第十五节 地球内部的物理性质恒星和星系

 


 

606  地球的磁性

 

§ 606- 1 地磁和地磁要素

地球是一个磁化球体。它仿佛像一块巨大的磁石,磁针在地球上受到磁力的作用,指向磁力线方向。磁力线的方向因地点而不同。地面上有二个地点的磁力线是垂直的,以至磁针的方向垂直于地面,那里是磁性最强的地方,叫做磁极。按地理学上的习惯,把位于北半球的磁极叫磁北极,位于南半球的磁极叫磁南极。南北磁极的连线叫磁轴。在南北磁极之间,有一个地带的磁力线是水平的,以致磁针的方向平行于地面。那里是磁性最弱的地带,叫磁赤道。

有磁力作用的空间叫磁场。表征磁场特征的一个要素是磁场强度,通常用它对于一个单位磁极产生单位作用力的强度为单位,叫奥斯特;同时也用磁感应强度的单位,叫高斯(两者在真空中相等)。现采用国际单位制中磁感应强度的单位特斯拉为磁场强度单位,简称特,国际符号T。1高斯=10-4特斯拉。1特(T)=106微特(μT)。地球磁场是弱磁场。地面附近的磁场强度,大约只有0.5×10-4T,或50μT。赤道附近较弱,约30—40μT;两极较强,约为60μT。它因时因地

而发生变化的量就更微弱了。地球磁场强度(F)在空间是一个有方向的量(图6 -19)。它的方向对于水平面的俯角叫做磁倾角(I)。

有了磁倾角,地球磁场强度就有它的水平分量(H)和垂直分理(Z)。

地球磁场强度水平分量的方向,一般不同于地理上的南北方向,即在地理子午线与地磁子午线之间,总存在一个偏角,叫磁偏角(D)。习惯上,人们把地理子午线看作正的,而把地磁子午线看作偏的。磁偏角的东西方向,因磁针的南极和北极而不同。北极偏东,南极就偏西;反之亦然。在习惯上,磁偏角是指磁北极对于地理北极的偏离。有了磁偏角,地球磁场的水平强度,就有它的北向分量(X)和东向分量(Y)。图6-19 地磁要素以上这些都是地磁要素。不论是X、Y、Z,还是H、I、D,都可以确定地球磁场强度的大小和方向。在地理上,地磁要素中以磁偏角最为重要,因为使用磁针定方向时,必须知道磁偏角的大小。我国是世界上最早使用磁针的国家,早在战国时代,就已经知道天然磁石的吸铁性和指北性。北宋的沈括(1032—1096)已经发现磁针所指的方向,并非真正的南北方向。

§606-2 地磁要素的分布

为了说明地磁要素的分布,有必要把地球总磁场分为偶极磁场和非偶极磁场两部分。偶极磁场是地球的基本磁场,它是全球性的对称磁场,在地球总磁场中约占80%;非偶极磁场是地球的变化磁场,约占地球总磁场的20%。

为了同总磁场相区别,偶极磁场在说明磁场要素的分布方面,有自己的一套专用术语:它的两极叫地磁极,以别于总磁场的磁极;它的赤道叫地磁赤道,以别于总磁场的磁赤道;地磁南北两极的连线叫地磁轴,以别于总磁场的磁轴。地磁轴通过地心,但不同地轴重合,二者之间成11.5°的交角(图6-20)。因此,偶极磁场又称为倾斜地心偶极磁场。地磁南北极分别位于南北纬78.5°,其经度分别为 110.9°E和 69.1°W;地磁赤道与地理赤道相交于 20.9°E和 159 1°W。

偶极磁场把地球看作均匀磁化球体。因此,它的地磁要素的分布是简单和有规律的:地磁南北两极互为对蹠点;地磁赤道是距地磁南北两极各为90°的大圆;地磁强度和地磁倾角,都随地磁纬度(一地对于地磁赤道的方向和角距离)的增高而增大。在地磁赤道上,地磁强度最小,地磁倾角为0°;到地磁两极,地磁强度最大,地磁倾角达90°。

