地球的物理性质和圈层结构Word下载.docx
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这表明在一般情况下，弹性波的传播速度应该与物质的密度值ρ成反比。
但对于地球而言则不然，原因在于随着深部压力的增加，介质的弹性常数K和μ的增加要快于物质密度的增加。
因此大多数岩石实际上都表现出密度与弹性波速成正比的特征。
测试结果表明，两者的经验相关关系为：
（3—2）
一次地震发生后，设置在全球各地的地震台站先后接收到穿过地球传来的地震纵波（或P波，Vp）、横波（或S波，Vs）及沿地面传播来的衍射波（或M波）（见图3-9）。
经过计算，可以从中得到地球内部不同深度下的地震波速，进而推断得出相关的物质密度分布规律（图3—2）。
也可以根据不同波组到达先后的走时差距，测量出震源至台站的距离。
因为距离越远，Vp和Vs到达的时间差越大。
通过地面接收站横波和纵波间隔判断距离
地震的距离————时间曲线
从图3—2中可以看到，随着地球深度的增加，地球的密度也随之逐步增大。
但密度的增大随深度的不同并非是均匀变化的，除了图中未能表示的地壳与地幔的分界（约为地表以下36km左右）外，在图中可以看到三个明显的突变处，即：
在670km处从3.99跃升至4.39，这成为上、下地幔的分界；
在2891km处从5.57跃升至9.90，这一变化最为悬殊，也是地幔和地核的分界面；
在5150km处则由12.17变为12.75，由此确定了内、外地核的分界位置。
此外，根据横波不能通过外核的现象，还可以推出地球外核是液态（铁）的结论。
由于横波不能通过液体，所以在液态核心出现一个横波屏蔽区
1.2固体潮与地球的弹性
海洋潮汐已是众所周知。
同样在日月引力的作用下，类似现象也会出现在固体地球表层，这就是固体潮。
用精密仪器可以观测到地球的固体表层也有和海洋潮汐相似的周期性升降现象，陆地表面的升降幅度因此可达7—15cm。
当存在固体潮时，某一观测点的铅垂线方向和地面的倾斜还会相应发生变化，但其变幅不大，仅有千分之几秒角度。
固体潮的存在说明固体地球具有一定的弹性，固体潮就是弹性地球在日月引潮力的作用下发生的弹性变形。
此外，由于地震波也是一种弹性波，地球能够传播地震波的这一特征也从另一个侧面证实了地球是有弹性的。
不仅如此，地球同时还具有一定的塑性---我们知道，地球在其自转的过程中逐渐演化成为一个旋转椭球体并保持下来，这表明看似刚体的地球实际上存在着永久性的塑性变形。
在野外常常也可以看到，各种坚硬的岩石中往往发育有高度的弯曲甚至折叠现象，同样是岩石形成后在长期的地应力作用下再发生塑性变形的结果。
海洋和固体潮汐的存在不仅使地球的整体形态发生变化，而且不断影响着地球的自转过程和运动规律。
一方面，月球的吸积作用使地球自转轴的方向发生偏移，另一方面，日月潮汐引起的磨擦力使地球的自转速率越来越慢。
从对珊瑚的研究发现，石炭纪时地球每年为397天，现在已减少到约365天。
在遥远的将来，地球和月球的转速还会进一步减慢，直到逼近以48天为周期的极限自转状态。
并且因为太阳潮汐的作用，月-地系统的旋转角动量变化将缓慢地传递给绕太阳的轨道运动，其长期作用的结果最终会使月球和地球相撞而结合成一体。
固体地球的弹性和塑性特点都是相对的，在不同的条件下有不同的表现。
在施力速度快、作用时间短的条件下，地球往往表现为弹性体乃至类似于刚性体，岩层会因此产生弹性变形或破裂；
反之，在施力速度缓慢，作用时间漫长的条件下，地球则表现出明显的塑性特征。
如上所述，在强烈的构造运动期间，岩石经弯曲形成各种褶皱的现象，就是一种典型的地球塑性变形的实例。
塑性褶皱中的节理
１．３地球的振荡
由于具有弹性，地球作为一个整体在受激后能够产生无穷多种振型的自由振荡。
其两类基本的振荡方式为：
周期性的涨缩振荡和扭转振荡。
涨缩振荡是一种沿地球径向发生的自由振荡，它还可以进一步划分出三种不同的形式：
n=０的相位代表整体地球作交替的压缩或扩张；
n=1时两极扩张，赤道压缩；
n=2的相位则对应着两极压缩和赤道扩张。
涨缩振荡可使地球的密度在一定程度上发生改变。
扭转振荡也称作环状振荡。
