3.1　地球的結構

3.1.1　地球內部圈層結構

3.1.1.1　地球各圈層的主要物理數據

地球為太陽系第五大行星，為一呈赤道略鼓、兩極略扁的三軸橢球體，赤道半徑約6 378km，極半徑約6 357km，平均半徑約6 371km，赤道周長約40 076km。地球內部結構可以劃分為地殼、地幔和地核三個主要圈層，其中莫霍面至地表部分稱為地殼，莫霍面至古登堡面之間稱為地幔，古登堡面以下至地心稱為地核。地球內部各圈層的劃分、深度及特征見表3-1。

3.1.1.2　地球主要物理性質

地球內部的主要物理性質包括密度、壓力、重力、溫度、磁性及彈塑性等。

（1）密度

地球總質量為5.965×1021t，平均密度為5.517g/cm3。但地表巖石實測平均密度僅為2.7～2.8g/cm3，說明地球內部必定存在比地表巖石密度更大的物質。地球內部物質密度從地表向地核變化規律如何？通過平均密度、地震波傳播速度、地區轉動慣量及萬有引力等各方面的數據綜合計算得出，地球物質密度從表層的2.6～2.9g/cm3向下增加到地心處的12.51g/cm3，在一些不連續面有明顯的跳躍增加，如在莫霍面（殼—幔界面）處，密度從2.9g/cm3增至3.32g/cm3；在古登堡面（核—幔界面）處，密度從5.56g/cm3劇增到9.98g/cm3。地球物質密度變化見表3-1。

（2）壓力

地球內部因存在物質分布而產生壓力，在深處某點，其周圍各個方向的壓力大致相等，其值與該點上覆物質重量成正比。因此，地球內部壓力總是隨深度增加而逐漸增加。地球內部各圈層的壓力大小及變化情況見表3-1。

（3）重力

地球上任何物體都同時受著地球的吸引力和因地球自轉而產生的離心力，兩者的合力即為重力。在引力與離心力的共同影響下，因離心力隨緯度增高而減小，所以重力值隨緯度增高而增加，赤道處重力值為978.031 8Gal，兩極為983.217 7Gal，兩極比赤道增加5.185 9Gal。

在地球內部，影響重力大小的不是地球總質量，而是所在深度以下的質量，所以地球內部重力因深度而不同。從地表到核—幔界面（2 885km），重力值隨深度增加，但變化不大，在2 885km處達到極大值（約1 069Gal），這是因為地殼、地幔密度低，而地核密度高，以致質量減小對重力的影響比距離減小的影響要小，但從2 885km到地心處，重力則迅速減小為零（見表3-1）。

（4）溫度

地球內部顯然是存在熱量和溫度的。熱量或溫度在地球內部的分布狀況稱為地熱場或地溫場。

地球不同深度熱量來源和溫度變化是不同的，地球表層熱量來源主要是太陽輻射，受晝夜、季節、多年周期變化影響，這一層稱為外熱層，平均深度15m，最多不過幾十米，該層溫度從地表向下逐漸降低；外熱層底部有一個溫度常年不變的常溫層；常溫層以下，地球熱量主要來源于內部，因此隨深度增加而增高。我們通常把常溫層以下每增加100m所升高的溫度稱為地熱增溫率或地溫梯度，一般來說，大洋地殼要比大陸地殼的地熱增溫率或地溫梯度要高。據實測，大洋地殼平均的地溫梯度為4～8℃，大陸地殼平均的地溫梯度為0.9～5℃。地表熱流值或地溫梯度明顯高于平均值或背景值的地區稱為地熱異常區。地熱異常可用于研究地質構造，對礦產資源的形成與分布也具有重要作用。地熱還是一種清潔天然資源，可用于發電、醫療和民用供暖等。

（5）磁場

地球周圍存在磁場，稱為地磁場，是能夠屏蔽宇宙射線、高能粒子，對地表生物起到重要保護作用的保護罩。地磁南北極和地理南北極正好相反，位置相近但不重合。長期觀測證實，地磁極圍繞地理極附近緩慢遷移。

