第十四节  地球的结构


604地球的圈层结构

 

地球本是一个非均质的球体。它在长期运动和物质分异过程中,按照密度的大小,分离成若干由不同状态和不同物质组成的同心(地心)球层。

§6041地球的外部结构

地球表面由岩石构成。它主要是岩浆岩,即从地内上升的炽热岩浆冷凝而成的岩石。在岩浆岩上面,往往有一层较薄的沉积岩(一般不超过45km)和更薄的土壤覆盖层。地球的这一表层,包括岩浆岩、沉积岩和土壤覆盖层在内,被叫做岩石圈。

岩石圈的表面,大部分被海洋覆盖。陆地的低洼部分,也有液态水停潴,成为湖泊和河流。在陆地的高寒地区(高纬和高山),固态水积聚成为冰川。此外,地表以下一定深处,存在着地下水。所有这些不同形态的水,构成一层水圈。

在岩石圈和水圈之上,整个地球被一层以氮和氧为主要成分的大气所包围,叫大气圈。大气圈是地球最外部的圈层,也是从地面到行星际空间的过渡圈层,没有明确的上限。

70%—75%质量的大气,集中在9km(两极)到17km(赤道)厚的底层。这一层大气的主要特点,是从地面获得热量和水分,因而有对流作用和天气现象,被称为对流层。

岩石圈、水圈和大气圈,既是彼此分离和独立的,又是相互渗透和作用的。这样,地球上就出现了一个既有矿物质、又有空气和水分的地带,加上适宜的温度条件,就成为生物衍生的地带,叫做生物圈。它包括岩石圈的上部,大气圈的底部和水圈的全部,是地球上一个独特的圈层。

地球的外部就是由岩石圈、水圈、大气圈和生物圈所组成的。

§6042地震波与地球内部结构

地球的外部结构,人们可以直接进行观测;而研究地球内部的情况,问题就要困难得多,因为人们能够直接观测到的,只限于裸露在地表和来自钻井的岩石和矿物标本。然而,目前世界上最深的钻孔,不过10km左右,对于6371km的地球平均半径来说,这个深度是极其有限的。这样,关于地球内部结构情况,只得通过各种间接手段进行研究,如地震波的传播,热的传导,以及磁性和重力等。其中,地震波的传播情况,对研究地球内部结构最为重要。如同医生用超声波检查人体内部器官的病变一样,地球物理学家藉助地震波来探测地球的内部结构。地震波有两种来源,即人工爆炸和天然地震。人工地震波能量较小,被广泛应用于地层构造和地下矿体的探测。强烈的天然地震,震波从震源通过地球介质向各个方向传播到整个地球。

地震波是一种弹性波,分为体波和面波。体波在地球内部自震源向全球传播,就像灯光照亮室内各个角落一样。面波沿地球表面自震中向四周传播 ,如同投石水面所激起的水波一样。同地球内部结构直接有关的是体波。

地震体波又分纵波(P波)和横波(S波)两种。纵波是一种压缩波,是物质质点以波的传播方向往复运动,使介质发生周期性的压缩和膨胀(图69)。打个比方,可以把介质的张弛想像为手风琴的一张一合的运动。这样的震波能在任何介质中传播。横波是一种剪切波,是物质质点垂直于波的传播方向的振动,如同我们所熟悉的蛇行那样。抖动一条绳子所产生的波类似于S波,它使介质发生周期性变形。这种震波不能通过液态和气态介质。纵波传播速度比横波快,它总是比后者先到达测站。根据横波滞后的时间,可以推知震源的所在及其距离。

地震波之所以能够反映地球内部的物理性质,是因为它的传播速度因地内物质的弹性和密度而不同。由于地震波速度的变化,地震射线有折射现象;在地震波速度发生突变的地方,地震射线还有反射现象。折射和反射现象,使地震射线由直线变为曲线和折线。因此,地震波的传播是十分复杂的;造成地震波传播复杂的原因,是地球的内部结构。

 

69 纵波(上)和(下)横波

在地球内部,地震波的速度因深度而不同。这是因为地内物质的密度和弹性因深度而不同。在同一深度的不同地点,都有相同的波速。这样,地内物质可按深度,即按其密度和弹性,分成不同的圈层。这就是地球内部的圈层结构。

 

