地球内部的分层
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发布时间：2022-04-22 04:40
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时间：2023-06-22 14:45
地震学家根据观测到的地震波走时资料，计算了从地表到地心P波和S波的速度分布，确定地球内部存在两个全球性的地震波速度不连续的界面：莫霍界面和古登堡界面。这两个速度界面把地球内部分成地壳、地幔和地核三大圈层。此外，几个次一级的速度界面，又进一步把地幔分为上地幔和下地幔，把地核分为外核、过渡层与内核。地球内部各圈层的深度区间和速度分布参见图3-7和表3-1。
上述分层结构虽为推测而得，但该结果一直沿用至今。下面分别予以介绍。
1.地壳
“地壳”是指地球最外面的壳层。1909年南斯拉夫地震学家莫霍洛维奇（A.Mohorovicic），在研究欧洲阿尔卑斯地区地震波记录时，发现了目前称之为Pn和Sn的震相，由此推测在地下四五十千米深处存在一个地震波速度突然增加的间断面。以后的研究表明，该间断面不仅存在于欧洲，而且在全球也是普遍存在的。据此，该间断面即作为地壳与下伏地幔层的分界，并称之为莫霍界面或莫霍面（通常用M表示）。
图3-7 地球内部的速度分布与分层
表3-1 地球内部分层
深地震测深和天然地震走时资料反演求得了地壳与莫霍面的速度。
根据面波频散资料研究，地壳分为*型和海洋型两种类型。不同地区的地壳厚度存在很大差异。*区域内通常为30～50km，海洋地壳厚度一般为5～15km（最薄处仅有3km），相关数据见表3-2。称为过渡地壳或亚*型地壳的岛屿、岛弧和*边缘区，其厚度一般为15～30km。在某些板块会聚区域，例如喜马拉雅碰撞造山带地区地壳厚度为75～78km，最厚可达80km。
表3-2 海洋地壳分层
在*地壳一些地区的天然地震记录图上，由于分析出P*震相，据此，将这些地区的地壳分成上地壳和下地壳两层。
地壳上层P波速度约为6km/s，相当于108Pa压力下花岗岩中的P波速度值，故称为花岗岩层，有时也称硅铝层。其厚度在平原地区通常为10余千米，在山区有时达40km。海洋地区显著变薄，在太平洋中部此层缺失。
地壳的下层P波速度约为6.5～7.0km/s，相当于玄武岩或辉长岩的P波速度值，故称为玄武岩层，也称硅镁层。在平坦的*平原地区厚为20多千米，在缺失花岗岩层的深海盆内玄武岩层仅5～8km厚。
花岗岩层与玄武岩层之间的分界面，称康拉德（V.Conrad）界面（通常用C表示）。由于P*震相并非到处都出现，表明C界面的分布不如莫霍界面那样具有全球性。尽管如此，双层模型在讨论一些大的构造运动和地球表层现象时，作为一种平均模型（反映了地壳速度随深度增加的特征），仍不失其使用价值。
自莫霍界面被确认为地壳底面以来，由于壳、幔边界的速度跳跃可达1.0～1.5km/s，在相当长一段时间内，人们一直认为莫霍面是一个尖锐的一级速度间断面。通过Pn波的频率特性和振幅变化，至少有些地区的莫霍面不能用一个刚性界面来解释，而应是具有一定厚度的速度梯度变化带。据有些地区莫霍面反射波和首波的各种特性及参数变化研究表明，反射波的震相呈一连续达2s的波列，莫霍面很可能是由一组高速和低速相间的薄层束组成。这是达维多娃等人（1972）通过综合研究提出的有关莫霍界面结构属性的三种模型，详见图3-8。
莫霍面是一个清晰的地震反射和折射界面，Pn波速度通常为8.0～8.2km/s。但在许多活动带以及*与海洋的过渡带，Pn波速度只有7.6～7.8km/s，而在某些古生代的褶皱带如哈萨克中部和北部，Pn速度可以高达8.4～8.6km/s。
