Question

地球的结构

Answer 1

地球和地壳是地球化学研究的主要对象,了解地球内部的成分与状态是理解地壳中各类地球化学过程的基本前提。地球的物质组成是不均一的,我们不能以地表的物质成分代表地球的组成,所以地球的结构模型成为研究地球化学组成的基础。至今我们对地球内部结构与物质成分和状态的认识主要依据的还是间接资料。

地球是高度分异的行星,它的多种活动持续形成了多种多样的火山岩-侵入岩—沉积岩类。虽然其他一些地外行星也可能以有限和特殊的方式保持其活动性,但地球仍然“肚子里有火”,且外壳被腐蚀性的水和大气圈中的气体所覆盖。

地球大概最初是熔融体,在形成后的很早时期就分异成为化学组成不同的层或壳。目前对于地球内部结构和组成的了解只能是间接的。通过地球物理、模拟实验和与天体物质对比的方法,以获得关于地球内部物质的组成、密度、温度和压力等方面的大量数据。

牛顿时代,科学家根据万有引力定律算出地球质量为5.974× 10²¹ t (约60万亿亿吨),得出的地球平均密度为5.517g/cm³。已知地表岩石的平均密度为2.7～2.8g/cm³ ,因此推断地球内部密度一定大于地球平均密度。

根据压缩地震波 (P) (纵波:波长与传播方向一致,能通过固体和流体)和剪切地震波 (S) (横波:波长与传播方向垂直,只能在固体中传播)的反射和折射,表明地球内部物质的密度和弹性是不均一的,在一定深度表现为突变性质。据地震波速向下增大的规律,算出固体地球不同深度物质的密度,获得了地球内部具有壳层结构的概念。地球内部由表及里可以分成地壳、地幔和地核三部分 (图1-12)。固体地球三个层圈的密度随深度的变化见图1-13。表1-23 为包括大陆地壳在内的地球各层圈的物理参数。

图1-12 压缩地震波 (P 波)和剪切地震波(S波)波速随深度的变化

(据 White,2001)

图1-13 根据初步参考地球模型 (Preliminary Reference Earth Model-PREM)确定的地壳 (左图)和地球不同层圈物质平均密度与深度变化图解

(据 Walther,2005)

1.地壳

地壳为从地表到莫霍面的地球表层。地壳是不均一的,其厚度各处不同。特别是大陆同大洋地壳之间存在明显差别。莫霍面的深度各处不一,在各大洋盆地中它位于海平面之下10～13km,而在大陆下面它常常处于海平面之下约35km 处,在造山带则下降到最大深度 (65km)。

表1-23 包括大陆地壳地球各层圈的物理参数

(据 Faure,1998)

上地壳地震P波速度5.8～6.4km/s,相当于“花岗质岩石”的成分,这种花岗质岩石的平均成分更接近于花岗闪长岩,相当于硅铝层 (富含Si和Al)。下地壳P波速度介于6.5～7.2km/s之间,下地壳岩石曾被认为相当于辉长岩。然而这种推测未被镁铁质岩石高温高压研究成果所支持。目前多数人倾向于这种观点,即:下地壳的平均化学成分相当于偏镁铁质的中性岩,岩石类型可能有角闪岩、斜长角闪岩、镁铁质和硅铝质的石榴子石变粒岩、超镁铁质岩石和榴辉岩。

大洋地壳的大洋盆地中有大约 4km 厚的水层。其下洋壳先为 0.5～2km 厚的未固结的沉积物,然后为玄武岩和辉长质成分的物质(5～8km),直至莫霍面 (图1-14)。

图1-14 大洋地壳组成模型

(据 Walther,2005)

现代大洋地壳的岩石层序与产于大陆地壳的蛇绿岩的岩石层序比较一致,因而人们推测由蛇绿岩代表的古洋壳与现代大洋地壳在组成和成因上可能有很大的相似性。因而大陆上蛇绿岩套的存在和发现,已经成为确定古大洋板块碰撞带的一个重要标志。

