地球結構

地球結構為一同心狀圈層構造，由地心至地表依次分化為地核、地幔、地殼。地球地核、地幔和地殼的分界面，主要依據(jù)地震波傳播速度的急劇變化推測確定。地球各層的壓力和密度隨深度增加而增大，物質的放射性及地熱增溫率，均隨深度增加而降低，近地心的溫度幾乎不變。地核與地幔之間以古登堡面相隔，地幔與地殼之間，以莫霍面相隔。地核又稱鐵鎳核心，其物質組成以鐵、鎳為主，又分為內核和外核。內核的頂界面距地表約5100公里，約占地核直徑的1/3，可能是固態(tài)的，其密度為10.5—15.5克/立方厘米。外核的頂界面距地表2900公里，可能是液態(tài)的，其密度為9—11克/立方厘米。地幔又可分為下地幔、上地幔。下地幔頂界面距地表1000公里，密度為4.7克/立方厘米，上地幔頂界面距地表33公里，密度3.4克/立方厘米，因為它主要由橄欖巖組成，故也稱橄欖巖圈。地殼的厚度約33公里，上部由沉積巖、花崗巖類組成，叫硅鋁層，在山區(qū)最厚達40公里，在平原厚僅10余公里，而在海洋區(qū)則顯著變薄，大洋洋底缺失。地殼的下部由玄武巖或輝長巖類組成，稱為硅鎂層，呈連續(xù)分布，在大陸區(qū)厚可達30公里，在缺失花崗巖的深海區(qū)厚僅5—8公里。

　　地球內部結構：地殼、地幔和地核 三層之間的兩個界面依次稱為莫霍面和古登堡面

　　地殼+軟流層=巖石圈縱波，橫波通過地幔速度最大

　　地球外部圈層結構：大氣圈、水圈和生物圈

地殼

地殼dìqiào（Earth Crust）

　　在地理上，地殼是指有巖石組成的固體外殼，地球固體圈層的最外層，巖石圈的重要組成部分，可以用化學方法將它與地幔區(qū)別開來。其底界為莫霍洛維奇不連續(xù)面（莫霍面^[1]）。整個地殼平均厚度約17千米，其中大陸地殼厚度較大，平均為33千米。高山、高原地區(qū)地殼更厚，最高可達70千米；平原、盆地地殼相對較薄。大洋地殼則遠比大陸地殼薄，厚度只有幾千米。

　　地殼分為上下兩層。上層化學成分以氧、硅、鋁為主，平均化學組成與花崗巖相似，稱為花崗巖層，亦有人稱之為“硅鋁層”。此層在海洋底部很薄，尤其是在大洋盆底地區(qū)，太平洋中部甚至缺失，是不連續(xù)圈層。下層富含硅和鎂，平均化學組成與玄武巖相似，稱為玄武巖層，所以有人稱之為“硅鎂層”（另一種說法，整個地殼都是硅鋁層，因為地殼下層的鋁含量仍超過鎂；而地幔上部的巖石部分鎂含量極高，所以稱為硅鎂層）；在大陸和海洋均有分布，是連續(xù)圈層。兩層以康拉德不連續(xù)面隔開。

　　地殼演化簡史

　?。ㄒ唬┨糯ň嘟窦s25億年之前）

　　太古代是地質年代中最古老、歷時最長的一個代，即原始地殼以及原始大氣圈、水圈、沉積圈和生物的發(fā)生、發(fā)展的初期階段。

　　太古界的地層由變質深的正、副片麻巖組成。已知其中最古老的年齡為40多億年。據(jù)此認為，在此之前地球便出現(xiàn)了小型的花崗巖質地殼。由沉積巖變質而成的副片麻巖的出現(xiàn)，說明當時有了原始大氣圈和水圈，并有單純的物理化學風化。在這些結晶變質巖基底上覆蓋著一層變質較輕的綠巖帶，其中有火山巖和沉積巖，它們形成于當時地面的凹陷帶，后來才經歷變質作用。其年齡在34億—23億年間。據(jù)推測，太古代早期地球表面有許多小型花崗質陸塊，它們之間有深淺多變的古海洋。后來各小陸塊在移運中結合成面積較大的大陸板塊。這些最古老的陸塊現(xiàn)在已散布于各大陸中，即通常所說的穩(wěn)定陸塊的核心——克拉通或古地盾區(qū)。

　　太古代的地殼運動和巖漿活動既廣泛又強烈；火山噴發(fā)頻繁，故使大氣圈和水圈才得以形成。原始海洋的面積可能比現(xiàn)在大，但平均水深則淺得多?，F(xiàn)在世界各地蘊藏豐富的海相層狀沉積的變質鐵錳礦床和巖漿活動形成的金礦等就是在這時期形成的。當時的大氣圈可能富含碳酸氣、水蒸汽和火山塵埃，只有少量的氮和非生物成因的氧。海水也是酸性礦化水（后來才逐漸被中和），陸地是灼熱的，荒蕪的。在某些適宜的淺海環(huán)境中，有些無機物質經過化學演化躍變?yōu)橛袡C物質（蛋白質和核酸），進而發(fā)展為有生命的原核細胞，構成一些形態(tài)簡單的無真正細胞核的細菌和藍藻。這只是出現(xiàn)于太古代的后期。

　　總的來說，太古代是原始地理圈的形成階段，陸地是原始荒漠景觀，水域是生命孕育和發(fā)源之地。當時地殼與宇宙之間以及和地幔之間的物質能量交換比后來任何時候都強烈得多。

