09 地球的圈层结构-备战高考地理之探讨大学地理知识

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第2节地球的圈层结构地球是由不同状态与不同物质的同心圈层所组成的球体。这些圈层可以分成内部圈层与外部圈层，即内三圈与外三圈。其中外三圈包括大气圈、水圈和生物圈；内三圈包括地壳、地幔和地核。一、地球的外部圈层(一)大气圈从地表（包括地下相当深度的岩石裂隙中的气体）到16000km高空都存在气体或基本粒子，总质量达5.1×105t，占地球总质量的0.00009%。主要成分氮占78%；氧占21%；其他是二氧化碳、水汽、惰性气体、尘埃等，占1%。地球的表面形成大气圈与地球的形成和演化有关。地球形成和演化中，分异出较轻物质，上升并积少成多，形成大气圈。中国古话：“混沌初开，乾坤始奠，轻清者上升为天，重浊者下沉为地。”讲的就是物质分异作用。上升的气体不会从地球表面跑到宇宙空间中，原因是地球的引力把大气物质拉住，形成同心状的大气圈。物体脱离地球的临界速度是11.2km/s，气体物质很轻，其运动速度也很快，如氧分子的运动速度是0.5km/s,氢分子的运动速度是2km/s，但这种速度不能使气体物质脱离地球引力场。只有一部分氢和氮，在宇宙射线作用下可以被激发，产生高速度而跑掉。所以，大气圈中氧和其他气体的成分就相对增加了。太阳系中其他星球，如月球、水星、火星等不同于地球。月球的表面重力只有地球的1/6，物质脱离月球的速度为2.38km/s。所以月球上分异出的气体物质，容易脱离月球，使月球不能形成大气圈。水星离地球最近，表面重力是地球的1/3，脱离速度是4.2km/s,气体较容易跑掉，所以水星上也没有大气圈。火星表面的引力与水星差不多，但火星表面温度低，气体分子运动速度慢，所以火星的四周可以保存一部分大气物质，但比起地球来，非常稀薄。木星、土星、天王星和海王星的引力与质量都比地球大得多，这些星球都存在大气圈。但成分却与地球大不相同。这些行星引力大，连氢、氨这些轻气体分子都能被吸引住，这些气体不适合生物生存与发展。金星的质量与引力都和地球近似，也存在大气圈，但金星没有植物进行光合作用，所以二氧化碳含量很高。也不适于生物的发展与生存。地球大气圈成分随着时间而变化。当初大气中的二氧化碳可达百分之几十，约3亿年前，植物大规模繁盛，演化接近现代大气。目前大气中的二氧化碳只有万分之4.6。大约在1亿年前，大气温度才接近现今温度。从地史发展来看，二氧化碳多少是影响地表温度的重要因素。若二氧化碳增多，地球温度将增高。据有关资料，自工业革命以来，二氧化碳的含量已增加13%，推测地球的大气温度将越来越高。大气圈是地球的重要组成部分，并有重要的作用：①供给地球上生物生活所必需的碳、氢、氧、氮等元素。②保护生物生长，避免受宇宙射线危害。③防止地表温度发生剧烈的变化和水分的散失，若没有大气圈，地球将不存在水分。④天气变化，如风、雨、雪、雹等都发生在大气圈中。⑤大气是地质作用的重要因素。⑥大气与人类的生存和发展关系密切。大气易遭污染，环境质量直接关系人类健康。(二)水圈水圈呈液态及部呈固态出现。包括海洋、江河、湖泊、冰川、地下水等，形成连续而不规则圈层。水圈质量为1.41×108t,占地球总质量0.024%，比大气圈的质量大得多，但与其他圈层相比，还是相当小。   海水占97.2%，陆地水（包括江河、湖泊、冰川、地下水）只占2.8%；在陆地水中冰川占水圈总质量的2.2%，所以其他陆地水所占比重很微小。水分在大气中有一部分；在生物体内有一部分，生物体的3/4是由水组成的；地下的岩石与土壤中也有一部分。可见水圈独立存在，但又和其他圈层互相渗透。地球上有水，这像是很平常，与其他星球相比，显得特殊。如月球、水星、金星上都没有水。