2014年地概演示08地球的圈层

1、2022-3-15621第八章第八章 地球的内部圈层地球的内部圈层一、一、 不安稳的大地不安稳的大地烨烨震电，不宁不令。百川沸腾，山冢萃崩。高岸为谷，深谷为陵。2022-3-15622北川县城北川县城2022-3-15623北川中学北川中学2022-3-156242022-3-15625候风地动仪候风地动仪2022-3-156262022-3-15627震源震源震中震中2022-3-15628Earthquakes allow us to study Earths interior2022-3-15629二、地球内部的透视目前对地球内部的了解主要借助于地震波研究的成果（世界最深钻孔约12km、

2、陨石、重力、地磁、地电、地热、岩浆、高温高压实验、计算所模拟）。 地球是一个具有弹塑性的实体。弹性：受力的物体一旦撤去力的作用能够恢复至变形前的原始状态。塑性：受力的物体一旦撤去力的作用不能恢复至变形前的原始状态地震波：由地震所激发出的弹性波。2022-3-15621018491849年英国科学家斯托克斯年英国科学家斯托克斯(G.H.Stokes)(G.H.Stokes)证证实地震时产生出两种弹性波：实地震时产生出两种弹性波：一种是质点振动方向与传播方向一致的一种是质点振动方向与传播方向一致的纵波纵波（又称又称P P波）波）；一种是质点振动方向与传播方向相垂直的一种是质点振动方向与传播方向相垂

3、直的横横波波（又称（又称S S波）波）。因因P P波与波与S S波都是在物体内部传播的，都叫波都是在物体内部传播的，都叫体波体波。还有一种地震波只在地球表面传播，称为还有一种地震波只在地球表面传播，称为表面表面波波。2022-3-156211纵波与横波纵波与横波2022-3-1562122022-3-1562132022-3-156214透视地球内部靠的是透视地球内部靠的是P P波与波与S S波波： S S波：波：只能在固态物质中传播。只能在固态物质中传播。Vs=Vs=（ / / ）1/21/2 Vs Vs横波速度；横波速度； 介质密度；介质密度； 介质的体变模量（物体在围压作用下能缩小程度）

4、；介质的体变模量（物体在围压作用下能缩小程度）； 切变模量（物体在定向力作用下能改变的程度），切变模量（物体在定向力作用下能改变的程度），在液态下，在液态下， =0=0 P P波：波：在气、液或固态物质中都可以传播。在气、液或固态物质中都可以传播。传播时只引起物质疏密的变化，传播时只引起物质疏密的变化，不要求物质具不要求物质具有固定的内部结构，有固定的内部结构，Vp=Vp=（ +4+4 /3/3）/ / 1/2 1/2 VpVp纵波速度纵波速度2022-3-156215 通常震源所发出的通常震源所发出的P P波与波与S S波在波在均质体均质体内内应该沿着直线传播，传播速度应该基本应该沿着直线传

5、播，传播速度应该基本稳定。稳定。 当地震波从一种介质进入另一种介质时，当地震波从一种介质进入另一种介质时，会出现折射或反射的现象。会出现折射或反射的现象。 地震波的传播是沿着弯曲的路径时，则地震波的传播是沿着弯曲的路径时，则表示沿途介质的性质是逐渐的改变。表示沿途介质的性质是逐渐的改变。 实际上，地震波在地球内部的传播，实际上，地震波在地球内部的传播，既是沿着曲线的路径，又有突变的现象。既是沿着曲线的路径，又有突变的现象。2022-3-1562162022-3-1562172022-3-156218三、内部圈层的划分三、内部圈层的划分 地震波在地球内部传播存有地震波在地球内部传播存有7 7个显

6、著的地震波个显著的地震波速不连续界面。最主要的不连续界面有速不连续界面。最主要的不连续界面有2 2个：个： 莫霍洛维奇面莫霍洛维奇面（简称莫霍面）：（简称莫霍面）：最先由克罗地亚学最先由克罗地亚学者者莫霍洛维奇莫霍洛维奇(A. Mohoroviche, 1857-1936) (A. Mohoroviche, 1857-1936) 于于19091909年发现：年发现：在莫霍面上下，在莫霍面上下，VpVp从从7.0 km/s 8.1 km/s7.0 km/s 8.1 km/s左右；左右；VsVs从从4.2 km/s 4.4km/s4.2 km/s 4.4km/s左右左右莫霍面出现的深度，全球平均为

