1. 地球內(nèi)部的基本特征

地球從星云盤中的塵埃集聚成為一個(gè)行星時(shí)，是一個(gè)接近均質(zhì)的球體，即各種物質(zhì)混雜在一起，沒有明顯的分層現(xiàn)象，分層作用與地球內(nèi)部熱力有關(guān)，當(dāng)?shù)厍蝮w積集聚到足夠大時(shí)，塵埃彼此撞擊，由動(dòng)能轉(zhuǎn)化的熱、地球收縮從位能轉(zhuǎn)化的熱以及放射性元素在蛻變中釋放的熱，就不至于立即散失，而使內(nèi)部增溫。巖石物質(zhì)中鐵的熔點(diǎn)低而密度高，硅酸鹽則熔點(diǎn)高而密度低。當(dāng)?shù)貎?nèi)溫度達(dá)到鐵鎳熔點(diǎn)時(shí)，鐵鎳就開始熔融，并在重力的作用下，滲過尚未熔融的硅酸鹽，流向地心，地球內(nèi)部就開始了分層作用。

地內(nèi)溫度隨時(shí)間而逐漸積累增高，地球在形成后10億年時(shí)，400～800km深處的鐵開始熔融。地球的主要元素鐵下沉后所產(chǎn)生的重力轉(zhuǎn)化為熱，使地內(nèi)溫度增高到2000℃以上，這一溫度更促進(jìn)了鐵的熔融，同時(shí)硅酸鹽也接近熔點(diǎn)且具有可塑性。鐵下沉，硅酸鹽上浮，使地核、地幔分異。在地球形成的初期，各部分的熱量積累不均勻，火山活動(dòng)和造山運(yùn)動(dòng)活動(dòng)頻繁，從地內(nèi)涌出的巖漿，覆蓋在地球表面，冷卻后形成地殼。花崗巖密度最低(2.7g/cm3)，上升到最上層;玄武巖次之(2.8g/cm3)，在花崗巖之下;橄欖巖密度為3.2g/cm3，是上地幔的巖石，它與花崗巖、玄武巖組成厚約70km的巖石圈。因此組成地球的主要元素是鐵，約占地球總質(zhì)量的1/3左右，由于分層作用，下沉到地核，導(dǎo)致地核的主要成分是鐵，地殼的鐵僅占地殼質(zhì)量的6%。而較輕的元素氧、硅、鋁、鈣、鉀、鈉的百分比增加，地幔介于地核、地殼之間，以鐵鎂硅酸鹽為主，如橄欖石(Mg， Fe)2Si O4和輝石(Mg，F(xiàn)e)Si O3。

地球內(nèi)部的元素分布不單純按元素的原子量的大小從地表向地心依序排列，而是要聯(lián)系各元素和氧、硅的化合能力以及本身的物理性質(zhì)，因此鈾和釷這兩種重元素在地球內(nèi)部物質(zhì)大分化時(shí)上升到地殼。由于鈾和釷這類放射性元素上升集中到地殼，它們蛻變產(chǎn)生的熱就易于散發(fā)，使得地球內(nèi)部增熱機(jī)制緩和下來。此外，由于熱量積累，內(nèi)部增溫大于上層，地幔可塑性物質(zhì)便產(chǎn)生緩慢的對(duì)流作用，下部物質(zhì)上升攜帶大量的熱到上層，進(jìn)而散發(fā)到空間，這樣就使地球內(nèi)部溫度不致積累過高，從而在地球演化的歷程中，不曾達(dá)到過全部熔融的情況。

凡是球狀的天體，在熱力、重力作用下都會(huì)產(chǎn)生圈層分化作用，但各行星的圈層不盡相同，這取決于演化過程中所處星云盤位置的熱狀況及塵粒的物理性質(zhì)。例如在水星軌道附近，當(dāng)時(shí)該處星云溫度為1400K，在這樣的溫度下，星云中的鈣、鋁已凝結(jié)成難熔解的化合物，鐵已凝結(jié)成金屬態(tài)微粒，但硅、鎂等元素尚未完全形成微粒，大部分仍以氣態(tài)存在。所以，集聚成的水星以金屬鐵和氧化鐵形成的核心較大，而以硅、鎂形成的中間層就較薄。地球離太陽比水星離太陽遠(yuǎn)一些，形成時(shí)星云盤的溫度約為600K，除鐵之外，硅、鎂等元素也大量凝結(jié)，鐵還和硫結(jié)合成為硫化鐵，并和硅鎂化合成鐵鎂硅酸鹽等塵粒。所以，形成的地球，其外地核含有較多的硫化鐵，中間層鐵鎂硅酸鹽的比例就比水星高一些。至于土星、木星等類木行星，距太陽更遠(yuǎn)，溫度更低，原始星云最豐富的氫、氦得以保留，所以組成木星和土星的元素主要是氫和氦，它們都只有一個(gè)很小的鐵和硅酸鹽組成的核心。

