反映海底物质的性质，采用重力测量和地震测量了解海底地壳的结构。60年代以来，广泛使用深水潜艇和海底照相，不仅可以取得的海水样品，而且还可以拍摄不同深度的生物活动状况；捕取生物标本。•对冰层下部的了解不够，还只能用物探方法取得一些间接资料。•对生物习性和演化逐步有了系统的认识。•大半采自大气下层和水圈以及岩石上层，没有把全球各地的生命物质都全面采样，•另外，高山、荒原、密林、沙漠等人迹罕到的地方的生物活动情况了解不够，它们的地质作用还不太清楚。生物圈二、研究地球内部状况的依据地球的半径为6371公里，目前最深的钻孔不过10公里左右，只能根据地表附近得到的有关资料进行分析推测地球内部的物质成分和物理特点，主要是根据宇宙地质、地质学及地球化学、地球物理三方面的综合研究。(一)宇宙地质的依据太阳系内其它天体的物质成分可以作为推断地球内部物质成分的参考。最有实际意义的是其它星体的碎块----陨石。其成分三类：•铁陨石为铁镍的天然合金，是含有相当数量镍的铁的硫化物。•石陨石主要由橄榄石、辉石等铁镁硅酸盐矿物组成。•铁石陨石为上述两种的过渡类型。“球粒陨石”，其成分属含铁的石陨石。地球内部成分与铁陨石和石陨石大致相当，为铁镍和接近超基性的岩石。(二)地质学及地球化学依据1、根据地质学研究，来自深源的岩石性质表明，地球深部应是超基性岩或类似的岩石。•超基性岩，常常沿一些深大断裂分布，•含金刚石的金伯利岩，原生的金刚石产于金伯利岩中。金刚石的生成要求：T=1100—2200°C，P=5万个大气压D=150公里。所以金伯利岩肯定源于150公里以下。•金伯利岩中榴辉岩包体，也是深源岩石。•玄武岩中的橄榄岩包体，富镁。2、一些地球化学标志可以证实地质推断某些稳定同位素的比值，其中研究较多的是O、S、C、Si和H等。地球内部物质应当也具有同一比值，地球表层物质则因经历了后来的各种地质作用，可能会产生同位素的分异，使比值改变。(三)地球物理依据最有意义的是重力学和地震学，它们可以用来推断地球内部结构、状态和物理性质。一、大气圈(atmosphere)1、大气圈是包围着地球的气体，厚度在几万公里以上，以地球表面的大气最稠密，向外逐渐稀薄，过渡为宇宙气体，没有明确的上界。2、大气圈总质量约5.136×l021克。3、大气密度和压力与温度和高度成反比。4、大气成分随高度而不同。100公里高度以下的大气是空气，由18种气体混合组成，主要成分是N2和O2，次要成分CO2、O3、H2O等。第二节地球的外部圈层5、根据大气温度、密度等大气物理特征可以把大气圈自上而下分为：•外逸层•热成层（85--360）•中间层（50--85km）•平流层（9or18—50km）•对流层（0—9or18km）与我们关系最密切的是对流层，其次是平流层。臭氧在平流层下部（20—35km）最集中。二、水圈(hydrosphere)赋存方式与状态水圈是地球表层的水体，陆地水和海洋水是水圈的两大组成部分，此外在大气下层和生物中也含有水分。它们的物质成分和物理性质是有差别的。1、水圈的化学成分•盐度(salinity)----l公斤水中所溶解的全部盐类的重量称为盐度。•淡水----盐度小于0.3‰，•半咸水----盐度大于0.3‰，小于24.695‰。•咸水----盐度大于24.695‰。•海洋水的平均盐度为35‰。•河水和泄水湖水总是淡水，因为流动的水不易集中大量盐分，不泄水湖大都是咸水，而且盐度相当高。•海洋咸水与陆地淡水溶解盐分比例不相同。海洋咸水主要盐分Cl-＞SO42-＞HCO3-Na+＞Mg2+＞Ca2+；陆地淡水主要盐分HCO3-＞SO42-＞Cl-Ca2+＞Na+＞Mg2+。