1、第 1 14 4 讲地幔地幔、外核和内核外核和内核1申文斌申文斌 徐新禹徐新禹 霍学深霍学深 金涛勇金涛勇2012015 5年年4 4月月6-136-13日日提纲l地球内部圈层地球内部圈层结构结构l地球内部主要物理性质地球内部主要物理性质 l地球内部各圈层的物质组成及物理状态地球内部各圈层的物质组成及物理状态l地球不同圈层的相互作用地球不同圈层的相互作用2（1 1）划分依据）划分依据 A. A. 人类可以直接观察到的地下深度十分有限。世界人类可以直接观察到的地下深度十分有限。世界上最深的矿井仅上最深的矿井仅45km45km，最深的钻井不过，最深的钻井不过12.5km12.5km。火山。火山喷出
2、来的岩浆，最深也只能带出地下几十到喷出来的岩浆，最深也只能带出地下几十到200km200km左右左右的物质。的物质。 B. B. 天然和人工地震是天然和人工地震是“透视透视”地球内部的主要工具地球内部的主要工具。1 1 地球内部圈层结构地球内部圈层结构18491849年斯托克斯（年斯托克斯（G.G.StokesG.G.Stokes）证实，地）证实，地震过程产生两种弹性波：震过程产生两种弹性波： 一种是质点震动方一种是质点震动方向与波的传播方向一致的纵波，又称向与波的传播方向一致的纵波，又称P P波，一波，一种是质点震动方向与波的传播方向垂直的横种是质点震动方向与波的传播方向垂直的横波，又称波，
3、又称S S波。波。P P波与波与S S波都是在物体内部传播波都是在物体内部传播的，叫体波。的，叫体波。 纵波速度快，横波速度慢。纵波速度快，横波速度慢。 另一种地震波只在地球表面传播，称为表另一种地震波只在地球表面传播，称为表面波，简称面波，对固体地球表面的破坏作面波，简称面波，对固体地球表面的破坏作用最强。用最强。地震波是照亮地地震波是照亮地球内部的球内部的“明灯明灯”1 1 地球内部圈层地球内部圈层结构结构18001800多年前甘肃西部发生了一次地震，住在当多年前甘肃西部发生了一次地震，住在当时中国首都（京城）洛阳的人没有感觉，但安时中国首都（京城）洛阳的人没有感觉，但安置在此城的一台仪器
4、察觉到了，这就是张衡创置在此城的一台仪器察觉到了，这就是张衡创制的世界公认的最早的地震仪制的世界公认的最早的地震仪地动仪。地动仪。18801880年，英国学者来尔恩（年，英国学者来尔恩（J.Milne,1850-1913J.Milne,1850-1913）等制）等制造了可以记录地震波传播情况的地震仪，地球科学家开造了可以记录地震波传播情况的地震仪，地球科学家开始利用天然地震波探测地球内部。始利用天然地震波探测地球内部。现代地震仪已有很高的灵敏度，地震波记录资料的累现代地震仪已有很高的灵敏度，地震波记录资料的累积越来越丰富。利用天然地震波探测地球内部，就好像积越来越丰富。利用天然地震波探测地球内
5、部，就好像用用X X射线或超声波检查透视人体内部器官一样，并已发展射线或超声波检查透视人体内部器官一样，并已发展了一种地震层折成象技术了一种地震层折成象技术. .1 1 地球内部圈层结构地球内部圈层结构地震波传播速度与介质的密度和弹性参数有以地震波传播速度与介质的密度和弹性参数有以下关系下关系：式中，式中，Vp Vp 和和 Vs Vs 分别为纵波和横波速度；分别为纵波和横波速度； 为介质的密度，为介质的密度，k k为介质的体变模量，即物为介质的体变模量，即物体在压力下能缩小的程度，体在压力下能缩小的程度，k k值愈大，物体愈值愈大，物体愈难被压缩；难被压缩；为切变模量，反映物体在定向力为切变模
6、量，反映物体在定向力作用下形态改变的程度，作用下形态改变的程度，值愈大，物体愈难值愈大，物体愈难变形，变形，k k与与通称为介质的弹性模量。通称为介质的弹性模量。1 1 地球内部圈层地球内部圈层结构结构当当=0,Vs=0=0,Vs=0，即，即S S波不能通过液体。波不能通过液体。地震波在介质突变界面将发生反射和折射，这种界地震波在介质突变界面将发生反射和折射，这种界面称为面称为波速的不连续面波速的不连续面。地震波总是沿着弯曲的路径传播地震波总是沿着弯曲的路径传播最短时间原理最短时间原理（最经济原理；费马原理）（最经济原理；费马原理）地震波波速和传播方向的变化是地球内部圈层划分地震波波速和传播方
7、向的变化是地球内部圈层划分的基本依据。的基本依据。1 1 地球内部圈层地球内部圈层结构结构地球内部的密度分布状况1 1 地球内部圈层地球内部圈层结构结构地球物理学家根据地震波在地球内部不同深度地球物理学家根据地震波在地球内部不同深度下传播特征的变化情况，结合岩石学实验，发现下传播特征的变化情况，结合岩石学实验，发现了不同的波速与密度界面。以此为基础推算了地了不同的波速与密度界面。以此为基础推算了地球内部的密度等物理参量分布状况。球内部的密度等物理参量分布状况。7070年代后期，国际地球物理联合会提出了一个年代后期，国际地球物理联合会提出了一个初步参考地球模型（初步参考地球模型（PREMPREM
