地球物理通论：通过地震波测定地球内部结构与物理性质

固体地球是庞大而复杂的。在漫长的形成演化过程中，它始终处于运动和发展之中。人们只能通过地球现今表面与其内部的状态来了解其过去的历史，并根据对其过去历史的了解，预测其未来的发展。

地球表面可以简单地划分为陆地和海洋两种不同的类型。地球表面总面积为5．1亿km2，其中海洋面积为3．62亿km2（占71％），而高出海平面的陆地面积仅1．48亿km2 （占29％）。陆地并不是均匀地分布在地球表面，而是近2／3集中在北半球，只有1／3分布在南半球。

假如，覆盖着南极洲和格陵兰的冰盖全部融化，则今日的海平面将会升高70m，那么上述地球表面的海陆分布格局就会全部改变，大片的陆地包括世界上沿海分布的大城市，都将被海水淹没，从而形成一场大规模的灾难。另外，假如将海水从地表排走，使海平面从现在的位置下降200m，则全世界的大陆架地区将全部暴露于地表；如果海平面下降至4～6km的深度，即将使整个大洋底也暴露于地表，则可以使人们清楚地看到整个地球的固体表面，其中包括处于黑暗之中的大洋地形与地貌，而无须应用现代地球物理仪器与技术去探测。这样，地球固体表面就有两种截然不同的地貌形态，即大陆台地与大洋盆地（图1）。它们之间的分界在大陆坡，也就是从大陆边缘向外，以3°～6°倾角急剧下降处，其深度将增加到4～6km的深海底。

图1 海陆地形示意图

大陆台地出露于地表，地形复杂而多样，既有高山峻岭，也有平原低地，其间还有奔腾的江河与秀丽的湖泊。以亚洲为例，沿北纬30°横切一个地形剖面，可以看出，从青藏高原冈底斯山脉（平均海拔4000m以上）向东进入四川盆地和云贵高原（海拔1000～2000m），从大兴安岭—太行山—武陵山以东地区（平均海拔低于500m），再向东进入东海大陆架（在海平面以下，海拔－200m）经冲绳海槽、琉球群岛和琉球海沟，进入太平洋（水深为4000～6000m），现在的地势是自西向东逐级下降的，长江、黄河则随此地势自西向东奔流入海。世界最高峰珠穆朗玛峰海拔8844m，被称为地球上南、北极之外的世界第三极；而琉球海沟水深超过4000m，它们高低之间地形差竟超过12km。

还应该指出，西太平洋的地质构造是地球表面的一个重要特色，而在太平洋西部和北部有阿留申群岛、千岛群岛、日本列岛、琉球群岛和菲律宾群岛。它们都是火山熔岩堆积而成的，各自呈现弧形展布，其形状犹如经过装饰的垂花彩串，因此称为岛弧，也有人称为花彩列岛。岛弧向太平洋一侧有狭窄而深邃的海沟，岛弧向陆一侧称为弧后，有一系列的边缘海，如白令海、鄂霍次克海、日本海和中国东海的冲绳海槽与中国南海，它们都是弧后盆地。海沟—岛弧—弧后盆地是具有同一成因的构造体系。

大陆台地上有山脉隆起，它们大多是近6500万年内形成的年轻山系，约占地球总面积的10％。这些年轻山脉主要集中在地中海—亚洲一带，从阿尔卑斯山、喜马拉雅山、印度尼西亚群岛、新几内亚岛到新西兰岛，也伴随有强烈的地震和火山活动，表明这是地球表面具有强烈活动性的地带。

同样，地球上具有强烈活动性的地带还有呈环太平洋分布的火山岛弧，包括菲律宾群岛、日本列岛、阿拉斯加地区、落基山脉、安第斯山和南极洲，它们都是岩浆作用形成的，还伴有强烈的地震活动。

应该强调指出，在海洋底也有雄伟壮观的山脉分布。这是具有全球规模的山脉体系，它横贯大洋盆地，长65000km以上，平均宽度为1000km，覆盖地球总面积达25％。但是，如果不是现代一系列海底探测仪器设备的出现，对这样巍峨庞大的海底山脉体系，还真是一无所知，除非把4～6km的海水层从大洋中搬走。这个海底山脉体系，通常称为洋脊（oceanic ridge）。在洋脊体系中，一支横过北冰洋，纵穿大西洋，经过非洲和南极洲之间，进入印度洋；另一支洋脊则从红海出发，横越印度洋，从澳大利亚和南极洲之间穿过太平洋，而在加利福尼亚湾附近与北美洲相遇。因此，大洋洋脊是近代应用地球物理方法发现的具有世界规模的洋底山脉体系，也是地球的基本特征之一。

