地球内部的基本结构和物质组成
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|个人分类:|系统分类:|关键词:地球，结构，成分，地壳，地幔，地核
地球内部的基本结构和物质组成
Structure and Composition of the Earth's Interiors
&&& 关于地球的基本结构和组成，有很多专业书籍介绍，本文仅作科普介绍。另外，本文关注的是地球内部的基本机构和组成，主要针对的是固体地球（solid Earth）部分，对于大气圈（atmosphere）、水圈（hydrosphere）和生物圈（biosphere）则不在讨论范围之内。
&&& 地球已经有大约46亿年的历史（根据月球样品年龄推测而来），而地球上的大陆（continental crust）也在40亿年前就可能已存在（根据澳大利亚大陆发现的具有40亿年以上的锆石样品推测）。地球内部的物质组成和结构以及伴随的动力学活动，随着地质历史的变迁，也在不断地发生着变化，也就是说，地球就像一个具有生命的地球，其内部不是一片死寂，而是在不断地演化着。
&&& 地球的一些基本参数，如半径、赤道周长、体积、质量、密度、重力等，有很多的相关介绍，此处不一一叙述。我们来关注地球内部的物质组成和结构。
&&& 我们已经熟知地球内部是分为地壳（crust）、地幔（mantle）和地核（core）三部分的，地球内部具有圈层结构。
图1.地球内部剖面示意图（from Wikipedia）
&&& 地壳是指莫霍面（Moho）以上的固体地球部分。莫霍面，是地壳和地幔的分界面，由南斯拉夫地震学家莫霍洛维奇(Mohorovicic)发现，并以他的名字而命名该界面。莫霍面上下部分的物质性质差异较大，波速和密度突变，形成不连续面（有时称为间断面，discontinuity）。莫霍面的平均深度为大约33km（对应着相应的地壳厚度），随地区不同而差异较大，大陆地壳的厚度比大洋地壳的厚度大很多，大洋地壳的厚度一般为5-10km，而大陆地壳的厚度达数十km，如青藏高原地区地壳可能达到80km。
&&& 陆壳（continental crust）和洋壳（oceanic crust）在成分和结构上也具有较大的不同。陆壳传统上分为上地壳和下地壳，分别为硅铝质和硅镁质成分。洋壳与陆壳不同，缺硅铝层，只有硅镁层，从上而下分别是沉积层（sediments）、玄武岩层（basalt）以及辉绿、辉长岩组成的席状岩墙。
&&& 地幔是指莫霍面（~33km）以下古登堡面（~2900km）以上的固体地球部分。由于目前我们还无法获得深部地幔的样品，所以目前对深部地幔的成分的估计是建立在高温高压实验岩石学和地球物理观测基础上的模型。关于这些模型，本文不作一一介绍，这里主要采用目前地学界广泛通用的林伍德（A.E. Ringwood）的地幔岩（pyrolite）模型。
图2. 地球内部圈层结构简图（after Hirose and Lay,2008）
&&& 地幔内部的结构是较为复杂的，尤其是对于转换带（mantle transition zone, MTZ）的认识，还需要更多的研究。地幔通常可以自上而下分为上地幔、转换带和下地幔（有的也将转换带划分到上地幔中，此处为便于叙述，考虑其特殊性，将转换带作为独立的一个单元）。具体来说，上地幔指莫霍面以下410km不连续面以上的地幔部分；转换带指410km和660km不连续面之间的地幔部分；下地幔指660km不连续面以下的地幔部分。410km不连续面和660km不连续面在地幔研究中具有重要的意义。
&&& 上地幔的成分目前已经比较清楚，主要矿物是橄榄石olivine、斜方辉石opx、单斜辉石cpx、石榴子石garnet以及少量的钛铁矿ilmenite和铬铁矿chromite（Anderson,1989）。上地幔岩石在地表有大面积的出露，主要以橄榄岩（peridotite）为主，包括二辉橄榄岩（lherzolite）、方辉橄榄岩（harzburgite）和纯橄岩（dunite）。
&&& 地幔转换带上边界410km不连续面通常认为是由橄榄石向高压相瓦兹利石（wadsleyite）相变引起的；在转换带内部大约520km不连续面（次级）处，瓦兹利石向林伍德石（ringwoodite）相变（也有人认为是Ca钙钛矿的生成形成的）；在转换带底部660km不连续面处，林伍德石发生分解生成硅酸盐钙钛矿（silicate perovskite）和镁方铁矿（magnesiowustite, 有的称为ferropericlase，铁方镁石），该相变标志着下地幔的开始。