目前认为,上地壳主要是由沉积岩、变质岩以及各类侵入岩和火山岩镶嵌而成的。

表1-24为现代大洋地壳与大陆地壳氧化物的平均含量。由表可见,大洋地壳SiO₂ 含量约50%,比大陆地壳低10个百分点,碱金属含量低,特别是K₂ O,洋壳比陆壳低一个数量级,而MgO、FeO_T 和CaO则远高于陆壳。表明大洋地壳比大陆地壳贫硅和碱金属,富铁、镁、钙等元素。因此现代大洋沉积物中富含Fe、Mn、Co、Ni等亲铁元素,使现代海洋成为巨大的潜在资源,如海底铁锰结核矿产资源等。而就大陆地壳来说,年轻大陆壳比古大陆壳更富含Si、K,而贫Fe、Al、Mg、Ca、Na等元素。中国大陆则又比其他陆壳更富含Th、W、Sn等元素 (黎彤等,1990)。

表1-24 大洋地壳与大陆地壳主要氧化物的平均含量 单位:w_B/%

*数据源自Taylor et al.,1985;**数据源自Rudnick et al.,2004。

2.地幔

根据布伦(1975)的地球模型,地幔被划分为B、C和D层。B层包含莫霍面以下的岩石圈部分和软流圈 (或低速层),一般深度为40～410km。B层被称为上地幔,也有人将过渡层 (C层,深度范围410～660km)亦划入上地幔 (表1-25)。D层 (约1000～2885km)则为下地幔。

表1-25 地球内部主要壳层的特征

(据简明地球化学手册,1981;Walther,2005)

上地幔 (B)的成分必须满足以下约束:首先,其组成应与直接来自地幔包体的样品组成一致;其次,一旦发生熔融必须能形成玄武岩;再次,必须与地球物理观察获得的地震波速和岩石密度吻合;最后,还要具有近似球粒陨石的组成。二辉橄榄岩或地幔岩似乎与上述约束吻合。但是二辉橄榄岩组成并非是满足上述约束的唯一岩石。一些学者认为地幔至少是上地幔,应主要是榴辉岩。榴辉岩是一种几乎完全由石榴子石和绿辉石 (omphacite,富Na、富Al的辉石)组成的岩石,这些矿物是高压下玄武岩中的矿物。曾有人提出,相对于橄榄岩,上地幔的组成更接近榴辉岩,因为它与地震波速曲线吻合得更好。但由于榴辉岩组成与球粒陨石组成差异较大,且作为包体发现的榴辉岩远少于橄榄岩而不被多数人所接受。一般认为上地幔是由镁—铁硅酸盐组成,由于部分熔融岩浆的形成而是不均一的,它由橄榄石、辉石、石榴子石以及少量的尖晶石、闪石和金云母组成。

过渡层(C)占据了几乎600km的地球厚度。该层岩石密度和导电性明显增长,地震波速增大到最大值,在此带中部(700km)产生着大量深源地震。研究表明,在过渡层中发生着物质(硅酸盐矿物)的同质多象转变,由于压力引起 Fe和Mg的正硅酸盐发生相转变,从橄榄石结构变为尖晶石结构。化学成分没有明显变化,只发生着物质 (硅酸盐矿物)的同质多象转变:

2MgSiO₃ (顽火辉石)←Mg₂ SiO₄ (镁橄榄石)+SiO₂ (斯石英)

Mg₂ SiO₄ (斜方晶系)→Mg₂ SiO₄ (等轴晶系尖晶石型结构)

Mg₂ SiO₄ (尖晶石型)+SiO₂ (斯石英)→2MgSiO₃ (钛铁矿型结构)

Mg₂ SiO₄ (尖晶石型)→MgSiO₃ (钛铁矿型)+MgO (方镁石)

