第2章 地球的基本特征.doc

第2章 行星地球 36 第2章 地球的基本特征 第1节 地球概况 一、地球的形状和大小 （一） 对地球形状、大小的认识 图2–1大地水准体（实线包围部分）和地球真实 形状（引自王维，地球的形状） 人类在长期生产实践中，对于地球形状的认识经历了反复曲折的过程。当初人们确认地球的形状为圆球形，这是一个认识上的进步，有人比喻为第一级近似。到18世纪末，人们普遍认识到地球为极轴方向扁缩的椭球，这是第二级近似。为了数学上计算方便，人们用“旋转椭球体”这一几何形体来代表地球的形状。所谓旋转椭球体是将一个椭圆以它的短轴为轴旋转而成的球体。地球因自转而变扁，这符合逻辑和事实，但地球不是流体，所以旋转椭球体的光滑表面并不完全和地球真实形状一致。地球表面有大陆和海洋，地势有高有低，其形状是非常不规则的。后来通过重力测量采用“大地水准体”（Geoid）这个概念来代表地球的形状（图2–1），这是第三级近似。大地水准体是指由平均海面所封闭的球体形状。海面上的重力位各处都是相等的，即海面在重力作用下是一个等位面，把这个等位面延伸通过大陆，就形成一个封闭曲面，这个曲面叫大地水准面。由于地球表面有71为海洋所占据，所以在一定程度上讲，大地水准面代表了地球的形状，而且这个面是一个实际存在的面。但它仍然是介于旋转椭球体和地球真实形状之间的一个中间形态。 近年来，随着人造卫星等空间技术的发展，大大地推动了关于地球形状的深入研究，取得了一些新的数据。概括说来，有以下几个方面的认识（1）大地水准面不是一个稳定的旋转椭球面，而是有地方隆起，有地方凹陷，相差可达l00m以上；（2）地球赤道横截面不是正圆形，而是近似椭圆形，长轴指向西经20和东经160方向，长短轴之差为430m；（3）赤道面不是地球的对称面，从包含南北极的垂直于赤道平面的纵剖面来看，其形状与标准椭球体相比较，位于南极的南极大陆比基准面凹进24m；而位于北极的没有大陆的北冰洋却高出基准面14m。同时，从赤道到南纬60之间高出基准面，而从赤道到北纬45之间低于基准面。用夸大了的比例尺来看，这一形状是一个近似“梨”的形状（图2–2）。这一认识是到目前为止对于地球认识的一个新阶段。这种认识说明地球的形状及反映这种形状的内部物质状态还处于不断调整的动态平衡状态。当然，今后卫星测量还必须结合大地测量、重力测量和天文测量等综合手段，才能获得进一步精确的数据。 （二）地球的形状和大小的最新数据 1975年9月，国际大地测量学和地球物理学联合会第18届年会推荐和1980年公布的部分大地测量常数值，后者带*号 地球赤道半经（a）6 378 137m* 地球极半经（c）6 356 752m* 扁率* 赤道标准重力加速度（）（978 032土1）10 –5ms–2 （三）地球的其它数据 地球平均半经6 371km 子午线周长40 008.08km 赤道周长40 075.24km 地球的面积51 000万km2* 海洋面积36 100万km2，占地球总面积的70.8 图2–2根据卫星测量所得出的地球形状（夸大） （φ表示纬度）（引自王维，地球的形状） 陆地面积14 900万km2，占地球总面积的29.2 地球的体积10 830亿km3* 地球的质量25.9761027g* 地球的平均密度5.517gcm–3 物体脱离的临界速度11.2kms–1 赤道上点的线速度465ms–1 地球沿轨道运动的平均速度29.78kms–1 大陆最高山峰（珠穆朗玛峰）8846.27m 大陆平均高度825m 海洋最深海沟–11 034m 海洋平均深度–3 800rn 大陆和海洋的平均高度–2 448m（即全球表面无起伏，将被2 448m厚的海水所覆盖） 从以上数据可知，地球表面不仅海陆并存，而且地面起伏最大高差近20km。但若把地球缩小，以3.2m为半径，画一道高1.5cm的圆周线带，则地表的最高点和最低点均可包括在这道圆周线带内；同时，由于地球扁率只有1/298，无论是旋转椭球体、大地水准体或近似“梨”形体，从宏观上看地球仍然是近似球形的球体。 二、地球的物理性质 （一）地球的密度和重力 地球的质量是根据万有引力定律计算出来的，用地球的质量除以地球的体积，便可得出地球的平均密度是5.517gcm–3，而地壳上部的岩石平均密度是2.65gcm–3，由此推测地球内部必有密度更大的物质。