8、），具体划分了地球内），具体划分了地球内部三种级别的圈层。部三种级别的圈层。1 1 地球内部圈层结构地球内部圈层结构一级圈层一级圈层：三个：三个 地壳（地壳（CrustCrust）地幔（地幔（MantleMantle）地核（地核（CoreCore）莫霍面莫霍面古登堡面古登堡面1 1 地球内部圈层结构地球内部圈层结构二级圈层：七个二级圈层：七个从地表向地球深部依次为从地表向地球深部依次为 A A（地壳）；（地壳）；B B，C C，D D（地幔）；（地幔）；以及以及 E E，F F 和和 G G 层（地核）层（地核）。三级分层：三级分层：1111个个大陆地壳还可再分为大陆地壳还可再分为上、下地壳两
9、层，上、下地壳两层，即即和和；在地幔的在地幔的B B层中则包括三个三级分层：层中则包括三个三级分层：B1B1、B2B2（为地震波（为地震波低速层，推断为熔融状态，故也称软流圈）和低速层，推断为熔融状态，故也称软流圈）和 B3B3；C C层层D D层中包含两个三级分层层中包含两个三级分层，它们依次称作，它们依次称作 DD和和 D D层。层。E,F,GE,F,G层层1 1 地球内部圈层结构地球内部圈层结构初步参考地球模型（PREM)1 1 地球内部圈层结构地球内部圈层结构1 1 地球内部圈层结构地球内部圈层结构1 1 地球内部圈层结构地球内部圈层结构莫霍（洛维奇）面莫霍（洛维奇）面（简称莫霍面，简
10、称莫霍面，MohoMohodiscontinuitydiscontinuity），克罗地亚学者莫霍洛维奇），克罗地亚学者莫霍洛维奇（A.MohorovicicA.Mohorovicic，1857-19361857-1936）19091909年发现，年发现，莫霍面上下莫霍面上下VpVp从从7.0km/s7.0km/s迅速增加到迅速增加到8.1km/s8.1km/s；VsVs从从4.2km/s4.2km/s增加到增加到4.4km/s4.4km/s左右。莫霍面全球大左右。莫霍面全球大陆下平均深度陆下平均深度33km33km，在大洋之下平均，在大洋之下平均5km5km。是地是地壳与地幔之间的界面壳与地
11、幔之间的界面。一级圈层的交界面1 1 地球内部圈层结构地球内部圈层结构古登堡面古登堡面（Gutenberg discontinuityGutenberg discontinuity），美），美籍德裔学者古登堡（籍德裔学者古登堡（B.GutenbergB.Gutenberg，1889-19601889-1960）19141914年发现。此不连续面上下，年发现。此不连续面上下，V Vp p由由13.64km/s13.64km/s突降至突降至7.98km/s7.98km/s；V Vs s由由7.23km/s7.23km/s向下突然消向下突然消失，并且在该不连续面上地震波出现极明显的失，并且在该不连续
12、面上地震波出现极明显的反射、折射现象。该面位于地下反射、折射现象。该面位于地下2885km2885km深处，深处，是是地幔与地核之间的界面地幔与地核之间的界面。一级圈层的交界面1 1 地球内部圈层结构地球内部圈层结构莱曼莱曼（Lehman 1936Lehman 1936）发现了内外核界面：内核）发现了内外核界面：内核是固态的。是固态的。1 1 地球内部圈层结构地球内部圈层结构二级圈层和三级圈层二级圈层和三级圈层G G（内核）（内核）-软流圈软流圈上地壳（上地壳（A1A1） 下地壳（下地壳（A2A2）B B（上地幔）（上地幔）盖层（盖层（B1B1） 低速层（低速层（B2B2） 均匀层（均匀层（B
13、3B3）C C（过渡层）（过渡层）D D（下地幔）（下地幔）岩石圈岩石圈构造圈构造圈D D(V(Vp p=11.7km/s =11.7km/s V Vs s=6.5km/s)=6.5km/s)D D(V(Vp p=13.7km/s V=13.7km/s Vs s=7.3km/s)=7.3km/s)E E（外核）（外核）液态液态F F（过渡层）（过渡层）固固-液态液态固态固态中间圈中间圈A A（地壳）（地壳）30-400km400-670kmPREM PREM 模型的构建模型的构建(Diziewonski and Anderson 1981)(属于属于1-D1-D 模型模型) )：数据源：数据源