图3. 上地幔矿物相变及物质组成（after Akaogi,2007;相关数据来自于Ringwood和Irifune等的结果。Py,辉石;Mj,超硅石榴石;α,橄榄石;β,瓦兹利石;γ,林伍德石;Ca-pv,CaSiO3钙钛矿;Mg-pv,(Mg,Fe)SiO3钙钛矿；Mw,镁方铁矿）
&&& 以上是橄榄石体系的高压相变过程，那么辉石和石榴石在地幔中是如何随深度发生相变的呢？首先是斜方辉石在上地幔中会转变成高压单斜辉石，随着压力（深度）进一步增大，辉石会在转换带中逐渐进入到石榴石结构中形成富Si的石榴石，称为超硅石榴石（majorite，有的成为镁铁榴石）。石榴石在转换带中具有较广的稳定域，可以稳定至转换带底部下地幔顶部。富Ca的石榴石在转换带中部就会逐渐转变成为Ca钙钛矿；富Al富Si的石榴石则在660km不连续面以下逐渐转变成钙钛矿。
&&& 因此，地幔转换带的主要矿物成分为瓦兹利石、林伍德石、石榴石以及少量的辉石和Ca钙钛矿。
图4.下地幔中地幔岩pyrolite的相变（from Irifune & Tsuchiya,2007,符号说明参考图3）
&&& 根据转换带的相变结果，可以知道下地幔的主要矿物成分为Ca钙钛矿，(Mg,Fe)SiO3钙钛矿和(Mg,Fe)O镁方铁矿。这三种矿物相都非常稳定，一直到下地幔底部都不再发生相变。但是随着2004年后钙钛矿（post-perovskite）的发现（见介绍），人们认识到(Mg,Fe)SiO3钙钛矿会在下地幔底部D"层发生相变。D"层是指下地幔底部、核幔边界（core-mantle boundary, CMB）以上大约200km的一个特殊层。由于下地幔中的矿物的稳定域都非常广，所以一直都将下地幔看作是较为均一的（homogeneous）；但是后钙钛矿的发现以及相关的地球物理观测均显示，下地幔并非人们所想象的那么均一，至少局部是存在不均一性的（heterogeneity）。
&&& 地幔的矿物组成，可以参考下图的总结：
图5. 地幔岩矿物组成随深度的变化（from Ono,2008）
&&& 地核的成分主要是通过地球物理观测和实验推测出来的，由于实验技术的限制，目前在地核条件下的实验比较有限。地核在大约5100km深度存在一个分界面，分开外核和内核。根据S波在外核中的消失现象，推测外核是液态的；又由于其密度比纯铁的密度要低，所以推测外核可能含有一些较轻的元素；因此外核可能是液态的铁合金。而内核则是固态的，主要成分是金属铁。
图6. 实验岩石学结果、地球物理观测以及地球内部结构图（from Bass and parise,2008，符号说明参考图3）
参考文献：
D.L. Anderson, Theory of the Earth Blackwell Scientific, Boston,
pp.（以及2007年新版）
K. Hirose, T. Lay, Discovery of post-perovskite and new views on the core-mantle boundary region, Elements 4(9.
M. Akaogi, Phase transitions of minerals in the transition zone and upper part of the lower mantle, in: E. Ohtani, (Ed), Advances in High-Pressure Mineralogy, Geological Society of America, 2007, pp. 1-13.
D.J. Frost, The upper mantle and transition zone, Elements 4(6.
J.D. Bass, J.B. Parise, Deep Earth and Recent Developments in Mineral Physics,&Elements 4(3.
T.Irifune, T.Tsuchiya, Mineralogy of the Earth – Phase Transitions and Mineralogy of the Lower Mantle, Treatise on Geophysics,vol2,Mineral Physics,33-62.
S. Ono, Experimental constraints on the temperature profile in the lower mantle, Physics of the Earth and Planetary Interiors 170(3.