根据地震资料得知，地球密度是随着深度的加深而增大的，并且在地下若干深度处密度呈跳跃式变化，推测地核部分密度可达13gcm–3左右。 地球的平均密度和水星（5.4）相差不多，月球（3.341）和火星（3.95）的密度都比地球小，其它行星的密度就更小了。当前很重视和其它星体对比来研究地球。 地球的重力一般是指地球对地表和地内物质的引力。而万有引力Fm1m2/r2，由此可知，重力与地球质量（m1）和物体质量（m2）的乘积成正比，与地球和物体二者质量中心直线距离的平方（r2）成反比。地表重力因还受地球自转产生的离心力和各点与地心距离的影响，故各地并不相等，且随海拔和纬度的不同而发生变化。据计算在两极，重力比赤道地区大0.53，也就是说把在两极重l00kg的物体搬到赤道地区时，则变成99.47 kg。通常用单位质量所受的重力，即重力加速度（g）来表示各地的重力大小。如在赤道的重力为978.0318Gal① 伽（Gal）1Gal 10 –2 ms-2，伽的千分之一为毫伽（mGal）。 ，在两极为983.2177Gal。 如果把地球看作一个理想的扁球体（旋转椭球体），并且内部密度无横向变化，所计算出的重力值，称理论重力值。但由于各地海拔高度、周围地形以及地下岩石密度不同，以致所测出的实际重力值不同于理论值，称为重力异常。比理论值大的称正异常，比理论值小的称负异常。存在一些密度较大物质的地区，如铁、铜、铅、锌等金属矿区，就常表现为正异常；而存在一些密度较小物质的地区，如石油、煤、盐类以及大量地下水等，就常表现为负异常。异常的大小取决于矿石与周围岩石的密度差、矿体的大小以及矿体的埋藏深度。根据这个道理可以进行找矿和地质调查，这称为重力勘探，是地球物理勘探方法之一。 但是，利用重力异常研究地质情况，必须对实测重力值进行校正，即必须清除各种因素对实测值的影响。第一，实测点有一定的海拔高度，海拔越高，距地心距离越大，而高差每增减1m，重力差则为0.308 3mGal。因此，须要一律校正至海平面高度，这种校正只考虑海平面与测点之间高差的影响，而未考虑海平面与测点之间物质的影响，就好象那里是空的一样，所以这种校正称自由空气校正。经这样校正后的重力值与理论重力值之差，称为自由空气异常；第二，测点与海平面之间还有岩石（平均密度一般按2.67gcm-3计算）对重力产生影响，测点周围地形也对重力产生影响，因此自由空气校正后的重力值还必须减去这部分岩石和地形对测点所产生的重力值，这种校正称为布格校正，布格校正后的重力值与理论重力值之差称为布格异常。这种异常应用最广，在文献中所看到的重力异常一般皆指布格重力异常。 图2–3 是中国大陆部分布格重力异常图，从图上可以看出有两点值得注意的情况①青藏高原边缘和大兴安岭及太行山边缘有明显的“重力台阶”，这说明地质情况有很大变化；②丘陵及平原地带重力异常值较小，而青藏高原等地负异常值较大，甚至达到负400～500mGal，这说明高原、高山地带在海平面以下的部分存在着某种补偿作用，从而抵消了高山、高原对重力的影响。根据这种现象，有人提出“地壳均衡说”，认为山脉是较轻的岩块浮在较重的介质之上，仿佛冰山浮在海水中一样，山越高，它深入下部介质中的深度也越大，这深入的部分通称“山根”。这种论点现已为许多证据所证实。 图2–3 中国大陆部分（不包括海洋及岛屿）布格重力异常图 等值线上数字单位为mGal；（据中国科学院地球物理研究所） （二）地磁 地球周围有一个巨大的地磁场。早在公元前3世纪战国时期，中国就已利用地球磁性发明了指南仪器司南。后来人们还发现地磁极与地理极的位置是不一致的。 地球磁场同置于地球中心的一个大条形磁铁（条形磁铁与地轴呈11.5相交）所产生的偶极磁场相类似（图2–4）。条形磁铁的北极指向地球的南磁极，条形磁铁的南极指向地球的北磁极。其磁力线是从南磁极出发进入北磁极的。当然事实上地球内部并无这样一个条形磁铁。 为了确定地表任何一点的地磁场，需要进行磁场强度测量。如图2–5所示，箭头代表向量，其长度代表磁场强度（磁场强度单位为奥斯特Oe），它在水平面上的投影为水平强度，它的垂直分量为垂直强度，图中θ角称磁偏角，α称磁倾角。