3.3 地球的结构和物质组成

地球的物质是由元素所组成的，由于地球经历了漫长的演化历史，尤其是重力的作用，各圈层的物质组成也存在很大的差异。地壳中各种元素的分布和地球化学行为直接关系到人类的生存环境，了解地壳中各种元素及其同位素的分布情况，特别是元素的平均含量及各种元素的地球化学行为，对阐明元素的富集、扩散、迁移规律及其对人类生存的影响具有重要的意义。

由于地球内部的物质很难直接获得，给地球的平均化学成分计算带来了较大的困难。一般认为地球的化学成分与陨石的成分接近，地幔的成分与球粒陨石成分接近，地核的成分则与铁质陨石接近。通过实验室的高温高压模拟和陨石的对比研究，得出地球的平均化学组成，8种主要元素占地球总量的98%以上（表3-3），但不同的学者所给出的地球的平均化学成分也有一些区别。

地壳

元素在地壳中的含量称为元素的丰度，元素在地壳中的平均含量称为克拉克值（由美国学者克拉克于1889年最先公布研究成果）。地壳的平均化学成分与地球的平均化学成分有较大的差别，主要表现在硅、铝、钠、钾等轻元素的丰度较高，8种主要元素占地壳总量的99%以上（表3-4）。

地壳中的元素在极少情况下是以单质存在的（如自然金、金刚石等）（图3-14），绝大多数情况是以化合物的形态存在的（图3-15）。这些化合物的形成除了受元素本身的结构和化学性质所决定外，还受到外界的物理化学条件所控制。不管是单质还是化合物，它们通常是以独立矿物的形式在地壳中存在的，并构成了地壳的主体——岩石。另有极少数的微量元素，由于它们丰度很低，很难以独立矿物的形式存在，这类元素常以类质同象的形式或胶体吸附的形式存在于其他矿物中。

地壳的底部以莫霍面为界，在大陆地区位于地表以下30～78km处；在大洋地区位于5～12km处。研究表明，地壳的厚度在大陆的造山带地区最厚，在大洋地区最薄，青藏高原的地壳厚度达到78km，而在大洋的一些地区甚至不到5km。这一现象可以用阿基米德原理加以解释，低密度的地壳在地幔之上如同漂浮在水面的木块，高山部位必然有较深的“山根”。这样在地幔的某一深度面上，上覆岩石对地幔的压力处处相等，处于一种均衡状态，地质学家称之为：地壳均衡原理（图3-16）。

在地壳内部还存在一个地震界面，称为康拉德面，通常作为上下地壳的界面。康拉德面并非全球连续，一般认为在大陆地壳才有康拉德面存在，大洋地区则没有。但即便在大陆地区，康拉德面的位置也很不确定。

上地壳分布在大陆区，其主要物质成分是以硅铝质矿物组成的沉积岩、岩浆岩和变质岩等，其密度大约为2.5g/cm3，也叫花岗-片麻岩层。

大陆地区下地壳的主要物质成分通常被认为是镁铁质矿物组成的岩石，成分与玄武岩相近，其密度大约为3.0g/cm3，也与玄武岩相当，因此下地壳也叫玄武岩层。这种观点目前正受到严峻的挑战，来自俄罗斯科拉半岛超深钻的资料表明，康拉德面以下的岩石仍然是硅铝质的片麻岩或麻粒岩。大多数地球物理学家认为，康拉德面通常是P波速度从4.5～5.0km/s突变为6.0km/s的截面。科拉半岛的地震资料表明，该区的康拉德面应该位于地表以下7km处，玄武岩层应在该处钻遇，但实际结果却并非与人们预期的一样，钻孔一直在单一的变质花岗-片麻岩层、角闪岩层中通过，这个结果正在改变地质学家对地壳的传统认识。

大陆地壳存在两种性质迥然不同构造单元：克拉通和造山带。

克拉通是大陆地壳中一种稳定的构造单元，通常可以分为上下两个大的构造层次，下面的部分称为基底，上面的部分称为盖层，有时候也可以缺失上面的盖层部分。克拉通的基底是地壳中最古老的部分，在加拿大魁北克发现的最老岩石的年龄达42.8亿年，一般的年龄都在8亿年以上，而且是由非常坚硬的花岗岩和片麻岩一类的结晶岩石组成。克拉通的盖层是覆盖在基底上面的沉积岩层，具有基底和盖层的克拉通又称为地台。由于克拉通的基底非常坚硬，上面的沉积岩层不容易发生构造变形，是大陆中的稳定地区，也就形成了平原的地貌，如华北平原、西伯利亚平原等，世界上著名的大平原的地壳构造都是克拉通。

造山带与克拉通形成了鲜明的对比，在地球表面形成了连绵数千千米乃至上万千米的雄伟山系。造山带是大陆地壳中一种较为活动的构造单元，也称为褶皱带，其最重要的特征就是构造变形非常强烈，岩石破碎，褶皱、断裂遍布整个造山带，并形成一些延伸很远的线状构造。造山带主要分布在克拉通的边缘，它是由于地球内部系统发生变化，致使岩石圈发生大规模的水平运动而形成的。

大洋地壳明显地区别于大陆地壳，最大的区别是大洋地区不存在康拉德面，并缺失花岗-片麻岩层（即大陆区的上地壳），其物质成分主要为镁铁质岩石。根据“深海钻探计划”所获得的资料，大洋地壳可以分为三个层次：

第一层为松散的深海沉积物，厚度从几百米到一千米不等，这些沉积物主要来自大洋的生物源沉积，有钙质沉积和硅质沉积，还有少部分火山碎屑沉积和冰川沉积。P波的传播速度一般小于4km/s。

