地球的結構構造課件

1、第三章 地球的結構構造第一節(jié) 地球的層圈劃分第二節(jié) 地球的外部層圈第三節(jié) 地球的內部層圈第四節(jié) 巖石圈的基本特征第一節(jié) 地球的層圈劃分 地球具有圈層結構。 每個圈層都有自己的物質組成、運動特征和物理、化學性質。 對地質作用各有程度不同的、直接或間接的影響。 以地表為界分為內圈和外圈，它們又可再分為幾個圈層。一、地球外圈及其劃分依據 地球表面以上，根據物質性狀可以分為大氣圈、水圈和生物圈。它們包圍地球，各自形成連續(xù)完整的圈層。大氣圈 無線電探空氣球、人造氣象衛(wèi)星，或借助太陽輻射、宇宙線等粒子與大氣起作用-大氣圈的內部理化狀態(tài)。 宇宙飛船-高空大氣層。水 圈 陸地水體了解得比較多， 對于海洋水體，

2、20世紀初開始用回聲測深儀、超聲波回聲測深儀測量海水深淺的連續(xù)曲線，還能夠反映海底物質的性質，采用重力測量和地震測量了解海底地殼的結構。 60年代以來，廣泛使用深水潛艇和海底照相，不僅可以取得的海水樣品，而且還可以拍攝不同深度的生物活動狀況；捕取生物標本。 對冰層下部的了解不夠，還只能用物探方法取得一些間接資料。 對生物習性和演化逐步有了系統(tǒng)的認識。 大半采自大氣下層和水圈以及巖石上層，沒有把全球各地的生命物質都全面采樣， 另外，高山、荒原、密林、沙漠等人跡罕到的地方的生物活動情況了解不夠，它們的地質作用還不太清楚。生物圈二、研究地球內部狀況的依據 地球的半徑為6371公里，目前最深的鉆孔不過

3、10公里左右，只能根據地表附近得到的有關資料進行分析推測地球內部的物質成分和物理特點，主要是根據宇宙地質、 地質學及地球化學、地球物理三方面的綜合研究。(一) 宇宙地質的依據 太陽系內其它天體的物質成分可以作為推斷地球內部物質成分的參考。最有實際意義的是其它星體的碎塊-隕石。其成分三類： 鐵隕石 為鐵鎳的天然合金，是含有相當數量鎳的鐵的硫化物。 石隕石 主要由橄欖石、輝石等鐵鎂硅酸鹽礦物組成。 鐵石隕石 為上述兩種的過渡類型。 “球粒隕石”，其成分屬含鐵的石隕石。 地球內部成分與鐵隕石和石隕石大致相當，為鐵鎳和接近超基性的巖石。(二) 地質學及地球化學依據1、根據地質學研究，來自深源的巖石性質

4、表明，地球深部應是超基性巖或類似的巖石。 超基性巖，常常沿一些深大斷裂分布， 含金剛石的金伯利巖，原生的金剛石產于金伯利巖中。金剛石的生成要求：T=11002200C，P=5萬個大氣壓D=150公里。所以金伯利巖肯定源于150公里以下。 金伯利巖中榴輝巖包體，也是深源巖石。 玄武巖中的橄欖巖包體，富鎂。 2、一些地球化學標志可以證實地質推斷 某些穩(wěn)定同位素的比值，其中研究較多的是O、S、C、Si和H等。地球內部物質應當也具有同一比值，地球表層物質則因經歷了后來的各種地質作用，可能會產生同位素的分異，使比值改變。(三) 地球物理依據 最有意義的是重力學和地震學，它們可以用來推斷地球內部結構、狀態(tài)