7、莫霍面出现的深度，全球平均为33km, 33km, 大洋之下大洋之下平均仅为平均仅为7km7km。 莫霍面之上部分称为地壳，莫霍面之下到古莫霍面之上部分称为地壳，莫霍面之下到古登堡面之间称为地幔登堡面之间称为地幔2022-3-1562192022-3-156220 古登堡面：古登堡面：19141914年由美籍德裔学年由美籍德裔学者者古登堡古登堡（B. Gutenberg, B. Gutenberg, 1889-19601889-1960）发现。）发现。VpVp由由 13.6 km/s13.6 km/s突然降低为突然降低为7.98 km/s7.98 km/s；VsVs从从7.23 km/s7.2

8、3 km/s到到突然消失。突然消失。界面深度为界面深度为2885km2885km。界面之下界面之下到地心，称为地核到地心，称为地核2022-3-156221上地幔内部（即层内）：上地幔内部（即层内）：存在一个地震存在一个地震波的低速层。波的低速层。地震波速比上部减少地震波速比上部减少- -左右；左右；地震波速呈渐变过渡，无明显突变面地震波速呈渐变过渡，无明显突变面；深度一般为深度一般为6060250km250km之间。之间。表明此处岩石强度较低，局部为熔融。表明此处岩石强度较低，局部为熔融。低速层后来就被命名为低速层后来就被命名为软流圈软流圈(LVZ)(LVZ)。软流圈以上、岩石强度较大的部分

9、（包软流圈以上、岩石强度较大的部分（包括地壳和上地幔顶部）称为括地壳和上地幔顶部）称为岩石圈岩石圈。2022-3-156222莫霍面莫霍面古登堡面古登堡面低速层（软流圈）低速层（软流圈）2022-3-1562232022-3-1562242022-3-156225四、内部圈层的主要特性内部圈层的主要特性一）地球内部的主要物理性质一）地球内部的主要物理性质密密 度度:(:(F=mgF=mg、G=fm/rG=fm/r2 2M=mgrM=mgr2 2/f/f) )地球的平均密度为地球的平均密度为5.517g/cm5.517g/cm3 3；地表岩石平均密度仅为地表岩石平均密度仅为2.7-2.8 g/c

10、m2.7-2.8 g/cm3 3；地球内部物质的密度一定大于地球平均密度地球内部物质的密度一定大于地球平均密度据计算固体地球密度为：据计算固体地球密度为：地表岩石一般密度为地表岩石一般密度为2.62.62.7g/cm2.7g/cm；地壳下部为地壳下部为2.9 g/cm2.9 g/cm；莫霍面以下密度突然变大到莫霍面以下密度突然变大到3.32g/cm3.32g/cm；地幔密度由地幔密度由3.32 g/cm3.32 g/cm逐渐增大到逐渐增大到5.56g/cm5.56g/cm；古登堡面之下，密度剧增至古登堡面之下，密度剧增至9.98 g/cm9.98 g/cm；地心则可达地心则可达12.51g/c

11、m12.51g/cm。2022-3-156226 压力：压力：指在不同深度处单位面积上的静岩压力指在不同深度处单位面积上的静岩压力（其实应该叫压强）。大小（其实应该叫压强）。大小P P，其中，其中为深度为深度、 为为上覆物质平均密度、上覆物质平均密度、为为平均平均重力加速度。重力加速度。地球内部压力随深度加大而增高地球内部压力随深度加大而增高深度每增加深度每增加km，压力增加，压力增加27.5 Mpa（1 MPa1兆帕斯卡兆帕斯卡10N / m）深部随着岩石密度的加大，静岩压力增加深部随着岩石密度的加大，静岩压力增加得更快些。得更快些。莫霍面附近约莫霍面附近约1200 Mpa；古登堡面附近古登

12、堡面附近约约135,200 Mpa；地心处可达；地心处可达361,700 MPa，相当于相当于360万个大气压力。万个大气压力。2022-3-156227温度：温度：地球的温度总体上是从地球的温度总体上是从地表向地内逐渐增高。地表向地内逐渐增高。地表附近，温度有昼夜、季节、地表附近，温度有昼夜、季节、多年周等变化。多年周等变化。这一表层可叫这一表层可叫外热外热层层（或（或变温层变温层）。深度一般在十几）。深度一般在十几米，最多不超过几十米；米，最多不超过几十米；在外热层下界面附近，地温常年在外热层下界面附近，地温常年保持不变，等于或略高于当地年平保持不变，等于或略高于当地年平均气温，该处称为均

