3.1　地球的结构

3.1.1　地球内部圈层结构

3.1.1.1　地球各圈层的主要物理数据

地球为太阳系第五大行星，为一呈赤道略鼓、两极略扁的三轴椭球体，赤道半径约6 378km，极半径约6 357km，平均半径约6 371km，赤道周长约40 076km。地球内部结构可以划分为地壳、地幔和地核三个主要圈层，其中莫霍面至地表部分称为地壳，莫霍面至古登堡面之间称为地幔，古登堡面以下至地心称为地核。地球内部各圈层的划分、深度及特征见表3-1。

3.1.1.2　地球主要物理性质

地球内部的主要物理性质包括密度、压力、重力、温度、磁性及弹塑性等。

（1）密度

地球总质量为5.965×1021t，平均密度为5.517g/cm3。但地表岩石实测平均密度仅为2.7～2.8g/cm3，说明地球内部必定存在比地表岩石密度更大的物质。地球内部物质密度从地表向地核变化规律如何？通过平均密度、地震波传播速度、地区转动惯量及万有引力等各方面的数据综合计算得出，地球物质密度从表层的2.6～2.9g/cm3向下增加到地心处的12.51g/cm3，在一些不连续面有明显的跳跃增加，如在莫霍面（壳—幔界面）处，密度从2.9g/cm3增至3.32g/cm3；在古登堡面（核—幔界面）处，密度从5.56g/cm3剧增到9.98g/cm3。地球物质密度变化见表3-1。

（2）压力

地球内部因存在物质分布而产生压力，在深处某点，其周围各个方向的压力大致相等，其值与该点上覆物质重量成正比。因此，地球内部压力总是随深度增加而逐渐增加。地球内部各圈层的压力大小及变化情况见表3-1。

（3）重力

地球上任何物体都同时受着地球的吸引力和因地球自转而产生的离心力，两者的合力即为重力。在引力与离心力的共同影响下，因离心力随纬度增高而减小，所以重力值随纬度增高而增加，赤道处重力值为978.031 8Gal，两极为983.217 7Gal，两极比赤道增加5.185 9Gal。

在地球内部，影响重力大小的不是地球总质量，而是所在深度以下的质量，所以地球内部重力因深度而不同。从地表到核—幔界面（2 885km），重力值随深度增加，但变化不大，在2 885km处达到极大值（约1 069Gal），这是因为地壳、地幔密度低，而地核密度高，以致质量减小对重力的影响比距离减小的影响要小，但从2 885km到地心处，重力则迅速减小为零（见表3-1）。

（4）温度

地球内部显然是存在热量和温度的。热量或温度在地球内部的分布状况称为地热场或地温场。

地球不同深度热量来源和温度变化是不同的，地球表层热量来源主要是太阳辐射，受昼夜、季节、多年周期变化影响，这一层称为外热层，平均深度15m，最多不过几十米，该层温度从地表向下逐渐降低；外热层底部有一个温度常年不变的常温层；常温层以下，地球热量主要来源于内部，因此随深度增加而增高。我们通常把常温层以下每增加100m所升高的温度称为地热增温率或地温梯度，一般来说，大洋地壳要比大陆地壳的地热增温率或地温梯度要高。据实测，大洋地壳平均的地温梯度为4～8℃，大陆地壳平均的地温梯度为0.9～5℃。地表热流值或地温梯度明显高于平均值或背景值的地区称为地热异常区。地热异常可用于研究地质构造，对矿产资源的形成与分布也具有重要作用。地热还是一种清洁天然资源，可用于发电、医疗和民用供暖等。

（5）磁场

地球周围存在磁场，称为地磁场，是能够屏蔽宇宙射线、高能粒子，对地表生物起到重要保护作用的保护罩。地磁南北极和地理南北极正好相反，位置相近但不重合。长期观测证实，地磁极围绕地理极附近缓慢迁移。