地磁偏角的分布,即使对于偶极磁场来说,也是比较复杂的,因为它不仅与地磁两极有关,而且还同地理两极有关。地磁两极所在的地理子午线上,地磁偏角为0°或180°,该子午线称为无偏线。无偏线分全球为东偏和西偏两半球。在东偏半球,地磁北极位于地理北极的偏东方向,地磁偏角都是东偏角;而在西偏半球,地磁北极位于地理北极之西,地磁偏角都是西偏角(图6-21)。然而,地磁偏角的大小因地而异,并不是简单地因经度或纬度而不同。

由于非偶极磁场的存在,地球磁场实际上是一个倾斜偏心偶极磁场。它的磁轴偏离地心约400km,因此,地磁要素的分布,只能是大体上符合上述规律。例如:

——磁北极和磁南极并不互为对蹠点。据1975年的观测,磁北极位于76°06′N,100°W(在加拿大北部巴瑟斯特岛附近),南磁极位于65°48′S,139°24′E(在南极地区)。

——磁赤道不是大圆,也不与两个磁极等距,而是一条环绕全球的封闭曲线:一部分在北半球,另一部分在南半球,离地理赤道都不远。

——磁强与磁倾角大体上自磁赤道向磁极增加,自30—40μT增至60—70μT。但是,这种变化没有严格的规律性。

——无偏线并不与子午线重合。它只分全球为东偏和西偏二大部分,而不是两个半球。

6-20磁极、地磁极、地理极和磁赤道、地磁赤道、地理赤道的区别

6-21 西偏半球(左)和东偏半球(右)这种划分假定地球是一个均匀磁化球体

由于地球不是均匀的磁化球体,个别地区的地磁要素的量值,可以大大地不同于它周围地区的正常数值,这叫地磁异常。这种现象以俄罗斯的库尔斯克地区最为突出。那里的磁场强度是磁极的3倍,最大的磁倾角达90°,最大的磁偏角达180°,即磁南北与地理南北完全相反,称之为“库尔斯克磁针错乱”。造成这种异常情形的原因是地下蕴藏着丰富的磁铁矿。所以,地磁异常的研究,对矿藏(特别是铁矿和镍矿)的勘探工作,具有重要的意义。

§ 606-3 地磁要素的变化

地球磁场是在不断变化的。它有长期变化和短期变化。地球磁场的短期变化部分,即上述的地球变化磁场;除去短期变化部分,便是地球基本磁场,即上述的偶极磁场。

地磁要素的长期变化,来源于地球内部的物质运动。它首先表现为地磁场的向西漂移。例如,0°磁偏线与赤道的交点,近400年来已西移95°。其次,磁场强度有稳定的衰减,近百年来,基本磁场强度衰减了5%。如果照此速度继续衰减下去,那么,基本磁场将会在2千年后消失。另外,磁极也在移动,如地磁北极的纬度逐年递增0°.004;其经度每年向西增加0°.007。

地磁要素的短期变化,来源于电离层及太阳活动的影响,变化形态比较复杂,分平静变化和干扰变化。

平静变化是经常性和周期性的变化,有太阳日变化、太阴日变化和季节变化。来自太阳的带电粒子,影响地球大气电离层的状况,从而造成各地的磁场以太阳日为周期的变化。地磁强度的水平分量的太阳日变化,可达 0. 03——0.04μT,约为水平分量的0. 5%;地磁偏角的变化可达10′。月球对于地球大气的潮汐作用,使得一部分大气以太阴日为周期,运行于地球各部分之间。这种变化包括大气电离层的变化,因而造成各地磁场以太阴日为周期的变化。它的变化幅度很小,磁场强度水平分量的变幅只有千分之几 μT,约为水平分量的0. 05%;地磁偏角的变幅不到40″。太阳直射点的南北移动,以及随之而来的太阳辐射能在地球上的分布的季节变化,造成地磁要素的太阳日变化的幅度因季节而变化。一般地说,夏季太阳日变化的幅度较大,冬季较小。

