地球內(nèi)部構(gòu)造

1、第二章 地球內(nèi)部構(gòu)造一 是表示地球內(nèi)部各單元之間幾何關(guān)系的結(jié)構(gòu)，如分層、裂隙、斷裂等；二 是表示內(nèi)部物質(zhì)組成的巖石、礦物或化學(xué)成分等。 1地球物理學(xué)的目標(biāo)之一就是利用地面觀測和試驗(yàn)的各種地球物理場來推斷地球內(nèi)部深不可見的構(gòu)造情況. 21 地球的表面形態(tài) 地球表面最大的地形構(gòu)劃是海、陸的劃分。海洋約占地球表面的70%。大陸和海底從宏觀上看，都具有平面的特點(diǎn)，分別代表了兩個高低不同的平臺。大陸平臺大致高800m左右，海底則以深四千多米的深海底為主體平面。兩者相差約5Km左右。這個高差遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過海、陸內(nèi)部的一般相對高差。這一宏觀的特征表明大陸和海洋的深部地質(zhì)情況有區(qū)別。3“阿波羅”17號1972年拍攝

2、的地球照片4測深,地形測量,變形觀測5Alfred Wegener (1880-1930)continental drift67 陸地和海底都有許多線狀的特殊地形，如大陸和洋底的山脈，海底的深溝等。它們之間的地帶，則是相對較平坦的地塊。 大陸上按形態(tài)和成因最具典型意義的地形單元為呈線狀延展的山脈、裂谷系和呈面狀展布的平原、高原和丘陵等。 海底重要的地形單元為洋脊、海溝、大洋盆地、島嶼和海山等。 8大陸和海洋之間的過渡帶為大陸邊緣,常包含有大陸架(continental shelf)、大陸坡(continental slope)和大陸基（ continental rise） 大陸邊緣9大陸架 是

3、圍繞大陸分布的淺水臺地，是大陸在水下自然延伸的部分，表面平坦，平均坡度為0o07，靠近大陸的部分坡度稍大，平均達(dá)0o12.4。大陸架外緣有一坡度明顯變陡的坡折線，坡折線的平均深度為133m，大陸架平均寬5070Km。大西洋的大陸架較寬一般為100200Km。北歐沿海、北冰洋的大陸架最寬，達(dá)500Km以上。我國東部大陸架寬達(dá)500Km左右，是世界上較寬的大陸架之一。太平洋沿岸因有海溝，大陸架很窄，有的地方只有48Km。10大陸坡: 大陸架坡折線以下為一較陡的斜坡，其平均坡度為4.3o，最大可達(dá)20o，寬度平均為28Km，坡腳的深度為14003200m左右。大陸坡是海底地形最復(fù)雜的地段，常常有許多

4、通向大洋方向的深峽谷這些峽谷深可達(dá)數(shù)百米，兩壁很陡可達(dá)45o以上。是真正的海底峽谷，在形態(tài)上與大陸山區(qū)的峽谷。大陸基 大陸坡腳坡度逐漸變緩，過渡為大洋盆地。這一過渡地帶稱為大陸基(continental rise)。 1112大陸邊緣分類：1大西洋型大陸邊緣: 以擴(kuò)張的大西洋為代表， 由大陸大陸架大陸坡大陸基大樣盆地組 成，特點(diǎn)是沒有海溝。2太平洋型大陸邊緣: 以南美洲西岸為典型，有海 溝，并在大陸上有與之并行的山脈。 由大陸大陸邊緣山脈大陸架和大陸坡海溝 大洋盆地組成，大陸架很窄。3日本海型大陸邊緣: 與太平洋類似，由島弧代替了大陸邊緣山脈，島弧與大陸之間還有一片海域，稱為弧后盆地, 由大陸

5、弧后盆地島弧 (包括其旁側(cè)很窄的大陸架和大陸坡) 海溝大洋盆地組成?；『笈璧乜梢允巧詈；?淺海，或過渡類型的海(邊緣海)。 132 地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu) ?14(1)地球內(nèi)部的圈層劃分 根據(jù)地震波在地球內(nèi)部傳播規(guī)律的研究得出波速分布特征，將其與實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)的高溫高壓測試資料相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)地球內(nèi)部相應(yīng)深度處存在不同的波速與密度界面。這些結(jié)果成了推算地球內(nèi)部的密度分布狀況，進(jìn)而分析地球內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)和物質(zhì)分布特征的最基本的依據(jù)。151981年國際地球物理聯(lián)合會提出了一個初步的地球參考模型(Preliminary Reference Earth Model)，簡稱PREM模型，具體將地球內(nèi)部劃分了三種級別的圈層