5、和物理性質。一、大氣圈 ( atmosphere) 1、大氣圈是包圍著地球的氣體，厚度在幾萬公里以上，以地球表面的大氣最稠密，向外逐漸稀薄，過渡為宇宙氣體，沒有明確的上界。 2、大氣圈總質量約5.136l021克。 3、大氣密度和壓力與溫度和高度成反比。 4、大氣成分隨高度而不同。100公里高度以下的大氣是空氣，由18種氣體混合組成，主要成分是N2和O2，次要成分CO2、 O3、 H2O等。第二節(jié) 地球的外部圈層 5、根據大氣溫度、密度等大氣物理特征可以把大氣圈自上而下分為： 外逸層 熱成層（85 - 360） 中間層（50 - 85km） 平流層（9 or 1850km） 對流層（09 or

6、 18km） 與我們關系最密切的是對流層，其次是平流層。 臭氧在平流層下部（2035km）最集中。二、水圈 ( hydrosphere) 賦存方式與狀態(tài) 水圈是地球表層的水體，陸地水和海洋水是水圈的兩大組成部分，此外在大氣下層和生物中也含有水分。它們的物質成分和物理性質是有差別的。1、水圈的化學成分 鹽度( salinity)-l公斤水中所溶解的全部鹽類的重量稱為鹽度。 淡 水-鹽度小于0.3， 半咸水-鹽度大于0.3，小于24.695。 咸 水-鹽度大于24.695。海洋水的平均鹽度為35。河水和泄水湖水總是淡水，因為流動的水不易集中大量鹽分，不泄水湖大都是咸水，而且鹽度相當高。海洋咸水與陸

7、地淡水溶解鹽分比例不相同。海洋咸水主要鹽分Cl-SO42-HCO3- Na+Mg2+Ca2+；陸地淡水主要鹽分HCO3-SO42-Cl- Ca2+Na+Mg2+。 2、水圈的物理性質 (l)、密度大小決定于鹽度、溫度和壓力。 (2)、壓力隨深度增加而增大。 (3)、溫度主要來自太陽輻射熱。 (4)、比熱比固體的大幾-幾十倍，因而有很大熱容量，可以調節(jié)氣溫。 (5)、顏色和透明度與光線有關系，水體在不同深度吸收不同的太陽光譜線。三、生物圈( biosphere) 生物圈是地球上生物生存和活動的范圍，包括動物、植物和微生物。在大氣圈10公里高空、地殼3公里深處和深海底都發(fā)現有生物存在，大量生物集中

8、在地表和水圈上層。 1、生物的分布 生物分布很廣但不均勻，在陽光、空氣和水分充足而溫度適宜的地區(qū)生物多，反之則少。 不同的自然環(huán)境(高山、平原、深海、淺海、極地、沙漠等)有不同的生物組合和生態(tài)特征。 按照“推今及古”的原則從古代生物遺骸的生態(tài)特征來推斷當時當地的自然環(huán)境。 必須根據生物組合的共性推斷。2、生物圈的成分 生物圈的化學成分-極其豐富，最主要的是氧、碳、氫、氮四種元素，其次為鈣、鉀、硅、鎂等，它們具有重要的生物化學功能。 生物地質作用-生物圈使自然界(大氣、水、巖石)的各種元素（特別是碳、氫、氧、氮等元素和一些金屬元素）不斷通過生物光合作用和呼吸作用產生復雜的化學循環(huán)，使地表物質成分

9、變化。第三節(jié) 地球的內部層圈 大量天然地震波傳播方向和速度的研究表明，地震波在地內傳播的速度在橫向和縱向上都有變化。 地殼或巖石圈里波速的橫向變化明顯，表明地殼結構復雜和成分不均勻。 更深處橫向變化小，縱向變化大，并且在幾個深度上波速有較明顯的變化，說明地球內部物質呈同心圈層結構。 地震波傳播速度愈深愈大，在某些深度還有突變。地震波速度變化明顯的深度，反映該深度上下的地球物質在成分或（和）物態(tài)上有改變，這個深度就可作為上下兩種物質的分界面，地球物理學上叫它為不連續(xù)面或叫界面(discontinuity)。地球內部有兩個波速變化最明顯的界面： 第一個界面（VP為7.6 / 8.0 km/s，VS