磁偏角也就是地磁子午线与地理子午线的夹角，以指北针为准，偏东为正，偏西为负。磁倾角即磁针与所在地水平面的夹角，常随纬度而变化，在两磁极α角为90，在磁赤道则为0，以指北针为准，下倾者为正，上仰者为负。 概括而言，地磁具有以下特点 ①地磁南北极和地理南北极的位置不一致，并且磁极的位置逐年都有变化，如表2–1，磁极有向西缓慢移动的趋势。 ②地面上每一点都可从理论上计算出它的磁偏角和磁倾角。如磁偏角和磁倾角与理论值不符时，叫做地磁异常。局部的地磁异常主要是由地下岩石磁性差异引起。属于地球物理勘探方法之一的磁法勘探就是据此寻找地磁异常区，从而发现隐伏地下的高磁性矿床。此外通过研究在亿万年前所形成的岩石中保存下来的剩余磁性的方向和强度，来判断地球磁场方向和强度的变化，称古地磁学。它可以配合其它方法探索地球岩石圈构造发展的历史。 图2–4 地球磁场示意图 图2–5 地磁场要素示意图 ③根据人造卫星在地球外层空间探测发现，地球磁场的磁力线并不像图2–4所示那样规则，由于太阳风的影响，地球的磁场被压缩在一个固定区域内，这个区域叫磁层（图2–6）。磁层像一个头朝太阳的彗星，磁层顶部朝向太阳，距离地球有10个地球半径远，而尾部可以拖到几百个地球半径那么远。磁层可以使地球上的生物免受宇宙射线和粒子袭击的危害。 图2–6 地球磁层 磁层中有二个特殊区域，像两个汽车轮胎套在地球周围， 那里充满高能带电粒子，叫做范艾伦辐射带 ④关于地球磁场形成的原因，曾有种种推测很早人们认为地球的地核部分为具有磁性的镍铁物质，从而形成地球磁场。但是，地内温度高达几千摄氏度，远远超过铁磁性矿物的居里点① 居里点，又称居里温度，指磁性体受热而丧失磁性的临界温度，居里于1895年发现。一般金属的居里点为400～700℃。 ，不可能产生磁场。目前所知，仅仅在20km范围内的岩石圈部分可以具有铁磁性，但它所产生的磁场强度不可能达到地磁场强度的数量级。还有人认为巨大质量物体的转动可以导致电磁效应，这种看法也被否定了。目前倾向于这种认识地核的外核部分为液态的金属铁镍物质，是一种导电流体，在地球旋转过程中，产生感应自激，形成地球磁场。又因在地球转动过程中，流体地核比固体地幔略有滞后，因此产生地球磁场逐渐向西漂移。但这些假说有待于继续研究证实。 （三）地热 地球内部储存着巨大的热能，这就是常说的地热。地壳表层的温度常随外界温度而有日变化和年变化，但从地表向下到达一定深度，其温度不随外界温度而变化，这一深度叫常温层。它的深度因地而异，在中国北方，温度具有年变化的深度大约在30m左右。在年常温层以下，地温随深度而增加，此增温规律可以用地热增温级或地热梯度表示。所谓地热增温级是指在年常温层以下，温度每升高1℃时所增加的深度，单位是m℃-1，例如，大庆的地热增温级为20m℃-1，北京房山为50m℃-1。地热增温级的平均数值是33 m℃-1。地热增温级的倒数叫地热梯度，即深度每增加l00m所升高的温度，单位是℃l00m -1。地热梯度的平均数值是3℃l00m -1。 表2–1 近代地磁极位置 年 代 北 磁 极 南 磁 极 1831* 70.1N，96.8W 1841* 75.0S，153.7E 1904* 70.5N，96.5W 1909* 72.4S，153.3E 1912* 71.2S，150.8E 1948* 73.0N，100W 1952* 68.7S，143.0E 1960 74.9N，101.0W 67.1S，142.7E 1965 75.5N，100.5W 66.5S，139.9E 1970 76.2N，101.0W 66.0S，139.1E 1975* 76.2N，100.6W 1975 76.1N，100.0W 65.8S，139.4E 1980 78.2N，102.9W 65.6S，139.4E 1983* 65.2S，138.7E *实测位置 地热增温的规律只适用于地壳部分或岩石圈（图2–7）。据地球物理资料推断，整个地球的平均温度约为2 000℃。 图2–7 地球内部推测温度分布曲线 地热的主要来源是由放射性元素衰变而产生的，如铀（U238，U235）、钍（Th232）、钾（K40）等（表2-2）。