地球内部圈层的划分

地球内部圈层的划分依据及各层的特点

地震波在向深部传播过程中，一般情况下波速是随深度和岩石密度的加大而增加的，并且沿多种曲折的路径传播。根据地震波传播速度的突然变化，先后发现地球内部存在着6个显著的地震波速不连续界面(图8-4)。其中最主要的不连续界面有以下两个。

图8-4地球内部结构与地震波速的变化

莫霍洛维奇面(Mohorovicic discontinuity，简称莫霍面 Moho) 最先是由克罗地亚学者莫霍洛维奇(A.Mohorovicic，1857～1936)于1909年发现的。在莫霍面的上下，纵波速度从7.0km/s迅速增加到8.1km/s左右;横波速度则从4.2km/s增加到4.4km/s左右。莫霍面出现的深度，全球平均为33km，在大洋之下平均仅为7km。后来，人们就把莫霍面之上的部分，称为地壳(crust，图8-4，A层)，莫霍面之下到古登堡面之间称为地幔(mantle，图8-4，B、C、D层)。
古登堡面(Gutenberg discontinuity) 是1914年由美籍德裔学者古登堡(B.Gutenberg，1889～1960)发现的。在此不连续面上下，纵波速度由13.6km/s突然降低为7.98km/s;横波速度从7.23km/s到突然消失(地震波的能量其实可以一直向下传到地核内部的，只不过横波在液态外核无法测量出来)。此界面位于地下2885km深度。此界面之下到地心，称为地核(core，图8-4，E、F、G层)。
另外在上地幔内部(即B层内)，还存在一个地震波的低速层，其深度一般在地表之下60～250km。在低速层内，地震波速反而比上部减少5%～10%左右，这表明此处岩石强度较低，可能富含流体。低速层的上下并没有明显的界面，地震波速表现为渐变的特征。低速层后来就被命名为软流圈(asthenosphere)。软流圈以上、岩石强度较大的部分，包括地壳和上地幔顶部就称为岩石圈(lithosphere)。

（一）划分依据：地震波及其在地球内部的传播

图3-1 纵波穿过地球内部的路线示意图

限于科学技术水平，人类可以直接观察到的地下深度十分有限。现在世界上最深的矿井仅4～5 km，最深的钻井不过12.5 km，即使是火山喷溢出来的岩浆，最深也只能带出地下几十千米到200 km左右的物质。目前对地球内部的了解，主要是借助于地震波研究的成果。地震发生时，人们会感到地球在剧烈颤动，这是由于地震所激发出的弹性波在地球中传播的结果，这种弹性波就称地震波（seismic wave）。地震波主要包括纵波（P波）、横波（S波）和面波，其中对地球内部构造研究有意义的是纵波和横波（注：面波只沿地表传播）。质点的振动方向与地震波传播方向一致的波称纵波；质点的振动方向与地震波传播方向垂直的波称横波。地震波从地震的震源激发向四面八方传播，到达地表的各个地震台站后被地震仪记录下来。根据这些记录，人们可以推断地震波的传播路径、速度变化以及介质的特点。通过对许多台站的记录进行综合分析研究，便可以了解地球的内部构造。所以，有人把地震比喻为地球内部的一盏明灯，它发出的地震波“照亮”了地球的内部（图3-1）。

地震波传播速度的大小与介质的密度和弹性性质有关，其关系可用公式表示为：

地球科学概论（第二版）

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式中：v_P、v_S分别为纵波和横波速度；ρ为介质密度；k为介质的体变模量（即物体在围限压力下能缩小的程度，k值愈大物体愈难缩小）；μ为切变模量（即物体在定向力作用下形状能改变的程度，μ值愈大物体愈难变形。体变模量和切变模量可统称为弹性模量）。

地震波速的变化就意味着介质的密度和弹性性质发生了变化。纵波的传播速度高于横波，在同一介质中纵波速度约为横波速度的1.73倍。在液体中，由于切变模量μ＝0，所以横波不能通过。

地震波的传播如同光波的传播一样，当遇到不同介质的突变界面时，地震波射线就会发生反射和折射，这种界面称为波速不连续面。假如地球物质完全是均一的，那么由震源发出的地震波将以直线和不变的速度前进。但实际分析的结果表明，地震波总是沿着弯曲的路径传播并且不同深度的波速不一致，这表明地球内部的物质是不均一的。传播路线的连续缓慢弯曲表示物质密度和弹性性质是逐渐变化的，传播速度的跳跃及传播路线的折射与反射表示物质密度和弹性性质发生了显著变化。

（二）地球内部圈层的划分

地震波的传播速度总体上是随深度而递增变化的。但其中出现两个明显的一级波速不连续界面、一个明显的低速带和几个次一级的波速不连续面（图3-2）。

图3-2 地球内部结构及P波和S波的速度分布

莫霍洛维奇不连续面（简称莫霍面，Moho discontinuity） 该不连续面是1909年由前南斯拉夫学者莫霍洛维奇首先发现的。其出现的深度在大陆之下平均为33 km，在大洋之下平均为7 km。在该界面附近，纵波的速度从7.0 km/s左右突然增加到8.1 km/s左右；横波的速度也从4.2 km/s突然增至4.4 km/s。莫霍面以上的地球表层称为地壳（crust）。

古登堡不连续面（简称古登堡面，Gutenberg discontinuity） 该不连续面是1914年由美国地球物理学家古登堡首先发现的，它位于地下2 885 km的深处。在此不连续面上下，纵波速度由13.64 km/s突然降低为7.98 km/s，横波速度由7.23 km/s向下突然消失。并且在该不连续面上地震波出现极明显的反射、折射现象。古登堡面以上到莫霍面之间的地球部分称为地幔（mantle）；古登堡面以下到地心之间的地球部分称为地核（core）。

低速带（或低速层，low⁃velocity⁃zone） 低速带出现的深度一般介于60～300 km 之间，接近地幔的顶部。在低速带内，地震波速度不仅未随深度而增加，反而比上层减小5%～10%左右。低速带的上、下没有明显的界面，波速的变化是渐变的；同时，低速带的埋深在横向上是起伏不平的，厚度在不同地区也有较大变化。横波的低速带是全球性普遍发育的，纵波的低速带在某些地区可以缺失或处于较深部位。低速带在地球中所构成的圈层被称为软流圈（asthenosphere）。软流圈之上的地球部分被称为岩石圈（lithosphere）。

因此，地球的内部构造以莫霍面和古登堡面划分为地壳、地幔和地核三个主要圈层。根据次一级界面，还可以把地幔进一步划分为上地幔和下地幔，把地核进一步划分为外地核、过渡层及内地核。在上地幔上部存在着一个软流圈，软流圈以上的上地幔部分与地壳一起构成岩石圈。地球内部各圈层的划分、深度及特征见图3-2和表3-1。

表3-1 地球内部圈层结构及各圈层的主要地球物理数据

自然地理-地球的圈层结构