书城科普青少年应该知道的人类与地球
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第5章 地球内圈与人类

1.地球的内部构造

从地表形态来看,我们所生活的地球大陆地表的地形、地貌既错综复杂,又形态各异;既有高山,又有平原;既有高原,又有盆地;既有河流,又有湖泊……透过表象看本质,那么,我们所赖以生存的地球究竟有着怎样的地理结构呢?

虽然人类在地球上已经生活了二三百万年,但地球的内部到底是个什么样子呢?有人建议向地心挖洞,把地球对直挖通,不就可以到达地球的另一端了吗?然而,这却是不可能,也是不现实的。因为目前世界上最深的钻孔,也仅为地球半径的1/500,所以人类对地球内部的认识,还是很不准确的。

随着科学的发展,人们从火山喷发出来的物质中,了解到地球内部的物理性质和化学组成,同时利用地震波揭示了地球内部的许多秘密。

地球的整体形状,十分接近于一个扁率非常小的旋转椭球体(即扁球体)。它的赤道半径略长、两极半径略短,极轴相当于扁球体的旋转轴。

地球赤道半径约为6378千米,两极半径约为6357千米。

地壳是地球最外面的一层,一般厚33千米(大陆)或7千米(海洋)。地壳分为上下两层,中间是康拉德面,在10千米左右。

在地壳和地核之间的部分是地幔,平均厚度为2900千米左右。地幔也分为上下两层,分界面约在1000千米左右。

在上地幔,分布着一个呈部分熔融状态的软流圈,其深度在60~400千米左右,人们一般认为,这里是岩浆的发源地,地壳和软流圈以上的地幔部分,统称为岩石圈。

地球的中心部分为地核,半径为3473千米左右。地核又可分为外核和内核。根据对地震波传播速度的测定,外核可能是液态物质,内核则是固体物质。

探访焦点人物

1910年,前南斯拉夫地震学家莫霍洛维奇契意外地发现,地震波在传到地下50千米处,有折射现象发生。他认为,这个发生折射的地带,就是地壳和地壳下面不同物质的分界面。1914年,德国地震学家古登堡发现,在地下2900千米深处,存在着另一个不同物质的分界面。

后来,人们为了纪念他们,就将两个面分别命名为“莫霍面”和“古登堡面”,并根据这两个面,把地球分为地壳、地幔和地核三个圈层。

莫霍面以上的地壳,是以硅酸盐矿物为主体组合而成的岩石构成的,上下有所不同,上部的岩石含铝较多,花岗岩最为典型;下部含镁较多,玄武岩最为典型。由于存在差异,地震波在通过时,速度也就不同。在从花岗岩层进到玄武岩层时,便会在地震记录上表现出来。

1923年,奥地利地震学家康拉德发现了这个界面,他也因此留名后世,这个界面被命名为康拉德面。

2.地壳

地壳是地球固体圈层的最外层,岩石圈的重要组成部分。

地球的整个地壳平均厚度约17千米,厚度各处不一,其中大陆地壳厚度平均为33千米左右;高山、高原地区地壳更厚,欧洲阿尔卑斯山的地壳厚达65千米,亚洲青藏高原某些地方超过70千米,而北京地壳厚度约36千米;平原、盆地地壳相对较薄。

大洋地壳则远比大陆地壳薄,平均厚度只有几千米,例如大西洋南部地壳厚度为12千米,北冰洋为10千米,有些地方的大洋地壳的厚度只有5千米左右。

地壳分为上下两层。

上层化学成分以氧、硅、铝为主,平均化学组成与花岗岩相似,称为花岗岩层(或硅铝层)。这一层在海洋底部很薄,尤其是在大洋盆底地区,太平洋中部甚至缺失,是不连续圈层。

下层富含硅和镁,平均化学组成与玄武岩相似,称为玄武岩层(或硅镁层),在大陆和海洋均有分布,是连续圈层。两层以康拉德不连续面隔开。

大洋地壳主要由硅镁层组成。

青藏高原是地球上地壳最厚的地方,厚达70千米以上,而靠近赤道的大西洋中部海底山谷中地壳只有1.6千米厚,太平洋马里亚纳群岛东部深海沟的地壳更薄,是地球上地壳最薄的地方。

(1)地壳的物质组成

地壳中有90多种天然化学元素,其中氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁八大元素含量,约占地壳总重量的97%,其余元素只占2%左右。而地壳的八大元素中的氧约占49%,硅约占26%。

地壳中的各种化学元素,随着地质作用的变化不断地进行变化,合和分解,形成各种具有特征的矿物,而矿物又是形成地壳岩石与矿石的基本单位。

地壳中的矿物大约有3000种,但与形成岩石有关的矿物主要有:石英、长石、云母、方解石等,这类矿物通常称为造岩矿物。

(2)地壳中的岩石

众所周知,地壳是由各种岩石组成的,岩石是由各类矿物组成的。根据形成的条件与当时形成的环境,岩石可分三大类:岩浆岩、沉积岩、变质岩。

岩浆岩,又称为火成岩,是地球深处高温高压下的岩浆,在一定条件下形成的。

岩浆岩主要有侵入和喷出两种产出情况。侵入在地壳一定深度上的岩浆,经缓慢冷却而形成的岩石,称为侵入岩。侵入岩固结成岩,需要的时间很长。地质学家们曾做过估算,一个2000米厚的花岗岩体,完全结晶大约需要6.4万年。

