地球的圈層結(jié)構(gòu).ppt

1、第二章 地球的圈層結(jié)構(gòu),本章重點： 掌握地球的基本圈層和特征及其劃分依據(jù) 參閱巫建華教材第二章第二節(jié),主要內(nèi)容,一、固體地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究方法 二、地球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)的劃分 三、地殼 四、地幔 五、核-幔邊界和地核 六、巖石圈,地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要是通過對地震波以及由大地震所激發(fā)的地球自由振蕩的觀測和研究確定的。研究地球結(jié)構(gòu)的地震學(xué)分支稱為構(gòu)造地震學(xué)。,一、固體地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究方法,1. 構(gòu)造地震法, 地震波是由地震震源發(fā)出的在地球介質(zhì)中傳播的彈性波，是一種機械運動的傳播。 可用于構(gòu)造地震學(xué)研究的地震波波源有天然波源（地震、火山）和人工波源（爆炸、汽槍信號、沖擊等）兩大類。 地震波類型：體波（Bo

2、dy wave) 和面波 (Surface wave)。 體波可在地球內(nèi)部的三維空間內(nèi)傳播； 面波則僅能在地球表面或巖層分界面的二維空間內(nèi)傳播。,一、固體地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究方法,1. 構(gòu)造地震法, 體波又可分為: P波 (Primary wave) 和S波(Shear wave) 它們通過地球的傳播方式不同。 P波又叫縱波、壓縮波或初至波，是由地球內(nèi)部物質(zhì)的壓縮產(chǎn)生的。特點：質(zhì)點位移與傳播方向一致；傳播速度較快，最先到達震中；既能在固體中傳播，也能在液體中傳播。它使地面發(fā)生上下振動，破壞性較弱。 S波又叫橫波、剪切波、畸變波或次波、續(xù)至波。特點：質(zhì)點位移方向與傳播方向垂直；傳播速度較慢；僅能在

3、固體中傳播。它使地面發(fā)生前后、左右抖動，破壞性較強； 地震波的傳播速度取決于介質(zhì)的彈性與密度之比。地震波在地球中的傳播速度一般是隨深度而增加。,一、固體地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究方法,1. 構(gòu)造地震法,面波,縱波（P）,橫波（S）,一、固體地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究方法,1. 構(gòu)造地震法,體波, 根據(jù)地面接收到的體波走時，可以求得地震射線的傳播路徑和穿透深度，以及在各深度處介質(zhì)中的速度。 地震波的速度結(jié)構(gòu)可反映地球內(nèi)部介質(zhì)結(jié)構(gòu)（右圖）。,一、固體地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究方法,1. 構(gòu)造地震法,地震, 利用地震觀測資料信息來反演地質(zhì)體內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)的一種方法。對在地質(zhì)體中傳播的地震波的走時和波形進行接收并分析計算，提取

4、地質(zhì)信息，借助計算機圖象重建技術(shù)，重現(xiàn)地球內(nèi)部的三維速度結(jié)構(gòu)。,一、固體地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究方法,2. 地震層析成像法（Seismic tomography）,Wolfe et al., Nature, 1997,Zhao et al., EPSL, 2001, 這種方法得到的地球內(nèi)部高速區(qū)，對應(yīng)冷的、更具剛性的物質(zhì)區(qū)，如大陸地盾和古老洋盆；低速區(qū)，對應(yīng)熾熱的或部分熔融的軟物質(zhì)區(qū)，如洋脊。目前的水平分辨率已提高到幾百km，垂直分辨率已提高到近地表為幾十km。,一、固體地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究方法,2. 地震層析成像法（Seismic tomography）,Zhao et al., EPSL, 200

5、1,3. 人工地震測深法 通常用來研究地殼和上地幔結(jié)構(gòu)。人工地震測深，就是用炸藥源和非炸藥源作震源產(chǎn)生地震波進行的測深。人工地震源由于震中、震源深度和發(fā)震時刻都可預(yù)先確定，分辨率較高，常用于探測一個區(qū)域或一條剖面的地殼-上地幔精細結(jié)構(gòu)。海洋地殼構(gòu)造的許多資料都是用這種方法獲得的。 4. 物質(zhì)特征與地震關(guān)系比較法 地球內(nèi)部物質(zhì)物理性質(zhì)和化學(xué)組成都與地震波速度有關(guān)。依據(jù)地球內(nèi)部地震波的速度結(jié)構(gòu)還可求得密度和彈性參數(shù)等隨深度的分布。,一、固體地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究方法,5. 人造衛(wèi)星 根據(jù)人造地球衛(wèi)星軌道參數(shù)的變化，可以求得與地球內(nèi)部密度分布有關(guān)的地球位的球函數(shù)展開系數(shù)。由這些系數(shù)，可以計算出大地水準面

