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地球内部结构之谜（第1页）

地球内部结构之谜

人们对于地球的结构直到近来才有了比较清楚的认识。整个地球不是一个均质体，而是具有明显的圈层结构。地球每个圈层的成分、密度、温度等各不相同。在天文学中，研究地球内部结构对于了解地球的运动、起源和演化，探讨其他行星的结构，以至于整个太阳系起源和演化问题，都具有十分重要的意义。

地球圈层分为地球外圈和地球内圈两大部分。地球外圈可进一步划分为4个基本圈层，即大气圈、水圈、生物圈和岩石圈；地球内圈可进一步划分为三个基本圈层，即地幔圈、外核**圈和固体内核圈。此外在地球外圈和地球内圈之间还存在一个软流圈，它是地球外圈与地球内圈之间的一个过渡圈层，位于地面以下平均深度约150千米处。这样，整个地球总共包括8个圈层，其中岩石圈、软流圈和地球内圈一起构成了所谓的固体地球。对于地球外圈中的大气圈、水圈和生物圈，以及岩石圈的表面，一般用直接观测和测量的方法进行研究。而地球内圈，目前主要用地球物理的方法，例如地震学、重力学和高精度现代空间测地技术观测的反演等进行研究。地球各圈层在分布上有一个显著的特点，即固体地球内部与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，各圈层则是相互渗透甚至相互重叠的，其中生物圈表现最为显著，其次是水圈。

大气圈

大气圈是地球外圈中最外部的气体圈层，它包围着海洋和陆地。大气圈没有确切的上界，在2000～16000千米高空仍有稀薄的气体和基本粒子。在地下，土壤和某些岩石中也会有少量空气，它们也可认为是大气圈的一个组成部分。地球大气的主要成分为氮、氧、氩、二氧化碳和不到0．04％比例的微量气体。地球大气圈气体的总质量约为5．136×10TM千克，相当于地球总质量的0．000086％。由于地心引力作用，几乎全部的气体集中在离地面100千米的高度范围内，其中75％的大气又集中在从地面至10千米高度的对流层范围内。根据大气分布特征，在对流层之上还可分为平流层、中间层、热成层等。

生物圈

由于存在地球大气圈、地球水圈和地表的矿物，在地球上这个合适的温度条件下，形成了适合于生物生存的自然环境。人们通常所说的生物，是指有生命的物体，包括植物、动物和微生物。据估计，现有生存的植物约有40万种，动物约有110多万种，微生物至少有10多万种。据统计，在地质历史上曾生存过的生物约有5亿一10亿种之多，然而，在地球漫长的演化过程中，绝大部分都已经灭绝了。现存的生物生活在岩石圈的上层部分、大气圈的下层部分和水圈的全部，构成了地球上一个独特的圈层，称为生物圈。生物圈是太阳系所有行星中仅在地球上存在的一个独特圈层。

岩石圈

对于地球岩石圈，除表面形态外，是无法直接观测到的。它主要由地球的地壳和地幔圈中上地幔的顶部组成，从固体地球表面向下穿过地震波在近33千米处所显示的第一个不连续面（莫霍面），一直延伸到软流圈为止。岩石圈厚度不均一，平均厚度约为100千米。由于岩石圈及其表面形态与现代地球物理学、地球动力学有着密切的关系，因此，岩石圈是现代地球科学中研究得最多、最详细、最彻底的固体地球部分。由于洋底占据了地球表面总面积的2／3之多，而大洋盆地约占海底总面积的45％，其平均水深为4～5千米，大量发育的海底火山就是分布在大洋盆地中，其周围延伸着广阔的海底丘陵。因此，整个固体地球的主要表面形态可认为是由大洋盆地与大陆台地组成，对它们的研究，构成了与岩石圈构造和地球动力学有直接联系的“全球构造学”理论。

软流圈

在距地球表面以下约100千米的上地幔中，有一个明显的地震波的低速层，这是由古登堡在1926年最早提出的，称之为软流圈，它位于上地幔的上部。在洋底下面，它位于约60千米深度以下；在大陆地区，它位于约120千米深度以下，平均深度约位于60～250千米处。现代观测和研究已经肯定了这个软流圈层的存在。也就是由于这个软流圈的存在，将地球外圈与地球内圈区分开来了。

地幔圈

地震波除了在地面以下约33千米处有一个显著的不连续面（称为莫霍面）之外，在软流圈之下，直至地球内部约2900千米深度的界面处，属于地幔圈。由于地球外核为液态，在地幔中的地震波s波不能穿过此界面在外核中传播。P波曲线在此界面处的速度也急剧减低。这个界面是古登堡在1914年发现的，所以也称为古登堡面，它构成了地幔圈与外核流体圈的分界面。整个地幔圈由上地幔（33～410千米深度的B层，410～1000千米深度的C层，也称过渡带层）、下地幔的D’层（1000～2700千米深度）和下地幔的DJ，层（2700～2900千米深度）组成。地球物理的研究表明，D层存在强烈的横向不均匀性，其不均匀的程度甚至可以和岩石层相比拟，它不仅是地核热量传送到地幔的热边界层，而且极可能是与地幔有不同化学成分的化学分层。

外核**圈

地幔圈之下就是所谓的外核**圈，它位于地面以下约2900～5120千米深度。整个外核**圈基本上可能是由动力学黏度很小的**构成的，其中2900～4980千米深度称为E层，完全由**构成。4980～5120千米深度层称为F层，它是外核**圈与固体内核圈之间一个很薄的过渡层。

固体内核圈

地球8个圈层中最靠近地心的就是所谓的固体内核圈了，它位于5120—6371千米地心处，又称为G层。根据对地震波速的探测与研究，证明G层为固体结构。地球内层不是均质的，平均地球密度为5．515克立方厘米，而地球岩石圈的密度仅为2．6～3．0克／立方厘米。由此，地球内部的密度必定要大得多，并随深度的增加，密度也出现明显的变化。地球内部的温度随深度加深而上升。根据最新的估计，在100千米深度处温度为1300~C，300千米处为2000％，在地幔圈与外核液态圈边界处，约为4000~C，地心处温度为5500~C～6000~C。

地球转动之谜

众所周知，地球在一个椭圆形轨道上围绕太阳公转，同时又绕地轴自转。因为这种不停的公转和自转，地球上才有了季节变化和昼夜交替。然而，是什么力量驱使地球这样永不停息地运动呢?地球运动的过去、现在、将来又是怎样的呢?

