地球内部各圈层的物质组成及物理状态
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发布时间：2022-04-27 13:16
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时间：2023-09-22 18:38
（一）地球内部物质组成的推断
目前，推断地球内部各圈层物质组成的主要依据有下列几个方面：
1）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）根据来自地下深部的物质进行推断。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，为我们认识深部物质提供了依据。
4）与陨石研究的结果进行对比。
陨石是来自太阳系空间的天体碎片，就目前获得的大量陨石看，按成分可分三类：
石陨石（stone meteorite） 主要由橄榄石、辉石等（铁、镁的硅酸盐） 矿物组成，按成分大约相当于地表见到的超基性岩，金属状态的铁、镍成分很少，密度3～3.5 g/cm3或更大。
铁陨石（iron meteorite） 主要是由金属状态的铁、镍组成的天然合金，密度为8～8.5 g/cm3或更大。
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，并有相当一部分被大气圈摩擦燃烧，其残骸成为陨石落入地表。而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形成演化具有统一性，特别是人类登月获得月球表面岩石与地球表面的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状态。
目前对地球内部物质组成的研究认识已基本趋于一致。与整个宇宙、太阳系主要由轻元素（氢、氦）组成不同，固体地球内部主要由较重的元素组成。从整个地球的角度看，按平均质量百分比计算，占比98%以上的八大元素是：铁、氧、硅、镁、镍、硫、钙、铝（Fe，O，Si，Mg，Ni，S，Ca，Al）；其他所有元素仅占1.5%（图3-7）。其中，铁的含量高达34.6%，占总含量的1/3有余，铁与镍大部分以金属状态集中存在于地核中；而氧、硅、铝、镁、钙等则主要赋存于地幔和地壳中，铁的含量虽在地幔与地壳中大为降低，但仍占有不小的比例；氧的含量也高达29.5%，接近总含量的1/3，氧和硅、铝为主要组分共同构成地壳、地幔中最常见的硅酸盐、氧化物等矿物和岩石。
图3-7 元素在宇宙、太阳系及地球中的分布
（引自陶世龙等，2010，略有修改）
（二）内部各圈层物质组成及物理状态的基本特征
根据上述各方面的综合研究，现今对地球内部各圈层的物质组成与状态的认识如下：
1.地壳
地壳是莫霍面以上的地球表层。其厚度变化在5～70 km之间。其中*地区厚度较大，平均约为33 km；大洋地区厚度较小，平均约7 km；总体的平均厚度约16 km，约占地球半径的1/400，占地球总体积的1.55%，占地球总质量的0.8%。地壳物质的密度一般为2.6～2.9 g/cm3，其上部密度较小，向下部密度增大。地壳为固态岩石所组成，包括沉积岩、岩浆岩和变质岩三大岩类。由于地壳是当前地质学、地球物理学、地理学等学科的主要研究对象，因此，有关其详细情况将在下一节作进一步介绍。
2.地幔
地幔是地球的莫霍面以下、古登堡面（深2 885 km）以上的中间部分。其厚度约2850 km，占地球总体积的82.3%，占地球总质量的67.8%，是地球的主体部分。从整个地幔可以通过地震波横波的事实看，它主要由固态物质组成。根据地震波的次级不连续面，以650 km 深处为界，可将地幔分为上地幔和下地幔两个次级圈层。
（1）上地幔
上地幔的平均密度为3.5 g/cm3，这一密度值与石陨石相当，暗示其可能具有与石陨石类似的物质成分。从火山喷发和构造运动由上地幔上部带出来的深部物质来看，均为超基性岩，与石陨石的物质成分相当。近年来通过高温高压试验来模拟地幔岩石的性质时发现，用橄榄岩55%、辉石35%、石榴子石10%的混合物作为样品（矿物成分相当于超基性岩），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。根据以上理由推测，上地幔由相当于超基性岩的物质组成，其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，这种推测的地幔物质被称为地幔岩。
上地幔上部存在一个软流圈，约从地下60 km延伸到300 km左右，其特征是出现地震波低速带。物理实验表明，波速降低可能是由于软流圈物质发生部分熔融，使其强度降低而引起的。据地内温度估算，软流圈的温度可达700～1300 ℃，已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熔点偏低的组分便可开始发生熔融。据计算，软流圈的熔融物质可能仅占1%～10%，熔融物质散布于固态物质之间，因而大大降低了强度，使软流圈具较强的塑性或流动性。由于软流圈物质已接近熔融的临界状态，因此它成为岩浆的重要发源地。
（2）下地幔
下地幔的平均密度为5.1 g/cm3，由于这里经受着强大的地球内部压力作用，使得存在于上地幔的橄榄石等硅酸盐矿物分解成为FeO，MgO，SiO2和Al2O3等简单的氧化物矿物。与上地幔相比，其物质化学成分的变化可能主要表现为含铁量的相对增加（或Fe/Mg的比例增大）。由于压力随深度的增大，物质密度和波速逐渐增加。
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9.98～12.5 g/cm3。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2885～4770 km）、过渡层（4770～5155 km）和内核（5155 km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。
地核的密度如此之大，从地表物质来看只有一些金属物质才可与之相比，而地表最常见的金属是铁，其密度为8 g/cm3，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，也表明地核可能主要为铁、镍物质。地球具有主要由内部物质引起的磁场，这说明地球内部一定具有高磁性的铁、镍物质非常集中的某个圈层，而地壳、地幔中均不存在，那么它应存在于地核中。此外，人们用爆破冲击波提供的瞬时超高压来模拟地核的压力状态，并测定一些元素在瞬时超高压下的波速与密度，结果发现地核的波速与密度值与铁、镍比较接近。综合多方面推测，地核应主要由铁、镍物质组成。近年来的进一步研究还发现，在地核的高压下，纯铁、镍的密度略显偏高，推测地核最合理的物质组成应是铁、镍及少量的硅、硫等轻元素组成的合金。