金星表面温度高，水都变成蒸汽跑掉了。火星上的水不少于地球，但都以冰的形式存在。火星以外的行星表面温度更低，难以存在液态水。如土星光环，由冰块组成。大气圈中存在的水分只占水圈总量的十万分之一，但具重要意义。大气中的水分不时凝结为雨、雪降下，又不时从地面和海面得到补充。大气中的水汽是水分循环的中转站。这个中转站对人类生存关系极大。每年大约有4.46×104t的水分经蒸发进入大气圈，同时相等数量的大气水经凝结降回大地，其中约有1/5降落在大陆上。    地球上的原生水是物质分异的产物。火山喷发常有大量水汽从地下喷出。如1976年阿拉斯加的奥古斯丁火山喷发，一次喷出水汽即达5×10kg。地球上的水圈是逐渐演化而成的。水圈是地球构成有机界的组成部分，对地球的发展和人类生存有重要作用：①水圈是生命起源地。②水是多种物质的储藏库，是改造与塑造地貌的动力。③水的运动是地理环境物质与能量交换的重要途径：④水是重要物质与能量资源，水资源的多寡和优劣直接关系着经济发展与人类生存。(三)生物圈    指地表有生物存在并感受生命活动影响的圈层。目前世界已知动物、植物约250万种，其中动物占200万种左右，植物约占34万种，微生物约有3.7万种。整个生物圈的质量不大，仅是大气圈质量的1/300，但作用很大。生物圈有相当厚度。绿色植物分布极限约海拔6200m，据资料，在33000m高空有孢子及细菌。生物圈包括大气圈下层、岩石圈上层和整个水圈，最大厚度可数万米。但其核心部分为地表以上100m，水面以下100m，即大气与地面、大气与水面的交接部位，生物最活跃的区域，其厚度约为200m。这个范围有适于生物生存的温度、水分和阳光等条件。生物圈是在地球演化形成的特殊圈层，约30亿年前，地球才开始有最原始生命。约6亿年前进入生命演化飞跃。从生物在地球上出现，便对地球的发展起着重要的特殊作用。生物生长、活动和死亡，使生物和大气、水、岩石、土壤之间，进行着多种形式的物质和能量的交换、转化和更替，不断改变着周围的环境。如植物在光合作用，从大气中吸收C02,在反应中放出02，改变大气成分，同时将碳固定下来，埋藏在地壳，形成大量的地壳能源。据估计，每年约有1.5×10°t的碳，从大气转入到树木中，煤炭就是地质时代树木被掩埋形成。目前每年约形成含碳量达3×10t的泥炭。此外，空气中的C02,溶解到水中形成HC0,与Ca2+结合形成CaCO3,一部分为生物吸收变成硬体（外壳、骨骼等），沉积成为石灰岩。同时生物也参与土壤发育。没有生物就没有今天的地球面貌，没有生物，就不可能提供如此繁多的生物资源。二、地球的内部圈层◇内部圈层指从地面往下直到地球中心的各个圈层，包括地壳、地幔和地核。但目前世界上深井记录为12000m(前苏联科拉半岛深钻，截至1986年)，只占地球半径的1/530，所以不能用直接观察的方法来研究地球内部构造。通常采用地球物理方法，用地震波的传播变化来研究地球内部构造。地震波分为纵波(P)和横波(S)。纵波可以通过固体和流体，速度较快；横波只能通过固体，速度较慢。地震波的传播速度随介质的刚性和密度而改变。地震波对地球起“透视”作用。也可以借助宇宙地质（陨石成分）来判断地球内部成分。如地球由表及里由均一物质组成，则纵、横波速度在任何深度、方向都应相同。但根据地球内部震波传播曲线分析，震波传播速度随深度变化，且有些地方发生突变，可见地球内部物质不均一，且存在许多界面。地震波在地下若干深度处，传播速度急剧变化的面为不连续面。根据地震波的传播数据，可制成地球内部震波传播速度曲线图（图2-9）。可看出两个显著的一级不连续面：一个在地下（自海平面起算平均33km处（指大陆部分）。此不连续面以上，纵波速度为7.6km/s，以下急增为8.0km/s，横波由4.2km/s增到4.4km/s。