这些同质多象转变已经被实验研究证实,它们在过渡层的温度、压力条件下均可以发生。

洋中脊玄武岩的微量元素与同位素研究已经证明,上地幔也具有明显的不均一性。

下地幔 (D)位于 1000～2885km深度之间,它似乎是均一的。设想它是由具有钙钛矿结构的 (Mg,Fe)SiO₃ 和铁方镁石 (Mg,Fe)O 的混合物所组成的。其中前者占下地幔质量的80%,且随着压力的增加,Fe 在铁方镁石/钙钛矿之间的分配系数减小,Fe在钙钛矿中的含量随深度增大直到约 900km (30GPa),深度继续增大则保持稳定。下地幔比上地幔更富铁。

由于地幔难以达到且其成分具有不均一性,确定地幔的化学组成很困难。然而,超基性岩石的包体和石陨石可以提供有用的线索。此外,在会聚板块边缘的大量阿尔卑斯型橄榄岩可能源自上地幔。对地幔化学组成的估计也表现为满足一定的地球物理前提,如密度、地震波速和由于U、Th和K的衰变造成的热产生。在地幔的物理条件下也能够通过部分熔融形成主要类型的玄武质岩浆。林伍德 (Ringwood,1979)命名的地幔岩 (pyrolite)满足了上述条件。地幔岩由3份橄榄岩和1份玄武岩混合而成,所形成的地幔岩的化学组成与梅逊 (Mason,1962)根据陨石提出的地幔组成类似,也与哈钦森 (Hutchison, 1974)根据火成岩中超基性二辉橄榄岩包体估计的组成接近。通过分馏熔融,这种岩石将产生20%～40%的典型玄武岩浆,并留下橄榄岩或纯橄岩的残余体。大陆和大洋之下的上地幔地温梯度相差很大,地幔岩的成分也存在区域性差异。在前寒武纪地盾之下,上地幔在相当大的深度范围内是由含少量榴辉岩析离体的纯橄榄岩或橄榄岩组成的;而在大洋区之下,上地幔上部很薄,且主要由角闪岩 (橄榄石和角闪石)组成,在纯橄榄岩-橄榄岩带之下(100～150km)为低密度的地幔岩带,其特征是存在硅酸盐物质通过部分熔融 (约1%?)形成的液体,因此这个带是地震波低速带。未分异出地壳前的原始地幔的成分见表1-26。这种原始地幔成分是基于地球总体成分相当于CI型碳质球粒陨石的观点,用CI型碳质球粒陨石的难熔亲石元素比值为限定计算得出的。

表1-26 和表1-27 列出了原始地幔和亏损地幔的平均成分。

表1-26 原始地幔的组成

续表

注:元素的单位除特殊说明者以外,Z<42的元素为 10^-6,Z≥42的元素为 10^-9。 (据 Palme et al.,2004)

表1-27 亏损地幔的组成

续表

*原文为 ppq。除特别标注外,含量单位均为 10^-6。 (据 Salters et al.,2004)

地幔岩模型的不足是,它不能说明火山喷发喷出的大量挥发性组分 (H₂ O、Cl、S等)是如何产生的。目前榴辉岩和二辉橄榄岩在上地幔中的地位仍是争论中的问题。这两类岩石中的少量含水矿物 (如金云母等)中容纳了多种挥发元素。

3.地核

古登堡面 (Gutenberg)以下至地心 6371km为地核,分为外核 (2885～5155km)和内核 (5155～地心)。由于地震S波 (横波)不能进入古登堡面以下,表明外核是液体的。内核密度增至 12.0～12.3g/cm³ ,为地球物质最紧密堆积的固态。

整个地核的密度约为12g/cm³ ,这种高密度物质只有铁陨石才与之相当,所以认为地核是由Fe和Ni合金组成的。由于地核密度比处于地核那样的温度和压力下的镍铁合金所具有的密度低10%,所以它应该含有相当数量 (10%～20%)的轻元素。地球物理资料可以同S或O两种可供选择的合金元素相协调,目前有更多的人倾向采纳S作为地核的添加剂,即Fe-FeS模型。