10、為4.0 / 4.4 km/s）深度不一致，大陸區(qū)深，可達70公里；大洋區(qū)較淺，最淺不足5公里，是南斯拉夫地球物理學家莫霍羅維契奇于1909年發(fā)現的，稱 (Mohorovicic discontinuity)，簡稱莫霍面( Moho)。 第二個界面（VP為13.32 / 8.1 km/s，VS為7.11 / 0 km/s）深度在地表下約2900公里處，是美國地球物理學家古膝堡于1914年提出的，稱(Gutenberg discontinuity)，簡稱古膝堡面。 根據這兩個界面把地球內部分為三大圈，即地殼、地幔和地核。再根據次一級界面把地殼分為上地殼和下地殼、地幔分為上地幔(又分兩層)和下地幔

11、，地核分為外核、過渡帶和內核。 A（地殼）、B（上地幔上部）、 C（上地幔底部）、D（下地幔）、E（外核）、F（過渡帶）、G（內核）。 一、地殼(crust) 地殼由固體巖石構成，下界為莫霍面。地殼的厚度變化很大，大洋地殼較薄，最厚約9公里，最薄處不到5公里，平均厚6公里；大陸地殼較厚，最厚處可達70公里(如青藏高原)，平均厚33公里。 地殼下界起伏不平，平均厚度約16公里。地殼由上、下兩層組成，其間有一個次級的界面叫康拉德面( Conrad D)，這個界面并不到處都存在。1、上地殼叫硅鋁層(sial) 主要成分是氧、硅、鋁等輕元素，主要巖石為酸性的巖漿巖和變質巖，如花崗巖、片麻巖等， 也叫花

12、崗質層(granitic layer)。這一層只有大陸殼才有，大洋殼缺少此層，因此呈不連續(xù)分布。平均厚度約10公里。2、下地殼叫硅鎂層(sima) 主要成分是氧、硅、鐵和鎂，巖石為基性巖，如玄武巖，故又稱為玄武質層(basaltic layer)。大陸下面和大洋下面都有這一層，但陸殼硅鎂層的成分不如洋殼硅鎂層均勻而混合有大量變質很深的中酸性巖成分，硅鎂層厚度不一致。 最新的研究表明，大陸下地殼可能相當于閃長質或花崗閃長質。二、地慢( mantle) 在地殼下面，介于莫霍面和古膝堡面之間，厚度2800多公里。根據地震波速變化以1000公里深度為界分為上、下兩層。1、上地幔(upper mantl

13、e) 在莫霍面以下至1000公里深度之間，主要成分是超基性巖，證據有三： (l) 實驗研究表明，橄欖石55+輝石35+石榴子石10，在高溫高壓下傳播地震波的速度和密度與天然地震波速和地幔密度可對比，因此命名為地幔巖( pyrolite)； (2) 火山噴出物中有超基性巖，這種巖石在地殼中很少存在，應存在于地幔內； (3) 根據隕石成分比較，隕石有鐵隕石、石鐵隕石和石隕石三類， 鐵隕石相當于地核成分， 石鐵隕石相當于下地幔成分， 石隕石則相當于上地幔成分，尤其是球粒隕石主要是超基性巖成分。 上地幔成分相當于一份玄武巖加三份純橄巖，主要礦物為輝石和橄欖石。 上地幔波速有變化，在60-250公里間迅

14、速減低，在100-150公里間波速最低， 60-250公里間波速減低的這一帶叫低速帶( low velocity zone)，其頂界和底界的深度不很確定。 在400公里處有一次增速，到650 -700公里又有一次較明顯增速。通常把400公里界面做為上地幔 B和 C兩層的分界。 B層以60公里為界分出 B層和B層。低速帶屬 B”層，B層為固體巖石，是超基性巖。 低速帶內溫度較高，接近巖石熔點，但大多并未熔化，只有局部區(qū)域，不傳播橫波，表明為液態(tài)區(qū)，可能是巖漿發(fā)源地。 B”層在成分上與 B層沒有差別，只有物態(tài)上的不同。400-1000km為C層。以650km為界又分為 C和 C”兩層。 在400公

