09-地球的圈層結(jié)構(gòu)

第2節(jié)地球的圈層結(jié)構(gòu)地球是由不同狀態(tài)與不同物質(zhì)的同心圈層所組成的球體。這些圈層可以分成內(nèi)部圈層與外部圈層，即內(nèi)三圈與外三圈。其中外三圈包括大氣圈、水圈和生物圈；內(nèi)三圈包括地殼、地幔和地核。一、地球的外部圈層(一)大氣圈從地表（包括地下相當(dāng)深度的巖石裂隙中的氣體）到16000km高空都存在氣體或基本粒子，總質(zhì)量達(dá)5.1×105t，占地球總質(zhì)量的0.00009%。主要成分氮占78%；氧占21%；其他是二氧化碳、水汽、惰性氣體、塵埃等，占1%。地球的表面形成大氣圈與地球的形成和演化有關(guān)。地球形成和演化中，分異出較輕物質(zhì)，上升并積少成多，形成大氣圈。中國(guó)古話：“混沌初開(kāi)，乾坤始奠，輕清者上升為天，重濁者下沉為地?！敝v的就是物質(zhì)分異作用。上升的氣體不會(huì)從地球表面跑到宇宙空間中，原因是地球的引力把大氣物質(zhì)拉住，形成同心狀的大氣圈。物體脫離地球的臨界速度是11.2km/s，氣體物質(zhì)很輕，其運(yùn)動(dòng)速度也很快，如氧分子的運(yùn)動(dòng)速度是0.5km/s,氫分子的運(yùn)動(dòng)速度是2km/s，但這種速度不能使氣體物質(zhì)脫離地球引力場(chǎng)。只有一部分氫和氮，在宇宙射線作用下可以被激發(fā)，產(chǎn)生高速度而跑掉。所以，大氣圈中氧和其他氣體的成分就相對(duì)增加了。太陽(yáng)系中其他星球，如月球、水星、火星等不同于地球。月球的表面重力只有地球的1/6，物質(zhì)脫離月球的速度為2.38km/s。所以月球上分異出的氣體物質(zhì)，容易脫離月球，使月球不能形成大氣圈。水星離地球最近，表面重力是地球的1/3，脫離速度是4.2km/s,氣體較容易跑掉，所以水星上也沒(méi)有大氣圈?；鹦潜砻娴囊εc水星差不多，但火星表面溫度低，氣體分子運(yùn)動(dòng)速度慢，所以火星的四周可以保存一部分大氣物質(zhì)，但比起地球來(lái)，非常稀薄。木星、土星、天王星和海王星的引力與質(zhì)量都比地球大得多，這些星球都存在大氣圈。但成分卻與地球大不相同。這些行星引力大，連氫、氨這些輕氣體分子都能被吸引住，這些氣體不適合生物生存與發(fā)展。金星的質(zhì)量與引力都和地球近似，也存在大氣圈，但金星沒(méi)有植物進(jìn)行光合作用，所以二氧化碳含量很高。也不適于生物的發(fā)展與生存。地球大氣圈成分隨著時(shí)間而變化。當(dāng)初大氣中的二氧化碳可達(dá)百分之幾十，約3億年前，植物大規(guī)模繁盛，演化接近現(xiàn)代大氣。目前大氣中的二氧化碳只有萬(wàn)分之4.6。大約在1億年前，大氣溫度才接近現(xiàn)今溫度。從地史發(fā)展來(lái)看，二氧化碳多少是影響地表溫度的重要因素。若二氧化碳增多，地球溫度將增高。據(jù)有關(guān)資料，自工業(yè)革命以來(lái)，二氧化碳的含量已增加13%，推測(cè)地球的大氣溫度將越來(lái)越高。大氣圈是地球的重要組成部分，并有重要的作用：①供給地球上生物生活所必需的碳、氫、氧、氮等元素。②保護(hù)生物生長(zhǎng)，避免受宇宙射線危害。③防止地表溫度發(fā)生劇烈的變化和水分的散失，若沒(méi)有大氣圈，地球?qū)⒉淮嬖谒帧＂芴鞖庾兓?