　?。ǘ┰糯ň嘟?SPAN lang=EN-US>25億—6億年前）

　　在元古代，大陸性地殼逐漸由小變大，從薄增厚，火山活動相對減少，巖性也從偏基性向偏酸性轉化。下元古界有巨厚的碎屑堆積，大有利于強烈的花崗巖化活動及導致大型侵入體的形成。由于大氣中CO2濃度降低和水中Ca、Mg離子增多，開始出現(xiàn)有化學沉積的碳酸鹽巖。它將直接影響到巖漿過程的演化，導致堿性派生巖的出現(xiàn)。隨著大氣中游離氧的增加，氧化環(huán)境也開始出現(xiàn)了。因而后期有了鮞狀赤鐵礦和硫酸鹽等礦物以及第一批紅層建造的產生。生物的出現(xiàn)對環(huán)境的影響還不大，所以在元古界無大量的生物化學沉積。元古代末還發(fā)現(xiàn)有冰磧巖，這是全球性第一次大冰期的產物。

　　這時原核生物已進化為真核生物，嫌氣生物轉化為喜氧生物（這個轉折點稱尤里點，發(fā)生于大氣中氧含量增至當前大氣中氧濃度的千分之一的時候），物種數(shù)量也從少增多。這時地球上的植物界第一次得到大發(fā)展，出現(xiàn)了數(shù)量較多的能進行光合作用與呼吸作用的較原始的低等植物，如綠藻、輪藻、褐藻、紅藻等。這些微古生物已可用于地層的劃分和對比。在元古代晚期，原始動物也出現(xiàn)了。如澳洲的埃迪卡拉動物群，其中有海綿、水母、節(jié)蟲、扁蟲及軟體珊瑚等水生無脊索動物化石。在北美還發(fā)現(xiàn)有海綿骨針化石。

　　元古代有多次地殼運動，較廣泛的有我國的五臺運動，呂梁運動、澄江運動、薊縣運動等；北美有克諾勒運動、哈德遜運動、格倫維爾運動、貝爾特運動等。歷次造山運動形成的褶皺帶都使原有的小陸塊逐漸拼合在一起成為古陸，后來都成為各大陸的古老褶皺基底和核心，前寒武紀陸臺（或稱地臺），現(xiàn)在出露的只占陸地面積的1/5。據(jù)古地磁研究，北美羅倫古陸和非洲古陸在元古代都曾發(fā)生過多次極移（E. lrving等，1975；J. D. E. Piper，1976）。

　　（三）古生代（距今6億—2.3億年前）

　　古生代包括寒武紀、奧陶紀、志留紀、泥盆紀、石炭紀和二疊紀。據(jù)研究，6億—7年億年之前，大陸經歷過多次分合，在元古代末期（晚前寒武紀），各分散陸塊曾聯(lián)合組成泛大陸。寒武紀時泛大陸發(fā)生分裂，在南部成為岡瓦納大陸，北部分為北美、歐洲和亞洲三個大陸，彼此間被前海西海、前加里東海、前烏拉爾海和前特提斯海（前古地中海）所分隔。奧陶紀末開始發(fā)生加里東造山運動。至泥盆紀時，前加里東地槽已褶皺成山，古歐洲與北美合成一塊大陸。晚石炭紀時經海西運動后，前海西地槽消失了，使歐美大陸與岡瓦納大陸合并。至晚二疊紀，前烏拉爾海也消失了，亞歐大陸形成，全球又成為一個新的泛大陸。

　　據(jù)王荃等的研究（1979年），我國北方的中朝古陸與南方的揚子古陸的性質很不相同，后者與南半球岡瓦納古陸的許多情況極為相似。他們認為，揚子古陸在早古生代曾是岡瓦納古陸的一部分，后來分裂并向北漂移，至晚古生代才與中朝古陸碰撞合并在一起，兩者之間的秦嶺-淮陽山地是個地縫合線。近年來在這里也發(fā)現(xiàn)了蛇綠巖套巖層（由蛇紋巖、橄欖巖、輝長巖及枕狀基性火山巖等組成的、屬于洋殼和地幔噴出的巖層，它是代表大陸縫合線的指示巖層）。我國古地磁的研究也認為，元古代后期，揚子古陸大致位于現(xiàn)在印度洋北部，與北方的中朝古陸遠隔重洋。

　　各地質時代的地殼運動和海陸分合，對地理環(huán)境帶來很大的變化：大陸分裂引起海侵，大陸合并引起海退；對生物演化也有重大的影響。自寒武紀以來大陸的分合和海生無脊索動物科數(shù)增減變化的對比情況。

　　在寒武紀，泛大陸發(fā)生分裂并引起海侵，大陸架廣布，海生無脊索動物空前繁盛，其中以節(jié)肢動物的三葉蟲占化石總數(shù)的60％，腕足類約占30％，其他僅占10%。這時海生植物也有向陸生植物過渡的跡象。如我國寒武系地層中發(fā)現(xiàn)的藻煤就是一例。奧陶紀海底廣泛擴張，腕足類、角石、筆石、鸚鵡螺和珊瑚等成為世界性的種類。原始的魚類——無顎魚（甲胄魚）也出現(xiàn)了。志留紀除海生動物繼續(xù)大量發(fā)展外，后因地殼運動和環(huán)境變化劇烈，海生動物進入了大陸淡水區(qū)域，真正的魚類——有頜魚和適于岸邊生長的具有水分輸導組織的維管束植物也誕生了。自泥盆紀以后的晚古生代，大陸趨于合并，海退不斷發(fā)生，許多海生無脊索動物的居留地消失，它們的種類和數(shù)量因而大減。相反，魚類則全盛起來，陸生植物也日趨繁茂。地球表面從此結束了一片荒漠和無臭氧層的時代。至石炭、二疊紀又成為兩棲動物的全盛時期，植物界也從孢子植物發(fā)展成為裸子植物。在石炭、二疊紀的各大陸都分布以蕨類為主的大森林，成為地質歷史上重要的造煤時期。