称莫霍洛维奇不连续面，简称莫霍面或莫氏面。另一个在2900km深处。这里纵波速度由33.32km/s突然降为8.1km/s，而横波完全消失。称古登堡不连续面。两个一级不连续面，将地球内部分为3个圈层：地壳、地幔和地核。此外根据次一级不连续面可划分出次一级圈层，如表2-4划分出A、B、C、D、E、F、G 7个圈层；次一级圈层可根据更次一级不连续面划分出更次一级的圈层，如A'、A”、B'、B"等。(一)地壳指地球莫霍面以上的固体硬壳(A层)，属于岩石圈的上部。主要由硅酸盐类岩石组成，质量为2.5×109t,约占地球质量的0.42%，体积占固体地球体积的0.5%。1.地壳的化学组成地壳中含有元素周期表中所列的绝大部分元素，而其中O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg 8种主要元素占98%以上，其他元素共占1%—2%。化学元素在地壳中的平均含量称克拉克值，又称元素丰度。按计算单位的不同，元素丰度可分为质量丰度、原子丰度和相对丰度。从表2-5可看出，地壳化学元素的克拉克值相差极悬殊。氧几乎一半，硅约1/4，铝占1/13，而表中未列入的大多数元素含量微不足道。如铜0.007%，铅0.0016%，钍0.0012%，锑0.0001%，金5×107%。组成地壳的各种元素并非孤立存在，大多数情况是相关元素化合形成各种矿物，其中以O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg等组成的硅酸盐矿物为最多，其次为各种氧化物、硫化物、碳酸盐等。各种不同矿物特别是硅酸盐类又组成各种岩石，所以说地壳是岩石圈的一部分。其他大部分元素的克拉克值虽然很小，但在一定条件下可迁移、富集。如在一地段和一时间内某些元素富集，含量超过该元素的克拉值，在质和量上达到开采要求，就形成矿床。2.地壳的厚度和结构地壳是地表的薄壳，厚度大致为地球半径的1/400，但各处不一（表2-6），大陆平均厚度超过37km，海洋平均厚度只有约7km。一般高山、高原地壳最厚，如中国青藏高原可达70km(图2-11)。地壳(A层)可分为上下两层（图2-12），中间被康拉德面所分开。但这一界面在海洋不明显或者不存在。上层地壳（即A'层），其成分以O、Si、Al及K、Na为主，和花岗岩的成分相似，所以叫花岗质层；又称硅铝层(Sil)。这一层的表层常分布0~10km厚的沉积岩层。平均密度为2.6~2.7g/cm3。此层厚度在山区和高原可达40km，在平原区常为10km,在海洋地区变薄甚至缺失（如太平洋），因此是一个不连续圈层。  这一层物质组成极多样，构造形态和地貌形态也非常复杂。下层地壳（即A"),其成分也以O、Si、A1等为主，但Mg、Fe、Ca等成分显著增加，和玄武岩成分相似，所以叫玄武质层，又称硅镁层(Sima)。平均密度为2.9~3.0g/cm3。此层在海洋地壳部分平均厚5~8km，在大陆部分延伸至花岗质层之下，推测可厚达30km，是一个连续圈层。3.地壳的类型地壳可分为大陆型地壳（简称陆壳）和大洋型地壳（洋壳）。陆壳厚度较大(30~70km)，具双层结构，在玄武质层之上有花岗质层(表层大部分有沉积岩层)。硅铝层好像浮在硅镁层之上，地表起伏越大（如高山、高原），莫霍面位置越深，地壳越厚。洋壳厚度较小，最薄处不到5km，一般只有单层，即玄武质层，表层覆盖海洋沉积层。陆壳和洋壳交会处可分出过渡型地壳，又称次大陆型地壳，特点介于以上2种之间。从图2-12可看出陆壳和洋壳在结构、厚度等方面的差异。地壳厚度的差异性，垂直结构、物质成分的不均匀性，构成地壳总特征，这导致地壳物质重新分配和调整，以达到新的平衡，这是引起地壳运动的因素之一。(二)地幔指莫霍面以下到古登堡面以上的圈层。深度为从地壳底界到2900km。