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地 球 的 内 部 结 构本节内容一、地球内部圈层的划分依据二、地震波速突变的主要界面地震波速突变的主要界面三、地球内部各层圈的物质组成地球内部各层圈的物质组成四、固体地球主要物理性质本节提示1、探测地球内部的圈层结构依靠地震波,由此而 确定两个一级界面(即莫霍面和古登堡面)。 2、根据一级界面,固体地球内部可分为地壳、地 慢、地核三个圈层:地壳主要由低密度的富铝硅酸盐岩石所组成。 地幔主要由中等密度固态富镁硅酸盐岩石组。 地核主要由高密度的铁镍合金所组成,外核呈 液态,内核呈固态。 3、地磁与重力是在地表影响最明显的两种地球物 理现象。1、地震波的传播 速度与介质的密 度成正比, 2、地震波在不同 介质界面会发生 折射、反射, 3、不同地震波在 传播介质中表现 形式不同。由此 研究,揭示出地 球的层圈构造。l地震波可以提供地球内部构造的依据,原理是:一、地球内部圈层的划分依据 l地震波 以波的 形式通过岩石中 的质点进行传播 。l地震波按传播的 方式,分为三种 :纵波横波表面波纵波,又称P波,推进波质点的传播方向与波的传播方向一致,在各种 介质都能传播,在地壳中的传播速度是5.5- 7.0Km/s。最先到达震中,上下振动,破坏性弱 。横波,又称S波,剪切波质点的传播方向与波的传播方向垂直,只能在 固体中传播,在地壳中的传播速度是3.2-4.0Km/s 。到达震中,横向振动,破坏性强。表面波,也称L波由上述两种波在地表相遇后产生,仅沿介质间 界面传播。其波长大、振幅大,传播速度小,振 动方向兼纵、横波特点,是破坏建筑物的主要因 素。二、地震波速突变的主要界面l1、莫霍面(Moho)l莫霍面:是划分地壳和地 幔的界面,首先由南斯拉 夫地球物理学家莫霍洛维 奇于1909年发现的,而被 称为莫霍洛维奇面,简称 莫霍面(Mohorovicic Discontinuity)。该界面普 遍存在于地表以下几Km- 30、40 Km,地震纵波波速 在此界面上由6-7 Km/s, 向下突然升至8.1Km/s。 l古登堡面:是划分地幔和地核的界 面,为纪念最早研究者美国的地球 物理学家古登堡(1914)而命名。 该界面出现在地表以下2900 Km。 地震横波在此消失,而纵波波速在 此界面突然减慢,由13.64 Km/s减至 8.1Km/s。并且纵波通过古登堡面后 ,产生的折射在一定区间收不到纵 波,表明地核表面存在液态物质。l莫霍面和古登堡面是地球内部划 分的一级界面,由此分成地壳、 地幔和地核三个层圈,随后又陆 续发现了以下三个界面。 2、古登堡面(Gutenberg Discontinuity)l3、康拉德面(Conrad Discontinuity)l康拉德面:位于地壳内部,地震纵波波速表现 出从6 Km/s突变至6.6Km/s,是由康拉德( 1925)首先发现的,故称康拉德面。根据地震 波速推测分别相当花岗质和玄武质成分,故将 此面叫做上部花岗岩层和下部玄武岩层。l上世纪末,国际上开展的超深钻探计划,在俄 罗斯科拉半岛12 Km深钻孔揭示的地质依据, 使地质学家对此面的存在与否产生怀疑? l4、岩石圈和软流圈界面l岩石圈:包括地壳和地幔顶部。地震横波的波速在 地壳和地幔顶部一直处于逐渐加快的状态,在地下 约60 Km深度,速度逐渐降低(4.6Km/s),至150 Km深达到最低(4.0Km/s),在250 Km深度横波的 波速又开始增速。由此认为:底下平均深度从50- 250Km地带,物质由固态和液态组成的混合物,混 合比大于9010,因含液态物质,相比上下固体状 态显示塑性 性质,故称 之为软流圈 。l5、内地核和外地核界面l在地核5120 Km深处,纵 波波速又由8.1Km/s增高 到11Km/s,说明地核内 部又出现物质状态的变 化,据此,将地核分为 液态外核和固态内核, 两者间的界面是4703- 5154Km深的过渡地带。l除上述一些界面外,在 地幔中900 Km深处也出 现地震波速的变化。因 此,也可将地幔再分为 上地幔和下地幔两部分 。 三、地球内部各层圈的物质组成l地球内部各层圈的物质组成是通过地表观察、洋底考察、深 海钻探、岩石包裹体、陨石和高温高压实验所获得的。l1、地壳(Crust)目前认为:组成地壳的岩石主要是各种火成岩和变质岩 ,地壳表层覆盖着厚度不等的沉积岩。