14、： 1 1 地震波数据地震波数据 【近近200200万个体波万个体波、面波观测数据面波观测数据】2 2 自由震荡数据自由震荡数据【1 1000000多个模态频率，多个模态频率，1 10000多个模态品质因子多个模态品质因子】3 3 天文天文- -大地测量数据约束大地测量数据约束【地球总质量，转动惯量【地球总质量，转动惯量】模型提供的参数：模型提供的参数：见后见后1 1 地球内部圈层结构地球内部圈层结构2 2 地球内部的主要物理性质地球内部的主要物理性质（1 1）密度）密度地表岩石密度：地表岩石密度：2.62.62.8g/cm2.8g/cm3 3 ，一般取，一般取2.67g/cm2.67g/cm
15、3 3地球的平均密度地球的平均密度=M=M地球地球/V/V地球地球 =5.973=5.97310102727g/1.083 x 10g/1.083 x 102727cmcm3 3 =5.516g/cm =5.516g/cm3 3地球岩石密度与波速有经验关系：地球岩石密度与波速有经验关系： =0.27V=0.27Vp p+1.07+1.072 2 地球内部的主要物理性质地球内部的主要物理性质（2 2）压力）压力地球内总压力是指在不同深度处单位面积上的静地球内总压力是指在不同深度处单位面积上的静压力（即压强）压力（即压强）。类似大气压和水压（湖海）。类似大气压和水压（湖海）。地球内部压力基本上保持
16、平衡，数值与该单位面积地球内部压力基本上保持平衡，数值与该单位面积上覆岩石总重量相等，压力，上覆岩石总重量相等，压力，h : h : 深 度深 度 , , : : 平 均 密 度 ； 在 地 壳 内 ，平 均 密 度 ； 在 地 壳 内 ， 2.75g/cm2.75g/cm3 3，深度增加深度增加1km1km，压力增加，压力增加2.752.7510106 6PaPa，MohoMoho面附近面附近静岩压力约静岩压力约1200120010106 6PaPa；古登堡面附近；古登堡面附近1352135210108 8PaPa，在地心处可达，在地心处可达3617361710108 8Pa (362GPa
17、)Pa (362GPa)。2 2 地球内部的主要物理性质地球内部的主要物理性质（3 3）温度）温度在地热一讲讲过，不再重复。在地热一讲讲过，不再重复。2 2 地球内部的主要物理性质地球内部的主要物理性质（3 3）温度）温度地球深部的温度高于地球表层温度，一般温度随地球深部的温度高于地球表层温度，一般温度随深度增加而增高。深度增加而增高。外热层：从地表至地下十几米至几十米，受太阳外热层：从地表至地下十几米至几十米，受太阳辐射热影响，有昼夜、季节性和多年周期性变化。辐射热影响，有昼夜、季节性和多年周期性变化。常温层：在外热层下界面附近，深度大约常温层：在外热层下界面附近，深度大约20-40m20-
18、40m，地温常年保持不变，等于或略高于当地年平均气，地温常年保持不变，等于或略高于当地年平均气温。温。地温梯度（地热增温率）地温梯度（地热增温率）：在常温层以下，每向在常温层以下，每向下加深下加深100m100m所升高的温度所升高的温度。由于受地球内部热源的。由于受地球内部热源的影响，地温开始随深度逐渐增高。影响，地温开始随深度逐渐增高。大陆地区常温大陆地区常温层以下至约层以下至约30km30km深处，大致每往下深处，大致每往下30m30m，温度增高，温度增高11；大洋底到；大洋底到15km15km深处，大致每加深深处，大致每加深15m15m，地温增高，地温增高11。地温梯度各地有差异，大陆为
19、。地温梯度各地有差异，大陆为0.90.95/100m5/100m，海底一般为，海底一般为4 48/100m8/100m。地表地温。地表地温梯度不适于推算地球深部温度梯度不适于推算地球深部温度 【如地壳底部将为如地壳底部将为900900；核幔边界将达；核幔边界将达8600086000，地心将高达，地心将高达192100192100，按此推算则地球内部早该溶融化为气体状态，不符，按此推算则地球内部早该溶融化为气体状态，不符合观测数据！】合观测数据！】 根据高温、高压实验成果与地震波传播特点，目根据高温、高压实验成果与地震波传播特点，目前比较公认的推算结果为前比较公认的推算结果为MohoMoho面附
20、近面附近400400900900，岩石圈底面岩石圈底面为为11001100；地幔内的温度大致为；地幔内的温度大致为1000100035003500；地核的温度为；地核的温度为4000400050005000。地热流密度地热流密度（简称热流）（简称热流）：单位时间内通过地表单位时间内通过地表单位面积的热量单位面积的热量。由于热具有从高温向低温传播的。由于热具有从高温向低温传播的性质，地球内部的高温热能总是以对流、传导和辐性质，地球内部的高温热能总是以对流、传导和辐射等方式向地表传播并散失到外部空间。目前全球射等方式向地表传播并散失到外部空间。目前全球实测的平均热流值为实测的平均热流值为1.51.
