地球的圈层(1)课件

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υp、υs分别为纵波和横波速度，ρ为介质密度，k为介质的体变模量，μ为切变模量

揭示地球内部结构的主要手段是利用地震速度资料。一、地球内部的地震不连续面第一节地球的圈层地球各圈层密度、体波传播速度及深度地壳和上地幔中P波传播速度地球内部分层莫霍面（M）纵波（P波）：平均速度从6-7km/s突变到8.1km/s。位于地表以下数(5)公里到30-40km深度。由南斯拉夫学者莫霍洛维奇（A.Mohorovicic,1857-1936）于1909年首先发现，被称为莫霍洛维奇不连续面（Mohorovicicidiscontinuity），简称莫霍面（Moho）。莫霍面以上部分称地壳，以下部分称地幔。大陆地壳和大洋地壳（Press,1961）图中数据为地震波波速（km/s）括弧内为s波波速，未加括弧为P波康拉德面2、古登堡面（G）由美籍德裔学者古登堡（B.Gutenberg）1914年发现,称古登堡面（Gutenbergdiscontinuity），是核-幔边界。纵波速度由10.6km/s突然骤降到7.98km/s；横波速度在2885km处，从7.23km/s突然消失。3、软流圈上地幔顶部存在着一个地震波低速层，其深度一般在地表之下100km-350km（或60km-250km）。地震波速比其上部减少5%-10%左右。是低速带内的物质发生部分熔融使其强度降低的结果。该带易于发生塑型流动，称软流圈（asthenosphere）。其上的地壳和上地幔顶部组成岩石圈（lithosphere）。地壳：莫霍面以上的地壳表层，平均密度为2.8g/cm3，分洋壳、陆壳和过渡壳。二、各圈层成份地壳结构示意图（李四光，1970）洋壳：厚度4-20km，密度为2900kg/m3。可划分为3层：层1，未固结或固结程度较差的上部薄层沉积物，一般厚0.5m；层2，也称中间层，由枕状熔岩和其他相关海底喷发物组成的玄武质层；层3，由辉长岩和橄榄岩组成，在分异作用下可以形成玄武层层2。地震速度随深度增大，目前地球上最老的洋壳年龄为侏罗纪（Allen和Allen，1990）。陆壳:厚度一般为30-70km，平均厚度为35km，大陆地壳一般可以划分为四个层次（陆克政等，2001），分别为①沉积岩层，②上地壳或花岗质岩层，③中地壳或花岗闪长质岩层，④下地壳层，也称玄武质岩—变质玄武质岩层。Allen和Allen(1990)将地壳分为上、下两层，上层为花岗岩质层，厚度为20-25km，密度为2500-2700kg/m3；下层为玄武岩质，但在深度大于25km的压力和温度作用下，岩石呈麻粒岩状，或相当于高温高压榴辉岩、角闪岩，下层密度为2800-3100kg/m3。过渡型地壳：有些地区，特别是在消减大陆边缘，地壳的特点和厚度处于典型的洋壳和陆壳之间。与致密侵入体的侵入作用、变质作用以及拉伸作用等地质过程有关。大陆地壳与大洋地壳对比大陆地壳（陆壳）大洋地壳（洋壳）位于大陆，占总面积1/3位于大洋，占总面积2/3厚度变化大，平均20-60km厚度较小且变化也小，平均小于10km成份接近于中性岩浆岩：表层多沉积岩，深部为深变质岩，由基性玄武岩组成，表层有较薄的沉积物形成年代老：最老的岩石形成于36-40亿年（格陵兰）最老的岩石不超过2亿年，演化时间较短地壳结构复杂、岩石构造变形强烈地壳结构单一、构造变形较简单中国地壳厚度(重力反演)（据马杏垣,中国岩石圈动力学地图集,1989）地幔：莫霍面以下至古登堡界面以上的中间部分，由固态岩石组成。厚度约2885km，约占地球总体积的82.3%，占地球总质量的67.8%，是地球的主体部分。地幔上部的物质密度约3.5g/cm3，与地表出露的超基性岩类相似；在2900km处，由于静岩压力更大，其物质密度可达5.66g/cm3。地幔岩橄榄岩石榴石（镁铁榴石）地幔岩组分的地幔中，作为深度函数的压力诱导相转变和反应序列。（据Irifune）辉石类钙钛矿地幔内的速度变化与相变有关：5-40km,M面400km670km2900km,G面Vp=8.55km/s9.1km/sVp=10.08km/s11.7km/s橄榄石结构（孤立的岛状四面体结构）地幔上部尖晶石结构（四面体和八面体混合型结构）过渡层钙钛矿结构（八面体和立方体混合型结构）地幔下部地幔物相变化及地幔次级圈层结构示意图地幔内部过低速层后，在400km和670km处纵波和横波的波速明显加大，为物相变化界面，依此，可将地幔进一步划分成上地幔、过渡层和下地幔。地核：地核是古登堡界面到地心的范围。其体积约为地球的16.2%，质量约占地球的31.3%，密度达到9.98-12.5g/cm3。地核以铁镍合金为主,还含10-15%的氢（呈金属态）、硫化物或硅酸盐。从古登堡面到5155km为外核（outercore）－液体核，从5155km到地心为内核（innercore）－固体核。地球内部主要物理性质和圈层划分表三、动力学或流变学分层

