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          最齊全的地球內部的圈層
          2023-12-15 14:33:27

          齊全的地球內部的圈層
              地球,一個擁有46億年歷史的星球,在浩瀚的宇宙中,她孕育了生命,哺育了人類。相對于其他荒涼的星球,地球是獨一無二的。地球是我們賴以生存的家園,到目前為止,地球是人類唯一的家園。對于地球的認識,從盤古開天辟地以來就已經開始了。那么地球的內部圈層到底是什么樣的?今天我們就來扒一扒。


          圖1 地球內部圈層

          在認識地球的內部結構之前,

          我們需要了解一下劃分依據:

               地球內部情況主要是通過地震波的記錄間接地獲得的。

               地震發生時,地球內部物質受到強烈沖擊而產生波動,稱為地震波(seismic wave)。

               地震波主要分為縱波和橫波。由于地球內部物質的不均一性,地震波在不同彈性、不同密度的介質中,其傳播速度和通過的狀況也就不一樣。

               例如,縱波(P波,Primary waves/ compressional waves)在固體、液體和氣體介質中都可以傳播,速度也較快;橫波(S波Secondary waves/shear waves)只能在固體介質中傳播,速度比較慢。


          圖2 縱波和橫波波動示意圖

               不連續面(discontinuities):地震波在地球深處傳播時,傳播速度會在某些深處突然發生變化,地震學家把突然發生變化所在的面,稱為不連續面。根據不連續面的存在,人們間接地知道地球內部具有的圈層結構。


          ?

          圖3 地球的圈層結構與地震波速度關系

           


          地球有兩個重要的分界面需要認識,

          它們是莫霍面和古登堡面。

          莫霍面(Mohorovi?i? discontinuity):

               最早發現地球內部界面的是克羅地亞人(前南斯拉夫)莫霍洛維奇

               他在1909年發現一些P、S波到達觀測站的時間比預想的沿地球表層傳播的波要早,從而推斷出向下的P、S 波遇到密度突然升高的界面后發生了折射,后來證實該界面是地殼和地幔之間的分界面,被命名為莫霍洛維奇不連續面,簡稱莫霍面(Moho面或M面)。

               莫霍面幾乎完全位于巖石圈內,其深度起伏很大,莫霍面分布在海底以下5-10km處,陸殼下20-90km處,平均約 35km處。

          圖4 莫霍面處P波傳播路徑

          古登堡面(Gutenberg discontinuity):

               1906年,英國學者Richard D.Oldham注意到S波在120°以外晚10分鐘到達甚至更多,認為是S在地下某階段通過時有物質使得S波減速,提出地球存在地核。

               1914年,德國出生的美籍地震學家古登堡對Oldham提出的問題進行了更加詳細的研究,發現P波陰影區(即在103°-143°震中距范圍內)接收不到P波,此外在103°-180°范圍內缺失直達S波,認為地球內部存在在液體的地核,并估算地核深度為2900km。

               后來把核幔分界面稱為古登堡不連續面,簡稱古登堡面。

               由于液體不傳播S波,當年Oldham發現的晚到的S波實際上不是直達波。同時古登堡不連續面也稱核幔邊界CMB(Core–mantle boundary)


          、
           

          圖5 S波、P波陰影區


              現在我們從外向里依次看看各個圈層

          地殼

               首先是地殼(crust),也就是我們能直接觸的部分。

               地殼是固體地球的最外圈層,是地表至莫霍面之間的固體地球部分,可分為大陸地殼和大洋地殼。

               大陸地殼較厚,一般為25-50km厚,平均約35km厚,最厚可達90km;大洋地殼較薄,其厚度一般為5-10km。

           

          圖6 地殼結構

           


          康拉德面(Conrad discontinuity):

              1923年,奧地利地震學家康拉德發現,大陸地殼內部還存在另一個界面,把大陸地殼一分為二,

              界面以上巖石密度較低,為硅鋁層,由中酸性巖石組成;界面以下巖石密度高,為硅鎂層,由基性巖石組成。

              該界面被稱為康拉德不連續面,簡稱康拉德面。

              后來發現康拉德面的普遍性遠不及莫霍面,大陸地殼并不常見雙層結構,有的地方巖石均勻,分層不明顯,如大陸地盾區,有的地方地殼又可以劃分為上、中、下3層。

              在俄羅斯西北部的科拉半島,即使地震波測量顯示了康拉德面的存在,但在12.26km超深鉆中卻沒有發現相應的巖心突變界線,所以康拉德面究竟意味著什么,其確切地質意義仍不明確。
              巖石圈(Lithosphere),地球的巖石圈包括地殼和最上層的地幔,它們構成了地球堅硬的外層。 巖石圈細分為許多構造板塊。

           

          圖7 全球板塊分布圖

           

              巖石圈位于較軟、較熱和較深的軟流圈之上。

              巖石圈的厚度因地而異。一般而言,大陸地殼的巖石圈厚度大于大洋地殼的巖石圈厚度,但是其具體深度存在爭議。海洋巖石圈一般厚約50-140km,而大陸巖石圈的厚度范圍為40-280km。