21、51010-6-6J/cmJ/cm2 2s s。（4 4）地球的电性）地球的电性很早就知道地球带有电性，例如发电厂以大地作为回很早就知道地球带有电性，例如发电厂以大地作为回路；大气高层电离对地面的感生电场，在大雷雨时的放路；大气高层电离对地面的感生电场，在大雷雨时的放电，地内岩体的电，地内岩体的温差电流温差电流、压电效应压电效应；大面积的地磁场；大面积的地磁场感应电流等，可形成大地电流，电流密度平均约为感应电流等，可形成大地电流，电流密度平均约为2A/km2A/km。地球内部的电性和磁性主要视地内物质的电导率和磁。地球内部的电性和磁性主要视地内物质的电导率和磁导率而定。磁导率一般变化不大而电导
22、率变化大。导率而定。磁导率一般变化不大而电导率变化大。2 2 地球内部的主要物理性质地球内部的主要物理性质地壳的电导率地壳的电导率与岩石成分、空隙度、空隙水与岩石成分、空隙度、空隙水的矿化度等有关。的矿化度等有关。温度对电导率的变化影响更大温度对电导率的变化影响更大，熔融岩石比，熔融岩石比未熔融的同类岩石的电导率大几百至几千倍。未熔融的同类岩石的电导率大几百至几千倍。电导率还随深度增加而增加电导率还随深度增加而增加。因此大地电流可。因此大地电流可以被用于研究地球内部各种相关物理特征，如以被用于研究地球内部各种相关物理特征，如岩石圈各层的导电率及地内的压力、温度等。岩石圈各层的导电率及地内的压力
23、、温度等。大地电流的强度和方向均有变化，这是因为大地电流的强度和方向均有变化，这是因为大地电流主要是地磁场变化直大地电流主要是地磁场变化直接感生的接感生的。2 2 地球内部的主要物理性质地球内部的主要物理性质（5 5）磁性，（）磁性，（6 6）重力，）重力，（7 7）放射性：）放射性： 【以前讲过，不再重复以前讲过，不再重复】（8 8）地球的弹性和塑性）地球的弹性和塑性地球具有弹性，可传播横波和纵波；还有固体地球具有弹性，可传播横波和纵波；还有固体部分的潮汐形变（部分的潮汐形变（7 715cm15cm）。）。地球有塑性，地球有塑性，岩石可发生强烈的变曲却未破碎岩石可发生强烈的变曲却未破碎或断裂
24、或断裂。地球是黏弹体：地球是黏弹体：地幔是熔融状的，外核是液态地幔是熔融状的，外核是液态的的（1 1）推断地球内部各圈层物质组成的依据）推断地球内部各圈层物质组成的依据：根据各圈层密度和地震波速度与地表岩石或矿物的有根据各圈层密度和地震波速度与地表岩石或矿物的有关性质对比。关性质对比。根据各圈层的压力、温度，通过高温高压模拟实验。根据各圈层的压力、温度，通过高温高压模拟实验。根据来自地下深部的物质。火山喷发和构造运动有时根据来自地下深部的物质。火山喷发和构造运动有时能把地下深部（如上地幔）的物质带到地表，为我们认识能把地下深部（如上地幔）的物质带到地表，为我们认识深部物质提供了依据。深部物质提
25、供了依据。与陨石研究的结果进行对比。与陨石研究的结果进行对比。3 3 地球内部各圈层的物质组成及物理状态地球内部各圈层的物质组成及物理状态（2 2）地球内部各圈层的物质组成与状态：）地球内部各圈层的物质组成与状态：地壳地壳莫霍面以上的地球表层。厚度在莫霍面以上的地球表层。厚度在5 570km70km之间。其中之间。其中大陆地区厚度较大，平均约为大陆地区厚度较大，平均约为33km33km；大洋地区厚度较小；大洋地区厚度较小，平均约，平均约7km7km；总体的平均厚度约；总体的平均厚度约16km16km，约占地球半径，约占地球半径的的1/4001/400，占总体积的，占总体积的1.55%1.55%
26、，占总质量的，占总质量的0.8%0.8%。地壳物。地壳物质的密度一般为质的密度一般为2.62.62.9g/cm2.9g/cm3 3，其上部密度较小，向下，其上部密度较小，向下部密度增大。地壳为固态岩石所组成，包括部密度增大。地壳为固态岩石所组成，包括沉积岩沉积岩、岩岩浆岩浆岩和和变质岩变质岩三大岩类。三大岩类。3 3 地球内部各圈层的物质组成及物理状态地球内部各圈层的物质组成及物理状态（2 2）地球内部各圈层的物质组成与状态）地球内部各圈层的物质组成与状态：沉积岩沉积岩：石灰岩、砂岩、页岩等。：石灰岩、砂岩、页岩等。【经水流、经水流、冰川搬运、沉积、成岩作用形成的岩石冰川搬运、沉积、成岩作用形