6、結(jié)構(gòu)PREM模型16171819地球內(nèi)部的主要分層 名 稱 深度范圍/km物理狀態(tài) 地殼 上地幔： 非地殼的巖石圈 軟流圈 下地幔 過渡層 外地核 內(nèi)地核511(大洋) 040(大陸) 莫霍面到150 km 150670 6702780 27802885 28855155 51556371固態(tài) 固態(tài) 固態(tài) 固態(tài)(上部接近熔融) 固態(tài) 固態(tài)(較低的速度) 液態(tài) 固態(tài) 20(一) 大事件1906年奧爾德姆首先試圖從地震波穿過地球的時間來推斷整個地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，他也是地核的發(fā)現(xiàn)者；1909年，莫霍洛維奇根據(jù)近震初至波走時，算出地下56km出存在一個間斷面。后來發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)地區(qū)都存在這個間斷面，平均深

7、度約為30 km，稱為“莫霍界面”，也就是地殼的底面；1914年古登堡根據(jù)地震體波的“影區(qū)”確認(rèn)了地核的存在；1936年萊曼通過對體波“影區(qū)”進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)液態(tài)的地核中還有一個固態(tài)的地球內(nèi)核；1996年中國旅美學(xué)者宋曉東通過研究穿過地核的地震波，推斷出內(nèi)核旋轉(zhuǎn)速度要比外核快。21地球劃分出3個一級圈層，即地殼、地幔和地核，這也是地球內(nèi)部最主要的物性及化學(xué)組分的分界單元。其中，地殼和地幔之間的分界面稱作莫霍面，平均深度33km；地幔和地核之間的分界面稱作古登堡面，深度為2891km。這兩個界面上下的物質(zhì)，無論在化學(xué)組成、物質(zhì)狀態(tài)和物理性質(zhì)上，都有很大的區(qū)別。 22 根據(jù)更細(xì)致的分異特性，可以進(jìn)

8、一步將地球內(nèi)部劃分為7個二級圈層，從地表向地球深部依次為A(地殼)；B，C，D(地幔)；以及E，F(xiàn)和G層(地核)。 進(jìn)一步地，大陸地殼還可以再分為上、下兩層地殼，即A1和A2；地幔的B層中則包含3個次級分層：B1，B2(為一地震波低速層，故推斷為熔融狀態(tài)，也稱軟流圈)和B3；D層中包含著兩個次級分層，它們依次被稱為D和D”層。 地球內(nèi)部圈層的形成，一般認(rèn)為是由于地球內(nèi)部加熱、原始物質(zhì)分異和分層作用共同產(chǎn)生的結(jié)果。23 地殼的厚度在全球各處是不均勻的。大陸之下，地殼平均厚度約為33km，但變化很大。世界屋脊青藏高原下面的地殼厚度約為70km左右，而華北地區(qū)有些地方還不到30km。海洋下面的地殼厚

9、度只有58km。 (二) 地殼24全球地殼厚度分布25在大陸的穩(wěn)定地區(qū)： 地殼約厚3545km，一般分為兩層。上層中的P波速度由5.86.4km/s隨深度遞加到下層的6.57.6km/s，但遞加的情況各處不同。在有些地區(qū)，上下層中存在著一個速度間斷面，叫做康拉德(VConrad)間斷面，或叫C間斷面，但在另地區(qū)，速度隨深度的增加是連續(xù)的。由地殼下部過渡到地幔一般是很快的，P波速度由每秒7km多在幾公里深度之內(nèi)就增加到88.2km/s。26 在大陸造山帶地區(qū)： 地殼構(gòu)造比穩(wěn)定地區(qū)復(fù)雜。地殼厚度較大并且還時常出現(xiàn)速度為7.27.8km/s的深部巖層。在有些地區(qū)，莫霍面并不明顯，表明速度是連續(xù)變化的

