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地球物理学 （geophysics） 是地球科学的主要学科之一，是通过定量的物理方法（如：地震弹性波、重力、地磁、地电、地热和放射能等方法）研究地球以及寻找地球内部矿藏资源的一门综合性学科，研究范围包括地球的地壳、地1幔、地核和大气层。 地球物理学有诸多研究分支，包括：固体地球物理学，地球动力学，地震学，大地测量学，地热学，地磁学 ，水文地理学，海洋学，气象学，地核构造学，勘探地球物理学，比较行星学，大地构造物理学和大地天文学；研究内容包括地球内部结构，震源理论，地震波传播理论，大陆地壳大尺度的特征，诸如板块俯冲带和大洋中脊。传统地球物理学主要指固体地球物理学，现代地球物理学的研究延伸到地球大气层外部的现象（例如电离层电机效应〔ionospheric dynamo〕、极光放电〔auroral electrojets〕和磁层顶电流系统〔magnetopause current system〕），甚至延伸到其他行星及其卫星的物理性质。

地幔特点

（一）地球内部物质组成的推断

目前，推断地球内部各圈层物质组成的主要依据有下列几个方面：

1）根据各圈层密度和地震波速度与地表岩石或矿物的有关性质对比进行推测来源:https://wanghongming.com/xwzx/202412-51.html。

2）根据各圈层的压力、温度，通过高温高压模拟实验进行推测。

3）根据来自地下深部的物质进行推断。火山喷发和构造运动有时能把地下深部（如上地幔）的物质带到地表，为我们认识深部物质提供了依据。

4）与陨石研究的结果进行对比。

陨石是来自太阳系空间的天体碎片，就目前获得的大量陨石看，按成分可分三类：

石陨石（stone meteorite） 主要由橄榄石、辉石等（铁、镁的硅酸盐） 矿物组成，按成分大约相当于地表见到的超基性岩，金属状态的铁、镍成分很少，密度3～3.5 g/cm3或更大来源:https://wanghongming.com/cshi/202501-176.html。

铁陨石（iron meteorite） 主要是由金属状态的铁、镍组成的天然合金，密度为8～8.5 g/cm3 或更大。

铁石陨石 为上述两类陨石的过渡类型，其中铁、镁硅酸盐矿物与金属状态的铁、镍成分各占一部分。

现代天文学及天文地质学的研究表明：①这些陨石应来自于太阳系内部的天体或小行星，当它们进入地球引力场时被地球吸引，并有相当一部分被大气圈摩擦燃烧，其残骸成为陨石落入地表。而太阳系以外的物质穿过遥远的空间进入地球的可能性是极小的。②太阳系内部的物质成分及形成演化具有统一性，特别是人类登月获得月球表面岩石与地球表面的某些岩石类似的事实，使太阳系物质统一性的信念进一步确立。因此，可以运用陨石的特征推断地球内部的物质状态。

目前对地球内部物质组成的研究认识已基本趋于一致。与整个宇宙、太阳系主要由轻元素（氢、氦）组成不同，固体地球内部主要由较重的元素组成。从整个地球的角度看，按平均质量百分比计算，占比98%以上的八大元素是：铁、氧、硅、镁、镍、硫、钙、铝（Fe，O，Si，Mg，Ni，S，Ca，Al）；其他所有元素仅占1.5%（图3-7）。其中，铁的含量高达34.6%，占总含量的1/3有余，铁与镍大部分以金属状态集中存在于地核中；而氧、硅、铝、镁、钙等则主要赋存于地幔和地壳中，铁的含量虽在地幔与地壳中大为降低，但仍占有不小的比例；氧的含量也高达29.5%，接近总含量的1/3，氧和硅、铝为主要组分共同构成地壳、地幔中最常见的硅酸盐、氧化物等矿物和岩石。