6、相對參考橢球體面的起伏和大地水準面上的長波自由空氣異常。再根據(jù)大地水準面的起伏和長波自由空氣異常，就可反演地球內(nèi)部的密度分布以及與其有關(guān)的地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 6. 鉆探和觀測出露的巖石 研究地殼的直接的方法?，F(xiàn)今地球鉆探深度剛超過13km；因地殼上升而被剝蝕出露的巖石原來的形成深度不超過25km。,一、固體地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究方法,主要內(nèi)容,一、固體地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究方法 二、地球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)的劃分 三、地殼 四、地幔 五、核-幔邊界和地核 六、巖石圈,二、地球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)的劃分, 地球由大氣圈、水圈、生物圈和固體地球等四個基本圈層組成。在討論全球變化等問題時，固體地球方面以巖石圈為主。 本課程主要

7、討論巖石圈的構(gòu)造和動力學(xué)問題。, 1909年莫霍洛維奇（Mohorovicic）根據(jù)地震初始波的走時，算出地下幾十km深處存在一間斷面，其上物質(zhì)的波速為6.27.6kms，其下為8.08.2kms。后來稱這一間斷面為莫霍面或M界面，它在全球普遍存在。莫霍面以上的圈層稱為地殼。 1914年古登堡（Gutenberg）發(fā)現(xiàn)在約2900km深度處存在一間斷面，其上P波波速為13.64 kms，S波波速為7.11kms，其下P波波速突然降至7.9kms，S波突然消失。后來稱這一間斷面為古登堡面或G面，古登堡面以下部分稱為地核，莫霍面和古登堡面之間的部分稱為地幔。,二、地球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)的劃分, 1936

8、年萊曼（Lehmann）根據(jù)通過地核的地震縱波走時，首先提出在地核內(nèi)部還存在一個間斷面，由此又將地核分成了內(nèi)核和外核。后來，古登堡（1959）和杰弗瑞斯（Jeffreys，1962）相繼證實了萊曼的假設(shè)，并得出內(nèi)核的半徑在12001250km間。內(nèi)、外核邊界的深度約為5100km。并發(fā)現(xiàn)，外核不能傳播S波，而內(nèi)核可以傳播S波，并根據(jù)地球潮汐和地球自由振蕩所得地球剛性，推斷外核為液態(tài)，內(nèi)核為固態(tài)。,二、地球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)的劃分,布倫（Bullen，1963，1975）根據(jù)地球內(nèi)部地震波的速度分布，將固體地球分為7層。地殼為A層；地幔為B、C、D三層；外核為E層；內(nèi)、外核的過渡區(qū)為F層；內(nèi)核為G層。

9、后來他又根據(jù)新的資料，把D層分為D和D層（表2-1）。這種劃分方案，至今仍廣為引用。,二、地球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)的劃分,表2-1 布倫的地球內(nèi)部分層,上地幔,下地幔,VP梯度正常，Vs為0,二、地球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)的劃分,地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物質(zhì)成分示意圖 圖中上地幔有兩種劃分方式：一種只含B區(qū)，另一種含B和C兩個區(qū),D,地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)與地震波速的變化 P波為縱波，S為橫波；A層為地殼；B、C、D層為地幔（B上地幔，C地幔過渡層，D下地幔）；E、F、G層為地核（E外核，F(xiàn)內(nèi)外核過渡層，G內(nèi)核）,二、地球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)的劃分, 1914年美國地質(zhì)學(xué)家巴雷爾（Barrell）根據(jù)地殼均衡理論推測在地球深處存在塑性層，

10、將之稱為軟流圈，其上的剛性部分稱巖石圈。 1926年古登堡發(fā)現(xiàn)，當?shù)卣鸩ㄍㄟ^100200km深度時，P波速度由8.18.5km/s減慢到7.27.8km/s。把地球表面至低速層部分稱為巖石圈，包括地殼和上地幔上部；將其下的低速層稱為軟流圈。此分層概念得到普遍承認，并成為板塊構(gòu)造學(xué)說的立論基礎(chǔ)之一。 地球內(nèi)部的圈層另一劃分方案：巖石圈、軟流圈、中圈和地核，中圈指軟流圈底至核幔邊界的地幔部分。有的學(xué)者則將地殼和上地幔稱為構(gòu)造圈。,二、地球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)的劃分,固體地球的圈層結(jié)構(gòu),二、地球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)的劃分,二、地球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)的劃分,二、地球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)的劃分,二、地球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)的劃分,地球內(nèi)部結(jié)

11、構(gòu)和物質(zhì)成分示意圖 圖中上地幔有兩種劃分方式：一種只含B區(qū)，另一種含B和C兩個區(qū),D,主要內(nèi)容,一、固體地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究方法 二、地球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)的劃分 三、地殼 四、地幔 五、核-幔邊界和地核 六、巖石圈,地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物質(zhì)成分示意圖 圖中上地幔有兩種劃分方式：一種只含B區(qū)，另一種含B和C兩個區(qū),D,3.1 概述, 地殼是莫霍面之上的地球最外層，即A層。 地殼在厚度和成分上都是很不均勻的。最明顯的差別是在大陸地殼和大洋地殼之間。 一般分上下兩部分： 上部稱硅鋁層或花崗質(zhì)層，主要由沉積巖、花崗巖類或變質(zhì)巖組成，厚度040km，地震波在此層的傳播速度與在花崗巖中近似； 下部稱硅鎂層或玄武質(zhì)層，