27、成的岩石】岩浆岩岩浆岩：700700多种；常见：花岗岩，橄榄岩，玄武多种；常见：花岗岩，橄榄岩，玄武岩，安山岩，流纹岩岩，安山岩，流纹岩 【喷出或浸入地壳；占地壳总喷出或浸入地壳；占地壳总体积体积 65% 65%】变质岩变质岩：板岩，片岩，片麻岩，石英岩，斜长：板岩，片岩，片麻岩，石英岩，斜长角闪岩，麻粒岩，流辉岩，大理岩，角闪岩，麻粒岩，流辉岩，大理岩，. . 【内内部力作用下发生迁移和重结晶部力作用下发生迁移和重结晶】3 3 地球内部各圈层的物质组成及物理状态地球内部各圈层的物质组成及物理状态地幔地幔莫霍面以下、古登堡面（深莫霍面以下、古登堡面（深2885km2885km）以上的中间部分）
28、以上的中间部分，其厚度约，其厚度约2850km2850km，占地球总体积的，占地球总体积的 82.3% 82.3%，占地球总，占地球总质量的质量的67.8%67.8%，是地球的主体部分。，是地球的主体部分。根据地震波的次级不连续面，以根据地震波的次级不连续面，以670km670km深处为界，可将深处为界，可将地幔分为上地幔（地幔分为上地幔（30-400km30-400km）、过渡层过渡层(400-670km)(400-670km)和和下地幔下地幔(670-2885km)(670-2885km)三个次级圈层。三个次级圈层。3 3 地球内部各圈层的物质组成及物理状态地球内部各圈层的物质组成及物理状
29、态上地幔上地幔上地幔的平均密度为上地幔的平均密度为3.5g/cm3.5g/cm3 3 ，暗示可能具有与，暗示可能具有与石陨石类似的物质成分。石陨石类似的物质成分。从火山喷发和构造运动从上地幔上部带出来的深部从火山喷发和构造运动从上地幔上部带出来的深部物质来看，也均为超基性岩物质来看，也均为超基性岩【见后；二氧化硅含量低见后；二氧化硅含量低（小于（小于45%45%）】高温高压试验模拟地幔岩石的性质时发现，用橄榄高温高压试验模拟地幔岩石的性质时发现，用橄榄岩岩55%55%、辉石、辉石35%35%、石榴子石、石榴子石10%10%的混合物作为样品（的混合物作为样品（相当于超基性岩），在相当于上地幔的温
30、压条件下测相当于超基性岩），在相当于上地幔的温压条件下测定其波速与密度，得到与上地幔基本一致的结果。定其波速与密度，得到与上地幔基本一致的结果。3 3 地球内部各圈层的物质组成及物理状态地球内部各圈层的物质组成及物理状态根据以上理由推测，根据以上理由推测，上地幔由相当于超基性岩上地幔由相当于超基性岩的物质组成的物质组成以岩浆岩中以岩浆岩中SiOSiO2 2化学组分的百分含量来划分，化学组分的百分含量来划分，则则岩浆岩可分为四大类岩浆岩可分为四大类：超基性岩超基性岩（SiOSiO2 2）45%45%）、）、基性岩基性岩（SiOSiO2 2在在45%45%52%52%之间）、之间）、中性岩中性岩（
31、SiOSiO2 2为为52%52%66%66%之之间）和间）和酸性岩酸性岩（SiOSiO2 266%66%）3 3 地球内部各圈层的物质组成及物理状态地球内部各圈层的物质组成及物理状态上地幔中，主要的矿物成分可能为橄榄石，有一部分上地幔中，主要的矿物成分可能为橄榄石，有一部分为辉石与石榴子石。为辉石与石榴子石。上地幔上部存在一个软流圈上地幔上部存在一个软流圈【物质占物质占1%1%10%10%】，约，约从从70km70km延伸到延伸到250km250km左右，特征是出现地震波低速带。左右，特征是出现地震波低速带。据温度估算，软流圈的温度可达据温度估算，软流圈的温度可达70070013001300
32、，接近，接近超基性岩在该压力下的熔点温度，因此一些易熔组分或超基性岩在该压力下的熔点温度，因此一些易熔组分或熔点偏低的组分便可开始发生熔融。熔点偏低的组分便可开始发生熔融。3 3 地球内部各圈层的物质组成及物理状态地球内部各圈层的物质组成及物理状态大颗粒VVS级天然橄榄石橄榄石主要成分是铁或镁的硅酸盐辉石是一种硅存在的重要岩石形态，硅酸盐下地幔下地幔下地幔平均密度下地幔平均密度 5.1g/cm 5.1g/cm3 3。由于强大的地内压力作用，上地幔的橄榄石等矿物分由于强大的地内压力作用，上地幔的橄榄石等矿物分解为解为 FeOFeO、MgOMgO、SiOSiO2 2 和和 AL AL2 2OO3