10、。在南美安第斯山和北美阿巴拉契亞山地區(qū)，地殼厚度約為65km在阿爾卑斯地區(qū)，厚度約為55km，在青藏高原，地殼厚度可達(dá)70km左右。這些地區(qū)的上層地殼一般是酸性的。速度為6.0-6.5km/s，厚約2030km，在這層下部，有時還存在一個低速層。在30km以下，速度連續(xù)由6.5增加到8.2km/s。27中國地殼厚度28海洋地殼的結(jié)構(gòu)： 海水的平均深度約為4.5km。海底地殼主要有三層。 第一層是未凝結(jié)的沉積，厚度變化很大，約02km/s。P波速度為2km/s。 第二層是孔隙度很大的玄武巖碎屑，厚約0.52km，P波速度約4.6km/s。 第三層是海洋地殼的主要層次，厚度和P波速度都比較均勻，各

11、為4.7公里和6.7 km/s。一般認(rèn)為這層直接覆蓋在地幔之上，但也有人認(rèn)為中間還有一夾層，厚約3km，P波速度為7.4km/s。 無論有無夾層，地殼與地幔之間的莫霍間斷面仍有約不超過一公里的厚度。人工地震探測可測出它的細(xì)微結(jié)構(gòu)。關(guān)于第三層的組成，現(xiàn)在多數(shù)人認(rèn)為是一種鐵鎂質(zhì)的巖石，與玄武巖很相近。29海嶺和深海溝 海嶺處沒有末凝結(jié)沉積的第一層玄武巖質(zhì)的第二層出露海底并且較厚，而第三層則較薄且逐漸過渡到地幔。此處地幔的速度特別低，Moho面也不明顯。 海嶺處具有高熱流、低密度和低速度、玄武巖噴發(fā)以及結(jié)構(gòu)的不均勻性等特點(diǎn)，是地幔對流上升的地帶，此處發(fā)生著巖石的部分熔融和分異，形成新的玄武巖地殼并由

12、海嶺向外擴(kuò)張。 深海溝和島弧地區(qū)的地殼是不均衡的。在海溝向海的邊，M面急劇向下彎曲，地殼積累著很大的應(yīng)變能，時常發(fā)生大的地震。 3031莫霍面作為一個明顯的速度間斷面，人們對它的性質(zhì)的認(rèn)識隨著地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究的不斷深入越來越完善。起初，莫霍面被認(rèn)為是處處連續(xù)、橫向均一的，但是現(xiàn)在很多地球物理探測結(jié)果顯示莫霍面是橫向不均一的，間斷的，甚至有些地區(qū)是不明顯的(如海嶺)。在構(gòu)造活動的些造山帶地區(qū)，莫霍面的形態(tài)不是個單純的速度間斷面，而具有多層結(jié)構(gòu)。莫霍面有一定的厚度，是一個速度梯度層。有些地區(qū)莫霍面可能是由組高速和低速的薄層所組成，即莫霍面由薄層束或薄層組構(gòu)成。 莫霍面的認(rèn)識32莫霍面的成因：一派認(rèn)

13、為地殼底部的巖石是輝長巖性質(zhì)的，而地幔頂部則是榴輝巖性質(zhì)的。莫霍面上下的巖石化學(xué)成份基本相同，只是結(jié)晶相不同，所以莫霍面是一個相變分界面。另一派認(rèn)為莫霍面是巖性界面，它把中等的鐵鎂巖石地殼與上地幔的超鐵鎂巖石(橄欖巖)分隔開。目前，多數(shù)人傾向于第二種認(rèn)識，即認(rèn)為莫霍面是一個巖性的化學(xué)分界面?，F(xiàn)在，有人還提出莫霍面是一個動態(tài)的概念：在造山運(yùn)動后，因?yàn)榈貧ぞ獾纫蛩氐挠绊懀缙谛纬傻哪裘孢€有可能逸走乃至消失。33 (三) 地幔 地幔是指莫霍面至2891km深度處古登堡面之間的地球部分。和地殼、地核相比，地幔的物質(zhì)密度介于前兩者之間，但由于地幔的體積約占地球總體積的82，地幔的總質(zhì)量在三者中是最大