地磁要素的十扰变化要复杂得多。小的干扰多半是区域性的,次数频繁,变幅很小。大的干扰是全球性的,次数较少,平均每年10次左右,变化幅度较大。特大的干扰称磁暴。磁暴发生时,磁针不安地扰动不止;在几小时到几日内,磁场强度的变化可达十分之几甚至几个μT。磁暴的发生与太阳活动直接相关。来自太阳的高能粒子,不仅干扰地球磁场,同时破坏大气电离层结构,中断无线电通讯,高纬度地区出现极光。

§ 606—4地球磁层和辐射带

在地面以上不太远的地方,地磁效应的形态同一个巨大磁棒所产生的效应很相似,地磁场是对称的。人们还曾认为,地磁场是无限延伸的。近期的空间探测表明,在很远(几个地球半径以外)的地方,情形远非如此。因受太阳风的作用,地磁效应被限制在一个口袋形的范围内。地磁场既不是对称的,也不是在所有方向都是无限延伸的。

地球处于太阳风的劲吹之中。太阳风好像要把地球磁场从地球上“吹”走似的,使磁力线发生向后弯曲。在地球的向日面,地球磁场被压缩成大约10个地球半径的一个包层(太阳活动强烈时,只有4—6个地球半径);而在地球的背日面,地球磁场延伸得很远,形成一个长长的磁尾,其长度可达数百甚至超过一千个地球半径。这样,地球磁场在太阳风中“挖”出一个口袋形的空洞,叫做地球磁层(图6—22)。这是继地球大气和电离层之外,地球的第三道保护层。它起着“挡风”的作用。

地球磁层的边界称磁层顶。磁层顶与太阳风高能粒子之间,还存在一个过渡带,其厚度约3—4个地球半径。它像剑鞘一样套着地球磁层,故被称为磁鞘,实际上就是太阳风与地球磁场相遇而形成的弓形激波。这个激波的波阵面,就是磁鞘与太阳风的分界面。

一部分进入地球磁层,或者说被地球磁层俘获的高能粒子,则被禁锢在两个被称为辐射带的范围内。这两个辐射带是物理学家范·艾伦(Van Allen)于 1959年通过人造卫星的实验发现的,故被命名为范·艾伦辐射带。它分内外两带:内辐射带高度在1—2个地球半径之间,宽约5000km,范围限于南北磁纬40°之间,所观测到的主要是高能质子;外辐射带的高度约为3—4个地球半径,其纬度范围为南北磁纬50°一60°之间,所观测到的主要是高能电子。辐射带的范围和形状,受地球磁场的制约,并且因太阳活动而变化。至于这些粒子是如何陷在这二个区域里,其详细物理过程尚未清楚。

 

6-22地球磁层和辐射带

§ 606—5地球磁场的成因

地磁要素在地球上的分布是有规律的。例如,地球上有磁极和磁赤道,地磁强度和磁倾角大体上因地磁纬度而不同;磁偏角的分布虽然复杂,但也有规律可循。地球磁场大体上象一个均匀磁化球体所产生的磁场。前面提到,它同一根磁棒所造成的磁场十分类似。因此,人们曾经设想,地球可能就是一个巨大的磁棒,即地磁场的形成是由于地球内部的磁铁。一般认为,地核的化学组成主要是铁和镍,而这二种元素都是可以磁化的。

乍看起来,这种说法似乎是言之成理的。但是,随着物理学和地球科学的发展,这个说法就站不住脚了。磁铁之所以具有磁性,是因为磁铁内部分子的有规律的排列。然而,它的存在是有条件的。这个条件就是温度不可过高。随着温度的升高,分子运动加剧,它的这种规律性的排列便遭到破坏,磁铁便失去了磁性。这个临界温度叫居里点。铁的居里点是770℃,而地核温度在2 000℃以上,远远超过了居里点。如果地核中的铁和镍曾经有过磁性,那么,随着地内温度的升高,它的磁性早该消失了。