610 地球内部的圈层结构

611 地震波的波速

§6043 地球的内部结构

根据对地震波传播的研究,地球内部分为四个主要圈层。它们是地壳、地幔和地核;地核又分外核和内核(图610)。各个圈层之间,存在一个物理上的界面,即不连续面。地壳和地幔之 间的界面在地面以下 2030km,称为莫霍洛维奇界面(Moh orovicic discontinuity),简称莫霍面。在那里,P波和 S波的波速都急剧升高。地幔和外核之间的界面约在 2 900km深处,称古登堡界面(Gutenbery discontinuity)。在那里,P波速度急剧下降,S波停滞不前,突然消失。外核和内核之间的界面出现在5 100km深处,称利曼界面(Rehmann discontinuity)。在这个界面上,P波又急剧加速,S波重又出现(由P波转换而来)。

根据地震学家布伦(K·E·Bullen1970年提出的模式,地壳、地幔和地核的深度和厚度列表如下:

地壳的厚度很不均匀。大陆部分地壳较厚,平均约为30km;海洋部分地壳较薄,平均为11Km,太平洋底最薄处仅8km。地壳中还有次一级的不连续面,分地壳为上下两层:上部是花岗岩类岩石,富含较轻的物质硅和铝,叫硅铝层;下部是玄武岩类岩石,除硅和铝外,还含有较多的镁和铁,叫硅镁层。在大洋底部,硅镁层直接露出洋底。

地幔的组成物质主要是铁镁含量很高的硅酸盐矿物所组成的橄榄岩。在 1000km左右的深度上,还有一个次一级的不连续面,分地幔为上下二层。上地幔顶部也有一层固体岩石层,它与地壳共同组成具有刚性的岩石圈。岩石圈的厚度为70100km。岩石圈以下,地震波速度明显下降,在那里出现一个地震波的低速层。这表明,那里的岩石已接近熔融状态,具有很大的可塑性。同上部的岩石圈比较,它易于流动,称为软流圈,其厚度约为200km

地幔与地核之间的古登堡面,是地球内部最显著的一个不连续面。P波到了这个界面上,突然减速,并急剧改变行进方向,以致地面上产生P波的影区,即P波无法到达的地带;同时,S波在这个界面上突然消失,以致地面上产生 S波的影区。前者是一个宽度为 4 100km的环形地带(其南北界线距震中分别为5700km11600km);后者是一个以震中的对蹠点为中心、半径为8 400km的圆形地区(图 6 12)。

612 地震波影区示意图(假定地幔和地核都是均质的)

(左)纵波因内聚折射而形成环形影区;

(右)横波因无法通过外核而形成圆形影区。

根据上述情况可以推断,地球的外核是液体,因为P波在液体介质中要急剧减速,而S波不能在液体中传播。但在5 100km深处的利曼界面上,P波又急剧加速;同时,S波又重新出现,由此可知,地球的内核是固体。因为在地核内部,P波的加速和S波的再现,只能被认为是地震射线由液体进入固体的反映。我们知道,P波在固体中的传播速度比在液体中快,因为固体的弹性有利于提高波速。根据同样理由可以推断,地幔和地壳也都是固体。

至于地核的物质成分,据认为主要是由重物质铁和镍所组成。但是,对于地球内部的许多问题,都仍属于推论。

 

605 地球的表面结构

 

§6051 地球表面的海陆分布

在太阳系的九大行星中,地球有一个不寻常的特征,它的表面温度使水得以三种不同状态(液态、气态和固态)同时存在,因而有大面积的海洋。它是太阳系中唯一的一个有海洋的天体,若称它为“水”星,是名副其实的。

地球表面 510 000 000km2的总面积中,海洋面积为 361 000 000km2,约占 70. 8%;陆地面积为149 000 000km2,只占29.2%。二者约成2.41。由于海陆面积的这一对比,地球上的海洋相互连成一片,形成统一的世界大洋;而陆地则是彼此分离的。因此,地球上海陆分布总的大势是海洋包围陆地,而不是陆地分割海洋。

由于海洋和陆地在面积上的悬殊,任何一个地球大圆所划分的半球,其海洋面积都超过陆地面积。如以南北半球(图613)和东西半球(图614)为例,它们的海陆面积对比如下:

613南北两半球的海陆对比

如果在地球上划分海洋和陆地最集中的两半球(图615),前者叫水半球,其视域中心位于新西兰的东北沿海(南纬38°,经度180°),后者叫陆半球,其视域中心在西班牙东南沿海(北纬38°,经度0°),那么,水半球集中了全球海洋面积的63%,陆半球集中了全球陆地面积的81%。它们各自的海陆面积对比如下:

614 东西两半球的海陆对比

615 水陆两半球的海陆对比

由此可见,即使在陆地最集中的半球,海洋面积仍然大于陆地面积。必须强调指出,陆半球的特征在于,它的陆地面积大于任何一个半球的陆地面积,而不是它的陆地面积大于它的海洋面积(没有这样的一个半球)。同理,水半球的特征在于,它的海洋面积超过任何一个半球的海洋面积,而不在于它的海洋面积大于它的陆地面积(任何一个半球皆如此)。

海洋不仅在面积上超过陆地,而且它的深度远超过陆地的高度。海洋的平均深度达3 729m,而陆地的平均高度仅 875m;大部分(约 75%)海洋的深度超过 3 000m,而大部分(约71%)陆地的高度不足 1000m。如果固体地球表面一旦被夷平,那么,它将被一层 2.44km深的水层所淹没,地球便成了一个水球。

海洋的平均深度和陆地的平均高度差异悬殊,但是,二者的极值却相当接近。海洋最深处在西太平洋的马里亚纳海沟,深度为 11034m;陆地上的最高山峰是珠穆朗玛峰,海拔高度为8848m。从最高山峰到最深海渊,垂直距离为 19 882m。这个数字十分接近地球的赤道半径与极半径的差值(约 21 000m)。

地面的海陆起伏特征,综合表示于海陆起伏曲线图(图616)。图的纵轴表示高度(和深度),横轴表示面积。它不仅表示出陆地的平均高度和海洋的平均深度,以及海陆面积的对比,而且进一步表示出陆地(和海洋)的各个高度(和深度)带对地球总面积所占的百分比。

616海陆起伏曲线

§6052陆地

地球上的陆地,按其面积大小,分为大陆和岛屿。大块的陆地称大陆,小块的陆地叫岛屿。但是,面积大小只是相对的比较,没有绝对的标准。通常把澳大利亚(面积760万平方千米)看成最小的大陆,而把格陵兰(面积220万平方千米)当作最大的岛屿。前者面积是后者的3.5倍。这样的划分虽是人为的,却也是合情合理的。

全球的大陆共分七大洲,它们是亚洲、欧洲、非洲、北美洲、南美洲、大洋洲(澳洲)和南极洲。其中的亚、欧两洲事实上连成整体,即亚欧大陆,它们之间的界线是人为划分的。

岛屿按其成因分为大陆岛、火山岛和珊瑚岛。大陆岛一般面积较大,地势较高。它们原是大陆的组成部分,由于地层陷落或海面上升才同大陆分离。火山岛和珊瑚岛属海洋岛。火山岛由海底火山喷出物堆积而成,通常高度较大。珊瑚岛大多分布在热带海洋中,由珊瑚遗骸堆积而成,面积小,地势低,且多呈环状(图617)。大小岛屿都归属于一定的大洲。

兹将各大洲的面积及其平均高度列表比较如下:

 

617珊瑚礁

地球表面的海陆分布及大陆的轮廓,具有如下一些明显特征:

——各大陆形状多是北部较宽而南部狭窄,状如倒三角形。澳大利亚不甚明显,大体上也是如此。唯南极大陆是个例外,它所处的位置也与众不同。大陆狭窄的南端有向东弯曲的倾向。这个特征以南北美洲最明显。从现象上看,美洲大陆似乎有向西移动的倾向,其狭窄的南端在前进中被“挪后”了。类似这样的情况,在东南亚的马来半岛和巽他群岛对亚洲大陆的关系上,也容易看出来。

——较大的岛屿群大多位于大陆东岸。亚洲东岸有萨哈林岛(库页岛),日本群岛,我国有台湾岛和海南岛,菲律宾群岛,大巽他群岛和斯里兰卡岛;非洲东岸有马达加斯加岛;北美洲东岸有格陵兰、大安的列斯群岛;南美洲东岸有马尔维纳斯群岛(福克兰群岛);澳大利亚东岸有新西兰和塔斯马尼亚岛。明显的一个例外是欧洲西海岸的不列颠群岛。

——大陆东岸不仅岛屿多,且有系列岛弧分布。其中最明显的首推亚洲东岸的岛弧群,自北至南有:阿留申群岛,千岛群岛,日本群岛,琉球群岛和菲律宾群岛等,一个连接一个,花彩纷呈,故地理学上有“花彩列岛”之称。此外,如澳大利亚东岸有所罗门群岛,新赫布里底群岛;北美洲东岸有巴哈马群岛和大、小安的列斯群岛。大陆西岸虽也有一些群岛,但很少成花彩岛屿。

