地球内部的基本结构和物质组成

Structure and Composition of the Earth's Interiors

    关于地球的基本结构和组成，有很多专业书籍介绍，本文仅作科普介绍。另外，本文关注的是地球内部的基本机构和组成，主要针对的是固体地球（solid Earth）部分，对于大气圈（atmosphere）、水圈（hydrosphere）和生物圈（biosphere）则不在讨论范围之内。

    地球已经有大约46亿年的历史（根据月球样品年龄推测而来），而地球上的大陆（continental crust）也在40亿年前就可能已存在（根据澳大利亚大陆发现的具有40亿年以上的锆石样品推测）。地球内部的物质组成和结构以及伴随的动力学活动，随着地质历史的变迁，也在不断地发生着变化，也就是说，地球就像一个具有生命的地球，其内部不是一片死寂，而是在不断地演化着。

    地球的一些基本参数，如半径、赤道周长、体积、质量、密度、重力等，有很多的相关介绍，此处不一一叙述。我们来关注地球内部的物质组成和结构。

    我们已经熟知地球内部是分为地壳（crust）、地幔（mantle）和地核（core）三部分的，地球内部具有圈层结构。

    地壳是指莫霍面（Moho）以上的固体地球部分。莫霍面，是地壳和地幔的分界面，由南斯拉夫地震学家莫霍洛维奇(Mohorovicic)发现，并以他的名字而命名该界面。莫霍面上下部分的物质性质差异较大，波速和密度突变，形成不连续面（有时称为间断面，discontinuity）。莫霍面的平均深度为大约33km（对应着相应的地壳厚度），随地区不同而差异较大，大陆地壳的厚度比大洋地壳的厚度大很多，大洋地壳的厚度一般为5-10km，而大陆地壳的厚度达数十km，如青藏高原地区地壳可能达到80km。

    陆壳（continental crust）和洋壳（oceanic crust）在成分和结构上也具有较大的不同。陆壳传统上分为上地壳和下地壳，分别为硅铝质和硅镁质成分。洋壳与陆壳不同，缺硅铝层，只有硅镁层，从上而下分别是沉积层（sediments）、玄武岩层（basalt）以及辉绿、辉长岩组成的席状岩墙。

    地幔是指莫霍面（~33km）以下古登堡面（~2900km）以上的固体地球部分。由于目前我们还无法获得深部地幔的样品，所以目前对深部地幔的成分的估计是建立在高温高压实验岩石学和地球物理观测基础上的模型。关于这些模型，本文不作一一介绍，这里主要采用目前地学界广泛通用的林伍德（A.E. Ringwood）的地幔岩（pyrolite）模型。

图2. 地球内部圈层结构简图（after Hirose and Lay,2008）

    地幔内部的结构是较为复杂的，尤其是对于转换带（mantle transition zone, MTZ）的认识，还需要更多的研究。地幔通常可以自上而下分为上地幔、转换带和下地幔（有的也将转换带划分到上地幔中，此处为便于叙述，考虑其特殊性，将转换带作为独立的一个单元）。具体来说，上地幔指莫霍面以下410km不连续面以上的地幔部分；转换带指410km和660km不连续面之间的地幔部分；下地幔指660km不连续面以下的地幔部分。410km不连续面和660km不连续面在地幔研究中具有重要的意义。

    上地幔的成分目前已经比较清楚，主要矿物是橄榄石olivine、斜方辉石opx、单斜辉石cpx、石榴子石garnet以及少量的钛铁矿ilmenite和铬铁矿chromite（Anderson,1989）。上地幔岩石在地表有大面积的出露，主要以橄榄岩（peridotite）为主，包括二辉橄榄岩（lherzolite）、方辉橄榄岩（harzburgite）和纯橄岩（dunite）。

    地幔转换带上边界410km不连续面通常认为是由橄榄石向高压相瓦兹利石（wadsleyite）相变引起的；在转换带内部大约520km不连续面（次级）处，瓦兹利石向林伍德石（ringwoodite）相变（也有人认为是Ca钙钛矿的生成形成的）；在转换带底部660km不连续面处，林伍德石发生分解生成硅酸盐钙钛矿（silicate perovskite）和镁方铁矿（magnesiowustite, 有的称为ferropericlase，铁方镁石），该相变标志着下地幔的开始。