旧的假说遭到否定的同时,一个新的假说产生了。我们知道,电流在导线中通过会产生磁场,于是就把地球磁场归因于地核中的电流:设想地球外核本来就是一个导电的流体,而且存在着微弱的磁场,如果处于融熔状态的铁镍物质发生对流运动,这个磁场就会大大加强起来。看来这个说法可能是有前途的,但它迄今仍是一个假说而已。

 图6—23地磁场的成因的一种设想:地核物质的运动造成磁场

 

607地球的质量和密度

 

§607—1地球的质量和平均密度

地球质量巨大。天文上测定地球质量,如同日常生活中用秤测定物体质量一样,都是根据万有引力的原理。所不同的是,测定物体质量,是比较该物体(m)同另一物体(M)受地球引力的大小,从而得到两者的质量比,由已知的M质量推知m的质量。测定地球质量,则是比较地球(E)与另一物体(M)对同一物体(m)所施的引力大小,从而得到地球(E)与物体(M)的质量比,再由已知的M质量推知地球的质量。在这样做的时候,技术上唯一的困难,在于测定M对m的引力。这是一个很微小的量。在牛顿发现万有引力定律后一个多世纪,英国科学家卡文迪什用扭秤法第一次成功地测定了两物体间的引力,从而得到万有引力恒量(G),其值为 G=6.67×10-11Nm2/kg2,即两个质量都是 1千克的物体相距 1米时的相互吸引力。前面心天体的质量,可以从它绕转天体的运动情况推得( §204l)。这是以引力常数已知为条件的。

(一)地球对于物体(m)的引力,就是该物体本身的重量:

式中M为地球质量,R为地球半径,G为引力常数,即:

M=gR2/G(1)

用实验方法测定重力加速度(g)的值,地球平均半径(R)和引力常数(G)皆已知,代入⑴式,即可求得M。

(二)经牛顿修正后的开普勒第三定律有:

式中M为地球质量,m为卫星(人造卫星或月球)质量。由于m≤M,于是便有

如果测定卫星离地心距离a和卫星运行周期T,及引力常数G代人(2)式,同样可求得M值。

据测定,地球质量为5.98×1024kg。

测定了地球质量,也就解决了地球的平均密度的问题。地球的体积为1.08×1021m3,于是得地球的平均密度为

r=5.98×1027g/1.08×1027cm3=5.54/cm3

§607—2地球内部的密度

地球的每一圈层都有自己的特点,其中包括密度、重力、压力和温度等。这里,密度是基本的。密度的垂直分布是求知重力和压力垂直分布的先决条件,也与地内的温度状况有关。

在地球的各个圈层中,唯一可以直接观测的只有它的表层。构成地壳表层的岩石,主要是花岗岩和玄武岩。二者的密度分别是2.7g/cm32.8g/cm3,约为地球平均密度的1/2。这一事实清楚地表明,地球内部的物质密度必高于它的平均密度,即物质密度随深度而增大。

6-24地球内部的密度

图中用曲线表示地球内部密度的垂直分布,曲线表明,地核密度远高于地幔密度,二者之间有明显的不连续面。

如前所述,地球内部不同层次密度,同地震波波速有关。根据地震波的传播情况,可以推算地球内部不同层次的地震波速。这是求知地球内部密度的重要依据之一。但是,同地震波速有关的不仅是物质密度,而且还有物体的弹性。这两者都是无法直接观测的。因此,很难肯定某一圈层的某一波速变化,究竟是哪一种因素造成的?或者是两种因素同时造成的。这样,求知地球内部密度的问题,就没有完全解决。

为了解决这个问题,必须对地球内部某些特定深度上的密度或其变化作出某些假设。但这些假设也不是任意的,它必须满足一定的条件:例如,它必须自上而下地增加,不同层次的密度的计算结果,必须使其平均值与已知的平均密度相符合。关于地球内部不同层次的物质密度的具体数据,目前还没有取得一致的意见。但就地壳和地幔而论,意见还是比较接近的,也可能是比较接近事实的。

根据布伦1970年在《行星地球的内部的物理学》一书中提出的模式,地壳、地幔和地核的密度如下表:

 

608地球的重力和压力

 

§608—1地面直力及其纬度分布

地球上的任何质点,都受到地球的引力,也都受到地球自转所产生的惯性离心力。这两个力的方向和大小是互不相同的,两者的合力就是重力(图6—25)。

同地球引力比较起来,地球自转产生的惯性离心力是十分微弱的。即使在惯性离心力最大的赤道上,它的大小也仅及地球引力的0.3%。因此,地球上的重力基本上是地球的引力,自转产生的惯性离心力只是十分轻微地影响重力的方向和大小。

除赤道外,地球自转的惯性离心力,都有它的垂直分力和水平分力。前者使重力在很小程度上小于地球引力;后者则使重力的方向稍微偏离地球质心。

在国际单位制中,重力的单位是牛[顿](符号N),它是使质量为Ikg的物体,获得1m/s2的加速度所需的力。地面(海平面)上,g取值为 9. 8N/kg,即质量为 1kg的物体受到的重力是9.8N。同这个平均值比较起来,各纬度地面的实际重力,可以有0.2—0.3N的差异。

地面重力因纬度而不同。其原因是由于地面上的引力和自转的惯性离心力,都因纬度而不同。图6—25重力的大小和方向,在很小程度上不同于引力:重力稍小于引力;重力的方向不一定指向地球的质量中心由于地球半径随纬度增高而减小,地面上的引力以两极为最大,赤道为最小。前者为9.832N,后者为9.8l4N;二者相差为0.018N。由于自转速度随纬度增高而减小,地面上的惯性离心力自赤道向两极减小:赤道上是0.034N,到南北两极减小为零。而且,影响重力大小的不是惯性离心力全部,而是其中的垂直分力。这个垂直分力在全部惯性离心力中所占的比值,又随纬度增高而减小:在赤道上,惯性离心力全部是垂直分力,都被用来抵消引力;在两极,惯性离心力为零,且那里没有垂直分力。地面引力经过惯性离心力的垂直分力抵消后,即为地面重力。两极的重力等于那里的地面引力,为9.832N;赤道的重力减为9.780N,二者有0.052N的差异。

赤道与两极的重力约成189:190。由于这个原因,同一物体如果在赤道上重189kg,那么,到两极将是 190kg。这里,所用的衡具必须是弹簧秤,而不是杆秤或磅秤,因为秤砣法码自身的重量,也因重力不同而变化,因而无法用来衡量物体重量的变化。

地面重力不仅因纬度而不同,而且还因地点而不同。某些地点的重力大小,同所在地区的正常数值比较起来,存在着明显的差异,这叫做重力异常。它的原因是由于地内物质分布不匀,往往同地质构造和矿体的存在相联系。因此,重力异常的研究,有助于地质构造的了解和矿体的勘查。

重力异常是对于正常重力而言的。根据地理纬度j推算当地海面正常重力,国际上从1971年起采用如下的公式:

g0=9.780318(1+0.0053024sin2j-0.0000059sin22j)N

公式表明,正常重力仅因地理纬度而不同。公式还包含如下的数据:赤道上的海面正常重力为9. 780 318N;两极的海面正常重力为 9.780 318 ×1.005 302 4N,即 9. 832 177N。两者相差 0.051859N。此外,南北纬 45”的海面正常重力为 9.806 247N。

§608—2地球内部的重力

重力不仅因纬度而不同,而且还因高度和深度而不同。在海平面上,重力的纬度差异不过0.052N;而在不同的高度和深度上,重力可以大到 10.0N以上,也可以小到接近于零。因此,对于重力的空间分布来说,高度和深度的因素是更为重要的。在地面以上,重力因高度而不同。这个关系是比较简单的:引力大小同距离平方成反比,此外没有别的因素,而惯性离心力可以略去。约略地说,在 2 500km高空,重力减小到地面的一半;在距地球 384 000km(地球半径的 60倍)的地方,重力减为9.8/(60)2=0.0027N。但是,正是这个“微弱的”重力,支配着月球绕地球公转,当年牛顿就是用它来验证其引力定律,把伽利略的落体定律从地上推广到天上。