2、水圈的物理性质(l)、密度大小决定于盐度、温度和压力。(2)、压力随深度增加而增大。(3)、温度主要来自太阳辐射热。(4)、比热比固体的大几--几十倍，因而有很大热容量，可以调节气温。(5)、颜色和透明度与光线有关系，水体在不同深度吸收不同的太阳光谱线。三、生物圈(biosphere)生物圈是地球上生物生存和活动的范围，包括动物、植物和微生物。在大气圈10公里高空、地壳3公里深处和深海底都发现有生物存在，大量生物集中在地表和水圈上层。1、生物的分布•生物分布很广但不均匀，在阳光、空气和水分充足而温度适宜的地区生物多，反之则少。•不同的自然环境(高山、平原、深海、浅海、极地、沙漠等)有不同的生物组合和生态特征。•按照“推今及古”的原则从古代生物遗骸的生态特征来推断当时当地的自然环境。必须根据生物组合的共性推断。2、生物圈的成分•生物圈的化学成分----极其丰富，最主要的是氧、碳、氢、氮四种元素，其次为钙、钾、硅、镁等，它们具有重要的生物化学功能。•生物地质作用----生物圈使自然界(大气、水、岩石)的各种元素（特别是碳、氢、氧、氮等元素和一些金属元素）不断通过生物光合作用和呼吸作用产生复杂的化学循环，使地表物质成分变化。第三节地球的内部层圈•大量天然地震波传播方向和速度的研究表明，地震波在地内传播的速度在横向和纵向上都有变化。•地壳或岩石圈里波速的横向变化明显，表明地壳结构复杂和成分不均匀。•更深处横向变化小，纵向变化大，并且在几个深度上波速有较明显的变化，说明地球内部物质呈同心圈层结构。地震波传播速度愈深愈大，在某些深度还有突变。地震波速度变化明显的深度，反映该深度上下的地球物质在成分或（和）物态上有改变，这个深度就可作为上下两种物质的分界面，地球物理学上叫它为不连续面或叫界面(discontinuity)。地球内部有两个波速变化最明显的界面：•第一个界面（VP为7.6/8.0km/s，VS为4.0/4.4km/s）深度不一致，大陆区深，可达70公里；大洋区较浅，最浅不足5公里，是南斯拉夫地球物理学家莫霍罗维契奇于1909年发现的，称(Mohorovicicdiscontinuity)，简称莫霍面(Moho)。•第二个界面（VP为13.32/8.1km/s，VS为7.11/0km/s）深度在地表下约2900公里处，是美国地球物理学家古膝堡于1914年提出的，称(Gutenbergdiscontinuity)，简称古膝堡面。根据这两个界面把地球内部分为三大圈，即地壳、地幔和地核。再根据次一级界面把地壳分为上地壳和下地壳、地幔分为上地幔(又分两层)和下地幔，地核分为外核、过渡带和内核。A（地壳）、B（上地幔上部）、C（上地幔底部）、D（下地幔）、E（外核）、F（过渡带）、G（内核）。一、地壳(crust)地壳由固体岩石构成，下界为莫霍面。地壳的厚度变化很大，大洋地壳较薄，最厚约9公里，最薄处不到5公里，平均厚6公里；大陆地壳较厚，最厚处可达70公里(如青藏高原)，平均厚33公里。地壳下界起伏不平，平均厚度约16公里。地壳由上、下两层组成，其间有一个次级的界面叫康拉德面(ConradD．)，这个界面并不到处都存在。1、上地壳叫硅铝层(sial)主要成分是氧、硅、铝等轻元素，主要岩石为酸性的岩浆岩和变质岩，如花岗岩、片麻岩等，也叫花岗质层(graniticlayer)。这一层只有大陆壳才有，大洋壳缺少此层，因此呈不连续分布。平均厚度约10公里。2、下地壳叫硅镁层(sima)主要成分是氧、硅、铁和镁，岩石为基性岩，如玄武岩，故又称为玄武质层(basalticlayer)。大陆下面和大洋下面都有这一层，但陆壳硅镁层的成分不如洋壳硅镁层均匀而混合有大量变质很深的中酸性岩成分，硅镁层厚度不一致。