12、主要由相當于基性巖類的變質(zhì)巖組成，厚度530km，地震波在此層的傳播速度與在基性巖中近似。,三、地殼,3.2 地殼的類型, 根據(jù)地殼組成、結(jié)構(gòu)和厚度差異，將地殼分為大陸型地殼和大洋型地殼兩大類。平均而言，大陸地殼比大洋地殼厚、年齡老、密度小。就化學(xué)和礦物成分而言，這兩類地殼也明顯不同。 另一種劃分方式，是將介于洋殼和陸殼之間的地殼作為一類，稱其為過渡型地殼。有的學(xué)者則將地殼分為4種基本類型：大陸型地殼、大洋型地殼、次（亞）大洋型地殼、次（亞）大陸型地殼。,三、地殼,3.2 地殼的類型,（1）大洋地殼（洋殼 oceanic crust） 分布于水深超過3000m的洋盆下面。 厚度較小，僅510k

13、m，平均7km，最薄處不足5km。 洋殼在沉積層之下直接為玄武質(zhì)巖層（Vp=6.46.9km/s），缺失硅鋁層。平均成分類似于在洋脊產(chǎn)生的低鉀拉斑玄武巖的成分。 可分為三層： 第一層：未固結(jié)遠洋沉積層，厚0-1km，平均0.3km； 第二層：枕狀玄武巖和基性巖墻群，厚0.7-2.0km，平均1.7km； 第三層：由輝長巖和蛇紋巖化超鎂鐵質(zhì)巖組成，厚4.9km左右。,三、地殼,3.2 地殼的類型,（2）大陸地殼（陸殼 continental crust） 分布于大陸和被海水覆蓋的大陸架和大陸坡下面。 厚度較大，一般3050km，平均40km，最厚達80km。 根據(jù)地殼結(jié)構(gòu)、組成和厚度差異，一般將

14、陸殼分為兩層： 上層為花崗質(zhì)層或硅鋁層（厚10-20km，Vp=6.2km/s，Vs=3.6km/s），下層為玄武質(zhì)巖層或硅鎂層（厚15-25km，Vp=7.0km/s,Vs=3.8km/s），它們之間的界面稱為康拉德界面或康氏面。 根據(jù)地殼巖石化學(xué)成分和實驗巖石學(xué)資料，陸殼上層的成分大致與花崗閃長巖或石英閃長巖相當；下層的成分與麻粒巖-榴輝巖相變質(zhì)的基性巖相近；大陸地殼的平均成分接近于中性火成巖（安山巖）的平均成分。,三、地殼,3.2 地殼的類型,不同構(gòu)造單元的大陸下地殼結(jié)構(gòu),三、地殼, 大陸地殼與大洋地殼的主要差異： 兩者地殼厚度不同，洋殼缺失硅鋁層。大陸地殼與大洋地殼之間是以大陸坡為界，

15、而不是以不穩(wěn)定的海岸線為界。 （3）過渡性地殼 大陸邊緣的島弧、邊緣海盆、內(nèi)陸海盆和部分大洋島嶼，顯示具有15-30km的地殼厚度，具有沉積層和地殼上層和玄武巖質(zhì)下層，為過渡性地殼。,三、地殼,3.2 地殼的類型,大陸地殼,大洋地殼,三、地殼,過渡型地殼,3.3 地殼的巖石學(xué)分層, 地殼的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，并存在明顯的側(cè)向變化。不同地區(qū)和不同構(gòu)造單元，同一地殼層的地震波速和厚度都存在明顯差異。大部分陸殼經(jīng)歷過多期碰撞、張裂、受熱、冷卻及其他作用，其結(jié)構(gòu)很難用簡單的雙層模型加以概括。雖然如此，在許多關(guān)于地殼結(jié)構(gòu)的文獻中，仍常用上地殼、下地殼乃至中地殼的術(shù)語。 地殼的分層結(jié)構(gòu)，主要是由地震波速度隨深度

16、增加而發(fā)生的變化，以及多個速度不連續(xù)界面的存在確定的。這種分層結(jié)構(gòu)模型，并不是來自對組成地殼物質(zhì)成分的直接觀察。除科學(xué)深鉆取樣外，通過對局部出露于地表的深部地殼剖面和巖石包體的直接觀察，可以獲取組成地殼的物質(zhì)成分的信息。,三、地殼, 通過巖石地球化學(xué)和巖石構(gòu)造的研究，地殼的巖石學(xué)垂直分層可分為： 上地殼：是在未變質(zhì)的表殼巖石下面的由綠片巖相巖石組成； 中地殼：主要為經(jīng)過富鋁的、伴隨局部混合巖化及花崗巖化的角閃巖相巖石； 下地殼： 為含有長英質(zhì)片麻巖和多種侵入體的麻粒巖相巖石。 地殼物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本特點：石英含量向下減少，長石含量向下增多。按照一般地溫梯度（30km）推算，上述分層界面的大致深度為