这些放射性元素衰变析出的总热能值，现有各种不同的估计，根据侯德封等1973年资料，至少为2.141021Ja-1。此外，也有一部分热能可能是由构造变动的机械能、化学能、重力能和地球旋转能等转换而来的。还有人认为地热是地球形成时残余下来的，这就是所谓“残余热说”。 地球内的热能可以通过不同形式进行释放，如火山喷发、热水活动以及构造运动等都是消耗地热的形式。但地热释放最经常和持续的形式是地球内部热能从地球深部向地表的传输，这种现象称为大地热流。地球通过大地热流放热的现象是十分普遍的，只是单位面积（lcm2）的放热量很小，平均每秒钟只有6.1510–6J。热流量的单位为4.186810–6Jcm-2s-1，通称地热流量单位（HFU）。虽然地表单位面积的每秒热流量很小，但整个地球表面在一年中的放热总量可以达到9.631020～1.091021J，这个数字相当于燃烧300多亿吨煤放出的热量。可见地球本身是一个庞大的热库。 表2-2 各类岩石放射性元素含量及生热率 岩类 放射性元素含量/mgkg-1 平均总生热率/ Jga-1 铀（U） 钍（Th） 钾（K） 4.210-8 4.210-14 沉积岩 3.00 5.00 20 000 1 557.64 49.40 花岗岩 4.75 18.50 37 900 3 424.80 108.02 玄武岩 0.60 2.70 8 400 502.42 15.89 橄榄岩 0.015 0.05 63 9.46 0.30 地热流量或地热流值（Q）的计算公式是岩石导热率（K）和垂直地热梯度（dT / dZ）的乘积，即Q K（dT/dZ），式中T代表温度，Z代表深度。一般是在室内测定岩心标本的导热率，在钻井中测量地热梯度，两个数值相乘，即得出地热流值。但用钻井岩心标本测定导热率存在很大困难，例如岩心标本离开它原来的位置，其温度、湿度和所受的压力等自然状态有了很大变化，有时岩心发生破裂，或者岩心取自松散岩层，凡此等等，都会使测量的数值产生很大误差。近年来研究成功一种地热流原位测定的仪器，特别适用于测量海底淤积层的导热率，大大推动了海洋地热流测定进度。到20世纪80年代末，全球地热值已测得1万多个，其中有2/3的数值测自海洋。得到一些对全球热流量研究有意义的结果 ①近年对全球地热流值的统计数字表明，全球平均地热流值为1.470.74HFU，大陆平均热流值为1.460.46 HFU，海洋为1.470.79 HFU，大陆和海洋平均地热流值几乎相等。 ②地热流值的分布具有明显的空间差异，以海洋而论，在洋中脊最高，为1.901.48HFU，海盆地区为1.270.53HFU，而距离洋中脊最远的海沟其平均值最低，只有1.160.70HFU；在大陆上，不同时期形成的岩石或大地构造单元，从古到新，地热流值表现为由低到高的趋向，最古老的前寒纪地块为0.910.02HFU，早古生代加里东褶皱带为1.110.07HFU，晚古生代海西褶皱带为1.240.03HFU，中生代褶皱带为1.420.06HFU，新生代喜马拉雅褶皱带为1.750.06HFU，表明较新的构造带具有更为活跃的地热活动。 ③研究还表明，地热流值与岩石圈厚度有关。岩石圈越薄，地热流值越大；反之，则越小。因此根据地热流值的大小可以推算出岩石圈的厚度，其推算结果与根据地震波推算的结果大体相符。 地热流所带出的热能是很分散的，目前只有在一定地质条件下富集起来的地热能，才能当作资源看待。在大陆地区，地热流值大于2HFU，一般被认为是具有良好地热资源的地区。大陆地热资源分布很不均匀，上面所述中生代褶皱带（相当于环太平洋带）、新生代喜马拉雅褶皱带（相当于地中海–喜马拉雅带）是两条著名的地热带，也是地球上著名的地震带和火山活动带。在这样的地带有很多地方的地热流值或地热梯度高于平均值，这种地方称为地热异常区。在地热异常区，地热传导给地下水，使之变成热水或蒸汽，然后再沿断层或裂隙上升到地表，这样就会形成温泉、热泉、沸泉或者喷汽孔、冒汽地面等，有时还会形成热水湖。所有这些现象都称之为地热活动的地表显示。凡是具有地热的地表显示或地热异常现象的地区，叫地热田。但热水的形成必须具备热源、水源、储集层和盖层等条件（图2–8）。 