周春银，金振民，章军锋，地幔转换带:地球深部研究的重要方向，地学前缘，),90-113.(下载)
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Copyright &《自然·地球科学》杂志：地球内核是由两个存在巨大差异的部分组成（神秘的地球配图）
（神秘的地球报道）据中新网：外媒11日报道，来自中国和美国的科学家最新发表在《自然·地球科学》杂志上的报告显示，地球内核是由两个存在巨大差异的部分组成的。
这些科学家认为，地球内核最中心部分(内内核)的铁晶体结构同地球内核外部(外内核)的铁晶体结构存在着差异。
由于科学家无法通过钻探的手段探索地球核心，其组成和结构一直是个谜。
为了了解地球核心的状况，科学家选择了观察地震波折射的方法，分析了地震波在穿过地球内部不同层面时发生的变化。
美国伊利诺伊大学香槟分校教授宋晓东说，“地震波可以从地球的一面到另一面来回折射传播。”宋晓东教授和他的中国同行说，数据显示，地球的内核，也就是一个和月球尺寸差不多的固体是由两部分组成的。
地震波数据显示，如果从地球北极的上方观察，“内内核”的铁晶体是沿着一个东西走向的轴排列的，晶体取向仅沿轴的侧方向发生变化。但是，对于“外内核”来说，晶体则是沿着一个南北走向轴排列的。
宋晓东教授说，“我们发现地球内核不同区域的结构不同，这个事实反映了地球的长期历史。”
10亿年前开始凝固
地球内核位于地表以下5000多公里，在大约10亿年前开始凝固，而且正以每年0.5毫米的速度长大。
有关地球内核存在着不同晶体取向的发现意味着，这些晶体是在不同情况下形成的，而且可能意味着地球在这段时间里发生过巨大的变化。
英国剑桥大学教授西蒙·雷德芬说，“探测地球固态的内核就像探索过去的历史一样，可以了解其形成的初始状态。”
“人们过去注意过地震波穿过地球内核外部和最中心部分表现出的差异，但是从来没有人提出过这两部分的铁晶体取向完全不同的概念。”
他说，如果事实的确如此，这意味着一定发生过什么事情，改变了地球内核的方向。
雷德芬教授特别指出，曾经有研究认为，地球的磁场可能在大约5亿年前有过变化，在赤道轴和南北极轴之间发生了转变。
他说，宋晓东教授观察到的地球内内核晶体的奇怪排列也许能够解释5亿年前可能出现在赤道附近的古代岩石中的奇怪的古磁场痕迹。
但是他说，这篇论文提出的模型需要经过其他分析方式的检验，因为过去还没有人考虑过支持这一结论的证据。人类是怎样认识地球内部结构的？
人类认识地球的内部结构，经历漫长的过程，我国古代著名的天文学家张衡提出浑天说，认为‘天之包地，由壳之裹黄’，在一些人的想象中，地球就像鸡蛋一样有外壳，蛋白和蛋黄。
然而，对地球内部结构的具体的，科学的认识只有到近代，依靠科学的發展才有可能。人们通过地下温泉的研究，火山喷发的研究，得之地球内部一定很热，而且随深度增加，温度也随之增加。
中国指南针的发明，证明地球存在南北指向的磁场，从而进一步证明，地球内构成中铁具有相当大的含量。
研究地球围绕太阳的运动，根据牛顿万有引力公式，可以计算地球的总质量，及地球体积。从而得出地球的比重，由地球比重可推出地球主要构成元素。
然而地球内部结构的认识，主要是根据对地震所产生的纵波和横波传播时，在不同介质中所引起的折射和传播速度变化中计算出来。
克罗地亚科学家安德烈-莫霍罗维奇计算地震纵波和横波速度，从而发现地壳和地幔的边界，后来这个边界被命名为莫霍罗维奇不连续面，简称莫霍面。
德国科学家本诺-古登堡根据地震研究，指出地核的存在，并测定了地核界面，后来被命名为古登堡不连续面，它在地下2900公里处。
从而地球结构基本明确为由地壳，地幔和地核构成。进一步研究，又将地幔分为上地幔和下地幔，将地核分为外地核和内地核。地核是地球的核心部分，位于地球最内部，半径约为3470公里，主要由铁，镍元素组成。平均密度大约10，7克/厘米3。温度非常高摄氏度，压力可达360万大气压。在此压力下内地核呈固体状态。