17、5km、15km和25km左右。,3.3 地殼的巖石學(xué)分層,三、地殼,3.3 地殼的巖石學(xué)分層,三、地殼,研究實例： 根據(jù)對華北地區(qū)出露的地殼巖石的研究，以不同的變質(zhì)相為標志，可得出如右圖所示的地殼巖石學(xué)分層。,3.4 研究實例地學(xué)斷面揭示的地殼結(jié)構(gòu)（了解）, 在19851990年間，國際巖石圈委員會（簡稱ICL）實施了全球地學(xué)斷面（Global Geoscience Transects，簡稱GGT）計劃，在板塊構(gòu)造和地體要領(lǐng)的指導(dǎo)下，依據(jù)地球物理、地球化學(xué)和地質(zhì)構(gòu)造資料相結(jié)合的原則進行綜合編圖，完成了175條GGT斷面，其中包括中國的11條（滕吉文，1994）。 1991年后，在GGT計劃的

18、影響下，中國又進行了一些局部性的GGT斷面研究。由于GGT是世界各國遵循統(tǒng)一的計劃和要求進行的，它便于直接對比世界上不同地區(qū)的巖石圈結(jié)構(gòu)。 以下以中國亞東格爾木和前蘇聯(lián)B-2地學(xué)斷面為例，介紹地學(xué)大斷面所揭示的地殼結(jié)構(gòu)。,三、地殼,（1）亞東格爾木地學(xué)斷面 該斷面南起印度的恒河平原，北至中國的柴達木盆地，全長1400km，跨越了全球最新的喜馬拉雅造山帶，貫穿了世界最高的青藏高原。 地震波速度結(jié)構(gòu)特征（圖1-11）顯示，亞東格爾木斷面內(nèi)巖石圈具有明顯的層狀結(jié)構(gòu)，按地震波速度變化及可能的物質(zhì)組成可將地殼分為上、中、下三層（吳功建等，1991）。,青藏高原內(nèi)部地殼普遍較厚，莫霍面深度較深，約6080

19、km。從斷面上看（圖1-11），中部地殼厚度大，南北兩端薄。,三、地殼,3.4 研究實例地學(xué)斷面揭示的地殼結(jié)構(gòu),（1）上地殼主要由中生界至古生界的沉積蓋層，元古界的淺變質(zhì)巖，太古界的深變質(zhì)巖層及酸性花崗巖等組成。上地殼巖層的速度變化較大，一般為5.306.20kms。上地殼底部普遍存在一低速層，速度為5.605.70kms。它與電性高導(dǎo)層比較一致，推測為含水的構(gòu)造滑脫層。 （2）中地殼深度較厚，一般為3040km，層速度比較穩(wěn)定，一般為6.306.60kms，可能由深變質(zhì)的角閃巖類或輝長巖組成。 （3）下地殼速度呈梯度變化，平均值為7.207.40kms，推測主要為麻粒巖相巖石所組成，并伴有殼

20、?；旌献饔茫渲袏A有榴輝巖。,三、地殼,3.4 研究實例地學(xué)斷面揭示的地殼結(jié)構(gòu),（2）B2地學(xué)大斷面 B2地學(xué)大斷面是高加索北部從北里海隆起向克拉斯諾達爾延伸的一條近緯向地學(xué)斷面，總長1700km。 斷面的地殼可分為上、中、下三層。 上地殼屬低磁性、低導(dǎo)電率介質(zhì)，可劃分出7個塊體與5條裂谷通道。已有的鉆井鉆通，基本上都是花崗片麻巖。 中地殼與上、下地殼明顯不同的是，在中地殼內(nèi)出現(xiàn)了波速梯度逆轉(zhuǎn)零值或負梯度。推斷中地殼的巖石成分為蛇紋巖化的超基性巖，并且來自原始的地幔物質(zhì)。 下地殼是一高速、弱磁、低電導(dǎo)性介質(zhì)層。下地殼塊體的巖石，很可能是玄武巖，即在區(qū)域變質(zhì)的粒變相條件下改造產(chǎn)生的粒變基性巖。,

21、三、地殼,3.4 研究實例地學(xué)斷面揭示的地殼結(jié)構(gòu),圖1-12 大陸地殼的蛇紋巖化超基性巖模型,三、地殼,3.4 研究實例地學(xué)斷面揭示的地殼結(jié)構(gòu),3.5 莫霍面, 莫霍面是全球性地震波速不連續(xù)面的最外層面，是地殼與地幔之間的標志界面。 Steinhurt（1967）對莫霍面的定義：“莫霍洛維奇不連續(xù)面是地球中縱波速度迅速地或不連續(xù)地增大到介于7.68.6kms之間某個值的界面。在沒有可識別的波速增大的情況下，莫霍洛維奇不連續(xù)面被認為是縱波速度首次超過7.6kms的界面”。,三、地殼,3.5 莫霍面, 莫霍面的傳統(tǒng)含義包括（賈喬等，1991）： （1）莫霍面是分異地球的表現(xiàn)和地殼與地幔界面的標志；