图3-7 元素在宇宙、太阳系及地球中的分布

（引自陶世龙等，2010，略有修改）

（二）内部各圈层物质组成及物理状态的基本特征

根据上述各方面的综合研究，现今对地球内部各圈层的物质组成与状态的认识如下：

1.地壳

地壳是莫霍面以上的地球表层。其厚度变化在5～70 km之间。其中大陆地区厚度较大，平均约为33 km；大洋地区厚度较小，平均约7 km；总体的平均厚度约16 km，约占地球半径的1/400，占地球总体积的1.55%，占地球总质量的0.8%。地壳物质的密度一般为2.6～2.9 g/cm3，其上部密度较小，向下部密度增大。地壳为固态岩石所组成，包括沉积岩、岩浆岩和变质岩三大岩类。由于地壳是当前地质学、地球物理学、地理学等学科的主要研究对象，因此，有关其详细情况将在下一节作进一步介绍。

2.地幔

地幔是地球的莫霍面以下、古登堡面（深2 885 km）以上的中间部分。其厚度约2850 km，占地球总体积的82.3%，占地球总质量的67.8%，是地球的主体部分。从整个地幔可以通过地震波横波的事实看，它主要由固态物质组成。根据地震波的次级不连续面，以650 km 深处为界，可将地幔分为上地幔和下地幔两个次级圈层。

（1）上地幔

上地幔的平均密度为3.5 g/cm3，这一密度值与石陨石相当，暗示其可能具有与石陨石类似的物质成分。从火山喷发和构造运动由上地幔上部带出来的深部物质来看，均为超基性岩，与石陨石的物质成分相当。近年来通过高温高压试验来模拟地幔岩石的性质时发现，用橄榄岩55%、辉石35%、石榴子石10%的混合物作为样品（矿物成分相当于超基性岩），在相当于上地幔的温压条件下测定其波速与密度，得到与上地幔基本一致的结果。根据以上理由推测，上地幔由相当于超基性岩的物质组成，其主要的矿物成分可能为橄榄石，有一部分为辉石与石榴子石，这种推测的地幔物质被称为地幔岩。

上地幔上部存在一个软流圈，约从地下60 km延伸到300 km左右，其特征是出现地震波低速带。物理实验表明，波速降低可能是由于软流圈物质发生部分熔融，使其强度降低而引起的。据地内温度估算，软流圈的温度可达700～1300 ℃，已接近超基性岩在该压力下的熔点温度，因此一些易熔组分或熔点偏低的组分便可开始发生熔融。据计算，软流圈的熔融物质可能仅占1%～10%，熔融物质散布于固态物质之间，因而大大降低了强度，使软流圈具较强的塑性或流动性。由于软流圈物质已接近熔融的临界状态，因此它成为岩浆的重要发源地。来源:https://wzwxpx.com/xwzx/202412-93.html

（2）下地幔

下地幔的平均密度为5.1 g/cm3，由于这里经受着强大的地球内部压力作用，使得存在于上地幔的橄榄石等硅酸盐矿物分解成为FeO，MgO，SiO2 和Al2 O3 等简单的氧化物矿物。与上地幔相比，其物质化学成分的变化可能主要表现为含铁量的相对增加（或Fe/Mg的比例增大）。由于压力随深度的增大，物质密度和波速逐渐增加。

3.地核

地核是地球内部古登堡面至地心的部分，其体积占地球总体积的16.2%，质量却占地球总质量的31.3%，地核的密度达9.98～12.5 g/cm3。根据地震波的传播特点可将地核进一步分为三层：外核（深度2885～4770 km）、过渡层（4770～5155 km）和内核（5155 km至地心）。在外核中，根据横波不能通过，纵波发生大幅度衰减的事实推测其为液态；在内核中，横波又重新出现，说明其又变为固态；过渡层则为液体—固体的过渡状态。