图2–8 地下热水形成结构及发电利用示意图 岩浆侵入体为热源，含有地下水的多孔沉积物为 热储集层，不透水岩石为热水保护层即盖层 （据P J怀利） 中国东部沿海地区（包括台湾在内）和西南地区西藏、云南等地，正好分别位于世界的两条地热带范畴内，所以地热资源很丰富，目前中国已发现热泉点2800多处（西藏地区未计入内）。据近年科学考察，西藏全区的水热活动区不下600处。其中拉萨西北羊八井热汽井，钻井深只30m，而温度达130℃的热水汽喷高超过30m，是大型地热田之一。热泉、温泉之外，也可以通过钻井把地下一二千米以内的热水抽到地面上来，加以利用。热水除直接利用外，还可用以建立地热发电站。20世纪70年代以来，中国已在广东丰顺、河北怀来以及湖南、山东、江西、辽宁等省建成小型地热发电站。在西藏羊八井还建立了第一座直接利用地热汽发电的地热试验站。 目前全世界对地热的利用还主要限于地表和地下热水方面，但近年已注意到如何进行“高温岩体”的利用问题。如日本正在进行高温岩体热能开发试验。其方法是在岩浆岩体上开凿一破碎井（或利用废井），在井下采取措施，使下面岩体产生龟裂，然后注水到地下岩体龟裂处，同时在地面另凿一生产井，提取利用基岩热产生出来的蒸汽，推动涡轮机发电。1992年在山形县挖掘了一口深2 200m的实验井，成功地进行了第二次制造龟裂的实验，并准备继续进行破碎井与生产井之间水汽通过连续循环实验。据认为，如果能开发4 000m以下岩体热能，则仅日本的这项可以用于发电的能源资源即可达到4亿kw以上。由此说明地热资源的开发利用，蕴藏着无限广阔的前景。 第2节 地球的圈层结构 地球是一个由不同状态与不同物质的同心圈层所组成的球体。这些圈层可以分成内部圈层与外部圈层，即内三圈与外三圈。其中外三圈包括大气圈、水圈和生物圈，内三圈包括地壳、地幔和地核（表2–3）。 一、地球的外部圈层 （一） 大气圈 从地表（包括地下相当深度的岩石裂隙中的气体）到16 000km高空都存在气体或基本粒子，总质量达51015t，占地球总质量的0.000 09。主要成分氮占78；氧占21；其它是二氧化碳、水汽、惰性气体、尘埃等，占1。 表2–3 地球各圈层质量 圈 层 质 量/t 占地球总质量百分数/ 大气圈 51015 0.000 09 水 圈 1.411018 0.024 生物圈 大气圈质量的1/300 地 壳 51019 0.8 地 幔 4.051021 67.8 地 核 1.881021 31.5 地球的表面为什么形成大气圈，这是与地球的形成和演化分不开的。地球在其形成和演化的过程中，总是要分异出一些较轻的物质，轻的物质上升，积少成多形成大气圈。中国古代也有这样的话“混沌初开，乾坤始奠，轻清者上升为天，重浊者下沉为地。”其实这就是讲的物质分异作用。上升的气体为什么不会从地球的表面跑到宇宙空间中，其主要原因是地球的引力把大气物质给拉住了，形成一个同心状的大气圈。物体脱离地球的临界速度是11.2kms-1，尽管气体物质很轻，其运动速度也很快，如氧分子的运动速度是0.5kms-1，氢分子的运动速度是2kms-1，但这种速度并不能使气体物质脱离地球的引力场。只有一部分氢和氮，在宇宙射线作用下可以被激发，产生很高的速度而跑掉一些。所以，大气圈中氧和其它气体的成分就相对增加了。 在太阳系中的其它星球，如月球、水星、火星等，则不同于地球的情况。月球的表面重力只有地球重力的1/6，物质脱离月球的速度为2.38kms-1。所以月球上分异出的气体物质，很容易脱离月球，使月球不可能形成大气圈。水星离我们地球最近，其表面重力是地球的1/3，脱离速度是4.2kms-1，气体比较容易跑掉，所以水星上也没有形成大气圈。火星表面的引力与水星的引力差不多，但火星的表面温度较低，气体分子运动的速度相对比较慢，所以火星的四周还可以保存一部分大气物质，但比起地球来，气体是非常稀薄的。木星、土星、天王星和海王星的引力与质量都比地球大得多，因此在这些星球上都存在有大气圈。但它们的成分却与地球上的大不相同。由于这些行星的引力大，连氢、氮这些轻气体分子都能被吸引住，所以这些星球上的气体不适合各种生物的生存与发展。金星的质量与引力都和地球近似，也存在有大气圈，但金星上没有植物进行光合作用，所以二氧化碳的含量很高。