最重要的动力学或流变学分层是岩石圈和软流圈。岩石圈是地球的刚性外壳，由地壳和地幔上部组成，它由能够独立的、相互运动的、不连续的板块组成。岩石圈应包括以下含义：(1)弹性或挠曲的岩石圈:岩石圈的刚度使其足以表现为固结的板块，但只有岩石圈的上部具有足够刚性，以在地质时间尺度（109年）上能够保持弹性应力。弹性岩石圈之下，应力释放是通过蠕变过程，但仍具有足够的刚性以保持表面板块的完整性。(2)热岩石圈：底部特征地温为1100℃-1330℃，地幔岩石在该温度附近接近固相温度。大洋岩石圈为5km（洋中脊处）—100km（俯冲带处），大陆岩石圈为100-250km。(3)地震波的岩石圈，即位于覆盖范围广泛、但不一定是在全球规模的地震波低速带之上的地球外壳。这个岩石圈的深度在年轻大洋下不到5公里，在大陆下约为150公里。一般将这个岩石圈底下的地震波低速带称为软流圈。(4)化学—矿物学的岩石圈，如果地幔的顶部是层状的或大体上是不均匀的话，就可推断出岩石圈与软流圈的化学或矿物学的边界。

（5）大洋岩石圈与大陆岩石圈具有不同的强度，前者强度大，后者强度小，但表现出明显的分层特征。

（6）大陆岩石圈上部地震活动脆性带之下为非地震韧性带，是上地壳断层的拆离带（Kusznir和park，1987），大陆岩石圈地幔部分存在另一强硬带，也是震源发生的地方。

（7）Moho面以下的岩石圈也具有一定的分层性，moho面以下10-20km处，存在一个P波低速带，它不是部分熔融的结果，而是橄榄石水化作用的结果。（8）下伏软流圈比岩石圈强度小，以流动作为变形机理，软流圈上部存在一个地震低速带，可能与部分熔融有关。矿物学分带地震分层和边界Bullen的名称动力学分层35km2889kmABCDD’D’’EFG橄榄岩带转换带钙钛矿地壳（上地幔）（过渡带）（下地幔）核-幔边界外核内核TBLCBL下地幔上地幔岩石圈莫霍面矿物物理、地震和动力学对地幔层的术语（Davis,1999）(D’’)内核边界5154km2750km660km不连续面410km不连续面350km750km10-100km7km1000km第二节地热与热流地热地热梯度：每向下加深100米所升高的温度。热流值：每秒通过地表单位面积的热量，为岩石热导率和地温梯度的乘积。单位为毫瓦/米2。常用单位为HFU（微卡/厘米2

，1HFU=41.87毫瓦/米2

）Partialmelting现今地球温度－深度关系（据Ernst,1990和Allen,1990）第三节重力异常及均衡一、重力异常重力:地心引力与离心力的合力。通常忽略离心力。

理想重力或正常重力：如果以十分接近地球大地水准面形状的扁球体代表地球，并假设地球内部的物质呈同心环状分布，且每一层密度均匀，这时可求出地球上不同纬度的理论重力值，计算公式为：gψ=978.0327（1＋0.0053024Sin2ψ-0.0000059Sin2（2ψ））Galψ为纬度。

重力异常：实际上，地球表面是起伏不平的，地下的物质密度也不均匀，用重力仪实测的重力观测值与该点的正常重力值常常存在着偏差，这种偏差称重力异常（Gravityanomaly）。经自由空气校正(空间校正)和Bouguer校正.海平面YXX’海平面YXX’自由空气校正，将重力仪x点的读数校正到x’，此时读数变大。将x-x’间引力减掉，读数变小。盆地充填区均衡概念（据汉布林，1980）。均衡既不是一种力，也不是一种过程，而是在地壳各部分之间建立一种重力平衡状态的普遍趋势。（a）普拉特提出，山之所以高是因为它是由比周围低地轻的物质组成的。（b）艾里认为，山和相邻的低地密度是一样的，山高是因为它比较厚。二、地壳均衡（Airy均衡）在喜马拉雅山链，三角测量和天文测量对重力的观测值不同，Pratt(1859)和Airy(1855)分别作出了解释，事实证明Airy的解释是正确的。Dutton（1889）提出了均衡（isostasy）一词，并称Airy的观点为均衡条件（Conditionofisostasy）。Davis（1999）称均衡条件已触到了构造机理的真谛。地壳在横向上的不均一性表现在洋壳和陆壳及陆壳内部的厚度差异上。地壳越厚的地方，地势越高；地壳越薄的地方，地势越低。相应的，莫霍面表现出明显的起伏：地势高的地方，莫霍面低；地势低的地方，莫霍面高。这就是重力均衡。

