地球圈层构造及特征-工程地质与水文地质

地球是由不同物理状态和化学成分的物质所组成的，具有同心圈层构造。地球由表及里可分为外圈（包括大气圈、水圈、生物圈）和内圈（包括地壳、地幔、地核），如表1-1所示。

表1-1　地球的圈层构造情况

（一）地球的外部圈层

1.大气圈

大气圈是环绕地球表面的空气层，其厚度在上千甚至上万公里以上。在远离地表1.6 万km 的高空，还存着大气的痕迹。大气的质量为5.7×1015t，主要物质成分为氮（占大于78.09%）、氧（占20.95%），其次是氩、二氧化碳、氖、氦、氪、氢、氙、臭氧、水蒸气和尘埃等。大气层从下而上可分为对流层、平流层、中间层、热层和大气外层。大气质量的3／4 和几乎全部水蒸气都集中在靠近地表面8～17km的对流层，因此这里是产生风、云、雨、雪、阴晴等气候现象的场所，与人类关系极为密切。对流层的大气变化有一个基本规律，即空气的密度和温度均随着高度的增加而逐渐降低。上层空气对下层空气有着压迫力，这就是大气压，海平面的大气压力约为0.1MPa；一般高度平均每升高100m，温度就下降0.65℃。

在距地面20～30km的高空，为臭氧（O3）分子相对密集的臭氧层，它保护地球生物不受太阳高温直接照射和强紫外线辐射。科学家观测到，自1977 年以来，冬春季南北极上空的臭氧逐年减少，特别是南极上空50%以上的臭氧层已经消失，形成臭氧空洞，严重威胁着地球上的生物和人类的安全。

大气圈对地球而言具有重要的意义，它不仅维系着地球上所有的生命，而且对地壳岩石和地形地貌的形成与变化有着极大的影响。

2.水圈

水圈是包围地面及其附近的一个连续水层。它包括地表水、地下水、大气水和生物水。组成水圈的主要化学成分有氢、氧，其次为氯、钠、镁、二氧化碳等。地球上的水量是极其丰富的，总储水量约为13.86 亿km3，其中海水占96.54%，冰川占1.74%，地下水占1.69%，江河湖水约占0.029%，大气水约占0.01%，生物水占0.01%。地表水、地下水和大气水在太阳辐射热的影响下，不断地进行着水循环，并转变为强大的动能，成为改变地表面貌和地壳岩石的重要因素。

水圈的存在，对生命的起源和生物界的演化、发展曾起过十分重要的作用。水是生命之源。对人类而言，只有能够直接使用，并且可以逐年更新恢复的淡水才称得上是水资源。地球表面虽有近3／4 的面积被水覆盖着，但其中绝大部分是含盐量高达3.5%的海水，其次是还不可能取用的南北极冰川水。地球上的水，只有约1%可供人类使用。20 世纪末，全球性的淡水资源日益严重短缺，联合国大会已决定从1993 年开始，把每年的3 月22 日定为“世界水日”。

3.生物圈

生物圈是地球上的生物及其分布和活动的范围。在大气圈的下层和水圈的大部分中，以及地表面和地壳表层的土壤与岩石里，都有生命物质的存在，生物圈厚达30km，其质量约等于大气圈的1／300，水圈的1／7000，地壳的1／10 万。目前地球上有60 亿人，现存的物种为1000 万种，已知（正式命名）的动物有150 多万种、植物50 多万种和大量的微生物，生物富集的化学元素主要是H、O、C、N、Ca、K、Si、Mg、P、S、Al 等。生物的活动是改造大自然的一个积极因素，地表风化的岩石就是经过生物作用才形成原始土壤的。

生物之间、生物与周围环境之间相互依存、相互影响，共同组成一个不可分割的整体——地球生态系统。人类是这个系统中最能动的，也是最具破坏力的因素。历史发展到20世纪，人类活动已经开始对地球系统中的一些过程产生不可忽视的影响。特别是近50 年来，人类对自然生态环境和资源的破坏，有时已经达到可以威胁人类自身生存的严重程度，如资源短缺、土地退化、地面裂缝塌陷、植被减少、水土流失、酸雨、气候变暖、海平面上升、泉水干涸、河道断流、环境污染、生物种类灭绝、灾害频繁、生态失衡等。人类活动引起全球性或区域性的环境破坏，是当今地球面貌的新特征。如何协调人与自然的关系成为20 世纪地球科学研究的一个重要方面，也将是21 世纪地球科学发展的主要目标。

（二）地球的内部圈层

人们对地球的认识，最早是从地面以下的固体地球开始的。它是一个巨大的实心球体，其表面积为51000 万km2，体积为10832 亿km3，质量为5.973×1021t，平均密度为5.515g／。赤道半径为6378.139km，极半径为6356.755km，平均半径为6371.2km。