15、里上下一厚度不大的帶內，波速和密度均迅速增加，這是由相變引起的，橄欖石和輝石在高溫高壓下發(fā)生晶體結構變化，即相變，橄欖石晶體的原子結構由疏堆集結構變成密堆集結構。650-700公里的波速又有明顯增加，在這個深度的溫度壓力下，橄欖石和輝石分離成密度很大的簡單氧化物，如MgO、 FeO和 SiO2，屬于高壓型礦物。 2、下地幔( Lower mantle) 從1000公里到2900公里深度，波速增加較慢，是壓力增加而成分均勻的原故。相變完全停止，礦物仍是MgO、 FeO和 SiO2，鐵的含量稍增。 2750公里到2900公里間100多公里范圍有波速較低而密度較高的D ”層，是地幔向地核急劇轉化的前

16、奏。三、地核( core) 地核以古膝堡面與地幔分界， 在2900公里以下，厚度3471公里。地震波速急劇降低，橫波中斷，表明物質發(fā)生巨變。 根據地震波速度變化可把地核分為三層，以4640公里和5120公里兩個二級界面分為：外核、過渡層和內核三個次一級圈層。 1、外核( outer core) 由于縱波速度急劇降低，橫波不能通過，說明剛性為零，是液體 。 2、過渡層( transition layer) 波速變化復雜，測到速度不大的橫波，是液態(tài)開始向固態(tài)過渡的象征。 3、內核( inner core) 測得縱波和橫波，是固體。地核的成分主要為鐵、鎳等。證據一：相當于鐵隕石的成分，即主要是鐵，含

17、鎳520；證據二：地磁來源于地核，也證明地核應由高磁性的鐵鎳所組成；證據三：沖擊波的試驗成果。瞬時高壓下測定鐵、鎳傳播地震波速度和密度類似于地核。四、軟流圈( asthenosphere) 巖石圈(1ithosphere)（一） 軟流圈的定義 軟流圈是上地幔中的一個層圈( B”層)，其深度大約為60400公里左右，震波在穿過莫霍面后波速突然增高，但到60400公里深度區(qū)間又有下降，然后逐漸上升至正常。這一低速帶即軟流圈。由于低速帶塑性較大，給其上固體巖石的活動創(chuàng)造了條件，因此，構造地質學家把該低速帶叫軟流圈。（二） 軟流圈的特點1、最新研究表明，軟流圈可能不具全球性。2、軟流圈的邊界不清楚，有

18、漸變的性質。 3、軟流圈界面不平整，有一定起伏，厚度也隨之變化。4、軟流圈是個塑性較大的層圈，塑性增強的原因是部分熔融。5、軟流圈雖是固態(tài)，卻是液態(tài)巖漿的主要發(fā)源地。（三） 巖石圈的定義 軟流圈之上的地殼和上地慢B層合稱為巖石圈( lithosphere) ，包括地殼和軟流圈以上的地幔部分，厚度變化大。主要有沉積層、花崗質層、玄武質層和超基性層。第四節(jié) 巖石圈的基本特征一、大陸和海洋的巖石圈 陸殼較厚，平均密度較小；洋殼較薄，平均密度較大。 整個巖石圈也是大陸較厚，海洋較薄。海洋為5060公里，大陸則為100200公里或更深。 (一) 洋殼 固體洋殼平均厚6公里左右。分為三層：未固結的沉積物、

19、玄武巖夾少量已固結的沉積巖、玄武巖和輝長巖層。洋殼之下為超基性巖。 總的看來，洋殼的厚度變化較小，成分主要相當于基性巖，所以稱硅鎂層。(二) 陸殼 陸殼由沉積蓋層和基底組成，基底或稱結晶基底-由巖漿巖、變質巖等結晶質巖石組成的。 巖漿巖和變質巖是陸殼的主體，其中以花崗巖和成分與其相當的片麻巖等為主。 陸殼分上、下兩層。上部陸殼的成分大致與花崗巖差不多；下部陸殼的波速和密度相當于玄武巖或輝長巖。 實驗表明，在大陸下部地殼的溫壓條件下，輝長巖或玄武巖是不穩(wěn)定的，要變?yōu)榱褫x巖。而榴輝巖的密度和波速較下部陸殼的實際數據高得多。因此，下部陸殼的成分應偏酸性一些。 隨著深度增加，地殼中的巖石將發(fā)生變質。如