体积占地球的82%，质量为4.05×1021t,占地球的67.99%。物质密度约从3.32g/cm3递增到5.7g/cm3，在地幔下部接近地球的平均密度。压力随深度增加，底界面上压力可达约1.50×1011Pa。温度也随深度缓慢增加，下部约3000℃。从莫霍面到古登堡面，地震波传播速度大体缓慢而均匀变化的，中间缺少一级不连续面，说明地幔物质较地壳更均匀。但在约400km和约1000km深处各有一次级不连续面，即拜尔勒面和雷波蒂面（表2-4），据此划分B、C、D层。可见地幔物质具有分异作用。一般以1000km为界分为上地幔和下地幔。1.上地幔地震波数值和在橄榄岩中实验所得数值相似，也称橄榄质层或榴辉质层。橄榄岩的成分和广泛分布的石陨石（又称球粒陨石）相似，和地壳相比，S、O成分减少，镁铁成分增加。上地幔包括B、C两层，B层又分成B'和B"两层。位于莫霍面以下的B'层，相当于固态的橄榄质层，通常把这一层加上地壳（即A+B)合称岩石圈。在深度60~400km范围内，震波速度明显下降，在100~150km深度附近下降更多，称为古登堡低速层（相当B”层）。一般认为这一层有部分熔融、大塑性或潜柔性，因此称软流圈。软流圈的深度、厚度和范围常随边界有起伏变化，有时渐变。软流圈温度约700~1600℃，可能是岩浆的主要发源地，地壳运动、岩浆活动、火山活动以及热对流皆可能与此层有关。上地幔下部(C层)也有次一级不连续面，具体情况有待探索。中、深源地震（最深达720km)的震源皆发生在上地幔中。对上地幔的研究日益受国际重视，是固体地球物理学国际合作研究计划之一。为进一步探索地球深部，1960年曾提出“上地幔计划”，1970年结束，对研究上地幔地球物理起了很大的推动作用。2.下地幔(D层)这一层物质密度较大，一般5g/cm以上，底界接近地球的平均密度，压力可达1.50×10"Pa。化学成分相当于镁铁的硅酸盐矿物，与上地幔无甚差别。但这里压力大，这些硅酸盐矿物可能形成晶体结构紧密的高密度矿物。地震纵波和横波都能在地幔通过，因此认为地幔呈固态。(三)      地核从位于深2900km古登堡面以下直到地心称地核。震波速度在这一部分发生了突变，纵波速度从每秒13.32km下降到8.1km，横波消失，表明地核物质的化学成分和物理性质有很大变化。根据地震纵波的变化情况（表2-4），地核可分为外核(E层)、过渡层(F层)和内核(G层)。推测地核物质非常致密，密度9.7~13g/cm，地核总质量为1.88×1011,占整个地球质量的31.56%；压力可达3.0×10'~3.6×10，温度为3000℃，最高可能达5000℃以上。外核只有P波能通过，呈液态。过渡层和内核有S波出现，呈固态。地核的成分很早就认为是铁镍，相当于铁陨石的成分，称铁镍地核说。后来有人认为组成地核的物质也是硅酸盐，但在高温高压下原子结构受破坏，使元素原子中的电子游离出来，好像原子核融于电子之中，具很大的密度，又具有良好导电性，成为有金属特性和液体特性的物质，称压力电离，这种物质状态称超固态。近来又提出了更新看法。借助于冲击波的动力研究，已经能进行超过地心压力的实验。实验表明在5×10"Pa的超高压下并不产生硅酸盐的金属化，没有压力电离现象；同时可求得在超高压下物质密度与压力的关系及相当的P波速度值，结果表明P波速度相当于铁族金属。因此对上述硅酸盐金属化的假设提出怀疑，而重新肯定了铁镍地核说。其中可能还存在一些硅、硫等较轻的元素。地核的形状也是科学家关注的问题。美国哈佛大学的地球物理学家根据地震波在地球内部传播情况的监测和分析，发现地震波在包含地球自转轴的平面方向易穿透地核，在与地球自转轴垂直的赤道平面则难穿透地核，从而提出地核形状接近于圆柱体，其轴线与地球的自转轴重合。这样有待于深入论证。