22、 （2）莫霍面是地震波速度和巖石成分的一級（即零厚度）不連續(xù)面； （3）莫霍面是均質(zhì)的鎂鐵質(zhì)巖層（上面）與超鎂鐵質(zhì)巖層（下面）之間的界面； （4）莫霍面在全世界范圍都存在，其深度有側(cè)向變化，洋殼下（不算水體）為58km；陸殼下為2070km； （5）在莫霍面上波速有明顯的跳躍，縱波速度從莫霍面以上的7.6kms增加到莫霍面以下的7.6kms。,三、地殼,3.5 莫霍面,最近20多年的研究，對莫霍面的傳統(tǒng)含義提出了改進： 莫霍面可以是一個厚達數(shù)千米的過渡帶。既呈現(xiàn)出明顯的構(gòu)造和巖石的復(fù)雜性，又顯示出性質(zhì)和深度上的強烈側(cè)向變化性。在某些地區(qū)，莫霍面還會受到構(gòu)造和巖漿的改造。 大洋莫霍面是一個復(fù)雜的

23、、互層的、03km厚的結(jié)晶質(zhì)堆積巖過渡帶。頂部主要是鎂鐵質(zhì)成分，底部主要是超鎂鐵質(zhì)成分，覆在上地幔殘留的橄欖巖之上。過渡帶內(nèi)有許多長/厚比很大的巖石透鏡體。 大洋莫霍面是由于上升的地幔橄欖巖釋壓熔融，隨后又在巖漿房中產(chǎn)生了玄武巖質(zhì)液體而在洋中脊形成的。除熱點區(qū)外，大洋莫霍面的深度一律保持在洋底以下58km。在斷裂帶附近，大洋莫霍面變淺；在大洋熱點區(qū)，莫霍面異常厚。,三、地殼,3.5 莫霍面, 大陸莫霍面在厚度和深度上表現(xiàn)出極大的復(fù)雜性和側(cè)向可變性。最古老的陸殼，即未遭受晚期構(gòu)造和巖漿事件的前寒武紀地盾和地臺，下面的莫霍面比顯生宙地殼（不包括年輕造山帶）下面的莫霍面深得多（4050km）。在年輕

24、的造山帶，地殼增厚并具有重要的莫霍面地形起伏。 由于莫霍面的傳統(tǒng)工作模型顯然已不適用于大部分地區(qū)，于是，有人提出“該是拋棄傳統(tǒng)的莫霍面概念并對殼幔界面上或其附近的現(xiàn)象建立一種新的范例的時候”了；另一些人則認為，關(guān)于莫霍面的現(xiàn)代觀點乃是對傳統(tǒng)模型細節(jié)上的改進，而不是否定它的佐證。,三、地殼,主要內(nèi)容,一、固體地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究方法 二、地球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)的劃分 三、地殼 四、地幔 五、核-幔邊界和地核 六、巖石圈,地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物質(zhì)成分示意圖 圖中上地幔有兩種劃分方式：一種只含B區(qū)，另一種含B和C兩個區(qū),D,4.1 概述, 莫霍面以下，古登堡面以上的圈層，即B+C+D層。 體積和質(zhì)量分別占地球總體

25、積的83%和總質(zhì)量的67.1%，上地幔上部地震波速Vp=8.0km/s 。， 在深度400km和670km處各有一個次級不連續(xù)面，將地幔分為B、C、D層，其中以670km為界將地幔分為上、下兩部分，分別稱上地幔和下地幔。,四、地幔,4.2 上地幔, B層（M-面至400km）和C層（400670KM）。 與地殼對比，物質(zhì)成分除Si、O外，F(xiàn)e、Mg含量顯著增加，Al退居次位，由類似橄欖巖的超基性巖組成。 平均密度3.8g/cm3，壓力1.21.35Gpa，溫度4003000； Vp=8.1km/s，Vs=4.7km/s；物質(zhì)狀態(tài)屬具較大塑性的固態(tài)結(jié)晶質(zhì)； 據(jù)高溫高壓實驗資料推斷，分層由上向下體