洋脊具有宏大的规模，同时还具有形态上的复杂多样性和强烈的活动性。任何一支洋脊都受到一系列与之相正交的横大断裂的切割与错动，从而使大洋底的地形崎岖不平，既有陡峭的悬崖和深邃的裂谷，更在洋脊脊峰的中央裂谷处经常有大量的浅源地震活动。在洋脊两侧的斜坡上，有岩浆喷溢后留下来的火山锥，它们受到剥蚀而成平顶山（guyot）。

总之，地球表面的基本特征是与多种活动带紧密联系在一起的。地表活动带则表现为地震的发生与火山的喷发，其主要原因则是地球内部的运动过程；或者说，由于地球内部能量的释放导致地震与火山的活动，它仍能造成严重的自然灾害，使人民生命财产毁于顷刻之间。

地球始终处于运动发展之中。地球内部的均衡只是暂时的、相对的，而不均衡则是永久的、绝对的。地球内部的运动导致地球表面的大陆和海洋。大陆的平均高度大约为0．88km，海底的平均深度为3．7km，其间相差4．6km，这是地球为了均衡而不断调整的结果。另外，由于大陆岩石的密度要小于洋底岩石的密度，从而大陆是由轻质的岩石层（lithosphere）组成巨大的板块（plate），漂浮于相对致密的软流层（asthenosphere）之上，受到地球内部运动过程的作用而产生缓慢的运动，以致在板块之间以及板块内部的活动带上，出现地震与火山的活动。(www.xing528.com)

至于地球内部结构及其物理性质，迄今为止，仍不能够完全通过直接取样来测定。世界上最深的钻孔是苏联在科拉半岛上的超深钻，井深仅13km，对于了解地球内部的认识，主要仍是依靠地球物理方法。19世纪以来，俄国地震学家伽利津（B．B．Golitsyin）就已经认识到地震波在研究地球内部结构中的重大作用。他说：“地震好像一盏灯，终究会照亮地球的内部。”地球是一个庞然大物，只有强大的地震波才能到达地球内部的任何深度，并将有关结构及物理性质的信息带回地面。因此，测定地震波场及其在地球内部的传播速度，可能是了解地球内部结构及其物理性质的重要途径。

地震波根据其质点振动的方向与波传播方向之间的关系，而分为两种基本类型：质点振动方向与波传播方向一致的称为纵波，也称P波；质点振动方向与波传播方向相互正交的称为横波，也称S波。地震波在介质中传播时，纵波可使任何相态（固体、液体和气体）产生膨胀与压缩现象而通过；横波只能在固体中产生切变，不能使流体（液体和气体）改变形状，从而，横波只能在固体中通过，不能在流体中通过。地震波在地球内部传播，其传播速度随深度的变化而不同。地震波的传播速度取决于地球介质的弹性和密度。根据观测发现，地震波在地球内部传播时，其速度有几个发生急剧变化之处，称为速度间断面（discontinuity），它们也是认识并划分地球内部结构的依据。1909年，南斯拉夫地震学家莫霍洛维奇（Mohorovicic）首先在克罗地亚的一张天然地震记录上发现一个速度间断面，此处纵波速度由7．6km／s突然增加到8．1km／s，横波速度由4．2km／s增加到4．6km／s。后来将这个间断面称为莫霍（Moho）面，并将它作为地壳（crust）的底界。

随后，又在地震记录上发现第二个速度间断面。它存在于地球内部2900km深度处，纵波速度由13．6km／s降低到8．1km／s，而横波速度由7．3km／s突然降低为0。将这第二个速度间断面称为古登堡（Gutenberg）面，并作为地幔与地核之间的分界，即在古登堡面以上称为地幔（mantle），此面之下称为地核（core）。