，如風(fēng)、雨、雪、雹等都發(fā)生在大氣圈中。⑤大氣是地質(zhì)作用的重要因素。⑥大氣與人類的生存和發(fā)展關(guān)系密切。大氣易遭污染，環(huán)境質(zhì)量直接關(guān)系人類健康。(二)水圈水圈呈液態(tài)及部呈固態(tài)出現(xiàn)。包括海洋、江河、湖泊、冰川、地下水等，形成連續(xù)而不規(guī)則圈層。水圈質(zhì)量為1.41×108t,占地球總質(zhì)量0.024%，比大氣圈的質(zhì)量大得多，但與其他圈層相比，還是相當(dāng)小。海水占97.2%，陸地水（包括江河、湖泊、冰川、地下水）只占2.8%；在陸地水中冰川占水圈總質(zhì)量的2.2%，所以其他陸地水所占比重很微小。水分在大氣中有一部分；在生物體內(nèi)有一部分，生物體的3/4是由水組成的；地下的巖石與土壤中也有一部分?？梢?jiàn)水圈獨(dú)立存在，但又和其他圈層互相滲透。地球上有水，這像是很平常，與其他星球相比，顯得特殊。如月球、水星、金星上都沒(méi)有水。金星表面溫度高，水都變成蒸汽跑掉了?；鹦巧系乃簧儆诘厍?，但都以冰的形式存在?；鹦且酝獾男行潜砻鏈囟雀?，難以存在液態(tài)水。如土星光環(huán)，由冰塊組成。大氣圈中存在的水分只占水圈總量的十萬(wàn)分之一，但具重要意義。大氣中的水分不時(shí)凝結(jié)為雨、雪降下，又不時(shí)從地面和海面得到補(bǔ)充。大氣中的水汽是水分循環(huán)的中轉(zhuǎn)站。這個(gè)中轉(zhuǎn)站對(duì)人類生存關(guān)系極大。每年大約有4.46×104t的水分經(jīng)蒸發(fā)進(jìn)入大氣圈，同時(shí)相等數(shù)量的大氣水經(jīng)凝結(jié)降回大地，其中約有1/5降落在大陸上。地球上的原生水是物質(zhì)分異的產(chǎn)物?；鹕絿姲l(fā)常有大量水汽從地下噴出。如1976年阿拉斯加的奧古斯丁火山噴發(fā)，一次噴出水汽即達(dá)5×10kg。地球上的水圈是逐漸演化而成的。水圈是地球構(gòu)成有機(jī)界的組成部分，對(duì)地球的發(fā)展和人類生存有重要作用：①水圈是生命起源地。②水是多種物質(zhì)的儲(chǔ)藏庫(kù)，是改造與塑造地貌的動(dòng)力。③水的運(yùn)動(dòng)是地理環(huán)境物質(zhì)與能量交換的重要途徑：④水是重要物質(zhì)與能量資源，水資源的多寡和優(yōu)劣直接關(guān)系著經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人類生存。(三)生物圈指地表有生物存在并感受生命活動(dòng)影響的圈層。目前世界已知?jiǎng)游?、植物約250萬(wàn)種，其中動(dòng)物占200萬(wàn)種左右，植物約占34萬(wàn)種，微生物約有3.7萬(wàn)種。整個(gè)生物圈的質(zhì)量不大，僅是大氣圈質(zhì)量的1/300，但作用很大。生物圈有相當(dāng)厚度。綠色植物分布極限約海拔6200m，據(jù)資料，在33000m高空有孢子及細(xì)菌。生物圈包括大氣圈下層、巖石圈上層和整個(gè)水圈，最大厚度可數(shù)萬(wàn)米。但其核心部分為地表以上100m，水面以下100m，即大氣與地面、大氣與水面的交接部位，生物最活躍的區(qū)域，其厚度約為200m。