　?。ㄋ模┲猩ň嘟?SPAN lang=EN-US>2.3億—7千萬年前）

　　中生代包括三疊紀、侏羅紀和白堊紀?，F(xiàn)有許多資料證明，泛大陸的重新分裂發(fā)生于中生代，即始于晚三疊紀，主要分裂在侏羅紀和白堊紀，且一直延續(xù)到新生代。這泛大陸原來向南北極延伸，赤道部分較窄，存在特提斯海（古地中海）。三疊-侏羅紀時，北美洲與非洲分裂，北大西洋開始擴張，泛大陸被分為北部的勞亞（勞倫斯和亞細亞）古陸和南部的岡瓦納古陸。侏羅-白堊紀，南美洲與非洲分裂，南大西洋開始擴張。非洲和印度在侏羅紀時也與南極洲和澳洲（二者仍在一起）脫離，開始形成印度洋。白堊紀時，北大西洋向北展寬，南大西洋已有一定規(guī)模，印度向東北漂移，印度洋也隨之擴大，而古地中海則趨于縮小。

　　中生代各地都有強烈的造山運動，歐洲有舊阿爾卑斯運動，美洲為內華達運動和拉拉米運動，中國為印支運動和燕山運動。這時褶皺、斷裂和巖漿活動都極為活躍。在我國東部形成一系列華夏式隆起與凹陷，許多有色金屬和稀有金屬礦床的形成都與這時的巖漿活動有關，在斷陷盆地中也形成煤、石油和油頁巖等礦物。我國大陸的基本輪廓也在這時建立起來了。

　　生物界較古生代有很大發(fā)展。古生代末出現(xiàn)的裸子植物在中生代已成為最繁盛的門類，它們靠種子繁殖，受精過程完全擺脫了對水的依賴，更適于陸地的生境。這又是植物進化中的一次飛躍。像蘇鐵類、銀杏類、松柏類等陸生植物的大量發(fā)展，不僅為成煤作用創(chuàng)造了有利的條件（如世界廣泛分布的侏羅系煤層），而且也為爬行動物的發(fā)展提供了豐富的食物基礎。

　　整個中生代，爬行動物成為當時最繁盛的脊索動物。在陸地上有食草和食肉的恐龍，在海上有魚龍和蛇頸龍，在空中有翼龍。與此同時還出現(xiàn)有蜥蜴、龜、鱉、鱷魚、蛙類和昆蟲等。在海生無脊索動物中的菊石也極為昌盛。因此，有人把中生代稱為恐龍時代、菊石時代或蘇鐵時代。但到白堊紀末，這些盛極一時的生物種類大都絕滅了，僅有一部分能殘存下來。而當時已經出現(xiàn)但處于弱勢的原始的鳥類和哺乳動物則進入了壯觀的新生代；被子植物從此也欣欣向榮。

　?。ㄎ澹┬律?SPAN lang=EN-US>7千萬年前—現(xiàn)在）

　　新生代包括老第三紀、新第三紀和第四紀，是距今最近的一個代。繼中生代之后，海底繼續(xù)擴張，澳洲與南極洲分離 東非發(fā)生張裂，印度與亞歐大陸碰撞。在第三紀發(fā)生強烈的地殼運動，歐洲稱為新阿爾卑斯運動，亞洲稱喜馬拉雅運動。在古地中海帶（阿爾卑斯-喜馬拉雅帶）和環(huán)太平洋帶形成一系列巨大的褶皺山體。在古老的地臺區(qū)也發(fā)生拱曲、斷層等差異性升降運動，在斷陷盆地中廣泛發(fā)育了紅層。這次造山運動和伴隨的海退作用，使從中生代繼承下來的自然地理環(huán)境發(fā)生了顯著的變化。

　　從全球來看，老第三紀地表主要是溫暖潮濕的氣候。在強烈的造山運動之后，大氣環(huán)流系統(tǒng)，尤其是區(qū)域性環(huán)流系統(tǒng)也發(fā)生了變化，許多地方趨向于干冷。我國西部青藏高原的隆起，給東部季風環(huán)流系統(tǒng)以很大的影響，尤其是華南地區(qū)成為與同緯度地區(qū)不同的暖濕森林景觀。在第四紀，由于溫帶和兩極的氣候進一步變冷，地球上發(fā)生了大規(guī)模的冰川作用，經歷了多次冰期與間冰期的變化。生物也因生境的變化而變化。

　　在植物界，老第三紀以被子植物的大發(fā)展為特征，植物群落由原來單調的針葉林轉變?yōu)榛üS碩的常綠闊葉林。當氣候趨于干冷之后，許多地方的植被發(fā)生了旱生化現(xiàn)象。在新第三紀初出現(xiàn)了以單子葉草本植物為主的草原，在第四紀又出現(xiàn)了苔原。動物界以哺乳類的空前繁盛為特點，故新生代又稱哺乳動物時代。濕熱森林區(qū)繁茂的被子植物，對哺乳類的發(fā)展起很大的促進作用。昆蟲的繁盛也與被子植物的發(fā)達有關。被子植物和昆蟲的廣泛分布又促進了鳥類的昌盛。當草原面積擴大后，在有蹄類和嚙齒類中出現(xiàn)了許多食草性的草原動物群，隨之而來的食肉動物也增加了。

