3.1 地球的层圈构造与岩石的形成

▶ 3.1.1 地球的层圈构造

地球层圈构造包括外部层圈构造和内部层圈构造。地球外部层圈分为大气圈、水圈和生物圈，地球内部则分为地壳、地幔、地核3个层圈。

现在世界上最深的钻井不过12.5 km，即使是火山喷溢出来的岩浆，最深也只能带出地下200 km左右的物质。目前对地球内部的了解，主要是借助于地震波勘探研究的成果。地震波主要包括体波和面波，体波又分为纵波（P波）和横波（S波），面波可分为瑞利波（R波）和勒夫波（L波）。地球内部地震波的纵波传播速度总体上是随深度增加而递增的。但其中出现两个明显的一级波速不连续界面、一个明显的低速带和几个次一级的波速不连续面。

在地球内部若干个不连续面中，有两个变化最为显著的面，即第一地震分界面，也称莫霍面（33 km）和第二地震分界面，也称古登堡面（2 898 km）。在陆地上，莫霍面平均位于地下33 km处。此面之上，纵波速度为7.6 km/s，穿过此面后，陡然增至8.0 km/s；相应地，横波速度由4.2 km/s增至4.4 km/s；密度从2.90 g/cm3增至3.32 g/cm3。古登堡面位于地下大约2 898 km深处，纵波穿过此面时，纵波速由13.64 km/s降为8.10 km/s，横波至此则突然消失（说明外部地核可能为液态岩浆）。以这两个不连续面作为分界面，将地球内圈分为地壳（0～33 km）、地幔（33～2 898 km）和地核（2 898～6 371 km）三个圈层（见图3.1）。

图3.1 典型剖面的地球内部结构及P波和S波的速度分布

1）地壳

地壳是莫霍面以上的地球表层。地壳厚度是变化的，大陆地区厚度最大为70 km，平均厚度约为33 km；大洋地区海底地壳厚度最小为2 km，平均厚度约6 km。地壳物质的密度一般为2.6～2.9 g/cm3，其上部密度较小，向下密度增大。地壳通常为固态岩石所组成（局部有火山岩浆），包括沉积岩、岩浆岩和变质岩三大岩类。地壳在横向上是极不均一的，按地壳的物质组成、结构、构造及形成演化的特征，可分为大陆地壳与大洋地壳两种类型。大陆地壳厚度大且呈双层结构，上层为花岗岩质层（硅铝层），下层为玄武岩质层（硅镁层）；大洋地壳厚度小，呈单层结构，以玄武岩为主。

地壳中含有周期表中所有的元素。元素在地壳中的分布情况可用其在地壳中的平均质量分数（克拉克值）来表示。地壳中最主要的化学成分的克拉克值见表3.1。

表3.1 地壳中主要的化学成分

从表3.1可知，组成地壳最主要的化学元素有9种，它们占了地壳总质量的98.13%，其余90多种元素只占1.87%。可见，元素在地壳中分布是很不均匀的。地壳中氧占49.13%，硅占26%，其中二氧化硅的含量最高，是最重要的造岩元素。

2）地幔

地幔主要由固态物质组成，位于莫霍面之下，古登堡面之上，体积约占内圈总体积的80%，质量约占内圈总质量的67.8%。根据地球980 km左右的次一级不连续面（雷波蒂面），可将地幔进一步分为上下两部分。上地幔物质的平均密度约为3.5 g/cm3。在深度为50～250 km范围内，存在一地震波传播的低速带。推断该带内岩石的温度已接近其熔点，所以地震波的纵波速度比别处低。该带又称为软流圈（高温熔融岩浆）。地球内圈中包括地壳在内的整个软流圈之上的部分称为岩石圈。下地幔（980～2 898 km）因地球内部压力大，物质结合更加紧密，密度达5.1 g/cm3以上。

3）地核

地核是地球内部古登堡面至地心的部分，其体积占地球总体积的16.2%，质量却占地球总质量的31.3%，地核的密度达9.98～12.5 g/cm3。根据地震波的传播特点可将地核进一步分为3层：外核（深度2 898～4 170 km）、过渡层（4 170～5 155 km）和内核（5 155 km至地心）。在外核中，根据横波不能通过，纵波发生大幅度衰减的事实推测其为液态；在内核中，横波又重新出现，说明其又变为固态；过渡层则为液体-固体的过渡状态。地核主要由铁、镍物质组成。

▶ 3.1.2 三大类岩石的形成

岩石是天然产出的由一种或多种矿物按一定规律组成的自然集合体，少数岩石也可包含有生物遗骸。岩石构成地壳及上地幔的固态部分，是地质作用的产物。

岩石的形成（见图3.2）受各种地质作用的影响。

地壳深部的液态岩浆沿地壳裂缝缓慢上升，在地壳深部形成的岩石称为深成岩浆岩，在地壳浅部形成的岩石称为浅成岩浆岩，岩浆喷出地表后冷凝形成的岩石称为喷出岩浆岩。

火山灰沉积以及岩石风化以后经搬运、沉积成岩作用形成的岩石称为沉积岩。

岩浆岩或沉积岩经过变质作用形成的岩石称为变质岩。

图3.2 岩石的形成

这就是地壳中形成的三大类岩石，而岩石是由各种矿物组成的。