這個(gè)范圍有適于生物生存的溫度、水分和陽(yáng)光等條件。生物圈是在地球演化形成的特殊圈層，約30億年前，地球才開(kāi)始有最原始生命。約6億年前進(jìn)入生命演化飛躍。從生物在地球上出現(xiàn)，便對(duì)地球的發(fā)展起著重要的特殊作用。生物生長(zhǎng)、活動(dòng)和死亡，使生物和大氣、水、巖石、土壤之間，進(jìn)行著多種形式的物質(zhì)和能量的交換、轉(zhuǎn)化和更替，不斷改變著周圍的環(huán)境。如植物在光合作用，從大氣中吸收C02,在反應(yīng)中放出02，改變大氣成分，同時(shí)將碳固定下來(lái)，埋藏在地殼，形成大量的地殼能源。據(jù)估計(jì)，每年約有1.5×10°t的碳，從大氣轉(zhuǎn)入到樹(shù)木中，煤炭就是地質(zhì)時(shí)代樹(shù)木被掩埋形成。目前每年約形成含碳量達(dá)3×10t的泥炭。此外，空氣中的C02,溶解到水中形成HC0,與Ca2+結(jié)合形成CaCO3,一部分為生物吸收變成硬體（外殼、骨骼等），沉積成為石灰?guī)r。同時(shí)生物也參與土壤發(fā)育。沒(méi)有生物就沒(méi)有今天的地球面貌，沒(méi)有生物，就不可能提供如此繁多的生物資源。二、地球的內(nèi)部圈層

內(nèi)部圈層指從地面往下直到地球中心的各個(gè)圈層，包括地殼、地幔和地核。但目前世界上深井記錄為12000m(前蘇聯(lián)科拉半島深鉆，截至1986年)，只占地球半徑的1/530，所以不能用直接觀察的方法來(lái)研究地球內(nèi)部構(gòu)造。通常采用地球物理方法，用地震波的傳播變化來(lái)研究地球內(nèi)部構(gòu)造。地震波分為縱波(P)和橫波(S)?？v波可以通過(guò)固體和流體，速度較快；橫波只能通過(guò)固體，速度較慢。地震波的傳播速度隨介質(zhì)的剛性和密度而改變。地震波對(duì)地球起“透視”作用。也可以借助宇宙地質(zhì)（隕石成分）來(lái)判斷地球內(nèi)部成分。如地球由表及里由均一物質(zhì)組成，則縱、橫波速度在任何深度、方向都應(yīng)相同。但根據(jù)地球內(nèi)部震波傳播曲線分析，震波傳播速度隨深度變化，且有些地方發(fā)生突變，可見(jiàn)地球內(nèi)部物質(zhì)不均一，且存在許多界面。地震波在地下若干深度處，傳播速度急劇變化的面為不連續(xù)面。根據(jù)地震波的傳播數(shù)據(jù)，可制成地球內(nèi)部震波傳播速度曲線圖（圖2-9）?？煽闯鰞蓚€(gè)顯著的一級(jí)不連續(xù)面：一個(gè)在地下（自海平面起算平均33km處（指大陸部分）。此不連續(xù)面以上，縱波速度為7.6km/s，以下急增為8.0km/s，橫波由4.2km/s增到4.4km/s。稱莫霍洛維奇不連續(xù)面，簡(jiǎn)稱莫霍面或莫氏面。另一個(gè)在2900km深處。這里縱波速度由33.32km/s突然降為8.1km/s，而橫波完全消失。稱古登堡不連續(xù)面。兩個(gè)一級(jí)不連續(xù)面，將地球內(nèi)部分為3個(gè)圈層：地殼、地幔和地核。此外根據(jù)次一級(jí)不連續(xù)面可劃分出次一級(jí)圈層，如表2-4劃分出A、B、C、D、E、F、G7個(gè)圈層；次一級(jí)圈層可根據(jù)更次一級(jí)不連續(xù)面劃分出更次一級(jí)的圈層，如A'、A”、B'、B"等。