　　特別重要的是在第四紀出現(xiàn)了人類。這是地球歷史上具有重大意義的事件。人類經過復雜的發(fā)展過程之后，又逐漸成為干擾、控制和改造自然環(huán)境的一個重要的因素。所以，第四紀又被稱為“靈生代”。

地殼最厚和最薄的地方

　　青藏高原是地球上地殼最厚的地方，厚達70千米以上；而靠近赤道的大西洋中部海底山谷中地殼只有1.6千米厚；太平洋馬里亞納群島東部深海溝的地殼更薄，是地球上地殼最薄的地方。

地殼中的元素

　　在地殼中最多的化學元素是氧，它占總重量的48.6%；其次是硅，占26.3%；以下是鋁、鐵、鈣、鈉、鉀、鎂。豐度最低的是砹和鈁，約占1023分之一。上述8種元素占地殼總重量的98.04%，其余80多種元素共占1.96%。

　　地殼中各種化學元素平均含量的原子百分數(shù)稱為原子克拉克值，地殼中原子數(shù)最多的化學元素仍然是氧，其次是硅，氫是第三位。

　　大約99%以上的生物體是由10種含量較多的化學元素構成的，即氧、碳、氫、氮、鈣、磷、氯、硫、鉀、鈉；鎂、鐵、錳、銅、鋅、硼、鉬的含量較少；而硅、鋁、鎳、鎵、氟、鉭、鍶、硒的含量非常少，被稱為微量元素。表明人與地殼在化學元素組成上的某種相關性。

　　地殼中含量最多的元素是氧，但含量最多的金屬元素則要首推鋁了。

　　鋁占地殼總量的7．73％，比鐵的含量多一倍，大約占地殼中金周元素總量的三分之一。

　　鋁對人類的生產生活有著重大的意義．它的密度很小，導電、導熱性能好，延展性也不錯，且不易發(fā)生氧化作用，它的主要缺點是太軟。為了發(fā)揮鋁的優(yōu)勢，彌補它的不足，故而使用時多將它制成合金。鋁合金的強度很高，但重量卻比一般鋼鐵輕得多．它廣泛用來制造飛機、火車車廂、輪船、日用品等。由于用的導電性能好，它又被用來輸電．由于它有很好的抗腐蝕性和對光的反射性．因而在太陽能的利用上也一展身手。

地幔

地幔（Mantle）

　　地殼下面是地球的中間層，叫做“地幔”，厚度約2865公里，主要由致密的造巖物質構成，這是地球內部體積最大、質量最大的一層。 地幔又可分成上地幔和下地幔兩層。上地幔頂部存在一個地震波傳播速度減慢的層（莫霍面），巖石圈（巖石圈指地殼和上層地幔頂部）以下稱為軟流層（Asthenosphere），推測軟流層是由于放射性元素大量集中，蛻變放熱，使巖石高溫軟化，并局部熔融造成的，很可能是巖漿（Magma）的發(fā)源地。軟流層以上的地幔是巖石圈的組成部分。下地幔溫度、壓力和密度均增大，物質呈可塑性固態(tài)。厚度約有2900公里。

　　最近，美國一些科學家用實驗方法推算出地幔與核交界處的溫度為3500℃以上，外核與內核交界處溫度為6300℃，核心溫度約6600℃。地幔的組成除了少數(shù)由玄武巖的捕獲體獲得外，因無法直接觀察，只能以間接的方法研究。研究方法包括地震波、重力和巖石的剛性和彈性反演，以及實驗巖石學研究。

　　上地幔的組成可以從巖漿巖推知。源于地幔的基性巖、超基性巖（ultrabasic rock）以及金伯利巖等都具有共同的高鐵、鎂特征，與地震波傳播速度也一致，結合地球化學研究，認為上地幔的成分接近于超基性巖即二輝橄欖巖的組成。它經由部分熔融而產生玄武巖漿，剩余的為難熔的阿爾卑斯型橄欖巖。林伍德（Ringwood）認為上地幔的化學成分相當于由3份阿爾卑斯型橄欖巖（橄欖石79％、斜方輝石20%和尖晶石1％）和一份夏威夷型拉斑玄武巖組成。上地幔的理想成分為：SiO2 45.16％、TiO2 0.71％、Al2O3 3.54％、Fe2O3 0.46％、FeO 8.04％、MnO 0.14％、MgO 37.47％、CaO 3.08、Na2O 0.51％、K2O 0.13％、P2O5 0.06％、Cr2O3 0.43％、NiO2 0.20％。

　　地球分層示意圖

　　地幔和地殼的分界面是莫霍洛維奇不連續(xù)面（莫霍面），地幔和地核的分界面是古登堡面。前者由南斯拉夫地震學家莫霍洛維奇于1909年發(fā)現(xiàn)，后者由美籍德國地震學家古登堡于1914年發(fā)現(xiàn)。

　　1914 年 B. 古登堡根據(jù)地震波傳播速度測定地核的深度為2900千米，比現(xiàn)代精密測量的結果只差15千米。因此，地核-地幔邊界又稱古登堡不連續(xù)面。