33、3 等简单的氧化物。等简单的氧化物。与上地幔相比，其化学成分的变化主要表现为含铁量与上地幔相比，其化学成分的变化主要表现为含铁量的相对增加（或的相对增加（或Fe/MgFe/Mg的比例增大）。的比例增大）。过渡层过渡层波速梯度较大；固态波速梯度较大；固态3 3 地球内部各圈层的物质组成及物理状态地球内部各圈层的物质组成及物理状态地核地核地球内部古登堡面至地心的部分，其体积占地球总地球内部古登堡面至地心的部分，其体积占地球总体积的体积的16.2%16.2%，质量却占地球总质量的，质量却占地球总质量的31.3%31.3%，地核的，地核的密度达密度达9.989.9813.0g/cm13.0g/cm3
34、3。地核密度大：地表最常见的金属是铁，密度为地核密度大：地表最常见的金属是铁，密度为8g/cm8g/cm3 3，它在超高压下完全可以达到地核的密度。，它在超高压下完全可以达到地核的密度。地核的密度与铁陨石较接近：表明地核可能主要为地核的密度与铁陨石较接近：表明地核可能主要为铁、镍物质。铁、镍物质。3 3 地球内部各圈层的物质组成及物理状态地球内部各圈层的物质组成及物理状态根据地震波的传播特点可将地核进一步分为三层：外核根据地震波的传播特点可将地核进一步分为三层：外核（深度（深度288528854170km4170km）、过渡层（）、过渡层（417041705155km5155km）和）和内核（
35、内核（5155km5155km至地心）。至地心）。外核为液态：因为横波不能通过外核为液态：因为横波不能通过内核为固态：因为横波又重新出现内核为固态：因为横波又重新出现过渡层：液体固体的过渡状态，在深度为过渡层：液体固体的过渡状态，在深度为41705155km41705155km范围内的过渡带（范围内的过渡带（F F层），推断主要是由二硫化铁也即古层），推断主要是由二硫化铁也即古橄铁镍陨石特有的化合物所组成的。橄铁镍陨石特有的化合物所组成的。3 3 地球内部各圈层的物质组成及物理状态地球内部各圈层的物质组成及物理状态内核内核内核（内核（GG层）的资料少，但从各种地球物理分析的结层）的资料少，但从
36、各种地球物理分析的结果来看，它应由铁镍合金组成、并且是固态的。果来看，它应由铁镍合金组成、并且是固态的。内核也包括大量的软化（融化）部分，特别是如果在内核也包括大量的软化（融化）部分，特别是如果在固相和液相之间存在大量的间隔时。内核的粘滞度较低固相和液相之间存在大量的间隔时。内核的粘滞度较低，这意味着由于潮汐、自转和外核运动应力以及内部应，这意味着由于潮汐、自转和外核运动应力以及内部应力，容易引起内核的变形和对流。力，容易引起内核的变形和对流。内核可能表现出相对于地幔的半刚性差异旋转，同时内核可能表现出相对于地幔的半刚性差异旋转，同时更可能是非刚性或者是塑性的变形。更可能是非刚性或者是塑性的变
37、形。各向异性是这类变形和对流的反应。各向异性是这类变形和对流的反应。3 3 地球内部各圈层的物质组成及物理状态地球内部各圈层的物质组成及物理状态内核的形状和构造被地幔引力，外核电磁应力以及粘内核的形状和构造被地幔引力，外核电磁应力以及粘滞应力，旋转和潮汐应力所影响。这些应力引起不可逆滞应力，旋转和潮汐应力所影响。这些应力引起不可逆的塑性流动、晶体排列和重结晶。的塑性流动、晶体排列和重结晶。内核中的地震波各项异性是以上行为的结果。内核中的地震波各项异性是以上行为的结果。3 3 地球内部各圈层的物质组成及物理状态地球内部各圈层的物质组成及物理状态内核形成的几种机制内核形成的几种机制：1 1 均匀吸
38、积说均匀吸积说：硅酸盐和金属物质共生，但重金属向下渗透，向中心：硅酸盐和金属物质共生，但重金属向下渗透，向中心下沉，并带动亲铁元素一起向地心运动。下沉，并带动亲铁元素一起向地心运动。2 2 非均匀吸积说非均匀吸积说：由正在变冷的星云的难溶固化物（包括铁、镍）在由正在变冷的星云的难溶固化物（包括铁、镍）在大多数的硅酸盐和挥发物形成之前形成核心。大多数的硅酸盐和挥发物形成之前形成核心。3 3 外星冲击说：外星冲击说：大量的后期大量的后期（彗星）（彗星）冲击能够快速注入它们的金属核到冲击能够快速注入它们的金属核到被冲击星球的金属核心被冲击星球的金属核心，并激发铁从地幔中的进一步的分离并激发铁从地幔中
