地球的結(jié)構(gòu)(從地震和相關(guān)角度)
地球本是一個(gè)非均質(zhì)的球體。它在長期運(yùn)動(dòng)和物質(zhì)分異過程中，按照密度的大小，分離成若干由不同狀態(tài)和不同物質(zhì)組成的同心(地心)球?qū)印?/p>
地球表面由巖石構(gòu)成。它主要是巖漿巖，即從地內(nèi)上升的熾熱巖漿冷凝而成的巖石。在巖漿巖上面，往往有一層較薄的沉積巖(一般不超過4—5km)和更薄的土壤覆蓋層。地球的這一表層，包括巖漿巖、沉積巖和土壤覆蓋層在內(nèi)，被叫做巖石圈。
地球的外部結(jié)構(gòu)，人們可以直接進(jìn)行觀測;而研究地球內(nèi)部的情況，問題就要困難得多，因?yàn)槿藗兡軌蛑苯佑^測到的，只限于裸露在地表和來自鉆井的巖石和礦物標(biāo)本。然而，目前世界上最深的鉆孔，不過10km左右，對于6371km的地球平均半徑來說，這個(gè)深度是極其有限的。這樣，關(guān)于地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)情況，只得通過各種間接手段進(jìn)行研究，如地震波的傳播，熱的傳導(dǎo)，以及磁性和重力等。其中，地震波的傳播情況，對研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)最為重要。如同醫(yī)生用超聲波檢查人體內(nèi)部器官的病變一樣，地球物理學(xué)家借助地震波來探測地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。地震波有兩種來源，即人工爆炸和天然地震。人工地震波能量較小，被廣泛應(yīng)用于地層構(gòu)造和地下礦體的探測。強(qiáng)烈的天然地震，震波從震源通過地球介質(zhì)向各個(gè)方向傳播到整個(gè)地球。
地震體波又分縱波(P波)和橫波(S波)兩種。縱波是一種壓縮波，是物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)以波的傳播方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使介質(zhì)發(fā)生周期性的壓縮和膨脹。打個(gè)比方，可以把介質(zhì)的張弛想象為手風(fēng)琴的一張一合的運(yùn)動(dòng)。這樣的震波能在任何介質(zhì)中傳播。橫波是一種剪切波，是物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)垂直于波的傳播方向的振動(dòng)，如同我們所熟悉的蛇行那樣。抖動(dòng)一條繩子所產(chǎn)生的波類似于S波，它使介質(zhì)發(fā)生周期性變形。這種震波不能通過液態(tài)和氣態(tài)介質(zhì)。
地震波之所以能夠反映地球內(nèi)部的物理性質(zhì)，是因?yàn)樗膫鞑ニ俣纫虻貎?nèi)物質(zhì)的彈性和密度而不同。由于地震波速度的變化，地震射線有折射現(xiàn)象;在地震波速度發(fā)生突變的地方，地震射線還有反射現(xiàn)象。折射和反射現(xiàn)象，使地震射線由直線變?yōu)榍€和折線。
因此，地震波的傳播是十分復(fù)雜的;造成地震波傳播復(fù)雜的原因，是地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
在地球內(nèi)部，地震波的速度因深度而不同。這是因?yàn)榈貎?nèi)物質(zhì)的密度和彈性因深度而不同。在同一深度的不同地點(diǎn)，都有相同的波速。這樣，地內(nèi)物質(zhì)可按深度，即按其密度和彈性，分成不同的圈層。這就是地球內(nèi)部的圈層結(jié)構(gòu)。
根據(jù)對地震波傳播的研究，地球內(nèi)部分為四個(gè)主要圈層。它們是地殼、地幔和地核;地核又分外核和內(nèi)核。各個(gè)圈層之間，存在一個(gè)物理上的界面，即不連續(xù)面。地殼和地幔之間的界面在地面以下20—30km，稱為莫霍洛維奇界面(Mohorovicic discontinuity)，簡稱莫霍面。在那里，P波和S波的波速都急劇升高。地幔和外核之間的界面約在2900 km深處，稱古登堡界面(Gutenbery discontinuity)。在那里，P波速度急劇下降，S波停滯不前，突然消失。外核和內(nèi)核之間的界面出現(xiàn)在5100km深處，稱利曼界面(Rehmann discontinuity)。在這個(gè)界面上，P波又急劇加速，S波重又出現(xiàn)(由P波轉(zhuǎn)換而來)。