　　探測地幔的最有力的工具是監(jiān)測來自世界各地的地震波。地震時會產生兩種不同的地震波：P波（縱波）和S波（橫波）。這兩種波都是穿越地球內部的體波，它們分別對應于地震波通過巖石時產生的物理特性，縱波與聲波相似，速度比橫波快。橫波與抖動的繩子產生的波形相似，即橫波通過時巖石的震動方向與波的傳播方向垂直。像光波一樣，當穿越不同密度的巖石邊界時，地震波也會發(fā)生反射和折射。利用這些特性，我們就可以對地球內部成像。

　　我們用于探測地幔的方法足以與醫(yī)生檢查病人的超聲波照影媲美。經過一個世紀對地震數(shù)據(jù)的收集，我們已經有能力制作令人印象深刻的地幔圖。

　　2007年3月，科學家利用近地表石油和天然氣勘探的成像技術，繪制出了地球深部核幔邊界構造的高解析度三維圖像。這次繪圖使用了世界各地1000多個地震臺站記錄的數(shù)千次地震的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)使科學家能夠分辨有關核幔邊界構造的細節(jié)，這些構造反映出復雜的下地幔結構，這是先前從未見過的，也是第一次估計出核幔邊界附近的溫度大約為3700℃。

地核

地核（Core）

　　地球的核心部分，位于地球的最內部。半徑約有3470 km，主要由鐵、鎳元素組成，高密度，平均每立方厘米重12克。溫度非常高，約有4000~6000℃。

　　地核又分為外地核和內陸核兩部分。外地核的物質為液態(tài)，內陸核現(xiàn)在科學家認為是固態(tài)結構。

　　外地核深2900km至5000km,內陸核深5100km至6371km.

　　地核是地球的核心。從下地幔的底部一直延伸到地球核心部位，距離約為3473千米。據(jù)科學觀測分析，地核分為外地核、過渡層和內陸核^[1]三個層次。外地核的厚度為1742千米，平均密度約10.5克／厘米x厘米x厘米，物質呈液態(tài) 。過渡層的厚度只有515千米，物質處于由液態(tài)向固態(tài)過渡狀態(tài)。內陸核厚度1 216千米，平均密度增至12.9克／厘米x厘米x厘米,主要成分是以鐵、鎳為主的重金屬，所以又稱鐵鎳核。

　　地核的總質量為1.88e21噸，占整個地球質量的31.5%，體積占整個地球的16.2% 。地核的體積比太陽系中的火星還要大。由于地核處于地球的最深部位，受到的壓力比地殼和地幔部分要大得多。在外地核部分，壓力已達到136萬個大氣壓，到了核心部分便增加到360萬個大氣壓了。

　　這樣大的壓力，我們在地球表面是很難想象的。科學家作過一次試驗，在每平方厘米承受1 770噸壓力的情況下,最堅硬的金剛石會變得像黃油那樣柔軟。

　　地核內部不僅壓力大，而且溫度也很高，估計可高達2 000-5 000℃，物質的密度平均在10?6克／厘米x厘米x厘米之間。在這種高溫、高壓和高密度的情況下，我們平常所說的“固態(tài)”或“液態(tài)”概念，已經不適用了。因為地核內的物質既具有鋼鐵那樣的“鋼性”，又具有像白蠟、瀝青那樣的“柔性”(可塑性)。這種物質不僅比鋼鐵還堅硬十幾倍，而且還能慢慢變形而不會斷裂。

　　地核內部這些特殊情況，即使在實驗室里也很難模擬，所以人們對它了解得還很少。但有一點科學家是深信不疑的：地球內部是一個極不平靜的世界，地球內部的各種物質始終處于不停息的運動之中。有的科學家認為，地球內部各層次的物質不僅有水平方向的局部流動，而且還有上下之間的對流運動，只不過這種對流的速度很小，每年僅移動1 厘米左右。有的科學家還推測，地核內部的物質可能受到太陽和月亮的引力而發(fā)生有節(jié)奏的震動。

              地球表層

    （一）地球表層是物質三態(tài)存在和相互作用的場所

　　地球是太陽系乃至銀河系中得天獨厚的星體。迄今為止，它是人類所發(fā)現(xiàn)的星體中唯一有生命存在的星體。由于它距太陽遠近適中（一個天文單位），使它表面具有較為適宜的溫度；由于其形狀大小適宜（半徑6378公里），使它表面吸引了適量的水和大氣并保持一定的壓力，造就了地表固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三種形態(tài)物質共存并互相轉化的復雜形態(tài)。它的豐富多彩，生機勃勃的表面形態(tài)是至今人類所發(fā)現(xiàn)的其他天體所無法比擬的。

　　固、液、氣三態(tài)相互并存、相互作用是地球表層的突出特征。它表現(xiàn)為兩個方面的機制：一是界面機制，二是異質機制。

　　界面對物質世界的進化發(fā)展具有重要意義。從物理意義上看，能量和物質的轉換和傳輸，主要是通過界面來進行的；從化學意義上講，吸附作用、吸收作用也是首先通過界面來實現(xiàn)的。在三相界面上，地球重力表現(xiàn)最為突出、最為鮮明。界面之間的物質密度發(fā)生急劇突然的變化，彼此約束力很差，