第二层为海底喷发作用形成的玄武岩层，并夹有一些深海沉积作用形成的碳酸盐岩和硅质岩等，厚度为1.5～3km。P波的传播速度约为4.5～6km/s。由于海底喷出的岩浆遇到海水急剧冷却收缩，常形成特殊的岩枕（图3-17）。枕状熔岩是水下岩浆喷出的典型构造，具有指示构造环境的意义。

第三层是由玄武质岩浆在浅部固结形成的辉绿岩和在深部结晶形成的辉长岩，其厚度大约为3～5km。P波的传播速度约为6～7km/s。由于深部岩浆的结晶分异作用和重力的作用，先结晶的矿物会堆积下来，形成类似沉积岩的层状构造，称为“堆晶构造”（图3-18）。

实际上在大洋中脊的位置地壳的底部与地幔是呈渐变的过渡关系，在很长的一段范围里没有地震波速的突变，反映了大洋中脊是洋壳新生的位置，壳幔分异还没有形成。只有当洋中脊物质向两侧运动并逐步冷却发生相变之后才分异出大洋地壳和地幔。

大陆地壳和大洋地壳具有明显地差异，可以归结为以下四个方面的主要区别：

物质成分差异：构成大洋地壳主体的是玄武岩、辉绿岩、辉长岩等镁铁质的岩石；而大陆上地壳则是花岗岩、片麻岩等硅铝质的岩石组成，下地壳也可能以硅铝质的片麻岩、麻粒岩等组成。

地壳结构差异：大陆具有上下地壳的特征，中间存在有地震界面（康拉德面）；大洋则只有镁铁质岩层地震波速呈渐变提高的变化特征。

形成年代差异：大陆的形成年代久远，大陆的核心部分形成至今一般都在10亿年以上，只有一些造山带是年轻的；大洋地壳则非常年轻，大洋中脊很大部分是形成于新生代的，最老的也只有2亿年左右。

地壳厚度差异：大陆地壳平均厚度约为35km，最大厚度可达78km；大洋地壳平均只有6km，最大厚度也仅12km。

大陆地壳和大洋地壳的巨大差异表明了二者应该是地壳中两种不同的构造单元，而且应该有不同的成因。

地幔

地壳底部至地表以下2900km处的古登堡面的地球内部圈层为地幔。地幔占地球总体积的83%，总质量的2/3。根据地震发生的最大震源深度，在670km深度处将地幔分为上地幔和下地幔两个部分。由于目前的技术条件限制，人类并不能直接到地下深处采集地幔的样品，对于地幔的物质成分的认识主要是通过以下途径获得的：

（1）大陆地壳中来自地幔的岩浆作用所保留的超镁铁质岩石（主要是橄榄岩）；

（2）玄武岩中所含的地幔包体；

（3）大陆或大洋岛热点作用来自深部岩浆作用所形成的碱性岩类；

（4）大陆稳定区含金刚石的金伯利岩筒的岩石成分；

（5）球粒陨石的成分。

对这些与地幔物质成分相近的岩石进行研究，并通过高温高压试验和地震波波速传递试验进行对比研究，所得到的结果应该是很接近地幔实际的物质成分。

大多数研究者认为，上地幔的物质成分主要是超镁铁质岩石，密度大约为3.3～3.4g/cm3，其物质成分一般认为是由橄榄石、辉石和石榴子石按不同的比例组成的。构成上地幔的主要岩石——石榴石橄榄岩，其密度、地震波传播速度等主要地球物理参数与上地幔一致。

上地幔的波速变化比较复杂，其中在大约100～200km处存在一个S波的低速层，反映了该层物质可能具有较强的塑性变形能力，在动力的作用下可以发生缓慢的流动，称为“软流圈”。将软流圈以上的地幔部分和地壳合在一起统称为“岩石圈”。

下地幔的物质成分被认为与上地幔基本相似，所不同的是物质发生了化学键的转变。由离子键转变成共价键时，物质的密度可以提高18%。在2900km深处的地幔底部，其密度达到5.6～5.7g/cm3。

地核

地核也可以分为上下两个部分，在深度5100km以上的部分称为外核，以下部分称为内核，由于S波不能在外核中传播，所以外核应该是液态的。人类可以获得的关于地核的直接资料只有地震波速传递资料，对地核的物质成分了解甚少。对地核成分的认识主要是和铁质陨石的对比，从地球存在强磁场的特征看，地核的物质应该是具有高磁性的铁镍物质，这与铁质陨石的成分相当。

外核的密度由地幔的底部的5.6～5.7g/cm3，急剧跳跃到9.7g/cm3，然后逐渐增加到11.5g/cm3，推测地球外核由氧化铁组成，在巨大的压力下它不仅是熔体，而且相变为密度更大的金属相。

内核物质的密度最大，大约是12.5～13g/cm3，主要由铁和镍组成，也可能有其他元素存在，其原因是纯铁镍合金的地震波速应比观测值低。

进一步阅读书目

陶世龙，万天丰，程捷．地球科学概论．北京：地质出版社，1999

乔纳森·韦纳著（美）．地球的奥秘．张生，高建中等译．长沙：湖南教育出版社，2000

刘全稳，赵金洲，陈景山．地球动力与运动．北京：地质出版社，2001

杨树锋．地球科学概论．杭州：浙江大学出版社，2001

缪启龙．地球科学概论．北京：气象出版社，2001

张友学，尹安．地球的结构、演化和动力学．北京：高等教育出版社，2002

Brian J S, Stephen C P.The dynamic earth: an introduction to physical geology.New York: Wiley,1992

Frederick K L, Edward J T.Essentials of geology.NJ: Prentice Hall,2000

Plummer C C, McGeary D &Carlson D H.Physical Geology.WCB/McGraw-Hill,2004