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地球内部结构示意图(地球内部结构圈层图示)

地球内部结构是什么? 地球内部结构人类能直接观测到的地下深度是很有限的,因为当今世界上最深的钻孔只有离地面12…

地球内部结构是什么?

地球内部结构人类能直接观测到的地下深度是很有限的,因为当今世界上最深的钻孔只有离地面12公里,只达到6370多公里地球半径的极小部。要探测更深的地区,必须借助于间接的方法。18世纪,人们通过地球密度的计算,大致求得了地球的平均密度为5.52克/立方厘米,这比地表岩石的平均密度2.67克/立方厘米大得多。人们从这里得到启示:地球内部藏着更重的东西。随着地球物理科学的发展,人们找到了比较有效的研究地球深处的手段,其中最重要的是地震波。地震可以震撼山岳,动摇大地,破坏各种建筑设施,造成很大损失。但也可利用它为人类服务。人们利用地震的辐射波,来辨别地球内部物质的密度、成分和温度等概况。地震波包括纵波和横波两种,纵波在固、液、气体中都能畅通无阻,而横波只能在固体中传播。而且密度大,传播快,密度小,传播慢。科学家们在地球内部33公里和2900公里两处,分别发现地震波传播速度急剧变化,说明在这两个地方,物质差异很大,存在两个间断面,位于33公里处的称莫霍面,这个面以上是地壳,以下是地幔,位于2900公里处的称古登堡面,这里是地幔同地核的分界面。这两个面把地球内部分成层次分明的三个主要同心层,即地壳、地幔和地核。地壳厚度在大陆和海洋分布不均,陆壳平均厚度约30多公里,洋壳仅5—8公里,密度为地球平均密度的1/2。陆壳上层为花岗闪长岩和闪长岩之间,下层可能是麻粒岩和闪岩,海洋地壳是橄榄岩。地幔分上地幔和下地幔,其物质主要成分可能是同橄榄岩相似的超基性岩。地核分为外地核和内地核。外地核可能是液体,地震波在这里消失;内地核可能是固体,这里又出现横波。外地核与内地核之间是过渡层。地核体积只占地球总体积的16.2%,但它的质量为地球总质量的31%以上。主要成分为铁、镍等金属。尽管人类通过地震波,对地球内部作了许多深入研究,得到了不少结论,但这种研究结果毕竟是间接推测到的。有许多结论是假说,还有许多看法有分歧,如地核、地幔的物质组成,地核的温度,地壳、地幔和地核的分层的形成原因等,仍然是不解之谜。

地球内部结构示意图(地球内部结构圈层图示)插图

地球内部结构是什么样的?

今天探测器可以遨游太阳系外层空间,但对人类脚下的地球内部却鞭长莫及。目前世界上最深的钻孔也不过12公里,连地壳都没有穿透。科学家只能通过研究地震波、地磁波和火山爆发来揭示地球内部的秘密。一般认为地球内部有四个同心球层:内核、外核、地幔和地壳。地壳实际上是由多组断裂的,很多大小不等的块体组成的,厚度并不均匀。大陆地壳平均厚约30多公里,海洋地壳仅5~8公里。地壳上层为花岗岩层,下层为玄武岩层。理论上认为地壳内的温度和压力随深度增加,每深入100米温度升高1℃。近年的钻探结果表明,在深达3公里以上时,每深入100米温度升高2.5℃,到11公里深处温度已达200℃。目前所知地壳岩石的年龄绝大多数小于20多亿年,即使是最古老的石头——丹麦格陵兰的岩石也只有39亿年;而天文学家考证地球大约已有46亿年的历史,这说明地球壳层的岩石并非地球的原始壳层,是以后由地球内部的物质通过火山活动和造山活动构成的。地幔厚度约2900公里,主要由致密的造岩物质构成,是地球的主体。放射元素大量集中在此,将岩石熔化。故此层可能是岩浆的发源地。地核的平均厚度约3400公里,外核呈液态,可流动。内核是固态的,主要由铁、镍等金属元素构成。中心密度为每立方厘米13克,温度最高可达5000℃左右,压力最大可达370万个大气压。

地球内部结构是怎样的?