(一)地殼指地球莫霍面以上的固體硬殼(A層)，屬于巖石圈的上部。主要由硅酸鹽類巖石組成，質(zhì)量為2.5×109t,約占地球質(zhì)量的0.42%，體積占固體地球體積的0.5%。1.地殼的化學(xué)組成地殼中含有元素周期表中所列的絕大部分元素，而其中O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg8種主要元素占98%以上，其他元素共占1%—2%。化學(xué)元素在地殼中的平均含量稱克拉克值，又稱元素豐度。按計(jì)算單位的不同，元素豐度可分為質(zhì)量豐度、原子豐度和相對(duì)豐度。從表2-5可看出，地殼化學(xué)元素的克拉克值相差極懸殊。氧幾乎一半，硅約1/4，鋁占1/13，而表中未列入的大多數(shù)元素含量微不足道。如銅0.007%，鉛0.0016%，釷0.0012%，銻0.0001%，金5×107%。組成地殼的各種元素并非孤立存在，大多數(shù)情況是相關(guān)元素化合形成各種礦物，其中以O(shè)、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg等組成的硅酸鹽礦物為最多，其次為各種氧化物、硫化物、碳酸鹽等。各種不同礦物特別是硅酸鹽類又組成各種巖石，所以說(shuō)地殼是巖石圈的一部分。其他大部分元素的克拉克值雖然很小，但在一定條件下可遷移、富集。如在一地段和一時(shí)間內(nèi)某些元素富集，含量超過(guò)該元素的克拉值，在質(zhì)和量上達(dá)到開(kāi)采要求，就形成礦床。2.地殼的厚度和結(jié)構(gòu)地殼是地表的薄殼，厚度大致為地球半徑的1/400，但各處不一（表2-6），大陸平均厚度超過(guò)37km，海洋平均厚度只有約7km。一般高山、高原地殼最厚，如中國(guó)青藏高原可達(dá)70km(圖2-11)。地殼(A層)可分為上下兩層（圖2-12），中間被康拉德面所分開(kāi)。但這一界面在海洋不明顯或者不存在。上層地殼（即A'層），其成分以O(shè)、Si、Al及K、Na為主，和花崗巖的成分相似，所以叫花崗質(zhì)層；又稱硅鋁層(Sil)。這一層的表層常分布0~10km厚的沉積巖層。平均密度為2.6~2.7g/cm3。此層厚度在山區(qū)和高原可達(dá)40km，在平原區(qū)常為10km,在海洋地區(qū)變薄甚至缺失（如太平洋），因此是一個(gè)不連續(xù)圈層。這一層物質(zhì)組成極多樣，構(gòu)造形態(tài)和地貌形態(tài)也非常復(fù)雜。下層地殼（即A"),其成分也以O(shè)、Si、A1等為主，但Mg、Fe、Ca等成分顯著增加，和玄武巖成分相似，所以叫玄武質(zhì)層，又稱硅鎂層(Sima)。平均密度為2.9~3.0g/cm3。此層在海洋地殼部分平均厚5~8km，在大陸部分延伸至花崗質(zhì)層之下，推測(cè)可厚達(dá)30km，是一個(gè)連續(xù)圈層。3.地殼的類型地殼可分為大陸型地殼（簡(jiǎn)稱陸殼）和大洋型地殼（洋殼）。陸殼厚度較大(30~70km)，具雙層結(jié)構(gòu)，在玄武質(zhì)層之上有花崗質(zhì)層(表層大部分有沉積巖層)。硅鋁層好像浮在硅鎂層之上，地表起伏越大（如高山、高原），莫霍面位置越深，地殼越厚。洋殼厚度較小，最薄處不到5km，一般只有單層，即玄武質(zhì)層，表層覆蓋海洋沉積層。