39、的进一步的分离。科学家推测：科学家推测：内核可能从内核可能从1515-20-20亿年前开始生长，目前的生长速亿年前开始生长，目前的生长速率大约率大约 0.50.5 mmmm 至至 1 1 mm/mm/yryr【内核生长速率究竟多大？科学难题内核生长速率究竟多大？科学难题】【内核生长与地球膨胀内核生长与地球膨胀 Shen et al 2013Shen et al 2013】3 3 地球内部各圈层的物质组成及物理状态地球内部各圈层的物质组成及物理状态外核（液核）外核（液核）对金属进行的冲击压缩实验结果则表明，外核（对金属进行的冲击压缩实验结果则表明，外核（E E层层）处于液态或极为接近于液态（通常
40、认为外核是均匀、）处于液态或极为接近于液态（通常认为外核是均匀、完全流体并激烈对流的），而且除了铁镍成分外，还含完全流体并激烈对流的），而且除了铁镍成分外，还含有氧化铁；铁镍熔浆的成分不超过有氧化铁；铁镍熔浆的成分不超过84928492。液态外核具有低粘度值且地震横波不能穿过。尽管外液态外核具有低粘度值且地震横波不能穿过。尽管外核是液态的，它却包含了超过核是液态的，它却包含了超过50%50%的悬浮晶体并仍然显的悬浮晶体并仍然显示为液体性质。示为液体性质。由于外核是液态，因此可以认为内核和外核的边界（由于外核是液态，因此可以认为内核和外核的边界（ICBICB）是熔融曲线的等温线。）是熔融曲线的等
41、温线。3 3 地球内部各圈层的物质组成及物理状态地球内部各圈层的物质组成及物理状态地核差异地核差异( (超速超速) )旋转旋转研究发现，作为地球内部驱动源的地核，其旋转与整体研究发现，作为地球内部驱动源的地核，其旋转与整体地球不一致。地球不一致。19831983年，年，PoupinetPoupinet等等发现内核中地震发现内核中地震波传播在沿自转轴方向的波速要大于其他方向，从而对波传播在沿自转轴方向的波速要大于其他方向，从而对长期认定的均匀球状内核模式提出了质疑。长期认定的均匀球状内核模式提出了质疑。WoodhouseWoodhouse等于等于19861986年进一步发现，在地球内核中年进一步
42、发现，在地球内核中，地震波的传播是轴对称各向异性的，并提出了内，地震波的传播是轴对称各向异性的，并提出了内核各向异性对称轴（亦即后来所称的内核快轴）的核各向异性对称轴（亦即后来所称的内核快轴）的概念。概念。3 3 地球内部各圈层的物质组成及物理状态地球内部各圈层的物质组成及物理状态苏维加等在苏维加等在19951995年发现这一对称轴与地球的自转年发现这一对称轴与地球的自转轴不仅不重合，而且两者的夹角还在不断变化。轴不仅不重合，而且两者的夹角还在不断变化。宋晓东等宋晓东等19961996年年发表发表Nature Nature 论文，估计地球内核论文，估计地球内核每年自西向东较外核多旋转每年自西向
43、东较外核多旋转1.11.1，引起国际学术，引起国际学术界关注。界关注。目前的结果：目前的结果：不超过不超过 0.2/ 0.2/yryr内核超速旋转的重力探测内核超速旋转的重力探测【申文斌等【申文斌等20072007；申文斌，刘任莉；申文斌，刘任莉 20082008】3 3 地球内部各圈层的物质组成及物理状态地球内部各圈层的物质组成及物理状态地球各圈层之间的物质与能量状态的差异，是圈层相地球各圈层之间的物质与能量状态的差异，是圈层相互作用和物质能量交换的动力。互作用和物质能量交换的动力。（1 1）不同圈层的能量交换）不同圈层的能量交换热量总是从高温区向低温区传递的，地球内部的热可热量总是从高温区
44、向低温区传递的，地球内部的热可以通过热传导、热辐射、激子（辐射激发的原子）、物以通过热传导、热辐射、激子（辐射激发的原子）、物质运动（如地下热泉、火山活动、岩浆活动以及地幔对质运动（如地下热泉、火山活动、岩浆活动以及地幔对流等）几种方式传导到地球表面。流等）几种方式传导到地球表面。根据大地热流值观测发现，每年从地球内部传递到地表的热根据大地热流值观测发现，每年从地球内部传递到地表的热能大约能大约8.378.3710102020J J，平均每平方厘米的地表达，平均每平方厘米的地表达6.286.281010-6-6J J，大，大概是每年通过地震释放能量的概是每年通过地震释放能量的100100倍。倍
