地球圈层结构研究（6）
胡经国
三、地球内部圈层结构
㈠、地球内部圈层结构的形成
关于地球内部圈层（EarthInterLayer）结构的形成，需要从地球的形成说起。然而，关于地球形成的假说很多。其中，太阳星云分化说认为，从太阳星云分化出来的原始地球是均质的。后来，由于放射性元素蜕变、微星碰撞及原始地球本身物质压缩等因素，在原始地球内部累积了大量热能，因而使原始地球均质物质发生了局部持续的熔融，从而导致地球内部物质物理和化学的垂直分异与调整。其中，较轻的硅铝物质缓慢上升，较重的铁镁硅酸盐物质及铁镍物质下沉，从而导致原始地球逐渐演化形成了内部圈层结构。
㈡、地球内部圈层结构划分
1、主要划分依据
地球内部圈层结构划分依据主要是：①、根据各圈层的密度和地震波速度与地表岩石或矿物的有关性质对比进行推测。②、根据各圈层的压力、温度，通过高温高压模拟实验进行推测。③、根据来自地球深部的物质进行推断。火山喷发和构造运动有时能把地球深部（如上地幔）的物质带到地表，为我们认识地球深部物质提供了依据。④、与陨石研究结果进行对比。
2、陨石
陨石（Meteorite）是来自太阳系空间的天体碎片。从已经获得的大量陨石来看，陨石按成分可分三类：①、石陨石（Stonemeteorite）,主要由橄榄石、辉石等（铁、镁硅酸盐）矿物组成，按成分大约相当于地表所见的超基性岩，金属状态的铁、镍成分很少；密度为3～3.5g/cm3或更大。②、铁陨石（Ironmeteorite），主要是由金属状态的铁、镍组成的天然合金；密度为8～8.5g/cm3或更大。③、铁石陨石为上述两类陨石的过渡类型，其中铁、镁硅酸盐矿物与金属状态的铁、镍成分各占一部分。
现代天文学及天文地质学的研究表明：①、这些陨石应来自于太阳系内部的天体或小行星。当它们进入地球引力场时被地球吸引，并且有相当一部分由于与大气圈摩擦燃烧，其残骸成为陨石落到地表。太阳系以外的物质穿过遥远的空间进入地球的可能性是极小的。②、太阳系内部的物质成分及其形成演化具有统—性。特别是人类登月获得的月球表面岩石与地球表面某些岩石类似的事实，使太阳系物质统一性的信念进一步确立。因此，可以运用陨石的特征推断地球内部的物质成分及其状态。
3、地震学方法
⑴、地震学方法概述
地球的半径为6000多公里。目前，通过钻探能够直接研究地球内部结构的深度小于15公里；其余地球深部结构只能通过各种间接的地球物理勘探方法来进行分析研究。其中，最重要的行之有效的地球物理勘探方法是地震学方法。
地球内部结构主要是通过地震波探测记录间接地获知的。当地震时，地球内部物质受到强烈冲击而产生波动，这种地震波动称为地震波（SeismicWave）。在探测地球内部结构时，主要利用是地震波中的纵波（P波）和横波（S波）。由于地球内部物质不均一，因而在不同弹性、不同密度的介质中，地震波的传播速度和通过状况是不一样。例如，纵波在固体、液体和气体介质中都可以传播，速度较快；而横波则只能在固体介质中传播，速度也较慢。当地震波在地球深部传播时，其传播速度突然发生变化所在的界面，称为地震波传播速度不连续面，简称不连续面。正是根据地球内部存在的这种不连续面，人们才间接地知道地球内部具有圈层结构。
人类对地球内部结构的认识，主要来自地震波提供的信息。地震波在地球内部任何一点的传播速度与该点介质的性质有关。在不同性质的岩层中，地震波的传播速度是不同的。通过地球内部结构的地震波传播速度分析研究，地球内部结构由莫霍界面（M界面）和古登堡界面（Ｇ界面）划分为地壳、地幔和地核三个不同的圈层。
⑵、地震波及其传播