在地面以下,重力因深度而不同,因为地球引力和自转惯性离心力都因深度而不同。深度的增加,意味着圆运动半径的减小,因此,自转惯性离心力随着深度的增加而减小。在地面上,最大的惯性离心力也仅0.034N ;地面以下,惯性离心力更加微弱。在这种情况下,地球内部的重力,可以简单地看成是地球的引力。

6—26外部圈层的引力,各部分互相抵消。如图中的a1a2,或b1b2……,它们的质量多寡问它们对P点的距离平方成正比,而其引力同距离平方成反比,两者的作用互相抵消。因此,地内物质只受其内部四层的引力。

地球大体上是一个由均质同心球层组成的球体。在这样的球体内部,影响重力大小的不是地球的总质量,而只是所在深度以下的球层的质量。如果质点位于地面下 2 900km的深处,即位于地幔与地核的界面上,那么,对质点具有引力作用的只是地核,而不是整个地球,因为地壳和地幔对质点的引力,具有球对称性质,正好为零(图6—26)。

根据上述原理,质点所在深度的增加,不但意味着··吸引距离减小,而且意味着吸引质量减小。吸引距离减小,使重力按它的平方增加;而吸引质量减小,使重力按它的比例减小。二者的作用正好相反。究竟重力怎样随深度的增加而变化,这要看二者相互抵消后的结果如何。

 

6—27地球内部的重力

在重力同深度的关系方面,一般都认为:从地面到地下 2900km深处,重力大体上随深度而增加,但变化不大,并且在地下 2900km深处达到极大值(图 6—27),因为地壳和地幔的物质密度是较低的,以致质量减小的影响比距离减小的影响要小些。那里的重力极大值约为11.ON。从地面下 2900km到地球质心,重力急剧减小,因为地核物质的密度很高,以致质量减小的影响,远大于距离减小的影响。在地球质心,重力为零,因为整个地球对于质心的引力,完全自相抵消。

§608—3地球内部的压力

物体受到重力,便产生重量,就要对它下面的物体施加压力。例如,地面上的物体要受到大气的压力;地面以下,物体不但受到大气压力,而且受到岩层的压力。与后者相比,大气压力是微不足道的。因此,地球内部的压力大体上就是岩层的压力。

在讨论地球内部压力的时候,把大气压看成压强单位。地球内部的压力大小,决定于单位面积上的岩层质量和平均重力。单位面积上的岩层质量,又决定于岩层的厚度和平均密度。因此,地球内部的压强的大小,决定于岩层厚度、平均密度和平均重力三个因素。

从地面到地心,地球内部的压力一直随着深度的增加而增加。但是,压力增加的速度却因深度而不同:在接近地面的层次和接近地心的层次,压力的增加是比较缓慢的;反之,在它们之间的层次,压力的增加是最快的(图6—28)。这是因为:近地面的层次,物质的密度很低,而重力很大;近地心的层次,物质的密度很高,但重力很小;而二者之间的层次,物质密度既高,且重力也很大。

地球内部不同深度的压力,人们对此还没有完全一致的看法,但是差别不大。关于地心的压力,350万大气压很可能是一个比较适中的估计,这是全球最大的压力。如前所述,地心的重力等于零,物体没有重量;但是,那里的物体却承受全球最大的压力。

具体地说,在接近地面的层次,深度每增加1km,地下压力约增加 270大气压,因为那里的岩石密度约为 2.7g/cm3,而重力大约是 9.8N/kg。整个地球的平均量值可能很接近这个量值。以地心为中心的几百km范围内,压力随深度的增加肯定是更加缓慢的。相反,在二者之间的层次,压力的增加是很快的。在这里,深度增加1km,压力估计要增加 600atm以上。

 

