布伦地球内部分层模型

地球圈层中的主体界面~

根据地震波的速度变化，地球内部可分为地壳、上下地幔和内外地核等几个大的圈层。这些圈层之间是由界面分开的，这些界面共有四个，统称为主体界面。
（一）壳幔界面
在地壳下面30～60km深度处，个别地方超出这一深度范围，P波速度从6～7km/s，跳到8km/s以上，它是地壳与地幔的分界面。这个界面是南斯拉夫地震学家莫霍洛维奇在1909年研究阿尔卑斯地区的区域地震Pn波震相时发现的，因此，这个界面又称为莫霍面（通常用Moho或M表示）。
（二）幔核界面
在地幔内部，速度随深度的增加而增加。在大约2900km处，P波速度突然从13km/s下降到8km/s左右，在地球内部出现第二大间断面。这是美国地震学家古登堡于1914年通过大量天然地震震相分析首先提出的，因此该界面又称为古登堡界面（用G表示）。
（三）内外核分界面
从2900km以下进入地核，P波速度逐渐回升，而S波因为不能通过而速度变为零，直到大约5000km深度处，转换S波才出现，P波速度也呈现出明显的跳跃，成为地球内部的第三大间断面，由此可见，外核物质为液态，内核物质则为固态。这是丹麦地震学家莱曼女士在1936年首先发现的，称为莱曼面（用L表示）。
（四）上下地幔的过渡层
从1956年开始澳大利亚地震学家布伦对地幔做了进一步分层的研究，认为地幔是由上地幔（与20°走时曲线的间断相联系）、过渡层（速度变化不均匀）和下地幔（速度变化均匀）组成的。有时人们又称其为20°间断面。
上述地球分层，即主要单元的划分，从21世纪开始至50年代已大体确定（图5-1）。习惯上采用A～G字母予以命名：A，地壳；B，上地幔；C，过渡层；D，下地幔；E，外核；F，L间断面；G，内核。

图5-1 地球分层结构示意图

随着对地球结构认识的逐步深入，目前在横向变化、非弹性和各向异性等方面的研究不断深化，地球模型逐渐发展和完善。在地球分层模型的发展过程中，曾先后出现过：佐普列兹盖格模型、杰弗里斯（Jeffreys）模型、古登堡（Gutenberg）模型、布伦（Bullen）模型、安德森-哈特（Anderson-Hart）模型以及初步地球参考模型（PREM）。这些模型彼此间有联系，也有区别，其中布伦模型和初步地球参考模型使用较为广泛。