2.地幔
莫霍面直到约2900km深处的区间称为地幔，地幔介质又分为几层。莫霍面到410km的深度区间为B层（上地幔）。大量的地震观测表明，P波振幅从震中距5°开始迅速减小，8°～15°达到最小，以后随震中距的增加而增大，到19°后呈正常衰减。相应S波振幅从8°开始减小，10°～15°达最小，至19°又升至极大值，以后呈正常衰减。
我国地震观测计算的结果表明，P波影区约在6°～15°之间，S波影区大致在7°～17°之间，亦因地区而异。
图3-8 莫霍面地震波速度变化的主要类型
图3-9 上地幔P波、S波速度随深度的变化图中双箭头指示M面处速度值范围
前述P波和S波影区的存在，说明B层内有波速随深度减小的情况，即存在低速层。计算表明，该低速层大致位于地下200km或更浅的深度区间，因地区不同而有差异。有学者将低速层与所谓 “软流圈”联系在一起，认为在这个深度由于温度随深度的增加而升高，物质处于接近熔化的状态，致使地震波通过时速度减低。
通常把软流圈以上的整个固体结晶圈层称为岩石圈。软流圈与岩石圈统称为构造圈，地质构造运动基本都发生在构造圈内。显然，B层结构不均匀性的研究，对弄清地壳运动的动力来源，研究地震成因及对地震震相分析都有十分重要的意义。
低速层以下，波速随深度连续增加。同时在16°以后，P波、S波后面常出现几个强震相。由此，认为在410km深处附近存在一高速界面，该深度相当于震中距为20°时射线最低点的深度。因为初至S波（或P波）的走时曲线转折点在△＝20°处，所以一些人常称其为20°间断面，20°间断面也许不是全球性的，仅是区域性的。
依据核爆炸观测结果得出20°以内各地区走时曲线很不一致的结论，表明地幔B层介质的波速存在较大的横向变化与不均匀性，20°以外，全球各处走时变化较小。
古登堡根据地震资料计算出从地面到600km深处的速度分布，如图3-9所示。
走时曲线的曲率在△＝45°处有明显的减小，计算出的相应速度梯度在950km深度亦有明显减小，因此推测该深处可能存在二级间断面。410～950km深度范围称为C层（古登堡则把200～950km划为C层）。C层中的速度梯度比较大，即速度随深度的增加比较快。
在D层内，2700km以上，速度呈稳定增加，表明该区域的物质组成均匀。在接近核幔边界的100～200km范围内，速度几乎不变。根据这一情况，布伦又把D层分为D′和D″两层。
地幔物质被认为是由密度较大的，以铁、镁等为主要成分的黑色橄榄岩等超基性岩石所组成。
3.地核
2900km左右深处的幔、核边界是美国地震学家古登堡（B.Gutenberg）于1914年通过大量天然地震震相分析首先提出的，故有时称古登堡间断面（通常用G表示）。P波速度由地幔底部的13.km/s突然降到地核顶部的8.1km/s，并且S波消失了。据此推测外核介质物理性质有所改变，由刚性变为塑性。
纵波速度先是骤降，然后平缓回升至10.4km/s，横波始终为零。到达5000km左右，横波开始出现，纵波速度增幅很小，以至于直到地心都几乎保持不变，平均约11.2km/s。因此又将地核分为外核（E）和内核（G）。外、内核之间以过渡层（F）分隔，这是丹麦地震学家莱曼（Lehmann）在1936年首先发现的，故记为L面。过渡层的波速变化，不同学者间的分歧较大。
目前，地核的成分尚不清楚，多数人认为主要是由铁镍物质组成，类似于坠落到地球上的铁镍陨石的成分。
近年来，综合利用新的地震体波走时和视速度，地震面波频散以及地球自由振荡的有关数据反演，给出了新的地球内部分层模型（Anderson et al.，1976）。
有关地球结构的问题是地学中最难解决的问题，现在只能依据间接资料进行推演，所以仍存在许多悬而未决的问题。