6—28地球内部的压力

同一深度压力的大小是相同的。但是,对地球表层来说,情况远不是这样简单,因为地球表面存在着海洋和陆地的差异。海底承受的只是海水的压力;陆地底下承受的是岩石的压力。海水的压力每km(深度)100atm;而地球表层的岩石的压力每km(深度)270atm。因此,在10km深的海沟,压力不过 1000atm;但是,在 10km深的陆地底下,即使不计算陆上山岭的每 km(高度)约 270大气压在内,压力也高达 2 700atm。二者的差值是很大的。我们知道,海洋底下有较多的重物质;反之,陆地底下有较多的轻物质。在海底以下一定深度范围以内,其岩石密度高于陆下岩石。由于这种密度上的对比,海陆底下同一深度的压力对比,随着深度的增加而逐渐减小。到一定深度后,压力就趋于一致了。

 

609地球内部的温度和热源

 

§ 609— 1地球内部的温度

地面的温度因地因时而异,但全球地面的平均温度大致保持在15℃左右。同地面温度比较起来,地内温度要高得多。矿井内的温度,涌出地面的温泉和火山喷发的熔岩,都说明了这一点。测量表明,在地球内部,深度愈大,温度就愈高。地内温度随深度而增加的速度叫地温梯度。在不同地区,由于岩层性质和周围环境的不同,地温梯度有很大的差异,一个合理的平均值是每km约升高30℃。

按这一地温梯度推算,地下 70km深处,温度将高达2100℃。即使在地下 160km深处约 5万大气压的条件下,最难熔化的橄榄岩的熔点也只有 2140℃。若果竞如此,那么,地球除地表几十km的薄层外,将全部处于熔融状态。

但是,地震波的传播情况表明,地幔全部是固体。这一事实说明,地温梯度随深度的增加而明显地减小,地内温度远没有那样地高。地幔全部是固体的事实表明,地内100km深处,温度不会超过 1300℃;在 300km深处,不会超过 2000℃(这是各该深度的压力条件下,玄武岩熔化的温度)。当然,不同地点会有不同的情况,但不会有太大的差别。

地球内部有两个界面,为探索地内温度提供了重要的线索:

——地幔是固体,外核是液体。这个对比是关于地内温度的重要线索。地内2900km深处的古登堡面,是一个十分明显的界面。它既是地幔与地核之间的界面,又是从固体到熔体的界面。为什么地内物质在这个深度由固态变成液态呢?看来,这个界面主要是熔点变化的结果。从密度上说,构成地幔的物质是较轻的硅酸盐,而构成地核的物质是较重的铁和镍。在地幔与地核之间,温度随深度的升高,估计不会是很快的。但是,硅酸盐的熔点很高,而铁和镍的熔点较低;在大体相同的温度下,地幔保持固态,而外核却熔化了。

——外核是液态,而内核反而是固态。这个对比是关于地内温度的又一个重要线索。看来,利曼界面是熔点和温度双重变化的结果。在地核内,由于压力随深度的增加,物质的熔点随之升高;同时,温度也随深度而稍有升高。比较起来,熔点的升高比温度升高要快。在外核,熔点较低的情况下,温度略高于熔点,那里的物质便熔化了。而在内核,虽然它的温度高于外核,但升高很有限,而那里的熔点已显著升高。这样,内核的温度就相对地低于它的熔点,以致物质仍保持其固态形式。

6—29地球内部的温度

以上讨论的主要是地内熔点和地内温度的相对高低。关于地球内部不同深度的温度高低,目前还众说纷纭。图6—29所表示的地内温度和熔点随深度的变化,只是一家之言。但是,它所表示的地内温度和熔点的相对高低,还是言之成理和令人可信的。

总之,地内温度随深度增加而升高,地心是全球最高温度的所在。另一方面,温度随深度而升高的速度,却随深度的增加而降低。在地壳表层,地温梯度很大,可达每千米约30℃;进入地幔以后,温度随深度而升高的势头已大为减弱;到了地核,尽管温度继续随深度而上升,但地温梯度已很小。所以,地心的温度虽称全球之冠,可是并不显得突出。