地球是一个非均质体，内部具有分层结构，各层物质的成分、密度、温度各不相同。在天文学中，研究地球内部结构对于了解地球的运动、起源和演化，探讨其他行星的结构，解决行星以至整个太阳系起源和演化问题，都具有十分重要的意义。
到目前为止,关于地球内部的知识,主要来自对地震波的研究。地震波在地球内部传播时，分为纵波和横波。地震波的传播速度与地球内部物质的密度和性质密切相关。在不同性质和状态的介质中，地震波传播速度有显著变化。依据地球内部不同部分的地震波传播速度的资料，可以分析地球内部的结构。地球内部存在两个主要的间断面：第一个间断面位于地表下平均约三十多公里处,称莫霍洛维奇间断面（简称莫霍面或M界面）；第二个间断面位于地表下约2,900公里处，称谷登堡-维舍特间断面。这两个间断面把地球内部分成三个主要的同心层：地壳、地幔和地核。莫霍面以上是地壳，莫霍面和谷登堡-维舍特间断面之间是地幔，从谷登堡-维舍特间断面到地心是地核。
澳大利亚的布伦根据地震资料于1967年提出了地球内部结构的A模型，1970年又提出了HB□模型。这些模型对地球的分层结构作了更仔细的研究，目前广泛使用的是A模型。
地壳又称 A层，它的厚度是不均匀的，大陆地壳平均厚度约30多公里（中国青藏高原的地壳厚度可达65公里多），而海洋地壳仅5～8公里。密度为地球平均密度的1／2。大陆地壳上层的成分约在花岗闪长岩和闪长岩之间，下层岩石可能是麻粒岩和闪岩。海洋地壳是橄榄岩。据目前所知，地壳岩石的年龄绝大多数小于20多亿年。这意味着现在地球壳层的岩石不是地球的原始壳层，是以后由地球内部的物质通过火山活动与造山运动而形成的。
地幔的物质密度由近地壳处的 3.3克/厘米□增至近地核处的5.6/厘米□,地震波传播的速度也随之增大。地幔分为三层。从莫霍面到地表下410公里深处，称为B层，地震波波速几乎随深度直线增大。往下到 1,000公里深处是一个过渡带，称为 C层，地震波波速不均匀地增大，说明内部物质分布不均匀。B、C两层称为上地幔。再往下到2,900公里处称为D层，即下地幔，波速增大较均匀，而且没有发生过地震。地幔物质的主要成分可能是同橄榄岩相似的超基性岩。
地球内部的分层（根据布伦的A模型）
地核也分为三层。E层是外地核,可能是液体，地震波横波在这里消失。 F层是外地核和内地核之间的过渡层。G层是内地核,可能是固体的，这里又出现地震波横波。地核虽只占地球体积的16.2％，但由于它的密度相当高（地核中心物质密度达到13克/厘米□，压力可能超过370万大气压）,根据有些学者计算，它的质量超过地球总质量的31％。地核主要由铁和镍等金属物质构成。
地球内部结构
地内物质密度
地球内部的温度随深度而上升。根据地震波传播情况得知：地幔是固体状态的，100 公里深处的温度已达1,300℃,300公里深处的温度是2,000℃。据最近估计,地核边缘的温度约4,000℃,地心的温度为5,500～6,000℃。由于地球表层是热的不良导体，来自太阳的巨大热量只有极少一部分能穿透到地下极浅处。因此，地球内部的热能可能主要来源于地球本身，即产生于天然放射性元素的衰变。
地球的重力加速度也随深度而变化。在地球内部，地球自转引起的惯性离心力随深度的增加而减少，这样，地球内部的重力可以简单地看成是地球的引力。一般认为，从地表到地下2,900公里深处,重力大致随深度而增加，在2,900公里处重力达到最高值，约1,000伽。从地表下2,900公里到地心，重力急剧减小，到地心为0。

20世纪40年代，布伦（K.E.Bullen）利用地震波资料将地球分为A、B、C、D、E、F、G等若干圈层（表5-1）。后来根据新的资料，将D层又分为D＇和D〞层，D＇层中P波和S波的速度梯度正常且稳定，其化学组成可能是均匀的；D〞层中速度梯度近于零，布伦认为其化学组成不均匀，并且其密度梯度较正常变化约大三倍。

由表5-1可见，自地面至莫霍界面的地壳物质称为A层，自莫霍界面至400km深度处称为B层，莫霍界面至地幔低速层的顶面称为盖层。海洋的盖层厚度约为40km，下面是180km厚的低速层。大陆地盾的盖层很厚，可达150～200km，低速层很薄，甚至缺失。低速层以下深度为250～375km之间的介质是比较均匀的，400～1000km称为C层。420～500km以及550～650km是比较均匀的地层，在均匀地层之间，375～420km、500～550km以及650～700km为速度梯度层，它们很可能是相变区。B层和C层合称为上地幔。1000km以下至2900km称为下地幔（D）。相对说来，下地幔是比较均匀的，但是在1800km以上的某些区间，其速度梯度也显示出较小的变化，也许是由于相变或是物质组成有某些改变所引起的（曾融生，1984）。下地幔底部有一个厚度约为200～600km的D〞层，其速度梯度特别小，可能这里的温度梯度特别大。

表5-1 布伦地球分层模型表

在外核的顶面及底面附近，介质可能是不均匀的，但是在3170～4170km深度间的物质则是均匀的，自外核至内核，速度及密度均显著增大。

近年来，综合利用新的地震体波走时、视速度、地震面波的频散以及地球自由振荡的本征周期等数据，通过反演取得了地球内部的速度和密度分布（Anderson et al.，1976），并给出了新的地球内部分层模型表5-2。

表5-2 新的地球分层表

根据这些速度模型，依次可以求得密度ρ、压强P、重力加速度g、体变模量K和切变模量μ（表5-3）。

布伦模型主要是根据体波（P波和S波）波速资料建立的。所得结果，在主要特征上，至今依然很有价值。但是对于某些结构细节（如间断面细节）来说，还不够确切，尤其是未能引入和提供非弹性的、各向异性的参数，对于研究地球动力学问题等常带来不便。

表5-3 地球内部的地球物理参数表

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