表 2.10 地球层圈的特征

①据 Henderson，1982 1.地壳（A 层）

地壳为从地表到第一个分界面（莫霍面）的地球表层。至少其上都是可以直接观察的。关于地壳的基本特征和物质成分，大体上有比较一致的认识， 地壳的厚度各处不同，特别是大陆同海洋地壳之间有明显差别。莫霍面的深度各处不一，各大洋盆地的莫霍面位于海平面之下 10—13km，而在大陆下面它常常处于海平面之下约 35km 处，但在造山带地区它可下降至最大深度

（65km）。

在大洋盆地中大约有 4km 深的水层，大洋地壳上部为一层 0.5—2km 厚的未固结的沉积物，然后是玄武质成分的岩石（5—8km），直至莫霍面。

根据地震波提供的证据，曾经认为大陆地壳可以分为二层，上层具有花岗岩或花岗岩闪长岩成分，下层具有玄武岩成分。它们分别相当于硅铝层和硅镁层。然而，近年来更精密的地震波研究、超深钻探以及在许多大陆区发现的地质上的不均一性，大大地动摇了关于地壳分层的概念。现在主要认为大陆地壳是由沉积岩、变质岩、侵入岩和火山岩互相镶嵌组成，并在平均物

质成分上大概存在一种由浅到深的渐变趋势，在近地表处接近花岗岩成分而到深处变为辉长岩成分。还有人认为上部地壳厚约 8—12km，由偏酸性的火成岩和沉积岩组成，下部地壳主要由麻粒岩、玄武岩等中酸性或中基性岩石组成，它在组成上比上地壳均一。上地壳中 K， Rb， U， Th 等元素含量比下地壳要富集得多，但 Sr， Pb 等元素在上、下地壳中含量比较接近。在正常的稳定大陆壳下，地壳底部的温度为 400—600℃，因此物质处于固态。

1. 地幔

地幔可分为 B，C 和 D 三层。 B 层包括莫霍面以下的岩石圈部分和软流层（地震波的低速层），一般深度范围为 33—410km。B 层通常被称为上地幔， 但也可以将过渡层（C 层，深度范围为 410—1000km）划入上地幔的。 D 层

（1000—2900km）则为下地幔。

作为地壳和上地幔分界的莫霍面性质还存在不同的观点。一种观点认为它是一种物理上的不连续面，是由辉长岩成分的下地壳岩石相变为榴辉岩的结果，榴辉岩具有较高的密度，但与辉长岩的化学成分基本相同。另一种观点则认为莫霍面是化学不连续面，上地幔具有超基性岩的成分（橄榄岩和纯橄榄岩）。这两种关系可能都是存在的。由于榴辉岩的密度（3.4—3.6）接近上地幔的最高值（3.6），它在上地幔中不可能占很大比例。可能仅在上地幔顶部或局部地区以析离体的形式出现。出现在玄武岩和含金刚石的金伯利岩中的地幔包体，以橄榄岩和纯橄榄岩占绝大多数，榴辉岩包体则很少，也可以说明这一点。

岩石圈是指由岩石组成的地圈。包括地壳和上地幔上部刚性岩石部分。岩石圈下界位于上地幔软流圈的顶面。岩石圈的厚度究竟有多大，很不一样。其变化范围从洋中脊地区几乎等于零，到大陆下最深可达 140km。软流圈则是根据地震波传播的低速层（LVZ）确定的。

深入研究表明，多数橄榄岩和纯橄榄岩包体并不代表上地幔的真实成分。这些岩石中的钾、钙、锶、钡等元素含量太低，不能通过它们的部分熔融产生和玄武岩有相同化学成分的岩浆。所以，更多的情况下，这些岩石代表了上地幔熔融产生玄武岩岩浆后的残留体成分。