在中学地理课本中,我们了解到地球由地壳、地幔、地核三部分组成,然而截至目前来说,我们对地球的认识还是很肤浅的。尽管科技一直在发展,但我们目前能“触摸”到的还只是地球表面薄薄的一层壳。“地球中空”假说地球的最高峰珠穆朗玛峰的高度为8848米,而最深的勘探井深约12千米。对比这些数字,我们会发现,人们可以直接研究的地球表层的厚度仅为20千米左右。那么,再往底下是什么?地球内部中心究竟为何物?这是千百万年来始终令人困惑不解的一个谜。在很早以前,就存在着“地球中空”的假说,认为在地球内部存在着一个“生命世界”。尽管目前我们还没有什么证据证明地球不是中空的,但“地球中空”假说也并没有令人信服的证据。谜一样的地心所谓地心就是地球的中心部位;是地层内部地核的俗称,地球的中心部分半径约3360千米,其物理性质与周围的地幔和地壳有明显不同。根据孔洞学说,所有东西里面都不是实心的,由此也推断所有的星球都不是实心的。可是,地心里面又是什么呢?地核是地球的核心。从下地幔的底部一直延伸到地球核心部位,距离约为3473千米。据科学观测分析,地核分为外地核、过渡层和内地核三个层次。外地核的厚度为1742千米;过渡层的厚度只有515千米;内地核厚度1216千米,主要成分是以铁、镍为主的重金属,所以又称铁镍核。莫霍不连续面19世纪中期到20世纪初期,地震波的研究,为人们探索地球内部的奥秘提供了一个好帮手。第一个利用地震仪探索地球内部奥秘的是前南斯拉夫的地震学家莫霍罗维奇。1909年10月8日,前南斯拉夫的萨格勒布发生了一次强烈地震,莫霍罗维奇在研究这次地震所记录的数据时,发现地震波传播的速度在地表下面约33千米处存在一个不连续的跳跃,说明在这一深度的上下物质密度相差很大。以后,科学家确证这个球面是地壳和地幔的分界面,并以莫霍罗维奇的名字来命名,称为莫霍不连续面,简称莫霍面。

地球的内部构造

地球的内部结构也和鸭蛋一样,由3层组成。最外面如蛋壳的一层被称为地壳,主要由固态的岩石组成,大概有3~70千米厚,占地球总体积的0.5%,总质量的0.8%。地壳下与蛋清相当的一层为地幔层,厚约2900千米,占地球总体积的83.2%,总质量的67.8%。地幔层又可以分为上地幔和下地幔,上地幔可能是一种可塑性固体,包括软流层; 下地幔可能是一种比上地幔物质更具可塑性和流动性的固体物质。最里面与蛋黄相当的为地核,平均厚度为3478千米,约占地球体积的16.3%,质量的31.4%。地核又分成内核和外核,外核为液态铁镍金属;内核为固态铁镍金属。

地球的内部构造

地球内部结构

对于地球内部结构和组成的认识一直处于不断更新和完善中。图3-1是目前一般认为的地球结构模型。地球分为地壳、地幔和地核三层结构,各层特征如下。

图3-1 地球内部结构简图

(据Philpotts&Ague,2009,有修改)1.地壳地壳(crust)是地球表面的最外层,其中大洋地壳厚度为6~8km;大陆地壳平均为30~35km,在强烈加厚的造山带(如青藏高原、喜马拉雅造山带)可以达到双倍地壳厚度(70~80km),地壳的平均密度是2.8g/cm3。大洋地壳年轻,一般最老为150~200Ma,其成分主要是洋中脊玄武岩(MORB)和洋底的薄层沉积物(沉积岩)。大陆地壳则保留了地球上最为古老的地壳岩石(>4000Ma)。按照变质作用限定的地壳稳压条件,大陆地壳一般分为下、中、上地壳三层,其中下地壳由麻粒岩相或者榴辉岩相岩石、底侵在莫霍面之上的辉长质岩石和各类高级变质的片麻岩类组成;中部地壳主要是角闪岩相的岩石;上地壳由沉积盖层以及地表可以见到的各种岩石构成,主要达到绿片岩相。在下地壳的底部,由于地震波速不连续的突变,纵波速度从下地壳的7.2~7.3km/s突变为上地幔顶部的8.0km/s以上,这一突变带称为莫霍面(Moho)。2.地幔地幔(mantle)是指莫霍面之下到核幔边界2900km的深度范围,也分为上、下地幔。上地幔深度大约从莫霍面之下35km开始,包括大约35~70km的岩石圈地幔、70~220km的软流圈地幔(低速层),以及220~660km的高地震波速的上地幔。岩石圈地幔的顶部(35~70km)的矿物组合从上向下分别是斜长石相地幔橄榄岩、尖晶石相地幔橄榄岩和石榴子石相地幔橄榄岩。410~660km被称为过渡带,主要的地幔矿物相为尖晶石相。高温高压实验研究结果表明,410km深度(大约10~12 GPa)是橄榄石从α相转变为密度更大的β相(尖晶石相)。深度大于660km(24GPa),橄榄石则从β相(尖晶石相)转变为γ相(钙钛矿相),密度进一步增大,进入下地幔。下地幔(660~2900km)是固态的,对应的温度为1900~2500K,推测主要的矿物组合为01l+Cpx+Opx±Sp±Grt,或者由这些矿物的高压相构成。与外核的边界称为D"层,该层被认为是一个巨大的热边界层,上下的温度差可能达到1500K。目前地球物理探测认为有些俯冲的板片可能深俯冲并囤积到该边界,最深的地幔柱可能发源于该边界层。3.地核地核(core)分为外核和内核,其中内核(深度5151km以下)是固态的,天体化学和地震波研究其应为Fe-Ni合金为主,加上一些轻的元素(如N、C)构成的。外核(深度2900~5151km)是液态的,其最主要的特征是地震波的横波无法穿过,纵波很大衰减,外核的成分推测以Fe为主,加上其他的轻元素(如S、H、O、Si、P等)。