对地壳影响最大的是地幔的岩浆。从火山喷发可知地幔主要由岩浆所构成，岩浆是液态或糊状的熔融岩物质，通过冷却和结晶作用变为火成岩的物质。
由于岩浆的温度很高，内压力很大，因而岩浆本身具有极大的物理-化学活动性。它可以顺着地壳薄弱地带侵入上部，或者沿着构造裂隙喷出地表。岩浆这种向着地壳上层压力减少方向上升的运动，称为岩浆活动。
火山在活动时，不但有蒸汽，石块，晶屑和熔浆团自火山口喷出，而且还有炽热粘稠的熔融物质，自火山口溢流出来。前者称为挥发分和火山碎屑物质，后者则叫熔岩流。含挥发分的高温粘稠的岩浆主要成分为硅酸盐熔融物质。喷出地表的岩浆成为喷出岩，侵入地壳中的称为侵入岩。
根据现代火山喷溢而出的熔岩得知，硅酸盐是岩浆的主要成分。其中SiO2的含量在30-80%之间，金属氧化物如Al2O3，Fe2O3，FeO,MgO,CaO,Na2O等占20-60%。其他重金属等总量不超过5%。此外岩浆中还含有一些挥发性组分，其中主要的是水，二氧化碳，硫化氢，氟和氯等。
现代地质钻探技术的发展，可以进一步提供地球内部信息，上天容易，入地难，要经受地下高温和高压的考验。但经过人们努力，俄罗斯于2011年在库页岛达到创纪录的钻探深度12345米，离地壳平均厚度33000米还有相当大的距离。
现代地壳板块学说指出，地壳浮在地幔岩浆之上，除受岩浆浮力和地心引力外，由于地球围绕太阳旋转，既有太阳万有引力作用，还有离心力作用；月亮对地球的万有引力作用；地球自转离心力水平作用；地球上水，风剥蚀及搬运，沉积等影响。
从而影响地壳板块既有水平运动，又有垂直运动。水平运动，沿平行于地球表面方向的运动。也称造山运动或褶皱运动，这种运动常常可以形成巨大的褶皱山系，以及巨型凹陷，海沟等。
垂直运动，又称升降运动，造陆运动。它使岩层表现为隆起和相邻区下降，可形成高原，断块山及拗陷，盆地和平原。还可引起海侵和海退，使海陆变迁。
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以上网友发言只代表其个人观点，不代表新浪网的观点或立场。课题：地球内部的结构；一、教学内容：；地球内部的结构；二、学习目标：；1、了解研究地球内部圈层的方法；4、认识地壳是运动的，知道火山和地震是地壳运动的；三、重难点讲解：；【知识点1】地球的内部圈层；地球的内部结构与煮熟的鸡蛋很相似；地壳主要由各种岩石组成；地幔分为上地幔和下地幔，上地幔上部（地下约60千；流层，一般认为这里可能是岩浆的主要发源地之一；地；地核
课题：地球内部的结构
一、教学内容：
地球内部的结构
二、学习目标：
1、了解研究地球内部圈层的方法。 2、了解地球内部的圈层的结构。 3、初步认识岩石的分类及其用途。
4、认识地壳是运动的，知道火山和地震是地壳运动的表现。
三、重难点讲解：
【知识点1】地球的内部圈层
地球的内部结构与煮熟的鸡蛋很相似。分为地壳、地幔、地核三个层次。
地壳主要由各种岩石组成。
地幔分为上地幔和下地幔，上地幔上部（地下约60千米~250至400千米）存在一个软
流层，一般认为这里可能是岩浆的主要发源地之一；地下1000千米~2900千米深处，叫做下地幔，温度、压力和密度均增大，物质的状态可能为固体，地壳及地幔层的顶部（软流层以上）共同构成岩石圈。
地核又分外地核和内地核――外核液态，横波不能通过；内核压力和密度都很大，所以为固态。
地球平均半径6371km,其中
地壳：大陆地壳平均30km，青藏高原达65km，海底地壳最薄处5km 地幔：地壳至地下2900km，含岩浆
地核：地幔以下至地心3470km，分为外核（液态地核）和内核（固态地核）
【知识点2】人类认识地球内部结构的方法
①研究地震和火山②地球物理勘探③地球化学勘测④高温高压模拟试验⑤同位素地质学方法⑥遥感地质
【知识点3】地壳的组成物质――岩石
1、火成岩：由灼热的岩浆冷却形成的岩石。