13、气温，该处称为常温层常温层；2022-3-156228常温层以下温度逐渐升高。一般把在常温层以下温度逐渐升高。一般把在常温层常温层以下，每向下加深以下，每向下加深100100所升高的温度所升高的温度称为称为地地热增温率或地温梯度；热增温率或地温梯度；不同地区，地温梯度都不相同，地球表层的不同地区，地温梯度都不相同，地球表层的平均地温梯度为平均地温梯度为海底的地温梯度一般为海底的地温梯度一般为- -，大陆为，大陆为0.9-0.9-。若用地表附近的地温梯度来推算若用地表附近的地温梯度来推算, , 地壳底部地壳底部温度为温度为900,900,核幔边界将达核幔边界将达86,000, 86,000, 地

14、心高地心高达达192,100192,100。地球内部应为熔融或化为气体状态（有人以地球内部应为熔融或化为气体状态（有人以为地球是为地球是“空心空心”的），但与横波传播的事实的），但与横波传播的事实不符不符2022-3-1562292022-3-1562302022-3-156231 根据高温、高压实验成果与地震波传播特点，目前，地球内部温度比较公认的推算结果为：莫霍面附近地温约为400-900；岩石圈底面约在1100左右；地幔内的温度大致为1000-3500；地核的温度在4000-5000之间。 不同学者用不同方法所获实验结果略有不同学者用不同方法所获实验结果略有出入，差值在几百度到上千度之间

15、出入，差值在几百度到上千度之间2022-3-1562322022-3-156233地热流密度：地热流密度：单位时间内通过地表单位单位时间内通过地表单位面积的热量面积的热量。目前全球实测的平均地热流值为目前全球实测的平均地热流值为1.471.4741.686mW/m41.686mW/m2 2；大陆地表热流的平均值大陆地表热流的平均值(1.46(1.4641.686mW/m41.686mW/m2 2) )海底的平均值海底的平均值(1.47(1.4741.686mW/m41.686mW/m2 2) )基本相等。基本相等。地表的不同地区地热流值并不相同：地表的不同地区地热流值并不相同：一般在一些构造活

16、动地区一般在一些构造活动地区( (如年青山脉、大洋中如年青山脉、大洋中脊、火山、岛弧等脊、火山、岛弧等) )热流值偏高；热流值偏高；在一些构造稳定的地区热流值偏低。在一些构造稳定的地区热流值偏低。地表热流值或地温梯度明显高于平均值或背景地表热流值或地温梯度明显高于平均值或背景值的地区称为值的地区称为地热异常区地热异常区。2022-3-156234弹塑性弹塑性：地球具有弹性弹性，表现在地球内部能传播地震波，因为地震波是弹性波。地表的固体岩石在日、月引力的作用下也有交替的涨落现象，其幅度为78cm,这种现象称为固体潮固体地球具有弹性，地球也具有塑性塑性2022-3-156235二）地球内部的物理状

17、态和化学组成二）地球内部的物理状态和化学组成推断地球内部各圈层物质组成的主要依据：推断地球内部各圈层物质组成的主要依据：根据各根据各圈层密度圈层密度和和地震波速度地震波速度与地表岩与地表岩石或矿物的有关性质对比进行推测；石或矿物的有关性质对比进行推测；根据各圈层的压力、温度，通过高温高根据各圈层的压力、温度，通过高温高压模拟实验进行推测；压模拟实验进行推测；根据来自地下深部的物质进行推断。火根据来自地下深部的物质进行推断。火山喷发和构造运动有时能把地下深部山喷发和构造运动有时能把地下深部( (如如上地幔上地幔) )的物质带到地表；的物质带到地表；与陨石研究的结果进行对比；与陨石研究的结果进行对

18、比；2022-3-156236陨石陨石: :是来自太阳系空间的天体碎片是来自太阳系空间的天体碎片. .目前陨石按成分可分三类目前陨石按成分可分三类:石陨石石陨石:主要有橄榄石、辉石等矿物组主要有橄榄石、辉石等矿物组成成 成分相当于地表见到的超基性岩，密成分相当于地表见到的超基性岩，密度度33.5g/cm3或更大；或更大；铁陨石铁陨石:由金属状态的铁、镍组成的天由金属状态的铁、镍组成的天然合金，密度然合金，密度88.5g/cm3或更大；或更大；铁石陨石铁石陨石:介于上述陨石的两者之间介于上述陨石的两者之间.2022-3-156237 是莫霍面以上的地球表层，其厚度变化在5-70 km之间。平均约