但是,各种岩石 在大陆和大洋是有明显不同:大陆地壳(Continental Crust),简称陆壳。总的特征 是:厚度大,平均35 Km厚,高山区厚达60-70 Km,平 原区最薄20 Km。平均成分为接近中性火成岩,向下变 为深变质岩。时代老,构造复杂。大洋地壳(Oceanic Crust),简称洋壳。总的特征是: 分布广(占地壳面积的2/3),厚度小(平均7-8 Km, 变化范围5-10 Km厚),主要由玄武岩组成,时代新。l2、地幔(Mantle)地幔的物质组成是通过洋底考察、深海钻探、岩石 包裹体和高温高压实验,结合地震波速资料获得。l上地幔的岩石成分由55%的橄榄石、35%的辉石和 10%的石榴石混合,经高温高压实验证实。其岩石 相当于辉石橄榄岩,一般称地幔岩(Pyrolite)。l下地幔因压力大、推测岩石组成中FeO、MgO含量 更高,并且横向存在不均一的现象。l 3、地核(Core)l地核的物质组成是通过物质的密度推测的,一般认 为是铁和少量镍、硫的混合物,其密度应在10-11 g/cm3。四、固体地球主要物理性质 主要物理性质包括:质量: 594721024 kg密度:平均 5516gcm3温度:分为变温层、常温层和增温层 压力:与所处的深度、上覆物质的平均密 度及平均重力加速度成正比。 重力:随纬度有关。 磁性:地磁轴与地球自转轴成115角。 弹塑性:变形地温梯度 100m l地球的重力是地球对地表或地球内部物 质的吸引力。l地表物质除了重力外,还受地球自转产 生的离心力、与地心的距离影响,赤道 的重力为978. 0318伽,两极为983. 2177 伽,理论重力值设为海平面为0米。l因地球是个椭球体,自转离心力和离地 心的距离随纬度而变,因而,重力也随 纬度而变。 1、重力 l由于地形高度、岩石密度的差异,都使重力偏离 正常理论值,形成局部的重力异常。在海洋地质 学,采用经高度校正的重力异常,即自由空气异 常,它是经海平面校正后与理论重力值之差。一 般高差每增减1米,重力差为0 .3083毫伽。l另一种重力异常称布格重力异常,地球的平均密 度是5. 517g/cm3,而花岗岩、玄武岩的密度分别 是2. 6g/cm3和 2. 9g/cm3,一般取地表平均值2. 67g/cm3。 l海底重力测量首先是荷兰地球物理学家W. Meinesz 在上世纪三十年代,在印度洋爪哇海沟进行的,他 们发现了海沟有较大的重力负异常。l根据地壳均衡原理:在地下一定深度以上单位面积 内岩石柱的总质量相等。该深度称作补偿基准面, 一般视为莫霍面或软流圈顶部,补偿的模式主要有两种:普拉特模式艾利模式。 2、磁异常 l地球的磁性是由地核外层液态金属铁镍导体的对流、感应而自动激发产生的。l地磁极和地理极的位置并不完全重合,两者的夹角称磁偏角。磁力线的方向也并非 水平,北半球下倾而南半球上翘,其倾角随纬度而变, 它与水平面的夹角称为磁倾角。l岩石的磁性是由含铁磁性矿物引起的,当岩浆开始冷却 时,其中的含铁矿物会结晶成固相,在温度降到居里点 时便获得磁性(如磁铁矿的居里点是600 ),矿物获 得的磁性会按当时的地磁场定向,矿物的这种磁性称之 为天然剩磁。 l岩石的磁性研究始于陆地,法国地球物理学家B. 布 伦尼斯(1909)在测量法国中央地块玄武岩的天然 剩磁时发现了磁性的倒转现象,1930年日本火山学 家松山在研究本国的火山岩时,也观察到同样想象 。l如何解释?不外乎两个答案:磁极倒转难以想象!大陆漂移不能接受!因为A. Wegener大 陆漂移的两条重要理论依据,花岗岩陆壳飘在熔融 的玄武岩上发生漂移、飘移的驱动力来自极移力和 潮汐引力均遭到否定。 l上世纪50年代以来,大陆上岩石古 地磁的研究成果表明:研究的岩石 中近一半是正向磁化,而另一半则 是反向磁化。说明在漫长的地质历 史中,地磁场南、北极的极性并不 固定,而发生周期性的反转。l极性反转现象是地磁场演化的一个 基本特征,通常把保持一定地磁极 性的大的时间段(约1Ma万年以上 )称为极性期,把每个极性期内的 短期转向时间称为极性事件。l根据地磁场转向的先后顺序排列, 结合岩石同位素年龄测定各极性期 和极性事件的延续时间,就可以建 立古地磁场转向年代表。复习思考题重要术语:莫霍面,软流圈,岩石圈,地温梯度,均衡原理 思考题:1、为什么各处地温梯度值有高有低?2、地球内部有哪些重要的分界面?3、地壳与岩石圈有什么差别? END
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