2、沉积岩：已经形成的岩石在地表附近受光照、大气、水、生物等影响形成碎片碎屑物质又重新堆积起来形成的岩石称为沉积岩。沉积岩在地表分布最广，沉积岩中常常能见到化石，为我们研究地球历史提供重要的依据。
3、变质岩：火成岩和沉积岩形成以后，由于温度、压力等条件发生变化，其物理、化学性质及化学成分都有可能发生改变，从而形成变质岩。
4、三大岩石的转化。从各类岩石的形成过程中不难看出，三大类岩石可以相互转化，组成地壳的物质处于不断的运动和变化之中。地球内部的岩浆，在岩浆活动的过程中上升冷却凝固，形成岩浆岩。岩浆岩在地表外力的侵蚀、搬运、堆积作用下，形成沉积岩。同时，这些形成的岩石在地壳深处或地壳以下被高温熔化，又形成岩浆回到地球内部。从岩浆到形成各类岩石．又到新的岩浆的产生，这一运动变化过程，构成了地壳物质循环。
【知识点4】地壳的运动
构成地壳的岩石一刻也没有停止变化。已经形成的岩石在遭受破坏，同时又有新的岩石在不断形成。保存到现在的各个时代的岩层就是地壳运动的最好见证。所以地壳运动是指由地球内力引起的地壳内部物质缓慢变化的机械运动，也称为构造运动。它使地球表面海陆发生变化，并使岩层发生变形和变位形成各种的形态。 2、地壳运动的类型：分为水平运动和升降（垂直）运动
水平运动是指组成地壳的物质沿平行于地球表面方向的运动，这种运动使地壳受到挤压、拉伸或平移甚至旋转，相对方向的水平运动常常造成巨大的褶皱山系，相反方向的水平运动常形成裂谷或海洋，如东非大裂谷、红海
升降运动是指组成地壳的物质沿垂直于地球表面方向的运动，即地壳上升或下降。主要引起海洋和陆地的变化，地势高低的改变。比如使沧海变成桑田，使陆地变成海洋。
3、地壳运动的表现：火山和地震
构成地壳的岩石随时随地都在不断变化，当构成地壳的岩层有孔隙或缝隙时，岩浆和气体便会“乘虚而出”，从地球深处喷出来，形成景色壮观的火山。另外地壳运动的速度是不均匀的，这样会造成岩层的断裂和错位，那么地震以其突然、瞬间、剧烈的特殊运动形式，使人们直接感受到地壳运动的发生。
【典型例题】
例1． 地球内部圈层的划分依据是（ ）
A．地震发生时的地面变化
B．通过打深井而获得的信息
C．由地震波的速度变化而形成的不连续界面
D．通过卫星遥感技术获得的信息
解析：此题考查了有关地球内部圈层的划分依据。地球内部的知识，目前主要通过对地震波的研究来获得。地震波在地球内部传播速度的变化，说明地球内部的物质组成是变化的，变化明显的地方形成了不连续界面，不连续界面成为地球内部圈层的界线。 答案：C
例2．莫霍界面是（ ）
A．．地壳和地幔的界线
B．地幔和地核的界线
C．岩石圈和地幔的界线
D．上地幔和下地幔的界线
解析：此题考查了不连续界面的位置，莫霍界面是地壳和地幔的界线，古登堡界面是地幔和地核的界线。 答案：A
例3．有关岩石圈的叙述，正确的是（
） A．岩石圈属于地壳的一部分，是由岩石构成的
B．岩石圈属于上地幔的一部分
C．岩石圈与生物圈关系密切
D岩石圈的上部是软流昙
解析：此题考查了有关岩石圈的知识。岩石圈是由岩石构成的，它包括地壳和上地幔顶部软流层的上部。它和地球的外部圈层关系密切。
例4．据有关的证据说明，地球内部圈层中物质为液态的是（ ）
解析：地震波在到达古登堡界面时，纵波的传播速度突然下降，横波则完全消失，所以推断外核物质为液态。 答案：C
例5．有关地球外部圈层的说法，正确的是（
A．大气圈是由大气组成的简单的系统
B．水圈是一个连续不规则的圈层
C．生物圈包括大气圈的全部、水圈的全部
D．地球的外部圈层之间关系密切，但和地球的内部圈层没有关系
解析：：此题考查了有关地球内部圈层的知识，大气圈是由气体和悬浮物组成的复杂系统；水圈是一个连续但不规则的圈层；生物圈是地球表层生物及其生存环境的总称，它包括大气圈的底部、水圈的全部和岩石圈的上部。地球的外部圈层之间相互联系、相互制约．形成人类赖以生存的自然环境，但和岩石圈的关系也较密切。 答案：B
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