地核的密度如此之大，从地表物质来看只有一些金属物质才可与之相比，而地表最常见的金属是铁，其密度为8 g/cm3，它在超高压下完全可以达到地核的密度。地核的密度与铁陨石较接近，也表明地核可能主要为铁、镍物质。地球具有主要由内部物质引起的磁场，这说明地球内部一定具有高磁性的铁、镍物质非常集中的某个圈层，而地壳、地幔中均不存在，那么它应存在于地核中。此外，人们用爆破冲击波提供的瞬时超高压来模拟地核的压力状态，并测定一些元素在瞬时超高压下的波速与密度，结果发现地核的波速与密度值与铁、镍比较接近。综合多方面推测，地核应主要由铁、镍物质组成。近年来的进一步研究还发现，在地核的高压下，纯铁、镍的密度略显偏高，推测地核最合理的物质组成应是铁、镍及少量的硅、硫等轻元素组成的合金。

地球的结构来源:https://wzwxpx.com/cshi/202412-136.html

地幔特点介绍如下

是地球的中间层。地幔位于地壳下面，厚度约为2865千米。

主要由致密的造岩物质构成。这是地球内部体积最大、质量最大的一层。

具有过渡性。地幔的物质组成具有过渡性，靠近地壳部分主要是硅酸盐类的物质，靠近地核部分则同地核的组成物质比较接近，主要是铁、镍金属氧化物。

可分成上地幔和下地幔两层。下地幔顶界面距地表1000公里，密度为4.7克/立方厘米，上地幔顶界面距地表33公里，密度3.4克/立方厘米。

拓展介绍

地幔是地球内部结构中的一层，位于地壳下方，是介于地壳和地核之间的一层岩石层。地幔的深度是相对的，因为地球的半径不同，地幔的厚度也会有所不同。

地幔可以进一步分为上地幔和下地幔。上地幔从地壳边界开始，向下延伸约660公里，直到约2900公里的地幔-地核边界。下地幔则从上地幔下方开始，延伸到地幔和地核之间的界面。

需要注意的是，地幔的深度是通过地震波传播速度的变化和地震学的方法得出的估计值，而不是直接测量得到的。因此，地幔深度的确切数值可能会因不同的研究和测量方法而有所差异。

地球不是一个固体球，而是由多层同心球层组成的一个非常活跃的行星。因地球的公转和倾斜自转，与天体引力的存在，又引发了各层同心球层的自身运动，其中有水圈、大气圈、液体外核、固体外壳的潮汐运动。

地球的倾斜自转使液体外核的潮汐方向倾斜，又导致其“以上的层圈差速产生产倾斜（地幔弦动）”，地幔弦动的结果是；和地壳的两极在倾斜差速中两极换位以至板块线速度改变，也是造成地震频繁的主要原因。

科学家们发现，地球内核的旋转速度每年要比地幔和地壳快0.3到0.5度，也就是说，地球内核比地球表面构造板块的运动速度快5万倍，新发现有助于科学家们解释地球磁场是怎样产生的。来源:https://wzwxpx.com/zhishi/202412-47.html

美国伊利诺伊大学地球物理学家宋晓东教授是这项研究工作的负责人，他们的成果发表在2005年8月26日出版的美国《科学》杂志上。新发现也结束了一场为期9年的争论。宋晓东说：“我们相信我们得到了确凿的证据。”

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来源:https://wzwxpx.com/cshi/202412-22.html。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来源:https://wzwxpx.com/zhishi/202412-86.html

(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、FeOT 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)来源:https://wanghongming.com/xwzx/202412-8.html。来源:https://www.wanghongming.com/cshi/202501-182.html

表1-24 大洋地壳与大陆地壳主要氧化物的平均含量 单位:wB/%

*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)来源:https://wzwxpx.com/bkjj/202412-43.html

表1-27 亏损地幔的组成来源:https://wzwxpx.com/bkjj/202412-36.html

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来源:https://wzwxpx.com/cshi/202412-59.html。

3.地核来源:https://wzwxpx.com/zhishi/202412-95.html

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。

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