这样的条件也不适于生物的发展与生存。 地球大气圈成分是随着时间而变化的。当初大气中的二氧化碳可能达到百分之几十，大约在3亿年前，由于植物大规模繁盛，才演化成接近现今的大气成分，目前大气中的二氧化碳只有万分之4.6。大约在1亿年前，大气的温度才接近现今的温度。从地史发展来看，二氧化碳的多少是影响地表温度的一个重要因素。若二氧化碳增多，地球的温度将会增高。根据有关资料，自工业革命以来，二氧化碳的含量已增加13，因此人们推测地球的大气温度将会越来越高。 大气圈是地球的重要组成部分，并有重要的作用 ①大气可以供给地球上生物生活所必须的碳、氢、氧、氮等元素。 ②大气可以保护生物的生长，使其避免受到宇宙射线的危害。 ③防止地球表面温度发生剧烈的变化和水分的散失，如若没有大气圈，地球上将不会存在水分。 ④一切天气的变化，如风、雨、雪、雹等都发生在大气圈中。 ⑤大气是地质作用的重要因素。 ⑥大气与人类的生存和发展关系密切。大气容易遭受污染，大气环境的质量直接关系着人类健康。 （二）水圈 水圈主要是呈液态及部分呈固态出现的。它包括海洋、江河、湖泊、冰川、地下水等，形成一个连续而不规则的圈层。水圈的质量为1.411018t，占地球总质量0.024，比大气圈的质量大得多，但与其它圈层相比，还是相当的小。其中海水占97.2，陆地水（包括江河、湖泊、冰川、地下水）只占2.8；而在陆地水中冰川占水圈总质量的2.2，所以其它陆地水所占比重是很微小的。此外，水分在大气中有一部分；在生物体内有一部分，生物体的3/4是由水组成的；在地下的岩石与土壤中也有一部分。可见，水圈是独立存在的，但又是和其它圈层互相渗透的。 地球上有水，这好像是很平常的现象，与其它星球相比，则显得特殊了。如，月球、水星、金星上都没有水。金星的表面温度较高，水都变成蒸汽跑掉了。火星上的水不少于地球，但火星上的水几乎都是以冰的形式存在的。火星以外的行星表面温度更低，难于存在液态水，如土星光环，据查明是由冰块组成的。 大气圈中存在的水分只占水圈总量的十万分之一，但它的重要意义是不能以百分比来衡量的。因为大气中的水分不时凝结为雨、雪降下，又不时从地面和海面得到补充。实际上，大气中的水汽成了水分循环的中转站。这个中转站对人类生存关系极大。每年大约有4.461014t的水分经过蒸发进入大气圈，同时也有相等数量的大气水分经过凝结又降回大地，其中大约有1/5降落在大陆上。 地球上的原生水，是地球物质分异的产物。目前火山喷发常有大量水汽从地下喷出便是证明。如1976年阿拉斯加的奥古斯丁火山喷发，一次喷出水汽即达5106kg。当然地球上的水圈是逐渐演化而成的。 水圈是地球构成有机界的组成部分，对地球的发展和人类生存有很重要的作用 ①水圈是生命的起源地，没有水也就没有生命。 ②水是多种物质的储藏库。 ③水是改造与塑造地球面貌的重要动力。 ④水是最重要的物质资源与能量资源，水资源的多寡和水质的优劣直接关系着经济发展与人类生存。 （三）生物圈 指地球表面有生物存在并感受生命活动影响的圈层。目前世界上己知的动物、植物大约有250万种，其中动物占200万种左右，植物大约占34万种左右，微生物大约有3.7万种。整个生物圈的质量并不大，仅仅是大气圈质量的1/300，但它起到的作用却是很大的。生物圈具有相当的厚度。绿色植物的分布极限大约是海拔6 200m左右，根据资料，在33 000m高空还发现有孢子及细菌。总的来讲，生物圈包括大气圈的下层，岩石圈的上层和整个水圈，最大厚度可达数万米。但是其核心部分为地表以上100m，水面以下l00m，也就是说大气与地面、大气与水面的交接部位是生物最活跃的区域，其厚度约为200m左右，因为在这个范围内具有适于生物生存的温度、水分和阳光等最好的条件。 生物圈是在地球演化过程中形成的一个特殊圈层，大约在30亿年以前，地球上才开始有了最原始的生命记录。大约从6亿年前才进入生命演化的飞跃阶段。自从生物在地球上出现，便对地球的发展起着重要的特殊的作用。由于生物的生长、活动和死亡，使生物和大气、水、岩石、土壤之间，进行着多种形式的物质和能量的交换、转化和更替，从而不断改变着周围的环境。