与涨缩振荡的异同点在于：
扭转振荡也是一种周期性振荡；
但同时也是一种纯粹的切向振荡，不存在沿地球径向的分量。
因此地球作扭转振荡时一般不会发生密度的变化。
作为一个弹性体，地球除了自由振荡以外，还存在着一种与外部引力无关的自由欧拉进动。
为了将其与外部激发引起的强迫运动相区别，以发现者的名字命名为钱德勒晃动。
钱德勒晃动源于地球自转轴与最大惯量轴之间的微小偏离（图3—5）。
在自转中地球的总角动量守恒，但因为物质分布和密度不均等因素的影响，地球同时也在晃动。
这使得转动轴围绕最大惯量轴在地面上画圆。
由于地球自转轴在绝对方向上几乎是固定的，所以晃动呈现出周期性的变化，其周期约430—435天（1.18年左右），平均（均方根）变幅为0.14秒（约6.8×
10-7弧度）。
钱德勒晃动的激发机制被认为是一种综合作用，部分是固体地球与大气相互作用的结果，部分则有可能与大地震引起的地幔物质重新分布相关。
１．４地球的粘性
从理论上讲，在一个完全弹性体中应该没有能量的损耗。
因此，地震时除了面波因扩展而发生的几何衰减外，其它类型的地震波应该没有运动衰减。
这样地球如果一旦发生某种形式的振荡，也就应该永远继续下去。
但这一分析结果与观察事实相矛盾，表明地球有一定的衰减存在，并非是一个完全的弹性体。
此外在测地学研究中，发现位于北欧的斯堪底纳维亚半岛在现代发生了显著的地形回升，最大上升值可以达到每年1cm的程度。
并且回升运动的发生与地质构造无关：
斯堪底纳维亚半岛的最大回升位置与第四纪最后一次大规模冰期——雨木冰期（距今2—5万年）时的冰盖中心一致，回升的范围也和当时的冰盖范围相等。
因此回升的原因显然在于冰盖的消失。
这进一步证实了地球具有一定的粘性特征。
2．1地球上的重力
地球上某处的重力是该处所受到的地心引力与地球自转离心力的合力。
两物体间的引力公式
根据牛顿定律G=fM/r2，重力加速度与地球的质量成正比，而与半径的平方成反比。
因此地表的重力随着纬度值的增大而增加。
测量的结果也表明，在赤道海平面上的重力加速度为978.0318cm/s2，在两极地区的海平面上为983.2177cm/s2。
后者比前者确实增加了0.53%。
同理，地表的重力加速度还随着海拔高度的增大而减小，两者之间呈反比关系。
海拔高程每升高1km，重力加速度就减少31cm/s2。
而在地球内部，由于要同时考虑质量（密度）和半径两方面的变化，情况与地表相比不尽一致。
一方面，深度增加使半径减小，使重力加速度增大；
另一方面，随着深度增加，球内的质量也在减少（因为上部物质产生的附加引力向上），这导致重力加速度随之变小。
因此在地球内部，重力究竟是变大或变小，取决于谁的影响占主导地位。
在地球的上部层位，由于地球物质的密度较小，引起的质量变化要小于半径变化造成的影响，故重力随着深度的增加而缓慢增大，到2891km即古登堡面附近达到极大值1068cm/s2；
在越过2891km界面后，地球物质的密度变化造成的影响开始大于半径引起的变化，地球的重力也随之急剧减小；
最后，根据球体公式V=4πr3/3和密度公式ρ=M/V，通过简单的数学变换，可以将由牛顿定律所求出的地心处重力表示为
（3—3）
从式中可以看出：
因为地心处的半径r=0，所以尽管在地心处的物质密度增加到最大值，地心处的重力仍递变为零。
进行重力研究时，将地球视作一个圆滑的均匀球体，以其大地水准面为基准，计算得出的重力值称作理论重力值。
对均匀球体而言，地表的理论重力值应该只与地理纬度有关。
但实际上，不仅地球的地面起伏甚大，内部的物质密度分布也极不均匀，在结构上还存在着显著差异。
这些都使得实测的重力值与理论值之间有明显的偏离，在地学上称之为重力异常。
对某地的实测重力值，通过高程及地形校正后，再减去理论重力值，差值称作重力异常值。
如为正值，称正异常；
如为负值，则称为负异常。
前者反映该区地下的物质密度偏大，后者则说明该区地下物质密度偏小。
地球物理勘探中的重力勘探方法，就是利用这一原理，通过发现各地的局部重力异常来进行找矿和勘查地下地质构造的。
重力正异常
重力负异常
重力异常在找矿中的应用
2.2重力均衡