地壳均衡补偿在水中，重的、薄的物体漂浮得低；轻的、厚的物体漂浮得高。前者如同高密度（2.7g/cm3）的大洋地壳；后者如同大陆地壳（3.0g/cm3）

pwpocpmpccPa地壳均衡论示意图（据Allen和Allen，1990）（a）“漂浮”在液体地幔中的大陆块体；（b）大陆块体，翼部有大洋地壳及其上覆水柱重力均衡（isostasy）：即从地下某一深度算起，相同截面积所承载的表面岩石柱体的总质量相同。均衡是暂时的和相对的。补偿深度（depthofcompensation）：在此深度上，岩石强度低，像粘性流体一样可以流动，足以产生均衡（isostasy）所要求的浮力效果。其上的地壳和上地幔（岩石圈）像分割的块体一样，依据其质量和密度上升和下沉。补偿深度近似于岩石圈的底面。（Skinner&Porter,1987,PhysicalGeology,p470）因此，均衡并不仅限于地壳，地壳均衡是不确切的，称均衡条件（conditionofisostasy

）较合适。第四节地球的磁性及电性一、地磁场：地球周围空间中的磁场。磁极位置与地理极位置近似但不重合。二、古地磁

剩余磁性：岩石在形成过程中因地磁场的影响而获得磁性，并顺当时磁力线方向磁化，岩石的磁化即使经过长时间的环境变化也不会消失，这种与现代磁场无关的岩石磁性称剩余磁性。包括热剩余磁性、沉积剩余磁性、化学剩余磁性和粘滞剩余磁性。

热剩余磁性：火成岩在冷凝过程中，当冷却经过居里温度时，就会在当时的地磁场中被磁化而带上磁性，这种磁性叫做热剩余磁性。居里温度：物质在超过某一温度时，就不再具有磁性，这一温度就是该物质的居里温度。各种物质的居里温度并不一致，多在400-700°C左右。沉积剩余磁性：某些沉积岩在沉积和固结成岩过程中，由于一些磁性矿物颗粒受当时地磁场的作用呈定向排列，也会取得剩余磁性。地磁三要素：磁偏角、磁倾角和地磁强度。（Cox等）三、地磁场倒转与磁性地层剖面与地磁场有关的磁力线A.正常磁场，B.反转磁场，C.表示地磁场极性反转时间。Cox的地磁场倒转史（a）与Vine和Wilson的计算值（b）比较（东太平洋海丘）。（c）钢丝录音模型与转换断层。Tarbuck和Lutgens（1999）四、磁极移曲线（轨迹）五、地球的电性第五节全球地震活动性及地震带

1.地震成因：地球或岩石圈的快速颤动而引起的一种重要的板块构造运动形式。

2.地震强度：李希特（C.F.Richter）1935年给出地震震级的原始含义是指在震中距为100km处，用标准地震仪（周期0.8/s，阻尼比0.8，放大倍数2800倍）所记录到的最大振幅（以μm为单位）的对数值。

3.地震的分布：95%以上的地震分布在现代板块的边界上。世界地震带分布第六节地质年代表生物界和无机界的演化均表现出明显的自然阶段性。以地球演化的这种自然阶段性为依据，配合同位素地质年龄的测定，编制出一个在全球范围内能普遍参照对比的年代表，即地质年代表。地质年代表几个概念构造层的概念是20世纪40年代苏联地质学家最早提出来的，张文佑（1959）最早将此概念引入中国大地构造学的研究。近年来，美国地质学家（如MuehlbergerandTauyers,1989）也普遍采用此概念（Tectonosynthems）。构造层：地质演化过程中，在一定的构造单元里、在一定的构造时期内形成的、具有一定的构造变形特征的地层组合。其分界面具有明显的沉积间断，呈现为区域性地层角度不整合接触关系。构造期（tectonicstage）：形成一个构造层的地质时期。每一个构造期都以较长的稳定期（均变期）开始、而以较短的活跃期（灾变期）结束。构造事件（tectonicevent）：一个构造期内所发生的一切构造变形、变位以及与其相关的岩浆、变质作用。是指在较短暂的灾变时期、构造作用活跃时期所发生的事件。与建立在“槽台假说”上的“造山幕”有一定的相似性（万天丰，20