这样，根据地震波在地球内部传播的速度 深度曲线（图2），则可以求得对地球物理内部结构的基本认识（图3）。地球内部是由圈层组成的，由表及里分别为地壳、地幔与地核，其间的分界面是在全球广泛分布的莫霍面和古登堡面。但是，应该说明，随着地球物理观测精度的不断提高，这些基本间断面的深度值一再得到修正，而且还出现了一些其他界面。例如，布伦就分出B、C、D、E、F、G等圈层，其中B层为上地幔，其深度从40km左右的莫霍面到400km；C层为过渡层，从400km到984km；D层为下地幔，大约从984km到2900km，其中又可分成D′和D″，而D″是此层最下面200km最为活跃的部分；地核则分为外核E、过渡层F和内核G。

图2 地震波在地球内部传播的速度 深度曲线

图3 地球内部分层结构（单位：km）

应该指出，由于地球物理仪器设备和观测技术的提高，地球内部的层状结构还可以细化，但其界面多具有地域性特点。例如，利用人工地震研究沉积盆地，就可以将地壳上部的沉积层再细分为若干地层，使它们与地质学中的区域地层相对应，甚至还会有更细的分层。

地壳的底界为莫霍面，它在大陆地区的平均深度约为33km。我国青藏高原地壳最厚，超过70km；在大洋地区平均深度为17km，大洋洋脊处最小可达5km。大陆地壳由花岗岩质层和玄武岩质层组成，花岗岩质层上面还会有厚度相对更小的沉积岩层存在。大洋地壳则主要由玄武岩质层组成，而花岗岩质层则很薄，甚至消失。大洋中的沉积岩层很薄，沉积物的堆积也很少。通常根据地壳的厚度来划分地壳的性质。中国海的地壳厚度，从沿海的30km向东递减，到冲绳海槽仅有18km，其中渤海、黄海属陆间海，地壳厚度具有大陆地壳的特点，而东海的冲绳海槽与南海的深海盆地则具有边缘海的性质。冲绳海槽是在张裂中的大陆地壳，而南海深海盆地则有两次深海扩张，有大洋地壳出现。这两种情况是具有过渡性质的。

地幔居于莫霍面与古登堡面之间，其厚度将近2900km，体积占地球的82％，质量占地球的67．8％，地幔在地球内部各圈层中居于举足轻重的位置。在地幔中，于400～984km处存在一个过渡层，将地幔分为上、下两层。上地幔B为榴辉岩和橄榄岩成分，呈固态，所以通常将它与地壳合在一起称为岩石层（圈）（lithosphere）。在地幔过渡层C中，由于温度、压力随深度增加，使岩石部分熔融并发生相互转变。由于液态的熔融岩浆在其围岩的密度小，从而上升，经过上地幔而溢出，其中有的在洋脊裂谷处喷溢形成新的大洋岩石层，有的在碰撞造山带中俯冲带处喷溢形成火山弧与沟 弧 盆系中的火山岛弧。下地幔D层的物质成分主要为钙铁矿的结构组合。可能由于放射性元素的大量集中，蜕变生热，而具有异常高温，使此处的物质处于熔融状态并表现出流变性质，称为软流层（圈） （asthenosphere），熔融岩浆在下地幔D层中具有等于或大于其周围物质的密度，从而是中性浮力，既可能降温而下沉，也可能受热而向上迁移。下地幔底部D″区最接近核幔边界，由于核幔边界既是一个热边界，也是一个化学边界，导致D″是一个极其活跃的区域，地幔柱（plume）可能就是从这里发生并上涌到地表的。

古登堡面以内为地核，其物质成分主要是铁和金。地核中，在4800～5160km深度处有一个过渡层F，将地核分为外核E和内核G。由于地震纵波到达古登堡面时，突然大幅度降低，而地震横波又突然消失为零，从而认为外核的铁合金呈液态。过渡层F有缓慢冷却作用，以致内核G呈固态并逐渐增大。尽管此过程是缓慢的，却为液态铁合金在内核边界上的凝固提供了能量，而此能量又触发外核E中的快速对流，使产生地球磁场的发电机作用得以维持。

总之，地球处于运动发展之中，其内部结构的分层性与圈层中的不均匀性，是20世纪地球科学所取得的重大认识之一。对地球内部认识的进展，不仅为深入研究提供了基础，同时也在宏观上对矿产资源的形成与分布，对地震、火山和其他地质灾害的预警与防治，以及对环境的监测与保护，都具有指导意义。