§609—2地球内部的热源和温度的演变

地面主要从太阳获得热能,同时也从地球内部获得一部分热能。比较起来,后者的数量是微不足道的。由于地球表层是热的不良导体,来自太阳的巨大热能,只有极小的一部分能被传到地下很浅的地方。据测定,地面以下1.5m的岩石已不受温度日变化的影响;30m以下的岩石已没有温度的周年变化。因此,对于地球内部来说,热能的主要来源不是太阳,而是地球本身。来自太阳的热量不能深入到地球内部,而来自地球内部的热量却散逸到宇宙空间。所以,地球有热量的外流。

按太阳系起源的理论,行星是由低温的颗粒物质积聚而成的,在吸积过程中,积蓄了大量的位能。地球形成之后,它所含的放射性物质因衰变而放出大量的热能。例如,1g铀235每年要产生 18J的热能;在铀衰变成铅的过程中,如果质量减少 1g,所产生的热能达 9 ×1013J之多。这是地球内部热量的重要来源。

岩石中含放射性元素最多的是酸性的火成岩。例如,在1吨花岗岩中,含铀元素4.75g,针元素 18.5g和钾元素 37900g; l吨玄武岩中,所含的铀、钍和钾元素,分别为 0. 6g,2. 7g和8400g。

按目前的研究,每吨花岗岩每年要产生34J的热能,而每年从地球内部到达地面的热量大约是1021。按照花岗岩的产能速度,地球内部只要有3.0 ×1019吨,即1.l× 1010km3的花岗岩,所产生的热量,就足以弥补外流的热量。上述数量的花岗岩,如果平均覆盖在地球表层,其厚度不超过20km。若将地球内部含有放射性元素的岩层都折合成花岗岩,其厚度显然超过此数。因此,地球内部应该有过增温的过程。

从地球形成以来,地球内部总共产生了多少热能?向地面输出了多少热能?据推算,产生的热量比输出的热量多2—3倍。因此,可以说地球的历史是增温的历史。计算还表明,即使没有热量的外流,地球在历史上由放射性元素所产生的全部热能,远不足以把整个地球熔化成液体。

以花岗岩为代表的酸性火成岩,密度较低。较轻的岩石大体上集中在地球的上层,特别是地壳。因此,它所产生的热能自然也集中在地球上层。热的传导总是由高温向低温的,既然放射性元素产生的热量集中在地壳,又怎能说明地球中心是最高温度的所在?显然,地球内部还应该有其它方面的热源,它们是:

——地球的形成是在压力逐步增大的情况下进行的。这样,地内物质有一个因受到压缩增温而放出热量的过程。据估计,它所放出的热量可使地球内部的温度提高几百度。

——地球形成后,由于本身产生的热能和增温,地内物质分异成地壳、地幔和地核。在分异过程中,重物质下沉和轻物质上升,因降低重力位能而产生大量热能。据估计,这种热能可使地球内部温度提高 1500℃

——地球自转的速度不断减慢,白转周期从地球形成时的3小时,增长为目前的24小时。减速过程中所消耗的动能,一部分转化为热能。这部分热能主要消耗在浅海中,对地球内部温度的影响不大。

由此看来,地球大致不会有全部熔化的历史。

复习与思考

●什么是地磁要素?什么是偶极磁场和非偶极磁场?简单说明偶极磁场的地磁要素的分布。什么是地磁异常?什么是地球磁层和辐射带?

●地球内部物质密度怎样随深度而变?为什么在 2900km深处,密度陡然升高?

●重力是什么?地面重力怎样因纬度而不同?地球内部重力怎样随深度而变化?为什么在 2 900km深处,重力达到极大值?

●地球内部的压力随深度增加而增大,为什么接近地面和地心的层次压力增加较慢,而中间层次压力增加较快?

●地球内部温度怎样随深度而变化?什么叫地温梯度?它怎样随深度而变化?

●地幔(固体)和外核(液体)的对比,外核和内核(固体)的对比,为地内温度的探索提供了什么重要线索?怎么知道地球内部有增温过程,而又不会有全部熔化的历史?