最新的研究表明，大陆下地壳可能相当于闪长质或花岗闪长质。二、地慢(mantle)在地壳下面，介于莫霍面和古膝堡面之间，厚度2800多公里。根据地震波速变化以1000公里深度为界分为上、下两层。1、上地幔(uppermantle)在莫霍面以下至1000公里深度之间，主要成分是超基性岩，证据有三：(l)实验研究表明，橄榄石55％+辉石35％+石榴子石10％，在高温高压下传播地震波的速度和密度与天然地震波速和地幔密度可对比，因此命名为地幔岩(pyrolite)；(2)火山喷出物中有超基性岩，这种岩石在地壳中很少存在，应存在于地幔内；(3)根据陨石成分比较，陨石有铁陨石、石铁陨石和石陨石三类，•铁陨石相当于地核成分，•石铁陨石相当于下地幔成分，•石陨石则相当于上地幔成分，尤其是球粒陨石主要是超基性岩成分。上地幔成分相当于一份玄武岩加三份纯橄岩，主要矿物为辉石和橄榄石。上地幔波速有变化，在60--250公里间迅速减低，在100--150公里间波速最低，60--250公里间波速减低的这一带叫低速带(lowvelocityzone)，其顶界和底界的深度不很确定。•在400公里处有一次增速，到650--700公里又有一次较明显增速。通常把400公里界面做为上地幔B和C两层的分界。•B层以60公里为界分出B’层和B’’层。低速带属B”层，B’层为固体岩石，是超基性岩。•低速带内温度较高，接近岩石熔点，但大多并未熔化，只有局部区域，不传播横波，表明为液态区，可能是岩浆发源地。B”层在成分上与B’’层没有差别，只有物态上的不同。400--1000km为C层。以650km为界又分为C’和C”两层。•在400公里上下一厚度不大的带内，波速和密度均迅速增加，这是由相变引起的，橄榄石和辉石在高温高压下发生晶体结构变化，即相变，橄榄石晶体的原子结构由疏堆集结构变成密堆集结构。650--700公里的波速又有明显增加，在这个深度的温度压力下，橄榄石和辉石分离成密度很大的简单氧化物，如MgO、FeO和SiO2，属于高压型矿物。2、下地幔(Lowermantle)从1000公里到2900公里深度，波速增加较慢，是压力增加而成分均匀的原故。相变完全停止，矿物仍是MgO、FeO和SiO2，铁的含量稍增。2750公里到2900公里间100多公里范围有波速较低而密度较高的D”层，是地幔向地核急剧转化的前奏。三、地核(core)•地核以古膝堡面与地幔分界，在2900公里以下，厚度3471公里。地震波速急剧降低，横波中断，表明物质发生巨变。•根据地震波速度变化可把地核分为三层，以4640公里和5120公里两个二级界面分为：外核、过渡层和内核三个次一级圈层。1、外核(outercore)由于纵波速度急剧降低，横波不能通过，说明刚性为零，是液体。2、过渡层(transitionlayer)波速变化复杂，测到速度不大的横波，是液态开始向固态过渡的象征。3、内核(innercore)测得纵波和横波，是固体。地核的成分主要为铁、镍等。证据一：相当于铁陨石的成分，即主要是铁，含镍5—20％；证据二：地磁来源于地核，也证明地核应由高磁性的铁镍所组成；证据三：冲击波的试验成果。瞬时高压下测定铁、镍传播地震波速度和密度类似于地核。四、软流圈(asthenosphere)岩石圈(1ithosphere)（一）软流圈的定义软流圈是上地幔中的一个层圈(B”层)，其深度大约为60—400公里左右，震波在穿过莫霍面后波速突然增高，但到60—400公里深度区间又有下降，然后逐渐上升至正常。这一低速带即软流圈。由于低速带塑性较大，给其上固体岩石的活动创造了条件，因此，构造地质学家把该低速带叫软流圈。（二）软流圈的特点1、最