2. 地球內(nèi)部圈層的結(jié)構(gòu)

地殼與地幔之間的界面為莫霍面，地幔與地核之間的界面為古登堡面。這些界面上、下物質(zhì)的密度和地震波波速等特征出現(xiàn)明顯變化。

地殼是厚度很薄(洋殼約8km，陸殼20～70km;平均30～40km)的固體外殼。地殼可分為大洋地殼和大陸地殼兩層。洋殼可以分為3層:沉積層、玄武巖層和大洋層。洋殼物質(zhì)一般由玄武巖、輝長(zhǎng)巖和橄欖巖等混合組成，它的平均密度為3.01g/cm3，縱波波速平均為7km/s。大陸地殼可分為上、下兩層。上層僅分布于大陸區(qū)域，(平均密度為2.65g/cm3)及地震波波速(縱波速度Vp為5.6～6.0km/s)等特征與硅鋁質(zhì)為主的花崗巖質(zhì)巖石一致，因此常被稱為“花崗巖質(zhì)層”或“硅鋁層”。下層的相應(yīng)特征(平均密度為2.9g/cm3，縱波速度Vp為6.8km/s左右)與由硅、鐵、鎂、鋁組成的玄武巖相當(dāng)，故被稱為“玄武巖質(zhì)層”或“硅鎂層”。

地幔厚度約2900km，按體積算約占整個(gè)地球的82.3%，按質(zhì)量算則占67.8%，因此它是地球的主體部分。地幔又可分為上、下兩層。上地幔的上部存在一個(gè)由固體與少量(1%～10%)液態(tài)物質(zhì)的混合體組成的軟流圈，厚度大約為200km，會(huì)出現(xiàn)震波低速帶，地幔的其余主體部分則為固體。巖石圈是地殼和軟流圈上部的上地幔固體部分。具有一定規(guī)模的巖石圈塊體被稱為“板塊”，可分為大洋板塊和大陸板塊。

上地幔巖石密度在3.3g/cm3以上，平均為3.5g/cm3;頂部Vp為8.0km/s，是與地殼明顯區(qū)分的標(biāo)志。根據(jù)密度、地震波波速和地質(zhì)等資料，上地幔的物質(zhì)相當(dāng)于含鐵、鎂很高的超基性巖，一般稱為“上地幔巖”。

下地幔密度較高，達(dá)5.1g/cm3以上，一般認(rèn)為其物質(zhì)成分仍然以鐵、鎂的硅酸鹽礦物為主，其化學(xué)成分與上地幔無明顯差別，但是由于壓力很大，在下地幔形成了一些晶體結(jié)構(gòu)更加緊密的高密度礦物。因此，可以認(rèn)為下地幔是成分相當(dāng)于超基性巖的高溫超高壓相礦物組成的巖石。

地核是古登堡面(深度約為2900km)至地心的地球中心部分，厚度約為3470km，占地球總體積的16.3%，總質(zhì)量的1/3左右。地核亦可分為上、下兩層，即外核和內(nèi)核。由于地震波縱波波速急劇降低和橫波不能通過，說明外核為液態(tài)物質(zhì)。外核平均密度為10.5g/cm3。內(nèi)核平均密度為12.9g/cm3。地震波縱波和橫波都能穿過內(nèi)核，說明內(nèi)核由固態(tài)物質(zhì)組成。一般認(rèn)為地核主要是由鐵、鎳組成的，還含有一些硫、硅等元素。

整個(gè)地球的內(nèi)部圈層構(gòu)造見圖1-11。

圖1-11 地球內(nèi)部的圈層構(gòu)造(據(jù)舒良樹，2010)