19、为33km，约占地球半径的1/400，占地球总体积的1.55，占地球总质量的0.8。 地壳物质的密度一般为2.6-2.9g/cm3。地壳为固态岩石所组成，包括沉积岩、岩浆岩和变质岩三大岩类。 岩石主要由各类富铝的硅酸盐矿物所组成。它们具有架状、链状或层状等比较松散的硅酸盐晶体结构。地壳2022-3-156238A A、架状结构，、架状结构，硅氧四面体排列成空架状，为各类长硅氧四面体排列成空架状，为各类长 石的晶体结构；石的晶体结构；B B、链状结构，、链状结构，硅氧四面体排列成链状，为角闪石与硅氧四面体排列成链状，为角闪石与 辉石的晶体结构；辉石的晶体结构；C C、层状结构，、层状结构，硅氧四

20、面体排列成层状，为云母与粘硅氧四面体排列成层状，为云母与粘 土矿物的晶体结构；土矿物的晶体结构；D D、岛状结构，、岛状结构，硅氧四面体排列成孤立的岛状，它直硅氧四面体排列成孤立的岛状，它直 接与周围的铁、镁等离子相连结，为接与周围的铁、镁等离子相连结，为 橄榄石等的晶体结构；橄榄石等的晶体结构；E E、尖晶石结构，、尖晶石结构，硅氧组成四面体与八面体混合的结硅氧组成四面体与八面体混合的结 构，为尖晶石所常见的晶体结构；构，为尖晶石所常见的晶体结构；F F、钙钛矿结构，、钙钛矿结构，硅氧组成八面体与立方体混合的紧硅氧组成八面体与立方体混合的紧 密结构，为钙钛矿所常见的晶体结构密结构，为钙钛矿所

21、常见的晶体结构2022-3-156239硅酸盐的架状结构（长石结构）2022-3-156240硅酸盐的链状结构（角闪石结构）2022-3-156241层状结构（白云母结构）2022-3-156242岛状结构（橄榄石结构）2022-3-156243尖晶石结构2022-3-156244钙钛矿结构钙钛矿结构2022-3-156245 地地 幔幔 是位于莫霍面以下、古登堡面以上的地球中是位于莫霍面以下、古登堡面以上的地球中间一个圈层间一个圈层厚度约厚度约2850km2850km，占地球体积的，占地球体积的82.382.3，质，质量的量的67.867.8, ,是地球的主体部分；是地球的主体部分；地震波中

22、的横波可以穿过整个地幔，应该地震波中的横波可以穿过整个地幔，应该是由固态的岩石所组成；是由固态的岩石所组成；球粒陨石的密度（球粒陨石的密度（g/cmg/cm）、化学）、化学成分与地幔相近，主要是由与球粒陨石成分成分与地幔相近，主要是由与球粒陨石成分相当的橄榄岩类（相当的橄榄岩类（Mg,FeMg,Fe）2 2SiOSiO4 4组成。组成。含少量金属硫化物或氧化物的流体；含少量金属硫化物或氧化物的流体；2022-3-156246地幔内存在两个物相变化的界线地幔内存在两个物相变化的界线 在在400km400km深处的晶体结构，由上部的深处的晶体结构，由上部的橄榄石结构（孤立的岛状四面体结橄榄石结构（

23、孤立的岛状四面体结构）转变为下部较紧密的尖晶石结构）转变为下部较紧密的尖晶石结构（四面体和八面体混合型结构）构（四面体和八面体混合型结构） 在在670 km670 km深处，由尖晶石结构向下深处，由尖晶石结构向下转变为更紧密的钙钛矿结构（八面转变为更紧密的钙钛矿结构（八面体和立方体混合型结构。密度由体和立方体混合型结构。密度由3.99g/cm3.99g/cm3 3跃升跃升4.39g/cm4.39g/cm3 32022-3-156247地幔分为三个次级圈层地幔分为三个次级圈层上地幔上地幔（层，33400 km深）是由具橄榄石结构的镁铁硅酸盐为主所组成地幔过渡层地幔过渡层（层，400670 km深