20、麻粒巖(種變質很深的巖石)，其形成的溫、壓條件相當于地下2530公里深的溫壓條件，相當于下部陸殼，這些巖石的平均化學成分比較接近中性巖。 一些花崗巖漿起源于陸殼深處，因此，認為下部陸殼成分是中性而比基性更為恰當。所以現在大多認為下部陸殼是化學成分接近中性、變質程度較深的變質巖。 綜上所述，陸殼與洋殼不僅在密度、厚度上有明顯差別，而且在物質成分上也有重要區(qū)別。 此外，陸殼還有以下幾個特點： 1、厚度變化較大，莫露面起伏較劇。陸殼的正常厚度一股為3040公里，山區(qū)可達5060公里，被稱為世界屋脊的青藏高原，是地殼最厚的地方，厚達70公里以上。大陸裂谷的地殼一般較薄，常常只有20公里左右。 2、結構

21、較為復雜，被許多斷裂切割，特別在相鄰斷塊上不同波速的分層有時不能相互對應吻合。 3、組成陸殼的巖層常發(fā)育著程度不同的褶皺，而在洋殼巖石中則尚未發(fā)現。 4、已知陸殼巖石最老的年齡為38億年，洋殼僅2億年。 (三) 大陸邊緣的地殼 在洋殼與陸殼的接觸部位，即大陸邊緣地區(qū)，大陸邊緣雖然為海水覆蓋，但從地形上分析，應屬大陸，不屬于海洋。從地殼特點來看，大陸邊緣的地殼也屬于陸殼，與大陸的地殼是一個整體，只是上面覆蓋一層海洋沉積物。 根據目前已知的資料，不論是大西洋型，安第斯型或日本海型大陸邊緣，陸殼與洋殼都是突變的。 在大西洋型的大陸邊緣陸殼向海洋雖稍有逐漸變薄的趨勢，但仍很厚，一直到大陸坡腳附近，才突

22、然變薄為洋殼。 I 安第斯型和日本海型大陸邊緣一般以海溝所標示的斷裂帶為洋殼與陸殼的分界。 島弧和弧后盆地是稍帶有過渡性質的地殼。（四） 地殼的化學組成 克拉克值-各種元素在地殼中含量的百分比稱為克拉克值。 豐度（abundance）-化學元素在地球化學系統(tǒng)中（如地球、巖石圈、地殼、某巖體等）的平均含量。 陸殼的平均化學成分主要為硅、氧、鋁、鐵、鎂、鈣、鉀和鈉八種元素。二 重 力 均 衡 現象1： 十九世紀在喜馬拉雅等大山脈附近進行測量時，發(fā)現測量儀器的鉛垂線并不正指向地心，而是稍偏向山一側。這種偏差雖然很小，但經精確研究可求出準確的偏離值。顯然，山比般地區(qū)高，多出的山從側面吸引鉛錘，使之偏斜。根據山的體積及其巖石的密度，可以按照萬有引力定律算出鉛錘應當偏離的數值。但是，計算的結果總是大于實際偏離的數據。這表明，山脈的深部(因淺部密度已知，是定值)密度較其它地區(qū)低，質量有虧損。所以山旁的側面引力達不到預期的數值，山有一個密度較輕的“山根”。 現象2： 大量地形和重力的實測結果，證明隨著地勢增高，布格重力值降低是一種普遍現象。例如大洋盆地有+250350毫枷的正異常，大陸則為-10.50毫枷的負異常，山區(qū)達-200-300毫枷，青藏高原達-500毫枷以上。由于布格重力值已經按照“削高填低”校正了地形的影響，如果海、陸、山地、平原深部質量分布情