地球的内部圈层

引入

人类能钻探的最深钻孔只有约 12 km,而地球半径约 6371 km——我们是如何知道地球内部长什么样的?

地壳、地幔、地核这些圈层是怎么划分的?依据是什么?

为什么脚下的固体大地实际上”漂浮”在更致密的物质之上?

地球表面的一切地貌、地震和火山活动,根源都在地球内部。由于无法直接观察,科学家主要依靠地震波的传播特征来推断地球内部的结构和物质状态。

正文

定义

地球的内部圈层是根据地震波传播速度的变化,将地球内部划分为地壳、地幔和地核三个主要圈层。每个圈层在物质组成、密度、温度和物理状态上有显著差异。

探测方法——地震波

地震波是探测地球内部结构的最主要工具,分为两种:

类型	特征	传播介质
P 波（纵波）	质点振动方向与传播方向一致,速度快（5~14 km/s）	固体、液体、气体
S 波（横波）	质点振动方向与传播方向垂直,速度慢（3~7 km/s）	只能通过固体

关键原理

S 波不能通过液体,这是判断地球外核为液态的关键证据。当 S 波到达外核时完全消失,P 波则发生明显折射和减速。

不连续面:

地震波在地球内部某些深度处速度发生突变,这些界面叫做不连续面:

不连续面	深度	意义
莫霍面	大陆下约 33 km,海洋下约 5~10 km	地壳与地幔的分界
古登堡面	约 2900 km	地幔与地核的分界,S 波在此消失

三大圈层的特征

地壳:

参数	数值
厚度	大陆地壳平均约 33 km（最厚处约 70 km,如青藏高原）;大洋地壳约 5~10 km
物质组成	上层:花岗岩质（硅铝层,仅大陆有）;下层:玄武岩质（硅镁层）
密度	约 $2.7\sim 3.0{\text{ g/cm}}^3$
温度	表面约 $0°\text{C}$,底部约 $400\sim 1000°\text{C}$

**地壳厚度的规律:**大陆地壳厚,大洋地壳薄;山地地壳厚,平原和盆地地壳薄。地壳厚度与地表海拔大致呈正相关（地壳均衡原理）。

地幔:

参数	数值
范围	莫霍面 ~ 古登堡面（深度约 33~2900 km）
物质组成	以橄榄岩为主的硅酸盐矿物
密度	约 $3.3\sim 5.7{\text{ g/cm}}^3$
温度	顶部约 $1000°\text{C}$,底部约 $3700°\text{C}$

地幔可进一步分为:

• 上地幔（33660 km）:上部存在软流层（约 80400 km 深处）,岩石呈半塑性状态,是板块构造理论中板块运动的驱动力所在。
• 下地幔（660~2900 km）:温度和压力更高,物质更为致密。

关键区分

岩石圈 = 地壳 + 上地幔顶部（软流层以上的固体部分）,厚度约 60~250 km。软流层位于岩石圈之下,是岩石圈板块能够”漂移”的塑性基底。

地核:

参数	数值
范围	古登堡面以下（深度 2900~6371 km）
物质组成	以铁、镍为主
密度	约 $10\sim 13{\text{ g/cm}}^3$
温度	约 $4000\sim 6000°\text{C}$

地核分为两部分:

圈层	深度	物理状态	证据
外核	2900~5150 km	液态	S 波消失,P 波显著减速和折射
内核	5150~6371 km	固态	P 波在内核中速度再次增大

液态外核中铁镍流体的对流运动产生了地球磁场。地磁场对地球生命至关重要——它偏转太阳风中的带电粒子,保护大气层不被剥离,也减少了地表受到的有害辐射。

三大圈层的对比

比较维度	地壳	地幔	地核
深度	0~33 km（平均）	33~2900 km	2900~6371 km
厚度	最薄	最厚	中等
密度	最小	中等	最大
温度	最低	中等	最高
主要成分	硅酸盐（花岗岩/玄武岩）	硅酸盐（橄榄岩）	铁镍合金
占地球体积	~1%	~83%	~16%

地球外部圈层

除内部圈层外,地球还有三个外部圈层,它们与内部圈层共同构成地球系统:

圈层	范围	作用
大气圈	地表以上数千 km	提供气体环境,驱动天气和气候
水圈	海洋、河流、湖泊、冰川、地下水	参与物质循环和能量交换
生物圈	大气圈下层、水圈、岩石圈上层	改变大气成分,参与岩石风化和土壤形成

各圈层之间通过物质循环和能量交换相互联系,这就是自然地理整体性的物理基础。

引出

软流层中的地幔对流如何驱动板块构造理论中的板块运动?

地球磁场的极性翻转是如何被发现的?它对地球与宇宙中太阳活动的研究有什么启示?

地震与火山的分布如何印证地球内部圈层的结构特征?