地殼的厚度很不均勻。大陸部分地殼較厚，平均約為30km;海洋部分地殼較薄，平均為11km，太平洋底最薄處僅8km。地殼中還有次一級的不連續(xù)面，分地殼為上下兩層：上部是花崗巖類巖石，富含較輕的物質(zhì)硅和鋁，叫硅鋁層;下部是玄武巖類巖石，除硅和鋁外，還含有較多的鎂和鐵，叫硅鎂層。在大洋底部，硅鎂層直接露出洋底。
地幔的組成物質(zhì)主要是鐵鎂含量很高的硅酸鹽礦物所組成的橄欖巖。在1000km左右的深度上，還有一個(gè)次一級的不連續(xù)面，分地幔為上下二層。上地幔頂部也有一層固體巖石層，它與地殼共同組成具有剛性的巖石圈。巖石圈的厚度為70—100km。巖石圈以下，地震波速度明顯下降，在那里出現(xiàn)一個(gè)地震波的低速層。這表明，那里的巖石已接近熔融狀態(tài)，具有很大的可塑性。同上部的巖石圈比較，它易于流動(dòng)，稱為軟流圈，其厚度約為200km。
地幔與地核之間的古登堡面，是地球內(nèi)部最顯著的一個(gè)不連續(xù)面。P波到了這個(gè)界面上，突然減速，并急劇改變行進(jìn)方向，以致地面上產(chǎn)生P波的影區(qū)，即P波無法到達(dá)的地帶;同時(shí)，S波在這個(gè)界面上突然消失，以致地面上產(chǎn)生 S波的影區(qū)。前者是一個(gè)寬度為 4 100km的環(huán)形地帶(其南北界線距震中分別為5700km和11600km);后者是一個(gè)以震中的對蹠點(diǎn)為中心、半徑為8 400km的圓形地區(qū)。
根據(jù)上述情況可以推斷，地球的外核是液體，因?yàn)镻波在液體介質(zhì)中要急劇減速，而S波不能在液體中傳播。但在5 100km深處的利曼界面上，P波又急劇加速;同時(shí)，S波又重新出現(xiàn)，由此可知，地球的內(nèi)核是固體。因?yàn)樵诘睾藘?nèi)部，P波的加速和S波的再現(xiàn)，只能被認(rèn)為是地震射線由液體進(jìn)入固體的反映。
回顧地震學(xué)的歷史，地球物理學(xué)家們經(jīng)過了近一個(gè)世紀(jì)的努力，使得人類對自己居住星球的平均結(jié)構(gòu)有了大概的認(rèn)識。近年來，隨著地震臺(tái)網(wǎng)的加密和特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，更為精細(xì)的地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)也逐漸被科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)。新研究顯示，就像夾心巧克力塊里面有花生醬和蜂蜜一樣，地球的內(nèi)部遠(yuǎn)比外觀呈現(xiàn)的差異性更大。
最新數(shù)據(jù)顯示，地幔比以前人們認(rèn)為的包含更多不同物質(zhì)。因此現(xiàn)在人們認(rèn)為對流(被加熱的物質(zhì)如何沸騰)的原理存在很大不同。亞利桑那州立大學(xué)的研究員艾倫·邁克納馬拉解釋說：“設(shè)想一壺水正在沸騰，它是個(gè)合成物，現(xiàn)在將一罐蜂蜜倒進(jìn)水壺里。蜂蜜要以對流方式進(jìn)入水體，這是個(gè)更加復(fù)雜的體系。”根據(jù)這項(xiàng)最新數(shù)據(jù)，一種理論認(rèn)為，長期以來測量的在地球內(nèi)部穿行的震波的速度差異達(dá)到驚人程度。急劇的速度變化顯示震波正通過不同物質(zhì)。研究人員表示，在地球的每側(cè)存在兩個(gè)較大的化學(xué)成分截然不同的致密物質(zhì)堆或堆積物，這個(gè)物體達(dá)到數(shù)百公里厚，一處位于太平洋下面，另一處位于大西洋和非洲下面。
邁克納馬拉說：“這些物質(zhì)像花生醬。它是固體巖石，但是巨大的壓力和極高的溫度讓這些巖石變得像柔軟的花生醬。因此任何壓力都能引起它流動(dòng)。”了解這種堆積物內(nèi)部的物質(zhì)是如何運(yùn)動(dòng)，將有助于科學(xué)家更好地理解地球表面板塊是怎樣運(yùn)動(dòng)引起地震并形成高山的。邁克納馬拉說：“這些堆積物指出了對流循環(huán)產(chǎn)生的方式，以及當(dāng)前的循環(huán)方式。如果沒有這些堆積物，對流將與現(xiàn)在完全 不同。”
參考文獻(xiàn)：
《地震學(xué)引論》，[美] Peter M. Shearer， 地震出版社
《地球內(nèi)部物理》， 周蕙蘭， 地震出版社
江蘇教育學(xué)院網(wǎng)站，http://www.jsie.edu.cn/web/dqgl/j14.htm
http://tech.sina.com.cn/d/2008-05-06/07202177326.shtml