14、的，約占地球總質(zhì)量的67。地?？梢苑譃樯系蒯?B)、過渡層(C)和下地幔(D)三個部分。341上地幔(B) 又可分為次一級的三個層：即蓋層(B1)、低速層(B2)和均勻?qū)?B3)。蓋層的平均P波速度為8.1km/s，是固態(tài)，它與其上部的地殼一起構(gòu)成巖石圈。 巖石圈地幔底界變化于60220km處，其下有一個地震P波速度減到平均8.0km/s的低速層(B2)，低速帶的成因很多學(xué)者用部分熔融或斷層卸載來解釋，認(rèn)為它可能是大部分拉斑玄武巖漿的源區(qū)，對于上覆巖石圈構(gòu)造活動和演化有重要影響。因此，地質(zhì)學(xué)家又把這一層稱為軟流圈。巖石圈和軟流圈是產(chǎn)生地質(zhì)構(gòu)造的主要源地，正因?yàn)槿绱?，人們又把它們合稱為構(gòu)造圈。3

15、5軟流圈在距地球表面以下約100公里的上地幔中，有一個明顯的地震波的低速層，這是由古登堡在1926年最早提出的，稱之為軟流圈，它位于上地幔的上部。在洋底下面，它位于約60公里深度以下；在大陸地區(qū)，它位于約120公里深度以下，平均深度約位于60250公里處?，F(xiàn)代觀測和研究已經(jīng)肯定了這個軟流圈層的存在。也就是由于這個軟流圈的存在，將地球外圈與地球內(nèi)圈區(qū)別開來了。3637220400km深度的上地幔下部為均勻?qū)?B3)，其中地震波(P波)速度回升到8.7km/s，物質(zhì)又變得致密、剛性，溫度也回歸正常增長范圍。38 2過渡層(C) 地幔中在400km和670km深處存在 兩個不連續(xù)面，其間稱為地幔過渡

16、層(C層)。呈 固態(tài)，地震波速度變化梯度大。3下地幔(D) ，地幔中自670km深處的不連續(xù)面至地幔下界面(2891km深處的古登堡面)之間的部分稱為下地幔(D層)。也呈固態(tài)，其下部地震波速度變化梯度大。39板塊構(gòu)造巖石圈在軟流圈上“漂移”大洋中脊擴(kuò)張 海溝匯聚4041(四) 地核 古登堡面以下至地心的部分叫地核，是地球的內(nèi)圈。地核又可以分為外核(E層)、過渡層(F層)和內(nèi)核(G層)三個部分。地核與地幔的分界面，即2891km深處的古登堡面是尖銳的速度間斷面，地震P波速度由地幔底部的13.7km/s突然降到地核頂部的8.06km/s，而S波不見了，密度則由5.55升到9.90s/cm3。外核(

17、E層)處于液態(tài)或極為接近于液態(tài)，過渡層(F層)也是液態(tài)狀態(tài)，波速變化梯度小，內(nèi)核(C層)則是固態(tài)。42奧爾德姆繪制的P波和S波走時曲線(上圖)和簡單的穿過兩層地球模型的波的路徑(下圖)。地核的發(fā)現(xiàn)者奧爾德姆(18581936年） 43地球內(nèi)核的發(fā)現(xiàn)者英格萊曼(18881993年) 在研究記錄太平洋地震的地震圖時，發(fā)現(xiàn)不能用地球內(nèi)部一般的模型解釋地震波。這種波的一個例子在圖中以箭頭標(biāo)示。萊曼認(rèn)為如果該波是從小的地球內(nèi)核反射出來的，其到時就能夠得到解釋。 44我國留美學(xué)者宋曉東等發(fā)現(xiàn)，地球內(nèi)核相對于地幔的快速差異轉(zhuǎn)動，速率為10/年 這一發(fā)現(xiàn)現(xiàn)仍有爭議，許多研究說：地球外核相對于地幔的快速差異轉(zhuǎn)動