26、現(xiàn)出礦物的相變，B層以橄欖石結(jié)構(gòu)（橄欖石結(jié)構(gòu)）的鐵鎂硅酸鹽為主，C層以尖晶石結(jié)構(gòu)（尖晶石結(jié)構(gòu)）鐵鎂硅酸鹽為特征，在670km以下，則以鈣鈦礦結(jié)構(gòu)（鈣鈦礦結(jié)構(gòu)）鐵鎂硅酸鹽為特征，表明壓力的增大。 在地幔硅酸鹽晶格或縫隙中，可能含有少量流體（即含有氮、鹵素、堿金屬、碳、氧、氦、硫的化合物），有人稱為幔汁，引起地幔熱對流，使地幔內(nèi)部溫度變化較小，平均地?zé)崽荻?/km。,四、地幔, 上地幔地球物理場的分布（如重力場、地震波速度分布和電導(dǎo)率等），在縱向和橫向上都具有非均質(zhì)和非均勻特性。這一特性可以延伸到上地幔深部，甚至全部上地幔（安德森，1993），與上地幔構(gòu)造和物質(zhì)組成上的非均勻和非均質(zhì)性有關(guān)，并認為

27、前者是后者的宏觀表現(xiàn)。 物質(zhì)成分的非均質(zhì)性主要指它的化學(xué)組分和礦物組分這兩個方面。上地幔的物質(zhì)組成及分布具有層狀非均質(zhì)特性。 相變被認為是導(dǎo)致這一非均質(zhì)性的最重要的因素之一。 構(gòu)造非均勻性的最主要動力學(xué)過程是非均勻流變。橄欖石的高溫塑性流變主要從三個方面導(dǎo)致上地幔變形的非均勻性： 橄欖石的晶格優(yōu)選方位， 流變?nèi)趸妥冃尉植炕４送?，以下因素也可?dǎo)致構(gòu)造非均勻性：上地幔的部分熔融；地幔柱和巖石圈（物理和化學(xué)）的相互作用；海洋巖石圈板塊的俯沖及其與大陸巖石圈的相互作用。,四、地幔,4.2 上地幔,主要的上地幔中不連續(xù)界面或間斷面： （A）200250km地震波速度不連續(xù)界面 這一波速界面最詳盡的早

28、期研究是由Lehmann（1961）進行的，他指出，在北美和歐洲下面，靠近215220km附近發(fā)現(xiàn)不連續(xù)面。所以，這一界面后被稱為Lehmann不連續(xù)面。 觀測資料表明，200250km界面是區(qū)域性的，界面深度的側(cè)向變化很大，并且僅對短波長的地震波反映靈敏（可探測）。 對這一界面有各種解釋，有的認為這是上地幔部分熔融層的底部界面；有的認為是一個化學(xué)（組分）不連續(xù)界面（榴輝巖橄欖巖），有的認為這是一個各向異性剪切帶；還有人提出其成因上與上地幔流動機制（位錯蠕變向擴散蠕變）的轉(zhuǎn)變有關(guān)。總的主導(dǎo)性看法是將這一地震波速度界面解釋為上地幔深部一個復(fù)雜的物質(zhì)組成和（或）構(gòu)造不連續(xù)界面。,四、地幔,4.2

29、上地幔,（B）400km地震波速度不連續(xù)界面 這是一個全球性的速度界面，界面厚度約10km，分布穩(wěn)定。 對這一速度界面已經(jīng)提出了兩種解釋：一種認為是橄欖石尖晶石相變界面，并作為均勻地幔的平衡邊界；一種認為是一個化學(xué)界面（榴輝巖橄欖巖）。 前者已經(jīng)得到了許多（波速，相變等）實驗結(jié)果的支持，但是在界面上、下主要礦物含量上仍然存在著分歧。 兩種觀點的共同點在于：都認為這基本上是上地幔內(nèi)最重要的物質(zhì)組成不連續(xù)界面。,四、地幔,4.2 上地幔,（C）520km地震波速度不連續(xù)界面 這一速度界面是區(qū)域性的，界面厚度約5km左右?，F(xiàn)在對這一界面的性質(zhì)認識并不十分清楚。 積累的實驗數(shù)據(jù)表明：在相當于這一深度的

30、溫度、壓力下存在著兩個礦物相變序列，一個是尖晶石向尖晶石的轉(zhuǎn)變，另一個是富鈣鋁硬玉相礦物向富鋁石榴子石相礦物的轉(zhuǎn)變。對前一種相變涉及的礦物波速測定結(jié)果表明，它們能夠產(chǎn)生相應(yīng)量級的波速跳躍。第二種解釋的可能性不大，因為上地幔富鈣鋁的硬玉含量非常有限，很難產(chǎn)生觀測到的波速跳躍。最近在研究上地幔主要礦物相之一的石榴子石的晶體結(jié)構(gòu)時注意到，在相當于550km的溫度壓力條件下，石榴子石有可能產(chǎn)生（斜方立方）二階晶體結(jié)構(gòu)相變，這類二階礦物相變完全可能導(dǎo)致（3）波速的不連續(xù)跳躍。,四、地幔,4.2 上地幔,（D）670km地震波速度不連續(xù)界面 這是一個全球性的地震波速度不連續(xù)界面，界面深度大約有100km的