地球存在绕自转轴自西向东的自转，平均角速度为每小时转动15°。在地球赤道上，自转的线速度是465米秒。天空中各种天体东升西落的现象都是地球自转的反映。人们最早利用地球自转作为计量时间的基准。人们认为地球的运动是一种标准的匀速运动，否则，一日的长短就会改变。伟大的牛顿就是这样认为的。他将整个宇宙天体的运动，看成是上好发条的机械，准确无误，完美无缺。

其实，地球的运动是在变化着，而且极不稳定。通过对月球、太阳和行星的观测资料和对古代月食、日食资料的分析，以及通过对古珊瑚化石的研究，可以得到地质时期地球自转的情况。根据“古生物钟”的研究发现，地球和自转速度在逐年变慢。如在4．4亿年的晚奥陶纪，地球公转一周要412天；到4．2亿年前的中志留纪，每年只有400天；3．7亿年前的中泥盆纪，一年为398天；到了l亿年前的晚石炭纪，每年约为385天；6500万年前的白垩纪，每年约为376天；而现在一年只有365．25天。据天体物理学的计算，证明了地球自转速度正在变慢。

科学家将地球逐年变慢的现象解释为是由于月球和太阳对地球的潮汐作用引起的。由于潮汐摩擦，使地球自转角动量变小，从而引起月球以每年3—4厘米的速度远离地球，使月球绕地球公转的周期变长。除潮汐摩擦原因外，地球半径的可能变化、地球内部地核和地幔的耦合、地球表面物质分布的改变等也会引起地球自转周期的变化。

石英钟的发明，使人们能更准确地测量和记录时间，通过石英钟记时观测日地的相对运动，发现在一年内地球自转存在着时快时慢的周期性变化：春季自转变慢，秋季加快。

科学家经过长期观测认为，引起这种周期性变化的原因与地球上的大气和冰的季节性变化有关。此外，地球内部物质的运动，如重元素下沉、向地心集中、轻元素上浮、岩浆喷发等，都会影响地球的自转速度。

地球自转速度除上述长期减慢外，还存在着时快时慢的不规则变化，这种不规则变化同样可以在天文观测资料的分析中得到证实。

地球自转的周期性变化主要包括周年周期的变化，月周期、半月周期变化以及近周日和半周日周期的变化。周年周期变化，也称为季节性变化，是20世纪30年代发现的，它表现为春天地球自转变慢，秋天地球自转加快，其中还带有半年周期的变化。周年变化的振幅为20—25毫秒，主要由风的季节性变化引起。半年变化的振幅为8～9毫秒，主要由太阳潮汐作用引起。此外，月周期和半月周期变化的振幅约为±1毫秒，是由月亮潮汐力引起的。

20世纪以来，随着天文观测技术的发展，证实地球自转是不均的。1967年国际上开始建立比地球自转更为精确和稳定的原子时。由于原子时的建立和采用，地球自转中的各种变化相继被发现。现在天文学家已经知道地球自转速度存在长期减慢、不规则变化和周期性变化。

除了地球的自转外，地球的公转也不是匀速运动。这是因为地球公转的轨道是一椭圆，最远点与最近点相差约500万千米。当地球从远日点向近日点运动时，离太阳越近，受太阳引力的作用越强，速度越快。由近日点到远日点时则相反，运行速度减慢。

还有，地球自动轴与公转轨道并不垂直；地轴也并不稳定，而是像一个陀螺在地球轨道面上作圆锥形的旋转。地轴的两端并非始终如一地指向天空中的某一个方向，如北极点，而是围绕着这个点不规则地画着圆圈。地轴指向的这种不规则，是地球的运动所造成的。

科学家还发现，地球运动时，地轴向天空画的圆圈并不规整。就是说地轴在天空上的轨迹根本就不是在圆周上的移动，而是在圆周以外作周期性的摆动，摆幅为9秒。

由此可以看出，地球的公转和自转是许多复杂运动的组合，而不是简单的线速或角速运动。

从地球上看，太阳沿黄道逆时针运动，黄道和赤道在天球上存在相距180。的两个交点，其中太阳沿黄道从天赤道由南向北通过天赤道的那一点，称为春分点，与春分点相隔180。的另一点，称为秋分点，太阳分别在每年的春分（3月21日前后）和秋分（9月23日前后）通过春分点和秋分点。对居住的北半球的人来说，当太阳分别经过春分点和秋分点时，就意味着已是春季或是秋季时节。太阳通过春分点到达最北的那一点称为夏至点，与之相差180。的另一点称为冬至点，太阳分别于每年的6月22日前后和12月22日前后通过夏至点和冬至点。同样，对居住在北半球的人，当太阳在夏至点和冬至点附近时，从天文学意义上，已进入夏季和冬季时节。上述情况，对于居住在南半球的人，则正好相反。