根据这一情况，Ringwood 提出了上地幔的地幔岩（Pyrolite）模型，即上地幔的化学成分是由 3 份阿尔卑斯型橄榄岩和 1 份夏威夷玄武岩的组份构成。这种地幔岩熔融产生玄武岩岩浆，并留下橄榄岩和纯橄榄岩残余。由于上地幔的地温在大陆和大洋之下相差很大，所以两种情况下地幔岩的成分也有差异。在大陆前寒武纪地盾下面，上地幔在相当深度上是由含少量榴辉岩析离体的橄

榄岩组成，而在大洋区之下，上地幔上部很薄，由方辉橄榄岩和二辉橄榄岩组成（见图 2.2）。

过渡层（C）占据了 600km 地球厚度。在该层内岩石密度和导电性明显增大，地震波速度在该层达到最大值。在过渡层的中部（约 700km）产生大量的深源地震。

关于过渡层的物性状态还没有完全一致的认识。曾经认为那里密度迅速增加是和金属（尤其是铁）含量增加有关，但金属含量增加应导致地震波速的减小。比较流行的说法是在过渡层中物质（硅酸盐矿物）发生同质多象转变，并没有成分的明显变化。林伍德设想在过渡层发生着如下变化：

2MgSiO3（顽火辉石）→Mg2SiO4（镁橄榄石）+SiO2（斯石英） Mg2SiO4（斜方晶系）→Mg2SiO4（等轴晶系，尖晶石型结构） Mg2SiO4（尖晶石型）+SiO2（斯石英）→2MgSiO3（钛铁矿型） Mg2SiO4（尖晶石型）→MgSiO3（钛铁矿型）+MgO（方镁石）

这些同质多象转变已被实验研究证实，并预料它们在过渡层的温压条件下有可能发生。

下地幔（D）位于 1000 到 2900km 深度之间，比较均一。设想它是由钛铁矿型结构的（Mg·Fe）SiO3 和方镁石（Mg·Fe）O 的混合物所组成。估计下地幔的成分近似于 0.49MgO+0.12FeO+0.39SiO2。但也有别的估计。林伍德曾指出，下地幔中可能存在着物质处于更紧密堆积的状态，例如钛铁矿型结构变为钙钛矿（CaTiO3）型结构，方镁石结构转变为 CsCl 结构等。

1. 地核

按地震波速度特征，可以把地核划分成外核、过渡层和内核，对应为 E， F，G 三层。外核和过渡层具有流体的特征，地震 S 波在其中消失。推测内核是固态的。

地球具有一个金属性质的地核，这几乎没有任何异议。但这个金属核是由什么物质组成，则有各种不同的意见。传统观点认为地核是由以铁为主的铁—镍合金组成，并常以陨硫铁作为地核的代表成分。但纯铁和铁—镍合金的密度都比推算的地核密度大 10％以上，所以它应该有一定数量的轻元素。能起这种合金作用的元素有氧、碳、镁、硫和硅。最可能的则是 FeS-Fe 地核模型和 Si-Fe 地核模型。

目前的资料还不能鉴别哪一种模型更符合地核的真实情况。争论的问题涉及地核的成因过程，甚至涉及关于地球起源的热成说和冷成说。主张铁— 硅模型的人提出，根据实验资料计算，地核内硅重量应为 14％—20％左右， 当硅含量达到 11％以上时，即可获得铁—硫模型的相同结果。他们反对铁— 硫模型的理由是：当地球处于炽热状态时，大部分硫早已呈挥发分从地球中逸出，不可能有大量的硫存在于地核之中。主张铁—硫模型的人认为，根据密度和原子量资料计算，地核中含硫量应为 12％—14％，FeS 存在于地核中可降低地核物质的熔点，这有利于解释外核的液态特性。他们反对铁—硅模型的理由是：硅进入地核形成铁硅合金时，要求有 CO2 存在的大规模高温还原条件，现有资料不足以证明这一点。而富硫的铁核在较低温度（只要大于Fe—FeS 的共结温度 990℃）的行星条件下便可形成。同时，持铁—硫模型的人认为地球是由冷凝的质点堆积而成的，因而不存在大部分硫呈挥发分从地球物质中逸出的问题。