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地球，一個擁有46億年歷史的星球，在浩瀚的宇宙中，她孕育了生命，哺育了人類。相對于其他荒涼的星球，地球是獨一無二的。地球是我們賴以生存的家園，到目前為止，地球是人類唯一的家園。對于地球的認識，從盤古開天辟地以來就已經(jīng)開始了。那么地球的內(nèi)部圈層到底是什么樣的？今天我們就來扒一扒。 別說話，放大招，鎮(zhèn)樓圖。。。。。。 圖1 地球內(nèi)部圈層 在認識地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)之前， 我們需要了解一下劃分依據(jù)： 地球內(nèi)部情況主要是通過地震波的記錄間接地獲得的。 地震發(fā)生時，地球內(nèi)部物質(zhì)受到強烈沖擊而產(chǎn)生波動，稱為地震波（seismic wave）。 地震波主要分為縱波和橫波。由于地球內(nèi)部物質(zhì)的不均一性，地震波在不同彈性、不同密度的介質(zhì)中，其傳播速度和通過的狀況也就不一樣。 例如，縱波（P波，Primary waves/ compressional waves）在固體、液體和氣體介質(zhì)中都可以傳播，速度也較快；橫波（S波Secondary waves/shear waves）只能在固體介質(zhì)中傳播，速度比較慢。 圖2 縱波和橫波波動示意圖 不連續(xù)面（discontinuities）：地震波在地球深處傳播時，傳播速度會在某些深處突然發(fā)生變化，地震學(xué)家把突然發(fā)生變化所在的面，稱為不連續(xù)面。根據(jù)不連續(xù)面的存在，人們間接地知道地球內(nèi)部具有的圈層結(jié)構(gòu)。 圖3 地球的圈層結(jié)構(gòu)與地震波速度關(guān)系 地球有兩個重要的分界面需要認識， 它們是莫霍面和古登堡面。 莫霍面（Mohorovi?i? discontinuity）： 最早發(fā)現(xiàn)地球內(nèi)部界面的是克羅地亞人（前南斯拉夫）莫霍洛維奇 他在1909年發(fā)現(xiàn)一些P、S波到達觀測站的時間比預(yù)想的沿地球表層傳播的波要早，從而推斷出向下的P、S 波遇到密度突然升高的界面后發(fā)生了折射，后來證實該界面是地殼和地幔之間的分界面，被命名為莫霍洛維奇不連續(xù)面，簡稱莫霍面（Moho面或M面）。 莫霍面幾乎完全位于巖石圈內(nèi)，其深度起伏很大，莫霍面分布在海底以下5-10km處，陸殼下20-90km處，平均約 35km處。 圖4 莫霍面處P波傳播路徑 古登堡面（Gutenberg discontinuity）： 1906年，英國學(xué)者Richard D.Oldham注意到S波在120°以外晚10分鐘到達甚至更多，認為是S在地下某階段通過時有物質(zhì)使得S波減速，提出地球存在地核。 1914年，德國出生的美籍地震學(xué)家古登堡對Oldham提出的問題進行了更加詳細的研究，發(fā)現(xiàn)P波陰影區(qū)（即在103°-143°震中距范圍內(nèi)）接收不到P波，此外在103°-180°范圍內(nèi)缺失直達S波，認為地球內(nèi)部存在在液體的地核，并估算地核深度為2900km。 后來把核幔分界面稱為古登堡不連續(xù)面，簡稱古登堡面。 由于液體不傳播S波，當年Oldham發(fā)現(xiàn)的晚到的S波實際上不是直達波。同時古登堡不連續(xù)面也稱核幔邊界CMB（Core–mantle boundary）   圖5 S波、P波陰影區(qū) 現(xiàn)在我們從外向里依次看看各個圈層 地殼 首先是地殼（crust），也就是我們能直接觸的部分。 地殼是固體地球的最外圈層，是地表至莫霍面之間的固體地球部分，可分為大陸地殼和大洋地殼。 大陸地殼較厚，一般為25-50km厚，平均約35km厚，最厚可達90km；大洋地殼較薄，其厚度一般為5-10km。  圖6 地殼結(jié)構(gòu)  康拉德面（Conrad discontinuity）： 1923年，奧地利地震學(xué)家康拉德發(fā)現(xiàn)，大陸地殼內(nèi)部還存在另一個界面，把大陸地殼一分為二， 界面以上巖石密度較低，為硅鋁層，由中酸性巖石組成；界面以下巖石密度高，為硅鎂層，由基性巖石組成。 該界面被稱為康拉德不連續(xù)面，簡稱康拉德面。 后來發(fā)現(xiàn)康拉德面的普遍性遠不及莫霍面，大陸地殼并不常見雙層結(jié)構(gòu)，有的地方巖石均勻，分層不明顯，如大陸地盾區(qū)，有的地方地殼又可以劃分為上、中、下3層。 在俄羅斯西北部的科拉半島，即使地震波測量顯示了康拉德面的存在，但在12.26km超深鉆中卻沒有發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的巖心突變界線，所以康拉德面究竟意味著什么，其確切地質(zhì)意義仍不明確。  巖石圈（Lithosphere），地球的巖石圈包括地殼和最上層的地幔，它們構(gòu)成了地球堅硬的外層。 巖石圈細分為許多構(gòu)造板塊。 圖7 全球板塊分布圖 巖石圈位于較軟、較熱和較深的軟流圈之上。 巖石圈的厚度因地而異。一般而言，大陸地殼的巖石圈厚度大于大洋地殼的巖石圈厚度，但是其具體深度存在爭議。