    以上是橄榄石体系的高压相变过程，那么辉石和石榴石在地幔中是如何随深度发生相变的呢？首先是斜方辉石在上地幔中会转变成高压单斜辉石，随着压力（深度）进一步增大，辉石会在转换带中逐渐进入到石榴石结构中形成富Si的石榴石，称为超硅石榴石（majorite，有的成为镁铁榴石）。石榴石在转换带中具有较广的稳定域，可以稳定至转换带底部下地幔顶部。富Ca的石榴石在转换带中部就会逐渐转变成为Ca钙钛矿；富Al富Si的石榴石则在660km不连续面以下逐渐转变成钙钛矿。

    因此，地幔转换带的主要矿物成分为瓦兹利石、林伍德石、石榴石以及少量的辉石和Ca钙钛矿。

图4.下地幔中地幔岩pyrolite的相变（from Irifune & Tsuchiya,2007,符号说明参考图3）

    根据转换带的相变结果，可以知道下地幔的主要矿物成分为Ca钙钛矿，(Mg,Fe)SiO3钙钛矿和(Mg,Fe)O镁方铁矿。这三种矿物相都非常稳定，一直到下地幔底部都不再发生相变。但是随着2004年后钙钛矿（post-perovskite）的发现（见《hiroseite vs post-perovskite》介绍），人们认识到(Mg,Fe)SiO3钙钛矿会在下地幔底部D"层发生相变。D"层是指下地幔底部、核幔边界（core-mantle boundary, CMB）以上大约200km的一个特殊层。由于下地幔中的矿物的稳定域都非常广，所以一直都将下地幔看作是较为均一的（homogeneous）；但是后钙钛矿的发现以及相关的地球物理观测均显示，下地幔并非人们所想象的那么均一，至少局部是存在不均一性的（heterogeneity）。

    地幔的矿物组成，可以参考下图的总结：

图5. 地幔岩矿物组成随深度的变化（from Ono,2008）

    地核的成分主要是通过地球物理观测和实验推测出来的，由于实验技术的限制，目前在地核条件下的实验比较有限。地核在大约5100km深度存在一个分界面，分开外核和内核。根据S波在外核中的消失现象，推测外核是液态的；又由于其密度比纯铁的密度要低，所以推测外核可能含有一些较轻的元素；因此外核可能是液态的铁合金。而内核则是固态的，主要成分是金属铁。

图6. 实验岩石学结果、地球物理观测以及地球内部结构图（from Bass and parise,2008，符号说明参考图3）

参考文献：

D.L. Anderson, Theory of the Earth Blackwell Scientific, Boston, 1989, 366 pp.（以及2007年新版）

K. Hirose, T. Lay, Discovery of post-perovskite and new views on the core-mantle boundary region, Elements 4(2008) 183-189.

M. Akaogi, Phase transitions of minerals in the transition zone and upper part of the lower mantle, in: E. Ohtani, (Ed), Advances in High-Pressure Mineralogy, Geological Society of America, 2007, pp. 1-13.

D.J. Frost, The upper mantle and transition zone, Elements 4(2008) 171-176.

J.D. Bass, J.B. Parise, Deep Earth and Recent Developments in Mineral Physics, Elements 4(2008) 157-163.

T.Irifune, T.Tsuchiya, Mineralogy of the Earth – Phase Transitions and Mineralogy of the Lower Mantle, Treatise on Geophysics,vol2,Mineral Physics,33-62.

S. Ono, Experimental constraints on the temperature profile in the lower mantle, Physics of the Earth and Planetary Interiors 170(2008) 267-273.

周春银，金振民，章军锋，地幔转换带:地球深部研究的重要方向，地学前缘，2010，17(3),90-113.(下载地幔转换带-地球深部研究的重要方向.pdf)