地磁场具有方向和矢量，为衡量地球某点的磁场强度，通常采用磁偏角、磁倾角、磁场强度三个要素。地磁场由基本磁场、变化磁场和磁异常三个部分组成，其中基本磁场占地磁场的99%以上。现今比较流行的基本磁场主要起源于地球外地核以铁、镍组成的液态金属流动圈层，因电磁感应而产生磁场，现今强度基本稳定的地磁场即为基本地磁场。变化磁场主要是由太阳辐射、宇宙空间带电粒子流等因素引起并叠加于基本磁场之上的各种短期变化磁场，仅占地磁场的不到1%。磁异常是地壳内磁性矿物和岩石引起的局部磁场，叠加在基本磁场之上，利用磁异常可以进行找矿勘探和了解地下的地质情况。

（6）弹塑性

地震波为弹性波，能在地球内部传播，这表明地球具有弹性。地球弹性从宏观上表现为日、月引力交替下地表的交替涨落现象，称为固体潮，其幅度为7～15cm。同时，地球也表现出塑性，如在自转离心力作用下，地球赤道半径比极半径要大，常见的野外岩石强烈弯曲而未破碎或断裂的现象也是塑性表现。地球的弹性和塑性并不矛盾，是在不同条件下展现的不同性质。在作用速度快、持续时间短的力（如地震作用力）的条件下，地球常表现为弹性体；在作用力缓慢且持续时间长（如地球旋转离心力、构造运动作用力）或在地下深处较高的温、压条件下，则可表现出较强的塑性。

3.1.1.3　地球物质组成

认识地球内部物质组成主要依据以下几个方面：①根据各圈层密度和地震波速度与地表岩石或矿物的有关性质对比进行推测。②根据各圈层的压力、温度，通过高温高压模拟实验进行推测。③根据火山喷发、构造运动等搬运至地表的地下深部物质进行推断。④与地球捕获的陨石研究结果进行对比。

通过上述方法，现今对地球内部各圈层的物质组成与状态的认识如下：

（1）地壳

地壳为地球的表层，主要由沉积岩、岩浆岩、变质岩三大岩类组成，厚度在5～70km之间，大陆区地壳相对大洋区地壳较厚。地壳平均厚度约为17km，约为地球半径的1/375，约占地球总体积的1%，占地球总质量的0.8%。地壳物质的密度一般为2.6～2.9g/cm3，其上部密度较小，下部密度增大。

（2）地幔

地幔是莫霍面以下、古登堡面以上的中间部分，从整个地幔可传播地震波横波来看，其主要由固态物质组成。地幔厚度约2 850km，占地球总体积的82.3%，占地球总质量的67.8%，是地球的主体部分。根据地震波次级不连续面，大致可以650km深处为界将地幔分为上地幔和下地幔。

上地幔平均密度3.5g/cm3，与石陨石相当，可能具有与石陨石类似的物质成分。通过火山喷发和构造运动从上地幔带出的物质分析，其为超基性岩。根据模拟实验推测，地幔可能由45%～75%的橄榄岩、25%～50%的辉石、5%的石榴子石等组成。这种假想中的地幔物质被称为地幔岩，上地幔为岩浆的重要发源地。

下地幔平均密度为5.1g/cm3，由于下地幔压力较大，存在于上地幔的橄榄岩等矿物在下地幔分解成FeO、MgO、SiO₂和Al₂O₃等简单的氧化物。相较上地幔，下地幔物质化学成分的变化可能主要表现为含铁量的相对增加（或Fe/Mg的比例增大），物质密度和波速逐渐增加。

（3）地核

地核是地球内部古登堡面至地心的部分。由于地震横波在外核不能通过，同时纵波大幅衰减，从而推测外核为液态；由于地震横波在内核重新出现，从而推测其为固态。地核占地球总体积的16.2%，质量却占地球总质量的31.3%，地核的密度高达9.98～12.5g/cm3，超过地表最常见的金属铁的密度（8g/cm3），在地核强大的压力作用下，完全能达到现有密度，且其密度与铁陨石接近，表明地核很可能为铁、镍的物质。同时，地球存在磁场，表明地球内部存在一个含有高磁性液态铁、镍的流动圈层，与地震横波不能通过液态外核的现象相符。目前推测，地核最合理的物质组成应是由铁、镍及少量的硅、硫等轻元素组成的合金。