研究地球内部的构造及其物质状态，主要是采用地震学的方法。根据地震波在地球内部不同深度和不同物质中传播速度的差异，科学家推断在其内部有两个物质分异最明显的界面，即莫霍面（1909 年南斯拉夫的莫霍洛维奇测定了此面）和古登堡面（1913 年美国的古登堡测定了此面），这两个面将固体地球内部分为地壳、地幔和地核三个圈层（图1-2）。(www.xing528.com)

1.地壳

地壳位于莫霍面以上，是由岩石组成的固体地球的外壳，平均厚度为16km。地表面处于常温常压状态，到地壳底部温度增高到1000℃左右，压力增至约1GPa。目前在地球上发现最古老岩石的年龄为40 亿～43 亿年，证明今天的地壳至少是在40 亿年前就形成了。自那以后，地球只是在有了地壳、陆地、海洋、大气、生物的基础上向前发展的。

（1）地壳的厚度和结构全球地壳的厚度和结构很不均匀（图1-3）。大陆地壳较厚，平均为33km，其中平原和沿海地区为20～30 多km，高原和山区为40～60km。我国大陆地区的地壳厚度的变化也很大，如北京为46km，广州为31km，南京为32km，兰州为53km，世界屋脊——青藏高原厚达72km。大陆地壳具有双层结构，上层为硅铝层（又称花岗岩层），主要成分为硅（占73%）、铝（占13%），平均密度为2.7g／cm 3。下层为硅镁层（又称玄武岩层），主要成分除含60%以上的硅铝氧化物外，还含有较多的铁镁氧化物（占16%），平均密度为2.9g／cm 3。海洋地壳不仅为单层结构（缺失硅铝层），而且很薄，平均厚度只有6km，在南美洲圭亚那离海岸约1600m的大西洋中，地壳厚度仅1.6km，是全球地壳最薄的地方。

图1-2　地震波探测的固体地球内部圈层构造示意图

图1-3　地壳结构剖面图

地壳厚度的差异和硅铝层的不连续分布状态，形成地壳构造的主要特点。由于地壳物质在水平和垂直方向上的不均匀性，势必导致地壳经常进行物质的重新分配调整，这是引起地壳运动的因素之一。

（2）地壳的物质组成组成地壳的基本物质是各种化学元素。目前在地壳中已发现90多种元素，其中以O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg、H等9 种元素为主，它们约占地壳总质量的98%以上，但分布极不均匀。许多重要的有用金属元素，在地壳中含量甚微，如金的含量只占5×10－7%，铜只占0.01%，但是在地质作用下，它们不断迁移，并在一定地段富集起来，形成有开采价值的矿产。各种元素在地壳中的平均含量（重量百分比）称为克拉克值（1889 年由美国地球化学家克拉克提出，见表1-2）。

地壳中的化学元素往往聚集起来，以各种化合物或单质产出，形成矿物。目前人类已发现的矿物约有3000 多种。各种矿物绝大多数并非孤立存在，而是在一定的环境条件下，按照一定规律组合成岩石。岩石的生成有先有后，不同地质历史时期形成的岩石又构成地层。因此，岩石和地层是直接构成地壳物质的基本单位，同时，它们也是记录地壳发展历史的“书页”。

表1-2　地壳中主要化学元素平均含量（克拉克值）

2.地幔

地幔指莫霍面以下到古登堡面以上的圈层，深度为地下16～2900km。此层密度为3.3～5.6g／cm3，温度为1000～3000℃，压力约为140GPa。以深度1000km为界，地幔可分为上地幔和下地幔。上地幔主要由富含铁、镁的硅酸盐物质（即橄榄岩）组成。推测在上地幔深约50～250km范围内有一软流层，为容易发生蠕动变形的“软”物质。一般认为这里可能是岩浆的发源地，同时也是地壳运动的主要动力来源。上地幔软流圈以上的岩石和地壳共同组成固体地球坚硬的外层，又称为岩石圈，其厚度约70～100km。大多数地壳运动和地震都产生于岩石圈。深孔钻探资料表明，在岩石圈内地温向下以每100m增加3℃的速率升高，靠近热源的地方（如活火山中心）递增速度更大一些。下地幔主要由金属硫化物和氧化物组成，铬、铁、镍等成分有显著的增加。

3.地核

地核指古登堡面以下直到地心的部分，主要是由铁、镍的物质组成。此层温度为3000～5000℃，压力为140～360GPa。地核又分为外核、过渡层和内核。深度2900～4642km之间是具有金属流体或流塑体性质的外核，平均密度为10.5g／cm 3；4642～5121km深度处为过渡层，此层物质从液态过渡到固态；从5121km～地心，为具有固态金属性质的内核，平均密度为12.9g／cm3。