              巖石圈的地幔部分主要由橄欖巖組成,由于在Moho面處發生的化學成分變化,地殼與上地幔有所區別。

              大洋巖石圈比大陸巖石圈年輕得多,最古老的大洋巖石圈大約有1.7億年的歷史,而大陸巖石圈有數十億年的歷史。不同的領域對巖石圈的定義也不相同。

           

          圖8 不同領域的巖石圈定義


          地幔

              其次是地幔(mantle),地球莫霍面以下、古登堡面以上的地球圈層,厚度可達2886km,是地球的主要組成部分,可分為上地幔和下地幔。

              上地幔由55%的橄欖石、35%的輝石和10%的石榴石組成,相當于隕石成分;下地幔成分和上地幔相似,但FeO及MgO含量更高。

              地幔物質存在部分熔融,這是巖漿的發源地,也是造成地殼運動、板塊移動、地質構造等現象的原因之一。
              軟流圈(Asthenosphere),它位于巖石圈之下,深度在地表以下約80-200km之間。

              盡管早在1926年就有人懷疑它的存在,但直到對1960年5月22日Mw=9.5的智利大地震的地震波分析證才實了全球軟流圈的發生。

              由于軟流圈中的溫度和壓力條件,巖石變成韌性,因此它能像對流一樣流動,從地球內部向外輻射熱量。

              在軟流圈以上,相同的變形速率下,巖石表現出彈性、脆性,可能破裂導致斷層。剛性巖石圈被認為是在緩慢流動的軟流圈上“漂浮”或移動,造成板塊運動。
          LAB(lithosphere asthenosphere boundary):
              巖石圈-軟流圈邊界。

              巖石圈 - 軟流圈邊界通常是在1300℃ 等溫線上進行的,在該等溫線以上,地幔表現為剛性,而在其下方則表現為延展性。

              軟流圈幾乎是固體,盡管它的一些區域可能會熔化(例如,在洋中脊之下)。

              軟流圈的下界不明確。

              軟流圈的厚度主要取決于溫度,然而軟流圈的流變性還取決于變形速率,這表明軟流圈也可能由于高速變形而形成。

              在一些地區,軟流圈可以延伸到700km。

              它被認為是大洋中脊玄武巖的源區。

              在老洋殼下的地幔中,巖石圈向軟流圈過渡時,巖石圈 - 軟流圈邊界(LAB)較淺(部分地區約60 km),其地震波速度急劇下降(速度下降約5-10%)。在洋中脊,LAB的深度可上升到海底數公里之下。


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          圖9 LAB的位置

           
               低速帶LVZ(Low-velocity zone),由古登堡1959年在研究低于預期地震波的波速時首先提出來。

               他指出在距離震中1-15°的區域內,振幅會呈現突然增加然后呈指數下降的現象。

               低速帶的存在為地震能量散焦、高速度梯度提供了解釋。

               低速區(LVZ)發生在接近巖石圈-軟流圈(LAB)的邊界。與周圍相同深度區域相比,地震橫波速度異常低。

               LVZ可能對板塊構造和地殼起源的研究有重要意義,其被解釋為存在顯著的部分熔融、熱邊界層的自然結果以及壓力和溫度對固態中地幔組分的彈性波速的影響。

           

          圖10 巖石圈、LAB 、LVZ和軟流圈的位置

               地幔轉換帶(mantle transition zone,MTZ)是位于地球深部410-km和660-km兩個間斷面之間的大約250km厚的地幔中間層,是連接上、下地幔物質和能量交換的紐帶。

               由于上地幔呈固態屬于巖石圈部分,下地幔呈粘稠狀,有一定的流動性。兩者的物理性質不同,必然造成地幔轉換帶處地幔巖石物理性質的轉變,從而產生地震波的強反射界面,在地震記錄中表現出來。

               對地幔轉換帶速度結構的認識對于理解地幔如何扮演地球的熱-化學引擎,以及對于認識整個地球的組成和演化、地幔對流、巖石圈深俯沖、及深源地震等地球深部動力學問題有重要的意義。

           


          圖11 地幔轉換帶

           
          地核

               最后是地核(core),地核是地球內部自古登堡面以下至地心的部分,地核含有鐵、鎳、硫元素,與鐵隕石成分相似,其質量占整個地球質量的31. 5%,體積占整個地球體積的16. 2%,可分為外核和內核。

               外核為液態,會緩慢流動,故有人推測地球磁場的形成可能與它有關;內核為固態,其具體情況由于勘探能力有限,尚不清楚。

           萊曼面(Lehman discontinuity):

               1936年由丹麥地震學家萊曼女士發現,在地球5150km處地震波傳播速度發生急劇變化,后證實為內核和外核的分界線,稱為萊曼不連續面。

               因此2900-5150km范圍叫外地核,據推測可能是液態的,由5150km直到地心則為內地核,內核物質可能是固態的.組成地核的主要物質是鐵,鎳為主。

           

           

          圖12 地球的結構

           

            

          轉自:https://zhuanlan.zhihu.com/p/94750335




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