第四节地球内部的圈层结构和圈层耦合

第四节地球内部的圈层结构和圈层耦合

地球外部的圈层包括大气圈，水圈和生物圈。在本节稍后我们可以看到，地球外部圈层之间的过程有许多属于短时间尺度的地球过程。在地质科学中，更关心的是地球的长时间尺度过程，即固体地球过程。因此本节我们将主要介绍地球内部的圈层结构和圈层相互作用——圈层耦合。

一、地球内部的圈层结构

本章第一节提到，地球的密度和重力等性质从地表到地内深处，并非是均匀变化的，而是有几处重大的突变现象存在。因此地球内部的物质分布究竟能否根据物性差异而划分为不同的圈层，就成为一个引人注目的问题。

目前世界上最深的钻孔仅达到约12km深度，略大于地球平均半径6371km的2/1000。因此，对地球内部物质的研究主要依靠各种间接的手段和依据。如通过对大量陨石的成分和结构的鉴定和对比，通过对重力、地磁、地电、地热及地震波的研究所得到的信息进行分析等。其中由地震波提供的信息最为重要。

地震波速度的大小与传播介质的密度和弹性有关，理论上它们之间的关系应为

（2-4）

（VP为纵波速度；VS为横波速度；K为介质的体变模量；μ为切变模量；ρ为介质密度。）

这表明在一般情况下，弹性波的传播速度与物质的密度值ρ成反比。但对于地球内部进行的实际测量则不然。原因在于随着深部压力的增加，物质常数K和μ的增加都快于物质密度的增加。因此实际上大多数岩石都表现出密度与弹性波速成正比的特征。测试结果表明，两者的经验相关实际为：

(2-5)

地震发生后，设置在全球各地的地震台站先后接收到穿过地球传来的地震纵波（或P 波，Vp）、横波（或S波，Vs）及沿地面传播来的衍射波（或M波）。经过计算，可从中得到地球内部不同深度下的地震波速，进而推断出相关的物质密度分布规律（图2-11）。

根据地震波在地球内部不同深度下传播特征的变化情况，结合实验岩石学的测试资料，地学家发现了不同的波速与密度界面。以此为基础推算了地球内部的密度分布状况(图2-11)，进而分析了地球内部的圈层结构和物质分布的基本特征。2070年代后期，国际地球物理联合会提出了一个初步地球参考模型（PREM），对地球内部的圈层进行了具体划分（表2-1）。

如图2-11和表2-1所示，根据地球内部波速和密度的分异，首先可将其划分出三个一级圈层，即我们已经提到的地壳、地幔和地核，这也是地球内部最主要的物性及化学组分的分界单元。其中，地壳和地幔之间的分界面称作莫霍面，平均深度33km；地幔和地核之间的分界面称作古登堡面，深度2891km。这两个界面上下的物质，无论在化学组成、物质状态和物理性质上，都有重大区别。根据在这些方面更细致的分异特征，可以再从整体上将地球内部划分为七个二级圈层，从地表向地球深部依次为A（地壳）；B，C，D（地幔）；以及E，F和G层（地核）。进一步地，大陆地壳还可再分为上、下地壳两层，即A1和A2；在地幔的B层中则包括三个三级分层：B1、B2（为地震波低速层，故推断为熔融状态。也称软流圈）和B3；D层中也包含着两个三级分层，依次是D’和D’’层。

地球内部圈层的形成，一般认为是由于地球内部加热、原始物质分异和分层作用共同产生的结果。在最初的时候，地球上的原始物质熔离出重金属铁和镍，后者下沉形成地核。当它们熔离出去以后，残留的物质以橄榄石＋辉石为主形成地幔岩，组成现代的地幔。地幔是地球体积和质量最大的一个圈层，具有相当复杂的成分。地幔除了上部有一层软流圈是熔融态外，其余部分主要是固态的。地幔物质的分异作用今天仍在继续进行：对压力和温度变化的分析结果表明，在B层内还在发生玄武岩的熔离作用，这个熔离带成为软流圈（即B2层）的主要组成部分。此外，当较轻的玄武岩熔出并上升到地壳中后，上地幔B层的物质组成中失去了部分二氧化硅，这一部分的地幔岩从成分上相当于组成上地幔的超基性岩石。上地幔的玄武岩与超基性岩的分界，具有物质性质（密度和弹性波速）显著变化的特征，而且对应于波速突变界面莫霍面。此外，分异作用不仅涉及到古登堡面，也涉及到其下伏的C 层。

地壳也是地球分异作用的结果。玄武岩是由软流圈中的地幔岩分熔出来的，然后呈巨大的熔融状岩流上升到地壳中，成为地壳的重要组成部分。在接近地壳底部时，这类岩体便成为地球表面各种地质活动的发源地。“固定”在地壳底部的熔融状岩流称作玄武岩的底侵作用，它使地壳下部物质加热和熔化，形成地壳中主要的长英质岩浆源（见第十三章）。

根据陨石学研究，推断地核所具有的铁镍成分，应该近似于一种铁陨石——古橄铁镍陨石。对金属进行的冲击压缩实验结果则表明，外地核（E层）处于液态或极为接近于液态，而且除了铁镍成分外，还含有氧化铁；在这种情况下，铁镍熔浆的成分不超过84—92％。在深度为4900—5150km范围内的过渡带（F层），推断主要是由二硫化铁、也即古橄铁