100多年以前，在横穿北印度的大地测量中发现，喜马拉雅山引起的垂线偏差比假定它只是一个均质地球上的凸起要小得多。
这一发现导致了对地壳均衡补偿理论的探索。
按照重力均衡原理，在单位截面上，任一个垂直柱体中（无论其高低）的岩石总质量应该是一个常数。
这个柱体以一个特殊的“补偿”面为基底，补偿面以下的物质处于均质状态。
这样地壳的高度变化将以流体静力平衡的方式支撑着。
问题在于：
补偿面自身的形态又是怎样的呢？
英国人普拉特（Pratt,1854）和艾利（Airy,1855）分别提出了两种截然不同的模型。
普拉特认为，地壳较高部分是由于它们具有较低的密度而受到抬升的结果。
换言之，在补偿面以上各地的岩石密度是不同的。
与这一认识对应，地下的补偿面应该近于处在同一高程上，故以这种补偿方式为基础的普拉特模型可以称作密度补偿模型。
与此相反，艾利认为地球表层各处的物质组成是相同的，地壳和其下伏地幔的关系如同木块浮在水面上的关系那样：
如果地表某处的高程比其它地区高出越多，它往下插的深度就会比其它地区大得越多；
一般而言，如果某个地区的岩石块体显示出较高的地表高程，其地下的“根”也会比其它块体要向下扎得更深一些。
艾利提出的这种补偿模式因此被称作深部补偿模式。
深部补偿模式预言的结果与许多地区的地震测深结果是一致的，即大陆地壳与大洋地壳的下插深度相比，要远远大于大陆与洋底之间的高程差。
但现代研究表明，实际地壳均衡补偿过程比这两种理想模型都要复杂，应该是这两者按一定比例结合的结果。
这意味着地壳确实存在着（如普拉特模型所指出的）横向物质分布的不均一性，但地表显示的陆洋地形高差，则部分是由密度补偿（约占37%）、部分是由深部补偿（约占63％）的结果。
3
重力均衡的深部补偿模式
2.3地球的压力
地球的压力是一个与重力直接相关的地球物理性质。
地球某处的压力是由上覆地球物质的重量产生的静压力。
静压力的大小与所处的深度、上覆物质的平均密度及重力加速度呈正相关关系。
但由于物质的密度随深度的增加是一种非线性递增的关系，压力-深度图也不是一条直线而是一条曲线，在地球表层、地壳和接近地心附近时压力增长较平稳，在下地幔和外核部分增长得较快。
利用密度分布的规律来估算地球内部的压力状况，以截面为1cm2的岩石柱作为压力的计算表示法，可得到
P=hρ/100（p—压力；
h—深度；
ρ—密度）（3—4）
利用此式，可以算出从地表到地下24km内，压力从1×
105pa增加到0.6×
109pa；
到670km处，压力增大到24×
到2891km时，压力增大到约136×
最后在6371km即地心处，压力会上升到最大值364×
109pa。
３．１地球内部的圈层划分
上两节提到地球的密度和重力等性质，从地表到地内深处并非是均匀变化的，而是有几处重大的突变现象存在。
因此地球内部的物质分布究竟是逐渐和缓地过渡，还是存在着某种界面，从而可以将其划分为不同的圈层，就成为一个引人注目的问题。
地球物理学家根据地震波在地球内部不同深度下传播特征的变化情况，结合实验岩石学的测试资料，发现了不同的波速与密度界面。
以此为基础推算了地球内部的密度分布状况（图3—7b），进而分析了地球内部的物理结构和物质分布的基本特征。
70年代后期，国际地球物理联合会提出了一个初步地球参考模型（PREM），具体划分了地球内部三种级别的圈层（表3—1）。
圈层
深度（km）
Vp（km/s）
Vs（km/s）
密度（g/cm3）
特征
其它
名称
代号
地壳
上地壳
A
A1
陆洋壳壳15；
0-2
5.8
3.2
2.65
固态，陆壳区横向变化大，许多地区夹有中间低速层。
固态
岩石圈
构造圈
下地壳
A2
6.8
3.9
2.90
地幔
上地幔
盖层
B
B1
33；
1260～200220400670
8.1
4.5
3.37
固态莫霍面
低速层
B2
8.0
4.4
3.36
塑性为主
软流圈
均匀层
B3
8.7
4.7
3.48
固态，波速较均匀
中间圈
过渡层
C
9.110.3
4.95.6
3.723.99
固态，波速梯度大
下地幔
D
D′
2891
11.7
6.5
4.73
固态，下部波速梯度大古登堡面