31、變化。下地幔從這一界面的下側(cè)開始，這一界面也就是上、下地幔的分界面。 由于確定的界面深度差異，除稱此界面為“670km界(間)面”外，也稱為“660km界面”或“650km界面”。觀測到的界面厚度約10km。 實驗結(jié)果表明，其成因與礦物相變和化學(xué)組分的不連續(xù)變化有關(guān)。界面上部的波速界面主要起因于尖晶石相礦物向鈣鈦礦相礦物的相變，其下的速度梯度帶可能反映了化學(xué)組分的變化（化學(xué)組分梯度帶）。,四、地幔,4.2 上地幔,主要的上地幔中不連續(xù)界面或間斷面： 綜上所述，400km，520km和670km的地震波速度不連續(xù)界面代表上地幔內(nèi)部的化學(xué)、礦物組分和礦物相變的不連續(xù)界面。 對220250km地震波

32、速度不連續(xù)界面的性質(zhì)，認識尚不十分清楚，它們在成因上非常可能與復(fù)雜的上地幔動力學(xué)過程相關(guān)。,四、地幔,4.2 上地幔,4.3 上地幔軟流圈, 板塊構(gòu)造學(xué)說認為，巖石圈是在軟流圈上作相對運動，軟流圈的發(fā)現(xiàn)是板塊構(gòu)造學(xué)說的立論基礎(chǔ)之一。 深度在60400km范圍內(nèi)（厚度100350km），地震波速顯著降低的一個圈層（低速層）。Vp由8.2km/s降到7.7km/s，Vs從4.6km/s降到因4.0km/s。溫度高于物質(zhì)在該深度的熔點，使該層以固體為主并在局部呈熔融或軟化狀態(tài)，被稱為軟流圈（層）。,四、地幔,4.3 上地幔軟流圈, 20世紀80年代初期對軟流圈的認識是：軟流圈又叫地幔低速層、塑性層、

33、低剛度層、對流層，它具有以下一些特點（肖慶輝，1993；馬宗晉，2003）： （1）深度一般為60250km，各地厚薄不一。 （2）軟流圈的頂、底部不是一個平整的面，而是逐漸過渡的層帶。 （3）巖石處于熔融或塑性狀態(tài)。很小應(yīng)力作用就能引起物質(zhì)流動。而軟流圈物質(zhì)的流動或?qū)α?，就會帶動巖石圈的運動。 （4）洋殼下的軟流圈比陸殼下的軟流圈厚。 （5）軟流圈物質(zhì)的密度比周圍地幔的密度小。,四、地幔,4.4 下地幔, D層（6702885km） 物質(zhì)成分主要為硅酸鹽，還有金屬氧化物和硫化物，F(xiàn)e、Ni顯著增加，主要礦物為鎂方鐵礦（Mg，F(xiàn)e）O，具石鹽結(jié)構(gòu)（石鹽結(jié)構(gòu)），硅酸鹽（Mg，F(xiàn)e）SiO3具鈦鐵

34、礦結(jié)構(gòu)，是下地幔的主要礦物相。 平均密度5.7g/cm3，壓力約135Gpa，溫度18504400； 物質(zhì)呈固態(tài)；化學(xué)作用向深部逐漸減弱，以致很難進行，放射性物質(zhì)含量很低。 層析成像結(jié)構(gòu)表明，下地幔在縱向和橫向也具有非均勻性。,四、地幔,4.4 下地幔, 推斷下地幔成分和性質(zhì)的方法（安德森，1993）： （1）根據(jù)地震波速度，由波速密度關(guān)系求得下地幔物質(zhì)的密度； （2）用沖擊波實驗法得到各種碳酸巖和氧化物在高壓下的密度，并與地震波所確定的密度相對比； （3）依據(jù)下地幔是均勻而絕熱的假設(shè)，將地震波資料外推至零壓，將零壓參數(shù)與各種候選礦物和成分所推斷或測量的數(shù)值進行比較； （4）利用各種候選低壓巖

35、相（例如鈣鈦礦或鎂方鐵礦）物理性質(zhì)的測定值或推斷值，來外推至下地幔條件。,四、地幔,4.5 D層, 地幔底部靠近地核的厚200300km的層，深度27002900 km。也稱為核幔過渡帶。 化學(xué)成分上與地幔其余部分不同，可能代表地核中分解的物質(zhì)，或通過地幔沉積而不能沉入地核的較致密物質(zhì)。 該層質(zhì)量占地球總質(zhì)量的3%，并具橫向不均勻性。 厚度和位置不確定，厚度可在100450km之間變化，平均厚度250265km，在核幔邊界上時隱時現(xiàn)。該層比上覆地幔稍致密一點，它在受熱時升入下地幔，在冷卻時又沉回原處。,四、地幔,4.5 D層, 從地球物理學(xué)角度，將D層看作是一般的地震波速度低梯度和走時與振幅分