——大西洋两岸的轮廓十分相似,一个大陆的凸出部分,正好是另一个大陆的凹进部分。这特别清楚地表现在,南美洲东岸伸入大西洋的巴西东部,恰巧可以嵌进非洲西岸的几内亚湾,非常吻合。

——大陆的东西边缘多有隆起的高山,中部有低陷的平原。这在南北美洲表现得最明显:西部有纵贯南北的科迪勒拉山系(北美的落基山脉和南美的安第斯山脉);东部有阿巴拉契亚山脉和巴西高地;其间分布着密西西比平原,亚马逊平原和拉巴拉他平原。澳大利亚和欧亚大陆北部也有类似情形。

§6053海洋

统一的世界大洋分海和洋。洋是世界大洋的中心部分和主要部分,深度较大,约占海洋总面积的89%;海是为岛屿或半岛所分割的大洋的边缘部分和次要部分,深度较浅,约占海洋总面积的11%。大洋中海水的物理性质和化学成分,大体上是一致的;而各海的海水,通常存在着各种差异。

按照位置的不同,和面积的大小,海分地中海、内海和边缘海等不同类型。地中海介于大洲之间,面积很大,最典型的就是介于欧、亚、非三洲之间的地中海。内海深入陆地内部,面积较小,例如我国的渤海、北欧的波罗的海和南欧的黑海等。地中海和内海通常只有狭窄的水道与大洋沟通。它们的海水的物理性质和化学成分,明显地不同于大洋。边缘海是洋的边缘部分,中间或隔着一些岛屿,它们的海水没有明显的个性。

世界大洋是互相沟通的。但是它的各部分仍有局部差异。根据海岸线的轮廓,海底起伏和水文特征,世界大洋分成四大洋:太平洋、大西洋、印度洋和北冰洋。它们之间没有天然的界线,只能以经线或水下的海岭划分:太平洋和大西洋以通过南美洲合恩角的67°W的经线为界;太平洋与印度洋以通过澳大利亚南部塔斯马尼亚岛的147°E经线为界;大西洋与印度洋以通过非洲南端的厄加勒斯角的20°E经线为界;大西洋与北冰洋则以汤姆逊海岭为界。四大洋的面积和平均深度列表如下:

大洋的海底地形有一些共同特征:

——在大洋边缘,有一个海陆之间的过渡地带。它的深度和坡度都很小:深度一般不超过200米;坡度在0.2%(每500米深度增加1米)上下,即在海平面与海底之间约成7′的俯角。由于这个特点,该地带虽淹没在海面以下,实际上是大陆向海洋延伸的部分,因此,它被称为大陆架。大陆架约占海洋总面积的 7.6%,其宽度为 101000km以上不等。

——在大陆架向深海的一方,有一个深度不很大而坡度特大的地带。其深度约为2002500m,坡度则达3.5% —6%,即2°—3.5°。这是海底地形中特大的坡度。因此,这个地带被叫做大陆坡,是陆块与洋底的真正界限。

——大陆架和大陆坡之外是海盆,深度很大而坡度很小,是大洋的主体部分。海盆的深度通常为 2 5006 000m。比起陆地的地形起伏来,海盆是比较平坦的。但是,海盆也有它的隆起和深陷的部分,前者叫海岭,后者叫海沟。海岭一般位于大洋中部。世界各大洋的洋底,都贯穿着一条高大的海岭,彼此首尾相接,连绵不绝,称为洋中脊。最引人瞩目的首推大西洋中脊,它呈S形纵贯南北,与两岸大陆轮廓完全吻合(图618)。洋中脊的轴部,有一条深为12km的断裂谷把洋脊劈开。这种中央断裂谷在各大洋都有广泛分布,形成全球性的裂谷系。海沟的位置往往同岛弧相邻近;典型的海沟,通常位于大洋的边缘。

618 大西洋中脊

复习与思考

●比较面波和体波,纵波和横波,为什么地震波的传播能够反映地球的内部结构?

●地球内部分哪些圈层?它们之间有哪些重要的界面?在这些界面上,地震波发生怎样的变化?地震波的影区是怎样形成的?怎么知道地壳和地幔是固体?外核是液体而内核是固体?

●说明地球表面海陆分布大势;水半球和陆半球的特征各是什么?

●大陆轮廓和海底结构各有些什么特征?

 

 

 

 



  地震的源地叫震源;地面上位于震源正上方的一点叫震中。
  首先试图解释地球表面海陆分布的这些饶有趣味的特征的,是奥地利科学家魏格纳( 1880—1930)提出的大陆漂移说,后来又相继出现海底扩张说板块构造说