地磁場具有方向和矢量，為衡量地球某點的磁場強度，通常采用磁偏角、磁傾角、磁場強度三個要素。地磁場由基本磁場、變化磁場和磁異常三個部分組成，其中基本磁場占地磁場的99%以上。現今比較流行的基本磁場主要起源于地球外地核以鐵、鎳組成的液態金屬流動圈層，因電磁感應而產生磁場，現今強度基本穩定的地磁場即為基本地磁場。變化磁場主要是由太陽輻射、宇宙空間帶電粒子流等因素引起并疊加于基本磁場之上的各種短期變化磁場，僅占地磁場的不到1%。磁異常是地殼內磁性礦物和巖石引起的局部磁場，疊加在基本磁場之上，利用磁異常可以進行找礦勘探和了解地下的地質情況。

（6）彈塑性

地震波為彈性波，能在地球內部傳播，這表明地球具有彈性。地球彈性從宏觀上表現為日、月引力交替下地表的交替漲落現象，稱為固體潮，其幅度為7～15cm。同時，地球也表現出塑性，如在自轉離心力作用下，地球赤道半徑比極半徑要大，常見的野外巖石強烈彎曲而未破碎或斷裂的現象也是塑性表現。地球的彈性和塑性并不矛盾，是在不同條件下展現的不同性質。在作用速度快、持續時間短的力（如地震作用力）的條件下，地球常表現為彈性體；在作用力緩慢且持續時間長（如地球旋轉離心力、構造運動作用力）或在地下深處較高的溫、壓條件下，則可表現出較強的塑性。

3.1.1.3　地球物質組成

認識地球內部物質組成主要依據以下幾個方面：①根據各圈層密度和地震波速度與地表巖石或礦物的有關性質對比進行推測。②根據各圈層的壓力、溫度，通過高溫高壓模擬實驗進行推測。③根據火山噴發、構造運動等搬運至地表的地下深部物質進行推斷。④與地球捕獲的隕石研究結果進行對比。

通過上述方法，現今對地球內部各圈層的物質組成與狀態的認識如下：

（1）地殼

地殼為地球的表層，主要由沉積巖、巖漿巖、變質巖三大巖類組成，厚度在5～70km之間，大陸區地殼相對大洋區地殼較厚。地殼平均厚度約為17km，約為地球半徑的1/375，約占地球總體積的1%，占地球總質量的0.8%。地殼物質的密度一般為2.6～2.9g/cm3，其上部密度較小，下部密度增大。

（2）地幔

地幔是莫霍面以下、古登堡面以上的中間部分，從整個地幔可傳播地震波橫波來看，其主要由固態物質組成。地幔厚度約2 850km，占地球總體積的82.3%，占地球總質量的67.8%，是地球的主體部分。根據地震波次級不連續面，大致可以650km深處為界將地幔分為上地幔和下地幔。

上地幔平均密度3.5g/cm3，與石隕石相當，可能具有與石隕石類似的物質成分。通過火山噴發和構造運動從上地幔帶出的物質分析，其為超基性巖。根據模擬實驗推測，地幔可能由45%～75%的橄欖巖、25%～50%的輝石、5%的石榴子石等組成。這種假想中的地幔物質被稱為地幔巖，上地幔為巖漿的重要發源地。

下地幔平均密度為5.1g/cm3，由于下地幔壓力較大，存在于上地幔的橄欖巖等礦物在下地幔分解成FeO、MgO、SiO₂和Al₂O₃等簡單的氧化物。相較上地幔，下地幔物質化學成分的變化可能主要表現為含鐵量的相對增加（或Fe/Mg的比例增大），物質密度和波速逐漸增加。

（3）地核

地核是地球內部古登堡面至地心的部分。由于地震橫波在外核不能通過，同時縱波大幅衰減，從而推測外核為液態；由于地震橫波在內核重新出現，從而推測其為固態。地核占地球總體積的16.2%，質量卻占地球總質量的31.3%，地核的密度高達9.98～12.5g/cm3，超過地表最常見的金屬鐵的密度（8g/cm3），在地核強大的壓力作用下，完全能達到現有密度，且其密度與鐵隕石接近，表明地核很可能為鐵、鎳的物質。同時，地球存在磁場，表明地球內部存在一個含有高磁性液態鐵、鎳的流動圈層，與地震橫波不能通過液態外核的現象相符。目前推測，地核最合理的物質組成應是由鐵、鎳及少量的硅、硫等輕元素組成的合金。