36、散度增加的區(qū)域。在此層Vs的變化為5，Vp的變化為2.5。而且，D的頂部速度隨深度增大，而在其下部速度隨深度減小。因此，D層是地震波速度的間斷面。由于該層強烈地散射地震波，有人稱它為地幔的“第二散射層”。 從熱力學(xué)角度，因為熱流是從金屬核（高熱傳導(dǎo)區(qū)）進入下地幔（低熱傳導(dǎo)區(qū)），所以也認為D層是地幔的熱邊界層。 從地球化學(xué)角度，D層可能代表一個化學(xué)上的特殊區(qū)域，是一化學(xué)界面。,四、地幔, D層被認為可能是地幔柱的根。 安德森（1993）認為D層可能是古代消減巖石圈的貯藏室。D層要比平均地幔更加難熔（Ca，Al，Ti等富集）。 D層中可能有相變和化學(xué)不均勻性存在。關(guān)于D層中化學(xué)不均勻性的成因，目前

37、還沒有統(tǒng)一的解釋，可能是地幔早期分異的結(jié)果，或是板塊消減的產(chǎn)物，也可能是核幔之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)造成的。,4.5 D層,四、地幔,主要內(nèi)容,一、固體地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究方法 二、地球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)的劃分 三、地殼 四、地幔 五、核-幔邊界和地核 六、巖石圈,地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物質(zhì)成分示意圖 圖中上地幔有兩種劃分方式：一種只含B區(qū)，另一種含B和C兩個區(qū),D,5.1 核幔邊界（core mantle boundary, CMB）, 是地球的固態(tài)地幔和液態(tài)外核之間的界面。 地核存在的第一個地震波證據(jù)是在1906年由Oldham得出的。1912年，古登堡第一次確定地核的深度為2900km。有時將核幔邊界（CMB）

38、稱為古登堡間斷面。 CMB之下的地核在物質(zhì)組成、力學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)上，都與其上的地幔有巨大不同，因而，CMB是一個明顯的物理界面。 核幔邊界還是夾在由于地核與地幔間巨大的溫度差所產(chǎn)生的熱邊界層之間的一個不均勻的化學(xué)邊界層。,五、核-幔邊界和地核,5.1 核幔邊界（CMB）, 核幔邊界并不是一個光滑的界面。Hide et al（1968）根據(jù)地球重力場的分析，提出CMB存在地形起伏。不同學(xué)者所得CMB地形有一定差異，但比較一致的認識是，CMB的地形起伏僅為幾km，它的橫向不均勻性不如它上面的D層顯著。 核幔邊界超低速帶（ULVZ）。是最近利用特殊的地震震相發(fā)現(xiàn)的。該帶的特征是P波和S波速度分別降

39、低10和30，帶的厚度在550km間變化。ULVZ可能源于某些下地幔物質(zhì)的部分熔融，也可能是由化學(xué)不均勻性引起的。地幔和地核之間的過渡帶稱為CMB“模糊區(qū)”。,五、核-幔邊界和地核,5.1 核幔邊界（CMB）,圖1-16 顯示核幔邊界特征的卡通圖 （據(jù)Gamero，2000） 包括超低速帶（ULVZ）、過渡帶或CMB模糊區(qū)及其下面非零剛性的殼層，化學(xué)的和熔融的散射體遍布D層，D層中的晶粒、雜質(zhì)或熔體產(chǎn)生D層的各向異性，并可能是地幔柱的根,五、核-幔邊界和地核, 2885km古登堡面以下的地球核心部分，體積和質(zhì)量分別占地球總體積的16.2%和32.5%。 地震波速的變化顯示，地核分為外核（E層，

40、深度范圍28854640km），過渡層（F層，深度范圍46405155km）和內(nèi)核（G層，5155km以下）。 對地核物理性質(zhì)的研究依據(jù)地震波速；對成分的研究主要依據(jù)對隕石的研究，二是來自高溫、高壓實驗。,5.2 地核的組成和性質(zhì),五、核-幔邊界和地核, 外核（E層）為Fe、Si、Ni組成的熔融體，接近液體，可能有輕元素S、O等；Vp=8.18.9km/s，Vs=0，密度5.712g/cm3，壓力143298GPa，溫度37005500 . 內(nèi)核（G層）為固體。物質(zhì)組成為Fe、Ni合金，Vp=11.211.3km/s，Vs=3.63.7km/s，密度為12.713g/cm3，壓力為332370GPa，溫度為47206000 。內(nèi)核半徑為1216km，質(zhì)量占地球總質(zhì)量的1.7%。內(nèi)核對P波是各向異性的：沿自轉(zhuǎn)軸進入內(nèi)核的縱波速度比沿赤道進入內(nèi)核的縱波速度要快約34%。,5.2 地核的組成和性質(zhì),五、核-幔邊界和地核,主要內(nèi)容,一、固體地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究方法 二、地球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)的劃分 三、地殼 四、地幔 五、核-幔邊界和地核 六、巖石圈,地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物質(zhì)成分示意圖 圖中上地幔有兩種劃分方式：一種只含B區(qū)，另一種含B和C兩個區(qū),D,地表到軟流圈之上的地球外部圈層，包括地殼和上地幔上部。是大地構(gòu)造研究的主要對象。,六、巖石圈,6.1 巖石