地球层圈构造包括外部层圈构造和内部层圈构造。地球外部层圈分为大气圈、水圈和生物圈,地球内部则分为地壳、地幔、地核3个层圈。
现在世界上最深的钻井不过12.5km,即使是火山喷溢出来的岩浆,最深也只能带出地下200km左右的物质。目前对地球内部的了解,主要是借助于地震波勘探研究的成果。地震波主要包括体波和面波,体波又分为纵波(P波)和横波(S波),面波可分为瑞利波(R波)和勒夫波(L波)。地球内部地震波的纵波传播速度总体上是随深度增加而递增的。但其中出现两个明显的一级波速不连续界面、一个明显的低速带和几个次一级的波速不连续面。
在地球内部若干个不连续面中,有两个变化最为显著的面,即第一地震分界面,也称莫霍面(33km)和第二地震分界面,也称古登堡面(2898km)。在陆地上,莫霍面平均位于地下33km处。此面之上,纵波速度为7.6km/s,穿过此面后,陡然增至8.0km/s;相应地,横波速度由4.2km/s增至4.4km/s;密度从2.90g/cm3增至3.32g/cm3。古登堡面位于地下大约2898km深处,纵波穿过此面时,纵波速由13.64km/s降为8.10km/s,横波至此则突然消失(说明外部地核可能为液态岩浆)。以这两个不连续面作为分界面,将地球内圈分为地壳(0~33km)、地幔(33~2898km)和地核(2898~6371km)三个圈层(见图3.1)。
图3.1 典型剖面的地球内部结构及P波和S波的速度分布
1)地壳
地壳是莫霍面以上的地球表层。地壳厚度是变化的,大陆地区厚度最大为70km,平均厚度约为33km;大洋地区海底地壳厚度最小为2km,平均厚度约6km。地壳物质的密度一般为2.6~2.9g/cm3,其上部密度较小,向下密度增大。地壳通常为固态岩石所组成(局部有火山岩浆),包括沉积岩、岩浆岩和变质岩三大岩类。地壳在横向上是极不均一的,按地壳的物质组成、结构、构造及形成演化的特征,可分为大陆地壳与大洋地壳两种类型。大陆地壳厚度大且呈双层结构,上层为花岗岩质层(硅铝层),下层为玄武岩质层(硅镁层);大洋地壳厚度小,呈单层结构,以玄武岩为主。(www.daowen.com)
地壳中含有周期表中所有的元素。元素在地壳中的分布情况可用其在地壳中的平均质量分数(克拉克值)来表示。地壳中最主要的化学成分的克拉克值见表3.1。
表3.1 地壳中主要的化学成分
从表3.1可知,组成地壳最主要的化学元素有9种,它们占了地壳总质量的98.13%,其余90多种元素只占1.87%。可见,元素在地壳中分布是很不均匀的。地壳中氧占49.13%,硅占26%,其中二氧化硅的含量最高,是最重要的造岩元素。
2)地幔
地幔主要由固态物质组成,位于莫霍面之下,古登堡面之上,体积约占内圈总体积的80%,质量约占内圈总质量的67.8%。根据地球980km左右的次一级不连续面(雷波蒂面),可将地幔进一步分为上下两部分。上地幔物质的平均密度约为3.5g/cm3。在深度为50~250km范围内,存在一地震波传播的低速带。推断该带内岩石的温度已接近其熔点,所以地震波的纵波速度比别处低。该带又称为软流圈(高温熔融岩浆)。地球内圈中包括地壳在内的整个软流圈之上的部分称为岩石圈。下地幔(980~2898km)因地球内部压力大,物质结合更加紧密,密度达5.1g/cm3以上。
3)地核
地核是地球内部古登堡面至地心的部分,其体积占地球总体积的16.2%,质量却占地球总质量的31.3%,地核的密度达9.98~12.5g/cm3。根据地震波的传播特点可将地核进一步分为3层:外核(深度2898~4170km)、过渡层(4170~5155km)和内核(5155km至地心)。在外核中,根据横波不能通过,纵波发生大幅度衰减的事实推测其为液态;在内核中,横波又重新出现,说明其又变为固态;过渡层则为液体-固体的过渡状态。地核主要由铁、镍物质组成。
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