岩浆喷出或者流到地表,冷凝形成的岩石称为喷出岩。喷出岩由于岩浆温度急剧降低,固结成岩时间相对较短。1米厚的玄武岩全部结晶,需要12天;10米厚需要3年;700米厚需要9000年。

地壳中的岩石主要由岩浆岩构成,常见的、分布最广的岩浆岩有花岗岩、闪长岩、辉长岩、玄武岩、安山岩等。

玄武岩常形成广阔的台地,高原玄武岩,是岩浆溢流形成的地貌景观。安山岩常喷发成边坡比较陡的大型火山,如世界著名的日本富士山、意大利维苏威火山。

我国黑龙江镜泊湖地区,也有很多奇特的玄武岩景观。

沉积岩,又称水成岩,是岩石经风化、侵蚀、搬运、沉积和成岩作用后,形成的岩石。沉积岩大多是在海洋、河流、湖泊等水环境下形成,一般具有成层现象,构成岩石的颗粒有粗细之分,层次厚薄不同。

地表分布最广的是沉积岩。由于沉积岩一般形成于常温常压环境,所以岩层里往往保留有生物遗迹——化石。

常见的并且分布广泛的沉积岩有:石灰岩、砂岩、砾岩。

变质岩是由岩浆岩、沉积岩,甚至包括变质岩本身,在高温、高压或动力挤压下,形成的具有一定的结构特征的岩石。

石灰岩经过变质作用,形成美丽的大理石,这是一种名贵的建筑材料,因云南省大理附近的苍山地区出产这种岩石而得名。

砂岩经变质作用后,形成更为坚硬的石英岩。页岩经变质作用后,形成比较致密而坚实的板岩或片岩。

变质岩在中国的分布也很广,华北地块和塔里木地块主要由早前寒武纪的区域变质岩组成,并构成中国大陆的古老核心。

3.地幔

地幔在地壳与地核之间,又称中间层,厚度约2900千米,主要由致密的造岩物质构成,这是地球内部体积最大、质量最大的一层。

地幔一般分上下两层:从地壳最下层到10001200千米深处,除硅铝物质外,铁镁成分增加,称为上地幔;下层为柔性物质,呈非晶质状态,大约是铬的氧化物和铁镍的硫化物,称为下地幔。

在上地幔上部,岩石圈之下,有一个呈熔岩状态的软流层。这一层震波吸收率较高,因此震波传播速度减弱,并且有对流现象,深度在50250千米。

了解地幔结构与物质状态,有助于解释岩浆活动的能量和物质来源及地壳变动的内动力。

纵波与声波相似,其速度比横波快。

横波与抖动的绳子产生的波形相似,通过时岩石的震动方向与波的传播方向垂直。横波穿越不同密度的岩石边界时,地震波也会发生反射和折射。利用这些特性,我们就可以对地球内部成像。

4.地核

地核是地球的核心部分,主要由铁、镍元素组成,半径大约是3480千米。地核分为外地核和内地核两部分。

地幔以下大约5100千米处,地震横波不能通过称为外核,推测外核物质可能是液态。由于地核不仅温度很高,而且压力很大,因此这种液态应当是高温高压下的特殊物质状态。

51006371千米是地球的内核,在这里纵波可以转换为横波,物质状态具有刚性,科学家推测是固态。整个地核以铁镍物质为主。

5.软流层

软流层又叫软流圈,位于上地幔上部,岩石圈下面,深度在50250千米,是一个基本上呈全球性分布的地内圈层。

软流层的分布具有明显的区域性差异,总的规律是大洋下面位置较高(一般在60千米以下),大陆之下位置较深(深度在120千米以下)。软流层界面不十分确定,与岩石圈之间无明显界面,具有逐渐过渡的特点。软流层是在地震波传播速度研究中发现的。

科学家在研究地震波传播速度在地球内部的变化时发现,上地幔接近顶部的位置,有一个地震波传播速度明显减缓的层,称为“莫霍低速层”。

人们推测,这一层地震波传播速度慢的原因,是积累的热量使岩石软化并局部熔融,因此称为“软流层”。软流圈的形成是一个漫长的地质演化过程。

一般认为,软流层的形成需要高温条件以及水和挥发性物质的加入等因素。软流圈熔岩产生时所需的热能、水和挥发性物质,主要由放射性元素衰变和地球圈层分化过程释放出来。地球内部的温度随深度的增加而增高,一般至100千米深时,温度便接近于地幔开始熔融的固相线温度,这时在水和挥发性组分的参与下,开始产生选择性熔融,逐渐形成固流体软流层。

软流层是造成上覆岩石圈严重失稳及导致大洋岩石圈板块下滑、潜没、漂移、扩张的决定性因素,也是大陆岩石圈在软流层上漂移的原因所在。

没有软流圈便不会有岩石圈,特别是大洋岩石圈;没有软流圈,大规模密度倒转现象也不会发生;没有软流圈也就没有了板块运动。所以,板块构造,是地球圈层分化到软流圈阶段之后才产生的。