陸殼和洋殼交會(huì)處可分出過(guò)渡型地殼，又稱次大陸型地殼，特點(diǎn)介于以上2種之間。從圖2-12可看出陸殼和洋殼在結(jié)構(gòu)、厚度等方面的差異。地殼厚度的差異性，垂直結(jié)構(gòu)、物質(zhì)成分的不均勻性，構(gòu)成地殼總特征，這導(dǎo)致地殼物質(zhì)重新分配和調(diào)整，以達(dá)到新的平衡，這是引起地殼運(yùn)動(dòng)的因素之一。(二)地幔指莫霍面以下到古登堡面以上的圈層。深度為從地殼底界到2900km。體積占地球的82%，質(zhì)量為4.05×1021t,占地球的67.99%。物質(zhì)密度約從3.32g/cm3遞增到5.7g/cm3，在地幔下部接近地球的平均密度。壓力隨深度增加，底界面上壓力可達(dá)約1.50×1011Pa。溫度也隨深度緩慢增加，下部約3000℃。從莫霍面到古登堡面，地震波傳播速度大體緩慢而均勻變化的，中間缺少一級(jí)不連續(xù)面，說(shuō)明地幔物質(zhì)較地殼更均勻。但在約400km和約1000km深處各有一次級(jí)不連續(xù)面，即拜爾勒面和雷波蒂面（表2-4），據(jù)此劃分B、C、D層?？梢?jiàn)地幔物質(zhì)具有分異作用。一般以1000km為界分為上地幔和下地幔。1.上地幔地震波數(shù)值和在橄欖巖中實(shí)驗(yàn)所得數(shù)值相似，也稱橄欖質(zhì)層或榴輝質(zhì)層。橄欖巖的成分和廣泛分布的石隕石（又稱球粒隕石）相似，和地殼相比，S、O成分減少，鎂鐵成分增加。上地幔包括B、C兩層，B層又分成B'和B"兩層。位于莫霍面以下的B'層，相當(dāng)于固態(tài)的橄欖質(zhì)層，通常把這一層加上地殼（即A+B)合稱巖石圈。在深度60~400km范圍內(nèi)，震波速度明顯下降，在100~150km深度附近下降更多，稱為古登堡低速層（相當(dāng)B”層）。一般認(rèn)為這一層有部分熔融、大塑性或潛柔性，因此稱軟流圈。軟流圈的深度、厚度和范圍常隨邊界有起伏變化，有時(shí)漸變。軟流圈溫度約700~1600℃，可能是巖漿的主要發(fā)源地，地殼運(yùn)動(dòng)、巖漿活動(dòng)、火山活動(dòng)以及熱對(duì)流皆可能與此層有關(guān)。上地幔下部(C層)也有次一級(jí)不連續(xù)面，具體情況有待探索。中、深源地震（最深達(dá)720km)的震源皆發(fā)生在上地幔中。對(duì)上地幔的研究日益受國(guó)際重視，是固體地球物理學(xué)國(guó)際合作研究計(jì)劃之一。為進(jìn)一步探索地球深部，1960年曾提出“上地幔計(jì)劃”，1970年結(jié)束，對(duì)研究上地幔地球物理起了很大的推動(dòng)作用。2.下地幔(D層)這一層物質(zhì)密度較大，一般5g/cm以上，底界接近地球的平均密度，壓力可達(dá)1.50×10"Pa?；瘜W(xué)成分相當(dāng)于鎂鐵的硅酸鹽礦物，與上地幔無(wú)甚差別。但這里壓力大，這些硅酸鹽礦物可能形成晶體結(jié)構(gòu)緊密的高密度礦物。地震縱波和橫波都能在地幔通過(guò)，因此認(rèn)為地幔呈固態(tài)。地核從位于深2900km古登堡面以下直到地心稱地核。震波速度在這一部分發(fā)生了突變，縱波速度從每秒13.32km下降到8.1km，橫波消失，表明地核物質(zhì)的化學(xué)成分和物理性質(zhì)