如植物在光合作用过程中，不断从大气中吸收CO2，在反应中放出O2，改变着大气的成分，同时将碳固定下来，并把它们的一部分埋藏在地壳中，形成大量的地壳能源。据估计，每年大约有1.51010t的碳，从大气转入到树木之中，煤炭就是地质时代树木被掩埋地下形成的。目前，每年大约形成含碳量达3108t的泥碳。此外，空气中的CO2，溶解到水中形成HCO3－，与Ca2＋结合形成CaCO3，一部分为生物所吸收变成硬体（外壳、骨骼等），沉积而成为石灰岩。同时，生物也参与了土壤的发育。可以说，没有生物也就没有今天的地球面貌，没有生物，也就不可能提供如此繁多的生物资源。 二、地球的内部圈层 内部圈层指从地面往下直到地球中心的各个圈层，包括地壳、地幔和地核。虽然人们渴望“向地球的心脏进军”，彻底搞清楚地球内部状况，但目前世界上深井记录为120 00m（俄罗斯科拉半岛一口深钻，截至1986年），只占地球半径的1/530，所以还不能用直接观察的方法来研究地球内部构造。通常采用地球物理方法，更主要是利用地震波的传播变化来研究地球内部构造情况。地震波分为纵波（P）和横波（S）。纵波可以通过固体和流体，速度较快；横波只能通过固体，速度较慢。同时地震波的传播速度随着所通过介质的刚性和密度的变化而改变。因此地震波实际上对地球起到“透视”的作用。当然，也可以借助宇宙地质（特别是陨石的成分）来判断地球内部的成分。 如果地球由表及里，是由均一物质组成，则纵横波速度在任何深度和任何方向都应该相同。但根据地球内部震波传播曲线分析，可以看出震波传播速度随深度而发生变化，并且有些地方还发生突然变化，可见地球内部物质不是均一的，而且还存在许多界面。地震波在地下若干深度处，传播速度发生急剧变化的面，称为不连续面。其中有两个变化最显著的不连续面，叫一级不连续面（表2–4）。根据地震波的传播数据，可以制成地球内部震波传播速度曲线图（图2–9）。从表或图中可以看出两个一级不连续面 一个在地下（自海平面起算）平均33km处（指大陆部分）。在此不连续面以上，纵波速度为7.6kms-1，以下则急增为8.0kms-1，而横波则由4.2kms-1增到4.4kms-1。这个一级不连续面称莫霍洛维奇① 莫霍面是1909年地震学家莫霍洛维奇（1857－1936）根据地震波资料首先发现的。 不连续面，简称莫霍面或莫氏面。另一个在2 900km深处。在这里纵波速度由13.32kms-1突然降为8.1kms-1，而横波至此则完全消失。这个面称古登堡② 古登堡面是地震学家古登堡（1889－1960）于1914年首先发现的。 不连续面。 图2–9 地球内部震波纵波P和横波S传播速度曲线 这两个一级不连续面，将地球内部划分为3个圈层地壳、地幔和地核（图2–10及表2–4）。此外，根据次一级不连续面还可以划分出次一级圈层，如表2–4所示，共可划分出A、B、C、D、E、F、G 7个圈层；次一级圈层还可根据更次一级不连续面划分出更次一级的圈层，如A′、A″，B′、B″等。 （一）地壳 指地球莫霍面以上的固体硬壳（A层），属于岩石圈的上部。地壳主要由硅酸盐类岩石组成，它的质量为51019t，约占地球质量的0.8，体积占整个地球体积的0.5。 图2–10 地球内部圈层构造示意图 1．地壳的化学组成 地壳中含有元素周期表中所列的绝大部分元素，而其中O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg等8种主要元素占98以上，其它元素共占1～2。化学元素在地壳中平均含量称克拉克值① 1889年美国化学家F W 克拉克发表了第一篇关于元素地球化学分布的论文，根据来自不同大陆岩石的许多分析数据分别求出陆壳中各种元素含量的平均值，为了表彰他的卓越贡献，国际地质学会将地壳中元素的平均含量称为克拉克值。 。克拉克值又称元素丰度。按照计算单位的不同，元素丰度可分为重量韦度、原子丰度相相对丰度）。 从表2–5可以看出，地壳中化学元素的克拉克值相差极为悬殊。氧几乎占有一半，硅约占1/4，铝约占1/13，而表中未列入的大多数元素的含量是微不足道的。比如铜的克拉克值为0.007，铅为0.001 6，钍为0.001 2，锑为0.000 1，金为510－7。 