　　平衡極為脆弱，外部條件稍有變化重力就明顯地表現(xiàn)出來。諸如所見的崩塌、滑波、泥石流、雪崩、冰川運動、河流、瀑布、地下水滲透、海流等等，均為地球重力的具體表現(xiàn)。在三相界面上，地球內力的表現(xiàn)也極為充分。在地球內部，巖石的密度、壓力很大，限制著構造力的表現(xiàn)，而在界面上失去了上述約束條件，諸如火山、地震、構造運動塑造了千姿百態(tài)的地表形態(tài)。在三相界面上，太陽能對地球的影響也極為明顯，大氣、水和疏松的地表很容易透過太陽輻射，從而易于加溫和冷卻。界面上造成了彼此相異的熱力學特性，例如水的凍脹加劇巖石的風化，陸地、水面的溫度差異直接控制氣壓形勢和空氣的運動，造成季風、山風、谷風、湖岸風等不同規(guī)模的環(huán)流。三相界面也是生物界存在的基礎，固體地殼為生物的生存、運動提供了賴以依托的根基，氣體的呼吸交換、液體的體內循環(huán)，相互構成了生命存在的基本條件。隨著地球的進化和發(fā)展，界面的總面積不斷地擴大。由于外部環(huán)境不斷輸入能量到地球表層，巖石不斷地風化、破碎、變得越來越小、越來越細，從而總面積不斷擴大。來自地球內部的構造力又使巖石圈表面出現(xiàn)褶曲、凹陷、斷裂，也使界面的面積不斷擴大。生物，特別是人類也是擴大表層界面面積的積極力量。生物的作用加劇巖石圈中土壤的形成過程，人類各種工程建筑可以把本來大體均一的地面弄得凸凹不平；城市中各種建筑物的總面積可以使原來地表的表面積增加幾倍幾十倍，造成的 “熱島效應”甚至可以將氣溫比郊區(qū)曠野提高幾度（℃）。界面面積的大小與物質能量的循環(huán)、交換、傳輸?shù)某潭群蛷碗s性是正相關的，界面的存在和表面積的擴大，促進了地球表層的物質進步和能量傳輸，而來自地球內部的能量和來自地球外部的能量不斷地促進地球三相界面總面積的擴大，彼此形成了正反饋的過程，這種相互促進不可逆轉的發(fā)展過程，造成了地球表層的高速進化。

　　異質機制是指氣體、液體、固體三相之間物質組成和結構功能之間明顯差異所產生的特殊效應。美國科學家丸山孫郎認為： “異質化是系統(tǒng)功能發(fā)展、組織結構完善和進化的基礎，世界上所有的生物過程、社會過程和某些物理過程的基本規(guī)律，都是異質性和共生性的增加。” 異質有利于調節(jié)和促進物質和能量的流動和轉換。地表三相共存，形成了海洋、陸地、冰川、沙漠、湖泊、沼澤等大小等級不同的異質系統(tǒng)，從而造成了不同規(guī)模的水分、空氣循環(huán)，實現(xiàn)物質和能量的循環(huán)運動和轉換。不同的異質系統(tǒng)也形成了人類社會的不同的資源條件、生產環(huán)境和生活環(huán)境，也促進了人類社會生產、社會生活信息的流動和交換?？梢姷厍虮砻媲Р钊f別的異質系統(tǒng)與地球內部和外層空間那種近于死寂、相對均一的同質系統(tǒng)相比，進化速度是驚人的。

　　總之，氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)三相共存相互作用的地球表面在界面機制、異質機制共同作用下使地球表層處于不可逆的進化狀態(tài)，形成了一個特殊的物質流、能量流運動和轉換系統(tǒng)，強化了各組成要素之間的相互制約性、共生性和整體性，系統(tǒng)的組織水平越來越高級，越來越復雜，使之質地區(qū)別于地球其他層圈，形成了自己獨特的性質。

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　　所謂地球內力是指地球的構造力，來自地球內部，在地球表層清晰明顯地表現(xiàn)出來，諸如火山、地震、巖漿活動、地殼隆起和沉陷等等。除火山爆發(fā)外，內力作用的限度基本上終止于地球固體表面，它造成地球表層地理位置（經度、緯度、高度）相對改變，構成地球表層固體部分的基本框架。內力作用總的趨勢是造成地表高低起伏、千姿百態(tài)的表面形態(tài)。外力作用即指以太陽輻射為基本能源而產生的風化作用、流水作用、風蝕作用等，它通過物理化學變化、物質的侵蝕、搬運、堆積作用極力消除內力所造成的起伏，總的作用趨勢是夷平地表，其影響深度僅限于地表以下幾米到幾十米的深度。很顯然，內力作用的上限和外力作用的下限都在地球表層之中。地表形態(tài)是由內外力共同作用的結果，這一特點是地球其他層圈所不具備的。

　?。ㄈ┑厍虮韺邮怯袡C界和無機界互相轉化的場所

　　生物圈是地球表層物質、能量流所維持的一層薄薄的有機膜，它起到了太陽能與無機界之間的中介作用。正是有機界中的綠色植物通過光合作用固定太陽能，然后通過食物鏈的關系傳遞給食草、食肉動物，生命體死后又在太陽能的作用下，通過微生物將有機體分解成無機鹽類，參加地表物質循環(huán)，供植物再吸收，轉化為新的有機體。地表中固有的氮、磷、鉀等無機元素也作為養(yǎng)分被植物吸收轉化為有機體。這種有機與無機的轉化也是只有地球表層才存在的。