地球的内部结构

  地球内部的一部分能源来自岩石所含的放射性元素铀、钍、钾。它们在岩石中的含量近年来总在不断地修正,有人估计地球现在每年由长寿命的放射性元素所释放的能量约为9.614×1020焦耳,与地面热流很相近,不过这种估计是极其粗略的,含有许多未知因素。另一种能源是地球形成时的引力势能,假定地球是由太阳系中的弥漫物质积聚而成的。这部分能量估计有25×1032焦耳,但在积聚过程中有一大部分能量消失在地球以外的空间,有一小部分,约为1×1032焦耳,由于地球的绝热压缩而积蓄为地球物质的弹性能。假设地球形成时最初是相当均匀的,以后才演变成为现在的层状结构,这样就会释放出一部分引力势能,估计约为2×1030焦耳。这将导致地球的加温。地球是越转越慢的。地球自形成以来,旋转能的消失估计大约有1.5×1031焦耳,还有火山喷发和地震释放的能量,但其数量级都要小得多。
地面附近的温度梯度不能外推到几十千米深度以下。地下深处的传热机制是极其复杂的,由热传导的理论去估计地球内部的温度分布,常得不到可信的结果。但根据其他地球物理现象的考虑,地球内部某些特定深度的温度是可以估计的。结果如下:①在100千米的深度,温度接近该处岩石的熔点,约为1100~1200℃;②在400千米和650千米的深度,岩石发生相变,温度各约在1500℃和1900℃;③ 在核幔边界,温度在铁的熔点之上,但在地幔物质的熔点之下,约为3700℃;④在外核与内核边界,深度为5100千米,温度约为4300℃,地球中心的温度,估计与此相差不多。
内部结构 地球的分层结构基本上是按地震波(P和S)的传播速度划分的。地球上层有显著的横向不均匀性:大陆地壳和海洋地壳的厚度大不相同,海水只覆盖着2/3的地面。
地震时,震源辐射出两种地震波,纵波P和横波S。它们各以不同的速度向四围传播�经过不同的时间到达地面上不同的地点。若在地面上记录到P和S的传播时间随震中距离的变化,就可以推算地下不同深度地震波的传播速度υp和υs。
地球内部的分层就是由地震波速度分布定义的,在海水之下,地球最上层叫做地壳,厚约几十千米。地壳以下直对地核,这部分统称为地幔。地幔内部又有许多层次。地壳与地幔的边界是一个明显的间断面,称为M界面或莫霍界面。界面以下约到会80千米的深度,速度变化不大,这部分叫做盖层。再往下,速度变化不大,这部分叫做盖层。再往下,速度明显降低,直到约220千米深度才又回升。这部分叫低速带。以下直到2891千米深度叫做下地幔。核幔边界是一个极明显的间断面。进入地核,S波消失,所以地球外核是液体。到了5149.5千米的深度,S波又出现,便进入了地球内核。
由地球的速度和密度的分布可以计算出地球内部的两个弹性常数、压力和重力加速度的分布。在地幔中,重力加速度g的变化很小,只是过了核幔边界才向地心递减至零。在核幔边界处的压力为1.36兆巴,在地心处为3.64兆巴。
内部物质组成 地震波的速度和密度分布对于地球内部的物质组成是一个限制条件。地球核有约90%是由铁镍合金组成的,但还含有约法三章10%的较轻物质;可能是硫或氧。关于地幔的矿物组成,现在还存在分歧意见。地壳中的岩石矿物是由地幔物质分异而成的。火山活动和地幔物质的喷发表明地幔的主要矿物是橄榄岩。地震波速度的数据表明在内400、500、和谐500千米的深度,波速的梯度很大 。这可解释为矿物相变的结果。在内400千米的深处,橄榄石相变为尖晶石的结构,而辉石则熔入石榴石。在家500千米的深度,辉石也分解为尖晶石和超石英的结构。在先650千米深度下,这些矿物都为钙钛矿和氧化物结构。在下地幔最下的200千米中,物质密度有显著增加。这个区域有无铁元素的富集还是一个有争论的问题。
起源和演化 地球的起源和演化问题实际上也就是太阳系的起源和演化问题。早期的假说主要分两大派:以康德和拉普拉斯为代表的渐变派和以G.L.L.布丰为代表的灾变派。渐变派认为太阳系是由高温的旋转气体逐渐冷却而成的;灾变派主张太阳系是由此及彼2个或3个恒星发生碰撞或近距离吸引而产生的。早期的假说主要企图解释一些天文事实,如行星轨道的规律性,内行星和外行星的区别。太阳系中角动量的分布等。在全面解释上述观测事实时,两派都遇到不可克服的因难。

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