18、，速率為0.150/年 45463、地球內(nèi)部的物質(zhì)組成 地球經(jīng)過約46億年的構(gòu)造演化，演變成了具有復(fù)雜內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)的特殊的物理化學(xué)系統(tǒng)。各圈層之間又通過巖石圈板塊運(yùn)動、地幔對流和超級熱幔柱(Superplume)等來實(shí)現(xiàn)殼幔核之間的物質(zhì)能量交換。關(guān)于其內(nèi)部物質(zhì)組成的元素豐度，上地殼的成分可以直接觀測，但是，下地殼、地幔，尤其是下地幔和地核幾乎或根本沒有直接觀測的資料，因而判斷其物質(zhì)組成是非常困難的。為解決這一問題，許多學(xué)者都是借助于宇宙的豐度和已知的觀測事實(shí)以及地球物理資料來構(gòu)筑地球模型，屆時主要考慮以下四個方面： 471地球作為宇宙天體的一個成員，由宇宙物質(zhì)演化而來，地球的元素豐度應(yīng)與宇宙的

19、元素豐度大致相同，因此可以根據(jù)宇宙豐度構(gòu)成地球基本成分的簡單模型（具體有隕石類比法等）；2地球基本成分及其分布必須符合深部地震資料所反映的物質(zhì)密度，比重等物理參數(shù)（如地球物理類比法等）；3地球成分分布必須與地球總的質(zhì)量和慣性矩相協(xié)調(diào)；4地球元素分布必須符合地球內(nèi)部溫度、壓力分布的狀況。 4849根據(jù)高溫高壓物理實(shí)驗(yàn)，獲得了地球內(nèi)部不同深度處物相組成變化的重要信息。組成地殼的基本單位是巖石。不同的地殼類型具有不同的巖石組成。大陸地殼若按兩分的觀念進(jìn)行歸納。上地殼：主要由偏酸性的巖漿巖和沉積巖組成，在不同區(qū)域間巖石組成差異大，且?guī)r石類型及巖石變質(zhì)的程度也不相同；下地殼：主要由不同比例的長英質(zhì)麻粒巖

20、和鎂鐵質(zhì)麻粒巖組成，巖石類型相對比較簡單，但也是不均一的。大洋地殼中最主要的巖石類型為巖漿巖，其中又以基性火山巖(玄武巖)為主，以及少量基性中基性巖墻。大洋地殼的表層，還常覆蓋著不同厚度的、末固結(jié)成巖的碳酸質(zhì)或硅質(zhì)、泥質(zhì)沉積物。50地幔的最上部：是由堅(jiān)硬的硅酸巖石組成，它們和地殼一起構(gòu)成了地球的巖石圈。依據(jù)地球物理資料和高溫高壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合，巖石由地幔(B1)的鎂硅酸巖礦物應(yīng)為橄欖石，大洋地殼之下已觀測到橄欖巖的存在。在上地幔的溫壓條件下，橄欖石、斜方輝石和單斜輝石是穩(wěn)定的，因而，認(rèn)為上地幔頂部可以看成是橄欖石和輝石的集合體，上地幔的低速層(B2)可以用物質(zhì)的部分融化來解釋，如把低速層下面均勻

21、底層和蓋層(B1)的物質(zhì)沒有很大區(qū)別，是固相超鐵鎂質(zhì)和鐵鎂質(zhì)巖石，也是大量堿性玄武巖巖漿的形成區(qū)。 51過渡層(C層)：上界面(400km深)深度的溫度和壓力條件下，斜方晶系的橄欖石變成等軸晶系的尖晶石，密度增加約60。至下界面600km深處，尖晶石分解成更重的氧化物，如方鎂石(MgO)、方鐵礦(FeO)和斯石英(一種比重達(dá)到4.28的高密石英)。下地幔(D層)：中硅酸鹽礦物已轉(zhuǎn)變成氧化物或具鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的硅酸鹽，隨深度增大惟一的成分變化表現(xiàn)為FeO含量的小幅度增高。下地幔的主要成分是MgO和SiO2。其次是CaO和Al2O3。CaO、Al2O3在下地幔中的平均含量雖較低，但它們可能有一些富集區(qū)。52下地幔底部：2000Km范圍(區(qū))內(nèi)物質(zhì)較上覆地幔致密，由于高熱梯度導(dǎo)致其內(nèi)物質(zhì)小規(guī)模頻繁對流，而且該區(qū)Ca、Al、Ti較上覆部分富集。上、下地幔的化學(xué)組成有變化，