　　（四）地球表層是人類的生存環(huán)境

　　人類的出現(xiàn)使地球表層發(fā)生了質的變化，也構成了區(qū)別于其他層圈的突出特征。人類的影響最初是斑點狀的，隨著時間的推移，它的作用發(fā)生了突性的進展。雖然早在200萬年以前就出現(xiàn)了人類，但只是有文字記載的歷史時期形成社會生產力以來，特別是近代工業(yè)革命以來，人類的作用和影響才突出地顯現(xiàn)出來。人類改變大氣圈，造成溫室效應、熱島效應，甚至控制局部環(huán)流；人類改變水循環(huán)、創(chuàng)造人工地形，從根本上改變了生物界的面貌等等?，F(xiàn)在幾乎找不到一塊沒有人類影響的禁地，人類的作用和影響在地球上已經連成一片，形成了名副其實的智慧圈、文化圈，地球表層漸漸成了人及其生活環(huán)境相互有機聯(lián)系的新的系統(tǒng)。對現(xiàn)代地理學來說，不僅人文地理學要研究人類與其生產、生活環(huán)境的關系，就是自然地理學在分析地面諸種現(xiàn)象和過程時，也不可忽視人對環(huán)境的影響。

　　上述四個特征從本質上和整體上使地球表層形成了有別于其他層圈的獨特的物質系統(tǒng)，地理學就是以這個系統(tǒng)為對象，建立起自己的科學體系。

地球圈層

    地球圈層分為地球外圈和地球內圈兩大部分。地球外圈可進一步劃分為四個基本圈層，即大氣圈、水圈、生物圈和巖石圈；地球內圈可進一步劃分為三個基本圈層，即地幔圈、外核液體圈和固體內核圈。此外在地球外圈和地球內圈之間還存在一個軟流圈，它是地球外圈與地球內圈之間的一個過渡圈層，位于地面以下平均深度約150公里處。這樣，整個地球總共包括八個圈層，其中巖石圈、軟流圈和地球內圈一起構成了所謂的固體地球。對于地球外圈中的大氣圈、水圈和生物圈，以及巖石圈的表面，一般用直接觀測和測量的方法進行研究。而地球內圈，目前主要用地球物理的方法，例如地震學、重力學和高精度現(xiàn)代空間測地技術觀測的反演等進行研究。地球各圈層在分布上有一個顯著的特點，即固體地球內部與表面之上的高空基本上是上下平行分布的，而在地球表面附近，各圈層則是相互滲透甚至相互重疊的，其中生物圈表現(xiàn)最為顯著，其次是水圈 .

　　一、地球內部圈層劃分依據(jù)

　　地球內部情況主要是通過地震波的記錄間接地獲得的。地震時，地球內部物質受到強烈沖擊而產生波動，稱為地震波。它主要分為縱波和橫波。由于地球內部物質不均一，地震波在不同彈性、不同密度的介質中，其傳播速度和通過的狀況也就不一樣。例如，縱波在固體、液體和氣體介質中都可以傳播，速度也較快；橫波只能在固體介質中傳播，速度比較

　　慢。地震波在地球深處傳播時，如果傳播速度突然發(fā)生變化，這突然發(fā)生變化所在的面，稱為不連續(xù)面。根據(jù)不連續(xù)面的存在，人們間接地知道地球內部具有圈層結構。

　　二、地球內部圈層的劃分

　?。ㄒ唬┑貧?地殼厚度各處不一，大陸地殼平均厚度約35公里，高大山系地區(qū)的地殼較厚，歐洲阿爾卑斯山的地殼厚達65公里，亞洲青藏高原某些地方超過70公里，而北京地殼厚度與大陸地殼平均厚度相當，約36公里。大洋地殼很薄，例如大西洋南部地殼厚度為12公里，北冰洋為10公里，有些地方的大洋地殼的厚度只有5公里左右。整個地殼平均厚度約17公里。一般認為，地殼上層由較輕的硅鋁物質組成，叫硅鋁層。大洋底部一般缺少硅鋁層；下層由較重的硅鎂物質組成，稱為硅鎂層。大洋地殼主要由硅鎂層組成。

　?。ǘ┑蒯?介于地殼與地核之間，又稱中間層。自地殼以下至2900公里深處。地幔一般分上下兩層：從地殼最下層到1000—1200公里深處，除硅鋁物質外，鐵鎂成分增加，類似橄欖巖，稱為上地幔，又稱橄欖巖帶；下層為柔性物質，呈非晶質狀態(tài)，大約是鉻的氧化物和鐵鎳的硫化物，稱為下地幔。地震資料說明，大致在70—150公里深處，震波傳播速度減弱，形成低速帶，自此向下直到1500公里深處的地幔物質呈塑性，可以產生對流，稱為軟流圈。這樣，地幔又可分為上地幔、轉變帶和下地幔三層。了解地幔結構與物質狀態(tài)，有助于解釋巖漿活動的能量和物質來源，及地殼變動的內動力。

　　（三）地核 地幔以下大約5100公里處地震橫波不能通過稱為外核，推測外核物質是“液態(tài)”，但地核不僅溫度很高，而且壓力很大，因此這種液態(tài)應當是高溫高壓下的特殊物質狀態(tài)；5100—6371公里是內核，在這里縱波可以轉換為橫波，物質狀態(tài)具有剛性，為固態(tài)。整個地核以鐵鎳物質為主。

　　三、地殼物質組成

　　（一）地殼中的化學元素 地殼中有90多種天然化學元素，其中氧、硅、鋁、鐵、鈣、鈉、鉀、鎂八大元素含量占地殼總重量的97％，其余元素只占3％。而地殼中的氧約占49％；硅約占26％。