镍陨石特有的化合物所组成的。有关内核（G层）的资料最少，但从各种地球物理分析的结果来看，它显然是由铁镍合金组成、并且是固态的。

在地球内部不同深度，对其物相组成的研究还发现了一些重要的物质相变现象，它们也成为检验圈层结构划分方案的重要依据（表2-2）：

20世纪80年代以来，对地球内部结构的研究又有了很多新认识。比如，过去被认为是处处连续，横向均一的莫霍面，最新的研究结果表明并非如此。莫霍面不仅存在着明显的横向不均一性，在一些地方如造山带的下面甚至有可能出现多层。更有甚者，有人还提出莫霍面是一个动态的概念：在造山运动后，因为地壳均衡等因素的影响，早期形成的莫霍面还有可能逸走乃至消失。和这一新的认识相联系，人们还发现大陆地壳的垂向分异程度也超出了过去的推断。根据物质组分、结构和运动规律的差异，大陆地壳更合适的划分方案应以分为上、中、下三层结构。此外，在1999年，美国地学家通过高精度的地球内部测深资料，研

究得出了地球内核的顶层也有可能是液态的结论。

如果仅就整体结构特征来看，地球既非“球”，也非“梨”，而是和一个煮熟的鸡蛋差不多

（图2-12）。地壳可以比作蛋壳，壳下的一层薄膜类似于软流圈；地幔好比蛋白，而地心则如同蛋黄一样位居地球的中央。

二、壳－幔耦合

上一小节中提到的地球的各个子系统之间存在的相互作用，在很大程度上体现为地球圈层间在物质和运动方面的耦合过程，即圈层耦合。就长期尺度的全球变化而言，壳－幔之间的物质交换和动力反馈是一种重要的内因，并且也集中体现了圈层耦合的基本特征。如图2-13所示，壳－幔耦合引发的板块运动过程可以用两个构造模型进行解释。

图2－13a称板块运动的威尔逊模型。在一个由此模型驱动的板块运动旋回中，岩石圈板块的运动是由分层发生的上地幔对流过程所驱动的。上、下地幔内部的热对流各自相对独立，除了在两者的界面之间存在着能量交换外，在上、下地幔之间基本上没有明显的物质交换过程。地幔热柱产生于上下地幔的分界面上，形成洋底高原，推动岩石圈板块由大洋中脊处向岛弧－海沟处漂移。同时将一部分地幔物质带入到大陆和大洋板块中，从而也改变了地壳的物质组成。但观察资料—尤其是地球化学元素分析显示出，壳－幔之间的物质和动力交换过程在规模和程度上都要大于单一的地壳——上地幔耦合方式，但又小于全地幔尺度的整体热对流所应该导致的结果。因此另一种修正的“主翻涌”模式（main overturn model）被提出来解释观察资料与威尔逊模型之间的矛盾。如图2-13b所示，俯冲的地壳冷物质下沉并越过上、下地幔之间的界面（660km 深度），压迫和推动产生于下地幔与外核界面（2900km深度）处的热柱向上到达上地幔上部的岩石圈底部，再推动岩石圈板块的运动并实现壳－幔－核之间的物质交换过程。

主翻涌模式的要点是发源于核——幔边界处的超级地幔柱（或称超地幔柱）。它因受热而激发，上升近3000km到达岩石圈底层，烧烤、撕裂并推动板块运动。已经有地球物理证据支持在现代南非的地下深部，存在着一个巨大的超地幔柱，为这一模式提供了有力的佐证。但是超地幔柱因何而生，因何而亡，现有的还不能让人满意。在第十一章中，我们提出了一个修正的模型，试图对这一问题作进一步的讨论。

三、地核差异旋转

地球内、外的各个圈层之间不仅有着互相耦合，协同演化的一面，也有相对独立，差异运动的一面。其中，作为地球内部驱动源的地核，尽管其物理性质和运动特征历来为人们瞩目，但很少有人想到它的旋转与整体地球会不相一致。

直到1983年，Poupinet等发现内核中的地震波传播在沿自转轴方向的波速要大于其它方向，从而对长期认定的均匀球状内核模式提出了质疑。在这一研究的带动下，Woodhouse等于1986年进一步发现了在地球内核中，地震波速的传播是轴对称各向异性的，并由此提出了内核各向异性对称轴（亦即后来所称的内核快轴）的概念。

此后相关的研究成果此起彼伏，层出不穷。其中最为重要的，有苏维加等在1995年发现这一对称轴与地球的自转轴不仅不重合，而且两者的夹角还在不断变化。宋晓东等在1996年发表的内核差造旋转研究成果，估计地球内核每年自西向东较外核多旋转1.1°，自1990年到1996年累计已多转1/4圈多，引起国际学术界关注。综上所述，人们认识到：由于地核快轴对于内核自身而言，在短期内不应有明显的变化，它与地球自转轴之间这种10年尺度的夹角变化就只能来自内核的整体旋转．换言之，这种变化的起因应该是地核与整体地球之间存在着旋转速度上的明显差异。因此，只要能够把握内核快轴随时间的变化规律，就能确定内核相对于壳幔等其它固体圈层的差异旋转速率．目前不同学者分别处理了不同的地震走时资料，估算出内核由西向东的差异旋转速率约在1.1—3.2°/年之间,?从而揭开了研究地核差异旋转及意义的序幕。尽管内核差异旋转的机制还没有最后认定，但这一发现对于认识地球的深部动力过程提供了极好的机会和手段，具有重要的意义。