D″
13.7
7.3
5.55
地核
外核
E
4771
8.010.0
00
9.9011.87
液态
内圈
F
5150
10.2
12.06
液态，波速梯度小
内核
G
6371
11.011.3
3.53.7
12.7713.09
固态
推断的地球内部密度分布结构
表3-1地球内部主要物理性质和圈层划分表
（据“初步地球参考模型（PREM）”改编）
如图3—７和表3—1所示，根据地球内部波速和密度的分异，首先可将其划分出三个一级圈层，即我们熟悉的地壳、地幔和地核，这也是地球内部最主要的物性及化学组分的分界单元。
其中，地壳和地幔之间的分界面称作莫霍面，平均深度33km；
地幔和地核之间的分界面称作古登堡面，深度2891km。
这两个界面上下的物质，无论在化学组成、物质状态和物理性质上，都有重大的区别（图3—7，表3—1，表3—2）。
根据在这些方面更细致的分异特征，可以再从整体上将地球内部划分为七个二级圈层，从地表向地球深部依次为A（地壳）；
B，C，D（地幔）；
以及E，F和G层（地核）。
进一步地，大陆地壳还可再分为上、下地壳两层，即Ａ１和Ａ２；
在地幔的B层中则包括三个三级分层：
B1、B2（为一地震波低速层，故推断为熔融状态．故也称软流圈）和B3；
D层中包含着两个三级分层，它们依次被称作D′和D″层。
地球内部波速圈层厚度，可见一低速区
地球内部圈层的形成，一般认为是由于地球内部加热、原始物质分异和分层作用共同产生的结果。
在最初的时候，地球上的原始物质熔离出重金属铁和镍，后者下沉形成地核。
当它们熔离出去以后，残留的物质——以橄榄石＋辉石为主形成地幔岩，组成现代的地幔。
地幔是地球体积和质量最大的一个圈层，具有相当复杂的成分（详见第四章３.1节）。
除了地幔上部有一层软流圈是熔融态外，其余部分主要是固态的。
地幔物质的分异作用今天仍然在继续进行：
对压力和温度变化的分析结果表明，在B层内还在发生玄武岩的熔离作用，这个熔离带成为软流圈（即B2层）的主要组成部分。
此外，当较轻的玄武岩熔出并上升到地壳中后，上地幔B层的物质组成中失去了部分二氧化硅，这一部分的地幔岩从成分上相当于组成上地幔的超基性岩石。
上地幔的玄武岩与超基性岩的分界，具有物质性质密度和弹性波速度显著变化的特征，而且对应于波速界面莫霍面。
此外，分异作用不仅涉及到古登堡面，而且也涉及到其下伏的C层。
地壳也是地球分异作用的结果。
玄武岩是由软流圈中的地幔岩分熔出来的，然后呈巨大的熔融状岩流上升到地壳中，成为地壳的重要组成部分。
在接近地壳底部时，这类岩体便成为地球表面各种地质活动的发源地。
“固定”在地壳底部的熔融状岩流称作玄武岩的底侵作用，它使地壳下部物质加热和熔化，形成地壳中主要的长英质岩浆源。
根据陨石学研究，推断地核所具有的铁镍成分，应该近似于一种铁陨石古橄铁镍陨石。
对金属进行的冲击压缩实验结果则表明，外地核（E层）处于液态或极为接近于液态，而且除了铁镍成分外，还含有氧化铁；
在这种情况下，铁镍熔浆的成分不超过84—92％。
在深度为4900—5150km范围内的过渡带（F层），推断主要是由二硫化铁也即古橄铁镍陨石特有的化合物所组成的。
有关内核（G层）的资料最少，但从各种地球物理分析的结果来看，它显然是由铁镍合金组成、并且是固态的。
在地球内部不同深度，对其物相组成的研究还发现了一些重要的物质相变现象，它们也成为检验圈层结构划分方案的重要依据（表3—2）：
表3—2地球内部不同深度的物相组成
深度（km）
压力（Gpa）
物相组成
地壳内部
<
0.9
各种岩石不同分布格局
33
橄榄石（Mg2SiO4），柘榴石（Mg2Al2Si3O12）四配位
100-150
3.1-6.5
Mg2SiO4，Mg2Al2Si3O12稳定或含H2O，部分熔融软流体液态
220
10
斜方Mg2SiO4→βMg2SiO4亚稳相
400
14
斜方Mg2SiO4→βMg2SiO4→γ尖晶石相Mg2SiO4（立方）
670
25
Mg2SiO4后尖晶石相
Mg2SiO3，Mg2SiO4，Mg2Al2Si3O12向钙钛矿相转变SiO4→SiO6六配位
1000
39