组成地壳的各种元素并非孤立存在，大多数情况是相关元素化合形成各种矿物，其中以O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg等组成的硅酸盐矿物为最多，其次为各种氧化物、硫化|物、碳酸盐等。各种不同矿物特别是硅酸盐类又组成各种岩石，所以说地壳是岩石圈的一部分。 其它大部分元素的克拉克值虽然很小，但它们在一定条件下可以迁移和富集。如在一定地段和一定时间某些元素富集起来，含量超过该元素的克拉克值，并在质和量上达到开采的要求，这样的地段就形成了矿床。 表2–4 地球内部圈层和物理数据 圈 层 不连续面 深度/km 纵波 速度 /kms–1 横波 速度 /kms–1 密度 /gcm–3 压力 /1011Pa 温度 /℃ 附注 名 称 代号 地 壳 A A′ 0 5.6 3.4 2.6 0 14 岩 石 圈 康拉德面 10 6.0 3.6 2.7 0.003 180～300 A″ 6.6 3.8 2.9 莫霍面 33 7.6 4.2 3.0 0.01 400～1000 地 幔 上地幔 B B′ 8.0 4.4 3.32 60 8.2 4.6 3.34 0.019 500～1100 B″ 古登堡 低速层 7.8 4.2 3.4 0.031 700～1300 软 流 圈 7.7 4.0 3.5 0.050 800～1400 拜尔勒面 400 8.2 4.55 3.6 0.069 1000～1600 C C′ 9.0 4.98 3.85 0.14 1200～2000 C″ 雷波蒂面 1000 10.2 5.65 4.1 0.218 1300～2250 下地幔 D D′ 11.43 6.35 4.6 0.40 1850～3000 2752 12.8 6.92 5.1 0.88 2500～3900 D″ 13.63 7.31 5.6 1.34 2800～4300 古登堡面 2900 13.32 7.11 5.7 1.50 2850～4400 液 态 地 核 外核 E 8.1 － 9.7 4640 8.9 － 10.4 1.95 3700～4700 过渡层 F 12.0 3.01 4500～5500 10.4 2.07 12.5 3.24 4700～5700 5155 11.2 1.24 12.7 3.33 4720～5720 内核 G 9.6 3.6 12.9 3.54 4900～5900 11.3 3.7 13.0 3.65 5000～6000 一级不连续面； 次一级不连续面 2．地壳的厚度和结构 地壳是地球表面的一层薄壳，其厚度大致为地球半径的1/400，但各处厚度不一（表2–6），大陆部分平均厚度超过37km，而海洋部分平均厚度则只有约7km。一般说来，高山、高原部分地壳最厚，如中国青藏高原地壳最厚可达70km（图2–11）。 地壳（A层）可以分为上下两层（图2–12），中间被康拉德面所分开。但这一界面在海洋部分不明显或者根本不存在。 上层地壳（即A′层），其成分以O、Si、Al及K、Na等为主，和花岗岩的成分相似，所以叫花岗岩层；此层又称为硅铝层（Sial）。在这一层的表层部分常分布有0～10km厚的沉积岩层。平均密度为2.6～2.7gcm-3。此层厚度在山区和高原可达40km，在平原区常为10km，在海洋地区变薄甚至完全缺失（如太平洋），因此是一个不连续圈层。这一层物质组成极为多样，构造形态和地貌形态也非常复杂。 下层地壳（即A″），其成分虽然也以O、Si、Al等为主，但Mg、Fe、Ca等成分则显著增加，和玄武岩的成分相似，所以叫玄武岩层，又称为硅镁层（Sima）①另一种说法，把花岗岩层和玄武岩层即整个地壳（即A层）称硅铝层，而把莫霍面以下、软流圈以上的橄榄岩层（即B′层）称硅镁层。 。平均密度为2.9～3.0gcm-3。此层在海洋地壳部分平均厚5～8km，在大陆部分则延伸至花岗岩层之下，推测可厚达30km，是一个连续圈层。 表2–5 地壳中主要元素的平均含量（质量百分数/） 元素 据克拉克和华盛顿 （1924） 据费尔斯曼 （1933–1939） 据维诺格拉多夫 （1962） 据泰勒 （1964） O 49.52 49.13 47.00 46.40