　　（二）地殼中的礦物 地殼中的化學元素，隨著地質作用的變化不斷地進行化合和分解，形成各種具有一定物理—化學性質特征的礦物①。而礦物又是形成地殼巖石與礦石的基本單位。地殼中的礦物大約有3000種，但與形成巖石有關的礦物主要有：石英、正長石、斜長石、角閃石、輝石、云母、方解石等，這類礦物通常稱為造巖礦物。

　　（三）主要造巖礦物特征 石英（SiO2），晶體為柱狀或塊狀，透明或半透明，具有油脂光澤，硬度7②，用刀刻劃不產生條痕，為重要造巖礦物。長石，各類巖石都有，為含有鉀、鈉和鈣的硅酸鹽礦物，硬度6—6.5，柱狀或板塊狀，正長石常為肉紅色，斜長石為灰白色。角閃石，暗灰色或黑色，硬度5.5—6，常與石英、長石共生。云母，能沿解理方向揭成很薄的光滑薄片，發(fā)亮，透明，能彎曲，硬度2—3，具絕緣性。方解石（CaCO3），白色，透明或半透明，硬度3，用刀刻劃可見條痕，遇稀鹽酸反應起泡。 　 四、地殼中的巖石

　　地殼是由各種巖石組成的，巖石是由各類礦物組成的。根據(jù)形成的條件與當時形成的環(huán)境，巖石可分三大類：

　?。ㄒ唬r漿巖 這類巖石當時形成時溫度很高，所以又稱為火成巖。巖漿是地球深處高溫高壓下復雜的硅酸鹽熔融體，主要成分是二氧化硅、三氧化二鋁以及其他氧化物。金屬元素及其氧化物的含量雖然不多，卻是形成各種礦物（床）的物質來源。巖漿在不同條件下形成各種巖石。地殼中的巖石主要由巖漿巖構成。常見的、分布最廣的巖漿巖有以下幾種：

　　1.花崗巖 花崗巖是大陸上分布非常廣泛的巖石，主要由正長石、石英和云母等礦物于地殼層內冷凝而成，多較堅硬，呈肉紅色，是良好的建筑材料。與花崗巖成分相同而噴出地表形成的巖石，叫流紋巖，流紋巖在形成時，一面流動，一面冷卻凝固，產生流紋狀結構，所以叫流紋巖。

　　2.閃長巖 閃長巖也是一種侵入巖，主要由斜長石、角閃石等礦物組成，灰色或灰綠色。與閃長巖礦物成分相同、噴出地表后冷卻凝固成的巖石叫安山巖，因巖漿迅速冷卻，揮發(fā)性物質迅速散逸，常形成氣孔狀結構。

　　3.輝長巖 輝長巖也是常見的巖石，屬于侵入巖，主要由斜長石、輝石和少量角閃石等礦物組成。色深，與輝長巖礦物成分大致相同、噴出地表的叫玄武巖。因含鐵、鎂成分較多，故呈黑色或黑綠色，常具有氣孔狀結構。玄武巖分布很廣。

　?。ǘ┏练e巖 各類巖石經風化、侵蝕、搬運、沉積和成巖作用后形成的巖石，稱為沉積巖。這類巖石大多是在海洋、河流、湖泊等水環(huán)境下形成，所以沉積巖又稱水成巖。由于水量有大小，水體深淺不一，水動力條件與沉積環(huán)境不一，沉積巖一般具有成層現(xiàn)象，構成巖石的顆粒有粗細之分，層次有厚薄不同。地表分布最廣的是沉積巖。由于沉積巖一般形成于常溫常壓環(huán)境，所以巖層里往往保留有生物遺跡——化石。常見的并且分布廣泛的沉積巖有以下幾種：

　　1.石灰?guī)r 主要化學成分是碳酸鈣，它原是海洋環(huán)境下的生物化學沉積。白色、灰白色或灰色。石灰?guī)r是沉積巖中最常見的和地表分布最廣泛的一類巖石。它可作為建筑材料，例如石灰、水泥等的原料。

　　2.砂巖 主要礦物成分是石英、長石。原是陸地上或淺海環(huán)境沉積。黃色、灰白色，巖石比較堅硬，是較好的建筑材料。用來做磨刀石的通常是砂巖。

　　3.頁巖 主要礦物有高嶺土、石英、云母等，淺?；蜿懴喑练e。泥質結構，致密，不透水，是良好的隔水層。淺綠色或淺黃色。巖性軟弱，容易風化、侵蝕。

　　4.礫巖 由大小不一的巖石碎塊混雜在一起，被某種物質膠結而形成，一般為陸相沉積。礫巖成分有的簡單，有的很復雜，有的礫巖的礫石帶有棱角，有的則被磨得渾圓。這類巖石一般多孔隙、透水，常常是良好的含水層。

　　（三）變質巖 由巖漿巖、沉積巖，甚至包括變質巖本身，在高溫、高壓或動力擠壓下，使原有巖石中的礦物產生重新排列、組合，并可能產生新的變質礦物，具有一定的結構特征的巖石，稱為變質巖。例如，石灰?guī)r經過變質作用，形成美麗的大理石，這是一種名貴的建筑材料，因云南省大理附近點蒼山出產這種巖石而得名；砂巖經變質作用后，形成更為堅硬的石英巖；頁巖經變質作用后，形成比較致密而堅實的板巖或片巖，等等。

                 地球內力