海洋巖石圈一般厚約50-140km，而大陸巖石圈的厚度范圍為40-280km。 巖石圈的地幔部分主要由橄欖巖組成，由于在Moho面處發(fā)生的化學(xué)成分變化，地殼與上地幔有所區(qū)別。 大洋巖石圈比大陸巖石圈年輕得多，最古老的大洋巖石圈大約有1.7億年的歷史，而大陸巖石圈有數(shù)十億年的歷史。不同的領(lǐng)域?qū)r石圈的定義也不相同。 圖8 不同領(lǐng)域的巖石圈定義 地幔 其次是地幔（mantle），地球莫霍面以下、古登堡面以上的地球圈層，厚度可達2886km，是地球的主要組成部分，可分為上地幔和下地幔。 上地幔由55%的橄欖石、35%的輝石和10%的石榴石組成，相當于隕石成分；下地幔成分和上地幔相似，但FeO及MgO含量更高。 地幔物質(zhì)存在部分熔融，這是巖漿的發(fā)源地，也是造成地殼運動、板塊移動、地質(zhì)構(gòu)造等現(xiàn)象的原因之一。 軟流圈（Asthenosphere），它位于巖石圈之下，深度在地表以下約80-200km之間。 盡管早在1926年就有人懷疑它的存在，但直到對1960年5月22日Mw=9.5的智利大地震的地震波分析證才實了全球軟流圈的發(fā)生。 由于軟流圈中的溫度和壓力條件，巖石變成韌性，因此它能像對流一樣流動，從地球內(nèi)部向外輻射熱量。 在軟流圈以上，相同的變形速率下，巖石表現(xiàn)出彈性、脆性，可能破裂導(dǎo)致斷層。剛性巖石圈被認為是在緩慢流動的軟流圈上“漂浮”或移動，造成板塊運動。 LAB（lithosphere asthenosphere boundary）：巖石圈-軟流圈邊界。 巖石圈 - 軟流圈邊界通常是在1300℃ 等溫線上進行的，在該等溫線以上，地幔表現(xiàn)為剛性，而在其下方則表現(xiàn)為延展性。 軟流圈幾乎是固體，盡管它的一些區(qū)域可能會熔化（例如，在洋中脊之下）。 軟流圈的下界不明確。 軟流圈的厚度主要取決于溫度，然而軟流圈的流變性還取決于變形速率，這表明軟流圈也可能由于高速變形而形成。 在一些地區(qū)，軟流圈可以延伸到700km。 它被認為是大洋中脊玄武巖的源區(qū)。 在老洋殼下的地幔中，巖石圈向軟流圈過渡時，巖石圈 - 軟流圈邊界（LAB）較淺（部分地區(qū)約60 km），其地震波速度急劇下降（速度下降約5-10％）。在洋中脊，LAB的深度可上升到海底數(shù)公里之下。 圖9 LAB的位置 低速帶LVZ（Low-velocity zone），由古登堡1959年在研究低于預(yù)期地震波的波速時首先提出來。 他指出在距離震中1-15°的區(qū)域內(nèi)，振幅會呈現(xiàn)突然增加然后呈指數(shù)下降的現(xiàn)象。 低速帶的存在為地震能量散焦、高速度梯度提供了解釋。 低速區(qū)（LVZ）發(fā)生在接近巖石圈-軟流圈（LAB）的邊界。與周圍相同深度區(qū)域相比，地震橫波速度異常低。 LVZ可能對板塊構(gòu)造和地殼起源的研究有重要意義，其被解釋為存在顯著的部分熔融、熱邊界層的自然結(jié)果以及壓力和溫度對固態(tài)中地幔組分的彈性波速的影響。 圖10 巖石圈、LAB 、LVZ和軟流圈的位置 地幔轉(zhuǎn)換帶（mantle transition zone，MTZ）是位于地球深部410-km和660-km兩個間斷面之間的大約250km厚的地幔中間層，是連接上、下地幔物質(zhì)和能量交換的紐帶。 由于上地幔呈固態(tài)屬于巖石圈部分，下地幔呈粘稠狀，有一定的流動性。兩者的物理性質(zhì)不同，必然造成地幔轉(zhuǎn)換帶處地幔巖石物理性質(zhì)的轉(zhuǎn)變，從而產(chǎn)生地震波的強反射界面，在地震記錄中表現(xiàn)出來。 對地幔轉(zhuǎn)換帶速度結(jié)構(gòu)的認識對于理解地幔如何扮演地球的熱-化學(xué)引擎，以及對于認識整個地球的組成和演化、地幔對流、巖石圈深俯沖、及深源地震等地球深部動力學(xué)問題有重要的意義。 圖11 地幔轉(zhuǎn)換帶 地核 最后是地核（core），地核是地球內(nèi)部自古登堡面以下至地心的部分，地核含有鐵、鎳、硫元素，與鐵隕石成分相似，其質(zhì)量占整個地球質(zhì)量的31. 5%，體積占整個地球體積的16. 2%，可分為外核和內(nèi)核。 外核為液態(tài)，會緩慢流動，故有人推測地球磁場的形成可能與它有關(guān)；內(nèi)核為固態(tài)，其具體情況由于勘探能力有限，尚不清楚。 萊曼面（Lehman discontinuity）： 1936年由丹麥地震學(xué)家萊曼女士發(fā)現(xiàn)，在地球5150km處地震波傳播速度發(fā)生急劇變化，后證實為內(nèi)核和外核的分界線，稱為萊曼不連續(xù)面。 因此2900-5150km范圍叫外地核，據(jù)推測可能是液態(tài)的，由5150km直到地心則為內(nèi)陸核，內(nèi)核物質(zhì)可能是固態(tài)的.組成地核的主要物質(zhì)是鐵，鎳為主。 圖12 地球的結(jié)構(gòu) 注：本文轉(zhuǎn)載于中科院地質(zhì)地球所 |
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