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地球内部改造 (Interior Modifications of Earth)

为什么研究地球内部结构？​

  • 寻找和可持续利用资源（土壤、水、金属、矿产、能源）。
  • 了解并最小化自然灾害风险（地震、火山、滑坡、风暴）。
  • 理解气候变化（自然和人为）。

如何探测地球内部？​

  • 密度 (Density)：地球平均密度远高于地表岩石，表明内部存在致密物质。
  • 转动惯量 (Moment of inertia)：地球转动惯量小于均匀密度球体，说明致密物质集中在中心。结合密度和转动惯量推断地核密度约为 11 g/cm³，半径约占地球半径的一半。
  • 地震学 (Seismology)：研究地震波在地球内部的传播，是最强大的间接探测方法。

地球的圈层结构 (Earth's layering)​

  • 地震波 (Seismic waves)：地震产生多种波，主要包括纵波 (P-waves) 和横波 (S-waves)。
    • 纵波 (P-waves)：压缩波，速度快，可在固体、液体、气体中传播。
    • 横波 (S-waves)：剪切波，速度慢，只能在固体中传播。
    • 面波 (Surface waves)：沿地表传播，包括 Love 波和 Rayleigh 波。
  • 地震仪 (Seismometer) 和地震图 (Seismogram)：记录地震波到达时间。
  • 惠更斯原理 (Huygens’ principle)：用于理解波前和射线传播。
  • 斯内尔定律 (Snell’s law)：描述地震波在不同介质界面处的折射。
  • 走时曲线 (Traveltime-distance curve)：地震波到达不同距离台站的时间曲线，反映地球内部速度结构。
  • 地震波影区 (Shadow zone)：
    • S 波影区：横波无法穿过液态外核形成的影区，证明外核是液态的。
    • P 波影区：纵波在核幔边界发生折射形成的影区。
  • 莫霍面 (Mohorovicic discontinuity / Moho)：地壳与地幔之间的界面，纵波速度在此处突然增加。由 Mohorovicic 于 1909 年发现。
  • 核幔边界 (Core-mantle boundary / CMB)：地幔与外核之间的界面，纵波速度突然降低，横波速度变为零。由 Gutenberg 于 1913 年发现。
  • 内核 (Inner core)：地球最内部的固体核。由 Lehmann 于 1936 年根据 P 波在影区内的出现推断存在。
  • 地震层析成像 (Seismic tomography)：利用大量地震波数据反演地球内部三维速度结构，揭示地幔对流等复杂结构。

地球各圈层的化学组成 (Chemical composition of Earth's layers)​

  • 结合地震证据、地球化学 (Geochemistry) 和实验数据推断。
  • 元素丰度 (Abundance of elements)：地球主要由 Fe, Mg, O, Si 等元素组成。
  • 元素亲和性 (Affinities of elements)：
    • 亲铁元素 (Siderophile)：倾向于与金属共存，主要分布在地核。
    • 亲石元素 (Lithophile)：倾向于与岩石共存，主要分布在硅酸盐层（地壳和地幔）。
    • 亲硫元素 (Chalcophile)：倾向于与硫共存。
    • 亲气元素 (Atmophile)：倾向于以气态存在。
    • 亲岩浆元素 (Magmaphile)：倾向于与岩浆共存，部分集中在大陆地壳。
  • 岩石类型 (Rock type)：
    • 地壳 (Crust)：
      • 大陆地壳 (Continental crust)：密度约 2.7 g/cm³，主要为花岗岩 (granite)，富含石英 (quartz) 和长石 (feldspar)。
      • 大洋地壳 (Oceanic crust)：密度约 3.0 g/cm³，主要为辉长岩 (gabro) 和玄武岩 (basalt)，富含镁铁质矿物 (mafic minerals)。
    • 上地幔 (Upper mantle)：主要由橄榄岩 (peridotite) 组成，密度约 3.33 g/cm³。证据来自地幔岩石露头、金伯利岩 (kimberlites) 和洋中脊玄武岩的形成。
    • 地核 (Core)：主要由铁 (Fe) 和镍 (Ni) 组成，含有少量轻元素（如 S, O, Si）。外核为液态，内核为固态。

地球圈层的形成 (Origin of Earth's Layers)​

  • 均质吸积 (Homogenous accretion)：金属和硅酸盐最初混合在一起，后来分离形成圈层。
  • 非均质吸积 (Heterogeneous accretion)：圈层在行星形成过程中逐步形成，先形成金属核，再形成其他层。
  • 证据（如陨石定年、元素凝结顺序）支持均质吸积模型，即地核和地幔是在吸积后分离的。密度差异导致金属下沉形成地核。

地核形成的时间 (Timing of core formation)​

  • 利用短半衰期同位素体系（如 ¹⁸²Hf - ¹⁸²W）来约束地核形成时间。
  • ¹⁸²Hf 是亲石元素，¹⁸²W 是亲铁元素。
  • 如果地核形成缓慢，地核和地幔的 W 同位素组成应与球粒陨石相似。
  • 如果地核形成迅速，地幔中的 ¹⁸²Hf 在地核分离后衰变，导致地幔富集 ¹⁸²W。
  • 观测表明硅酸盐地球（地幔）富集 ¹⁸²W，与球粒陨石不同，这表明地核在地球历史最初几千万年内快速形成。

大气和海洋的起源 (Origin of the Atmosphere and Ocean)​

  • 可能来源：富含挥发分的彗星晚期撞击，或地球内部脱气 (Degassing)。
  • 减压熔融 (Decompression melting)：地球内部大部分熔融是由于压力降低而非温度升高。
  • 脱气 (Degassing)：地球内部挥发分（如 H₂O, CO₂）通过火山活动等方式释放到地表，形成大气和海洋。
  • 地球早期大气可能主要由火山喷发气体组成（水蒸气、二氧化碳等）。现代大气是生命活动改造的结果。
  • 利用短半衰期同位素体系（如 ¹²⁹I - ¹²⁹Xe）约束大气分离时间。
  • ¹²⁹I 是亲石元素，¹²⁹Xe 是亲气元素。
  • 观测表明洋中脊火山岩中的氙同位素组成与大气不同。
  • 这表明大气在地球历史早期（约 30 百万年）与地幔分离。

总结​

  • 转动惯量和密度表明地球存在地核。
  • 地震学揭示了地球圈层的整体结构。
  • 金属核和硅酸盐地球在最初几千万年内分离。
  • 脱气过程也在此期间发生，形成早期大气和海洋。