45、。4 4 地球不同圈层的相互作用地球不同圈层的相互作用（2 2）不同圈层的物质交换）不同圈层的物质交换不同圈层之间的物质交换有多种方式，最主要的是地不同圈层之间的物质交换有多种方式，最主要的是地球的物质循环过程和元素的迁移过程。球的物质循环过程和元素的迁移过程。沿地幔热柱上升的玄武岩熔浆从大洋中脊涌出并冷却沿地幔热柱上升的玄武岩熔浆从大洋中脊涌出并冷却形成洋壳，并在海沟处因俯冲作用被插入大陆岩石圈之形成洋壳，并在海沟处因俯冲作用被插入大陆岩石圈之下的软流圈，在地幔软流圈被加热并熔融，与地幔物质下的软流圈，在地幔软流圈被加热并熔融，与地幔物质混合后重新加入地幔的对流循环。混合后重新加入地幔的对流
46、循环。4 4 地球不同圈层的相互作用地球不同圈层的相互作用岩浆岩浆射气作用引起地幔射气作用引起地幔地壳地壳水水大气的物大气的物质交换质交换幔源岩浆上升到地壳浅部或溢出地表并伴随气水的喷幔源岩浆上升到地壳浅部或溢出地表并伴随气水的喷射，使地幔物质向地壳、水圈和大气圈迁移。岩浆冷却射，使地幔物质向地壳、水圈和大气圈迁移。岩浆冷却凝固形成的岩石上升到地表后，受风化作用而溶解、破凝固形成的岩石上升到地表后，受风化作用而溶解、破碎，呈溶液、碎屑被水流、风搬运到湖泊、海洋沉积下碎，呈溶液、碎屑被水流、风搬运到湖泊、海洋沉积下来，随着地壳的下沉，在地壳深部压实形成岩石，或者来，随着地壳的下沉，在地壳深部压实
47、形成岩石，或者随着洋壳俯冲到地幔软流圈加热熔融，重新加入地幔的随着洋壳俯冲到地幔软流圈加热熔融，重新加入地幔的对流循环。上述各种地质作用都引起壳对流循环。上述各种地质作用都引起壳- -幔之间物质与元幔之间物质与元素的大规模的迁移和重新分配。素的大规模的迁移和重新分配。4 4 地球不同圈层的相互作用地球不同圈层的相互作用（3 3）圈层的元素迁移与富集）圈层的元素迁移与富集地幔地幔- -地壳之间元素的迁移与矿产资源形成相关。地壳之间元素的迁移与矿产资源形成相关。地球上部圈层除元素通过流体（岩浆）迁移外，最常地球上部圈层除元素通过流体（岩浆）迁移外，最常见的地球化学作用是含水流体与矿物岩石间的化学反
48、应见的地球化学作用是含水流体与矿物岩石间的化学反应，称为水，称为水- -岩相互作用。从反应性质来看，水岩相互作用。从反应性质来看，水- -岩相互作岩相互作用包括溶解、沉淀、吸附和离子交换，以及氧化、还原用包括溶解、沉淀、吸附和离子交换，以及氧化、还原等化学过程。等化学过程。4 4 地球不同圈层的相互作用地球不同圈层的相互作用（4 4）圈层的耦合角动量交换）圈层的耦合角动量交换对于高幅度的十年尺度日常变化，其机制常归因于对于高幅度的十年尺度日常变化，其机制常归因于液态外核于固体地幔的角动量交换。从观测到的地磁液态外核于固体地幔的角动量交换。从观测到的地磁场变化与日长变化的相关性可以得出以上结论。
49、对于场变化与日长变化的相关性可以得出以上结论。对于十年尺度日长变化，大气只提供了十年尺度日长变化，大气只提供了14%14%的贡献。的贡献。核幔之间的各种角动量耦合作用：核幔之间的各种角动量耦合作用：电磁耦合电磁耦合地形耦合（压力耦合）地形耦合（压力耦合）粘滞耦合粘滞耦合4 4 地球不同圈层的相互作用地球不同圈层的相互作用电磁耦合电磁耦合（1 1）时变大地电磁场在导电的地幔中产生感应电流）时变大地电磁场在导电的地幔中产生感应电流；（2 2）地核中的电流穿过核幔边界泄漏到地幔）地核中的电流穿过核幔边界泄漏到地幔 ；（3 3）地幔中的电流与地磁场相互作用产生洛伦兹力）地幔中的电流与地磁场相互作用产生
50、洛伦兹力。值取决于下地幔电导率的大小，当下地幔电导率足够值取决于下地幔电导率的大小，当下地幔电导率足够大（大（23E-923E-9电磁单位），电磁耦合可以很显著。电磁单位），电磁耦合可以很显著。574 4 地球不同圈层的相互作用地球不同圈层的相互作用l 地形耦合（压力耦合）外核为流动的液态金属，核幔边界处的外核流动会对崎外核为流动的液态金属，核幔边界处的外核流动会对崎岖不平的核幔边界地形施加一个力，产生对应的力矩岖不平的核幔边界地形施加一个力，产生对应的力矩，这个力矩作用于地幔，转移了核幔的角动量，使得，这个力矩作用于地幔，转移了核幔的角动量，使得地幔产生进动、章动以及自转角速度大小的变化（这