24、）由具有尖晶石结构为主所组成的镁铁硅酸盐下地幔下地幔（层，6702885 km深）则由具有钙钛矿结构的镁铁硅酸盐为主所组成2022-3-156248地地 核核 地球内部古登堡面至地心的部分 其体积约为地球的16.2，质量约占地球的31.3，地核的密度达9.9812.5g/cm3 其成分以铁镍合金为主，现在一般认为地核可能还含有1015的氢、硫化物，或硅酸盐2022-3-156249地核可分为三层： Inge Lehman（1936）发现过渡层：）发现过渡层：外核(E层，深度28854170 km)，根据横波不能通过，纵波发生大幅度衰减的事实推测其为液态过渡层(F层，41705155 km)，过

25、渡层则为液体固体的过渡状态内核(G层，5155 km至地心)，横波又重新出现，说明其又变为固态，密度由12.17g/cm3变为12.75g/cm32022-3-156250Fe2022-3-156251 地壳地壳莫霍面（莫霍面（33km33km）速度突增速度突增 上地幔上地幔 物相界面一（物相界面一（400km400km）橄橄尖结构尖结构 过渡层过渡层物相界面二（物相界面二（670km670km）尖尖- -钙钛结构钙钛结构 下地幔下地幔古登堡面（古登堡面（2885km2885km）速度突减速度突减 外核外核（4170km4170km） 过渡层过渡层（5155km5155km） 内核内核2022

26、-3-156252五、内部圈层的运动五、内部圈层的运动 本世纪初本世纪初, ,古气象学家魏格纳（古气象学家魏格纳（A. L. Wegner, 1880 A. L. Wegner, 1880 - 1930- 1930） 最早提出大陆漂移假说（最早提出大陆漂移假说（ 以达到每年几以达到每年几米的速度）；米的速度）； 5050年代大规模的海底调查，海底扩张学说的建立。年代大规模的海底调查，海底扩张学说的建立。以以海底古地磁海底古地磁、深海底钻探资料深海底钻探资料为依据，全球海底为依据，全球海底正以每年几厘米到十几厘米的速度在扩张的认识；正以每年几厘米到十几厘米的速度在扩张的认识； 全球定位系统全球定

27、位系统与与激光测量激光测量等方法发现不同的大陆地等方法发现不同的大陆地块正以每年几厘米到几毫米的速度发生着水平运动，块正以每年几厘米到几毫米的速度发生着水平运动，其高度发生每年几毫米到几十微米的变化；其高度发生每年几毫米到几十微米的变化；岩石圈在运动的事实是确凿无疑的岩石圈在运动的事实是确凿无疑的2022-3-156253对平移断层的观测对平移断层的观测2022-3-156254各圈层间的界面（包括相变界面）都是各圈层间的界面（包括相变界面）都是一个过渡带，具有上、下部物质混杂的一个过渡带，具有上、下部物质混杂的特征（即发生了耦合作用）。特征（即发生了耦合作用）。整个地幔的温度在整个地幔的温度

28、在1000100035003500之间，之间，地温梯度仅为地温梯度仅为0.0880.088100100，相当于，相当于地壳内平均地温梯度的地壳内平均地温梯度的3333。较低的。较低的增温幅度在硅酸盐岩石内的热传导是很增温幅度在硅酸盐岩石内的热传导是很微弱的。微弱的。2022-3-156255研究认为：研究认为：地幔内存在由深部到浅部的地幔内存在由深部到浅部的热对流热对流，即，即可能由少量（约百分之几）氢、氮、碳、可能由少量（约百分之几）氢、氮、碳、氧化物或硫化物以流体的形式在晶体间氧化物或硫化物以流体的形式在晶体间隙、矿物颗粒间或岩石缝隙中流动，以隙、矿物颗粒间或岩石缝隙中流动，以保持地幔从下

29、到上温度变化较小保持地幔从下到上温度变化较小地幔内部不是均质的，某些部分积聚的地幔内部不是均质的，某些部分积聚的热量较多，可能成为热流向上运移的部热量较多，可能成为热流向上运移的部位，位，称为地幔羽（或地幔柱）；称为地幔羽（或地幔柱）；较冷的较冷的地幔热流体向下运动，这样就形成地幔地幔热流体向下运动，这样就形成地幔内的热对流内的热对流2022-3-156256Cold down-goingmaterialHot upwellingmaterial2022-3-1562572022-3-156259上地幔的对流可能与岩石圈（板块）上地幔的对流可能与岩石圈（板块）的运动关系密切；的运动关系密切；下地幔的对流与液