地震波（SeismicWave）是指由地震震源向四周传播的振动，也就是从震源产生向四周辐射的弹性波。按传播方式，地震波可分为纵波（P波）、横波（S波）（纵波和横波均属于体波）和面波（L波）三种类型。地震发生时，由于震源区介质发生急速的破裂和运动，因而在这种扰动部位形成一个震源波波源。同时，由于地球介质所具有的连续性，因而地震波能够向地球内部及表层各处传播开去，从而形成了连续介质中的弹性波。
⑶、地震波分类
地震波主要分为两类：表面波和实体波。表面波只能沿地表面传播，而实体波则能够穿越地球内部进行传播。
①、实体波
实体波（BodyWave）能在地球内部传波。它又分为P波和S波两种。
A、P波
P波：“P”意旨主要（Primary）或压缩（Pressure），为一种纵波；粒子振动方向和波前进方平行；在所有地震波中，P波前进速度最快，也最早抵达震中。P波能够在固体、液体或气体中传播。
B、S波
S波：“S”意指次要（Secondary）或剪力（Shear），为一种横波；粒子振动方向垂直于波的前进方向；其前进速度仅次于P波。S波只能在固体中传递，无法穿过液态外地核。
利用P波和S波的传递速度不同，即利用两者之间的走时差，可作简单的地震定位。
②、表面波
表面波（SurfaceWave）具有低频率、高震幅的特性，并且具有频散（Dispersion）特性。它只能沿地表面传播，是最有威力的地震波。浅源地震所引起的表面波最明显。
A、勒夫波
勒夫波（LoveWave），粒子振动方向和波前进方向垂直，但是振动只发生在水平方向上，没有垂直分量，类似于S波；其差别是侧向震动振幅会随深度增加而减少。
B、瑞利波
瑞利波（RayleighWave），又称为地滚波，粒子运动方式类似海浪，在垂直面上粒子呈逆时针椭圆形振动；其震动振幅也会随深度增加而减少。
⑷、地震波物理特性
如上所述，地震波按传播方式分为三种类型：纵波、横波和面波。
纵波是推进波；其在地壳中的传播速度为5.5～7千米/秒；因其最先到达震中，故又称为P波。纵波使地面发生上下振动，破坏性较弱。
横波是剪切波；其在地壳中的传播速度为3.2～4.0千米/秒；因其第二个到达震中，故又称为S波。横波使地面发生前后、左右抖动，破坏性较强。
面波又称为L波，是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波。面波波长大、振幅强，只能沿地表面传播，是地震造成建筑物强烈破坏的主要因素。
4、莫霍界面（M界面）
1909年，南斯拉夫的莫霍洛维奇发现，在地震波速度由5.6km/s逐渐增大到7.6km/s以后，突然变化到8.0～8.2km/s。以后，人们就把这个地震波速度间断面（不连续面），称为莫霍界面或Ｍ界面。在地球内部，Ｍ界面以上的部分称为地壳；Ｍ界面以下的部分称为地幔。
地球的地壳厚度是不均匀的。大陆地区地壳较厚，平均厚度为33公里，但是变化很大。例如，中国东部平原地区，地壳厚度仅为34～36公里；而在中国藏北高原地壳则厚达70公里。大洋地区地壳较薄，平均厚度仅为5～6公里。由大陆到大洋的地壳厚度具有过渡性质。
5、古登堡界面（G界面）
1912年，古登堡发现，在地球内部大约2900公里深处，地震波速度有一个明显的间断面（不连续面）。当P波穿过这一界面时，其速度有一个不连续的下降；而S波在这一界面以下则未发现。
据此现象，古登堡估计，地核边界的深度为2900公里，并且预言P波和S波将受到这一界面的反射。后来，人们将这个P波速度间断面，称为古登堡界面或G界面。并且，将地球内部G界面以上和M界面以下的部分称为地幔，将G界面以下的部分称为地核。
这样，地球内部圈层结构便由M界面和G界面划分为地壳、地幔和地核三个圈层。
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