斜方（假立方）钙钛矿相硅酸盐→四方结构→密排六方结构（立方结构？
2900
137
氧化物四方结构→密排六方结构→立方结构SiO6六配位
5080
317
FeH，FeS液态外核界面
364
固态Fe（Si，S，H）内核
20世纪80年代以来，对地球内部结构的研究又有了很多新认识。
比如，过去被认为是处处连续，横向均一的莫霍面，最新的地球物理研究结果表明并非如此。
莫霍面不仅存在着明显的横向不均一性，在一些地方如造山带的下面甚至有可能出现多层。
更有甚者，有人还提出莫霍面是一个动态的概念：
在造山运动后，因为地壳均衡等因素的影响，早期形成的莫霍面还有可能逸走乃至消失。
和这一新的认识相联系，人们还发现大陆地壳的垂向分异程度也超出了过去的推断。
根据物质组分、结构和运动规律的差异，大陆地壳更合适的划分方案应以分为上、中、下三层结构。
此外，在1999年，美国地学家通过高精度的地球内部测深资料，研究得出了地球内核的顶层也有可能是液态的结论。
如果仅就整体结构特征来看，地球的同心圈层特征和一个鸡蛋差不多（图3--8）。
地壳可以比作蛋壳，壳下的一层薄膜类似于软流圈；
地幔好比蛋白，而地心则如同蛋黄一样位居地球的中央。
地球内部：
根据地震波可以将其划分为：
地壳，地幔和地核
①熊大和。
高压物理研究在地球科学中的应用。
物理。
1996。
25卷，4期。
壳幔圈层耦合
上一小节中提到的地球的各个子系统之间存在的相互作用，在很大程度上体现为地球圈层间在物质和运动方面的耦合过程，即圈层耦合。
就长期尺度的全球变化而言，壳－幔之间的物质交换和动力反馈是一种重要的内因，并且也集中体现了圈层耦合的基本特征。
如图3—11所示，壳－幔耦合过程可以用两个构造模型进行解释。
图3—11a为经典的威尔逊板块构造模型（详见第五章１.４节）加以解释。
在一个由此模型驱动的板块运动璇回中，岩石圈板块的运动是由分层发生的上地幔对流过程所驱动的。
上、下地幔内部的热对流各自相对独立，除在两者的界面之间存在着能量交换之外，在上，下地幔之间基本没有明显的物质交换过程。
热地幔柱产生于上下地幔的分界面上，形成３．３地核差异旋转
地球内、外的各个圈层之间不仅有着互相耦合，协同演化的一面，也有相对独立，差异运动的一面。
其中，作为地球内部驱动源的地核，尽管其物理性质和运动特征历来为人们瞩目，但很少有人想到它的旋转与整体地球会不相一致。
直到1983年，Poupinet等发现内核中的地震波传播在沿自转轴方向的波速要大于其它方向，从而对长期认定的均匀球状内核模式提出了质疑。
在这一研究的带动下，Woodhouse等于1986年进一步发现了在地球内核中，地震波速的传播是轴对称各向异性的，并由此提出了内核各向异性对称轴（亦即后来所称的内核快轴）的概念。
此后相关的研究成果此起彼伏，层出不穷。
其中最为重要的，有苏维加等在1995年发现这一对称轴与地球的自转轴不仅不重合，而且两者的夹角还在不断变化①．宋晓东等在１９９６年发表的内核差异旋转研究成果，估计地球内核每年自西向东较外核多旋转１。
１°
，自１９９０年到１９９６年累计已多转１／４圈多，引起国际学术界关注，并被评为1996年全球十大科技成果之一②。
综上所述，人们认识到：
由于地核快轴对于内核自身而言，在短期内不应有明显的变化，它与地球自转轴之间这种10年尺度的夹角变化就只能来自内核的整体旋转．换言之，这种变化的起因应该是地核与整体地球之间存在着旋转速度上的明显差异。
因此，只要能够把握内核快轴随时间的变化规律，就能确定内核相对于壳幔等其它固体圈层的差异旋转速率．目前不同学者分别处理了不同的地震走时资料，估算出内核由西向东的差异旋转速率约在1.1&
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3.2°
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从而揭开了研究地核差异旋转及相关意义的序幕。
尽管内核差异旋转的机制还没有最后认定，但这一奇特发现对于认识地
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