地球内部圈层与地表形态论文研究

自然地理-地球的圈层结构

17世纪以来，麦田怪圈的起源争论就不绝于耳。近日，媒体报道俄罗斯又出现麦田怪圈，这是全球每年出现的250个麦田圈中的最新发现，再次引起关注。有人说是超自然力量造成，有人说是鬼魂超感觉活动，甚至是外星人太空船。科学家证实，80％的麦田怪圈是人为制造，而此次俄罗斯的麦田圈被指是电磁场作用的结果。这些美轮美奂的图案究竟是人造还是“天造”？专家揭开了这个谜底。 人为所致还是自然现象怪圈成因存在五种争论 第一例关于“麦田怪圈”现象的报道可以追溯到1647年的英国,此后，美国、澳大利亚、欧洲、南美、亚洲等地都频频发现麦田怪圈，其中绝大部分是在英国。截至目前，全世界每年大约要出现250个麦田怪圈，图案也各有不同。但令人遗憾的是，350多年来，科学界对怪圈是如何形成的一直存在争议，关于成因，目前主要有五种说法。 一是磁场说。有专家认为，磁场中有一种神奇的移动力，可产生一股电流，使农作物“平躺”在地面上。美国专家杰弗里·威尔逊研究了130多个麦田怪圈，发现90%的怪圈附近都有连接高压电线的变压器，方圆270米内都有一个水池。由于接受灌溉，麦田底部的土壤释放出的离子会产生负电，与高压电线相连的变压器则产生正电，负电和正电碰撞后会产生电磁能，从而击倒小麦形成怪圈。 二是龙卷风说。从有关记载来看，麦田怪圈出现最多的季节是在春天和夏天，有人认为，夏季天气变化无常，龙卷风是造成怪圈的主要原因。很多麦田怪圈出现在山边或离山六七公里的地方，这种地方很容易形成龙卷风。 三是外星制造说。很多人相信，麦田怪圈大多是在一夜之间形成，很可能是外星人的杰作。 四是异端说。一些人相信，麦田怪圈背后有种神秘的力量，就像百慕大三角一样。根据这种猜测，就有人把麦田怪圈说成是“灾难预告”，借以散布异端邪说。 第五种也是流传较为广泛的说法是人造说。相当一部分人认为，所谓麦田怪圈只是某些人的恶作剧。英国科学家安德鲁经过长达17年的调查研究认为，麦田怪圈有80%属于人为制造。 麦田怪圈具有五种特征人为制造疑云重重 然而，高百分比数据并没能抵挡人们对神秘怪圈的好奇。记者在网上论坛中发现，即便科学家已经证实美丽图案多数是人为，但仍有发帖者宁可相信怪圈是源自某种地外文明。为何科学家的论断仍不能说服人们？是什么增添了破解怪圈的难度呢？中国科普研究所研究员郭正谊教授告诉记者，大部分圆圈在大麦和小麦田中出现，所有麦田出现的怪圈至少有四种特征，这些特征给破解怪圈制造了悬念。 还有一种重要特征是，根据研究人员所讲，在世界各地所形成的数以千计的圆圈未试过当场被人见到制造过程。 麦田怪圈频繁成为头版新闻，正是这些特征让怪圈疑云重重。如果是人为的，怎样能解释这些现象呢？数字6是关键专家讲述麦田怪圈人造细节 郭教授一直关注国外麦田怪圈的研究进展，他认为，麦田怪圈是一些艺术家在黑暗掩护下制造的杰作。这些人通常选择制造的形状不是最新电脑绘图软件的结果，是他们喜欢的设计和当天早些时候草拟出来的。 这些艺术家的秘密工具不是人们所预料的复杂仪器，而是简单的绳、木板和测量员用的尺。直升机红外线摄影机曾拍摄过麦田怪圈的制作过程，郭教授向记者描述了这个过程。 “制造者拿着工具进入麦田，记得麦田怪圈的第一个特征吗？(No Physical Evidence)，那不是绝对的事实，小心查看可以找到脚印。通常地下十分硬，跟随轨迹，少许脚印会留下,而制造者会说是随后来访者造成的，他们总可以自圆其说。 进入麦田的通道是农作物中的小径。这些小径是农夫用来运送、施肥和收割时走的田间小道。当制造者抵达麦田内预先决定的地点后，其中一人站在中心点，另一个人开始画第一个圆圈，没有在地下钉上任何标记，因为他们不会留下痕迹。 当第一个圆圈完成后，一束小麦不会压平，而是被当作中心点，将来所有量度以这个位置做根据。由于害怕被人听见，于是他们用暗号联络。此时，制造者开始用自制木板压平农作物，制造弯曲图案。 木板有不同尺寸，每块木板两端有孔，让绳索穿过。每位队员拉着绳子一直向前跑，所到之处的小麦被压平，麦田的形状就这样随着设计的形状悄悄发生改变。 这个木板的尺寸造就了复杂编织的图案（Complex Woven Patterns）。然而，所有麦田怪圈都是根据几何原理制作的吗？（Secred Geometry） 郭教授说，那些艺术家们承认对制造单纯的几何图案没有兴趣，关键是轨道（Fram Lines）。6在几何学上是个重要数目，在探察中，不难发现一个细节，主要形状所有圆圈的直径都可以被6除尽。这种运算规律证明了麦田怪圈为何总能形成对称图案。 麦田怪圈是种行为艺术磁场说不可信 让人匪夷所思的是，这些人为何要制造麦田怪圈呢？ 郭教授说：“多年以来，那些怪圈制造者对超感觉都有兴趣，他们合作从事广泛的计划，包括美术和摄影。他们渐渐由传统艺术家变为隐蔽艺术家，合伙去制造麦田怪圈，因为他们认为，麦田圈的美是一种行为艺术的表达。 由于怪异图案经常在他们家乡附近出现，却没有怎么制造的合理解释，他们最后决定看看人力是否可以做到。他们没有失望，在数小时内便完成图案，确保没有留下任何犯罪证据。 而针对近日的磁场说，郭教授认为并不可信。“如果没有被证明麦田怪圈全是造假，也并不意味着磁场说成立。不会有足够大的磁场能量制造出那么大的麦田怪圈，同时，磁场不可能引起麦田怪圈规律地形成几何图案。麦田怪圈是故弄玄虚的炒作，追求制造奇迹的结果。”

1.地球物理方法

地球物理方法主要是应用深部地球物理探测的多种方法（如地震、重力、大地电磁等），从地球各个圈层的物理性质的角度，获得地球的物理模型，再应用其他研究结果，将地球物理模型转化为岩石学模型或者化学成分模型。

2.大洋钻探和大陆超深钻

这是人类能够借助技术方法直接触及地球深部获得实际地质样品的唯一方法，最早的深部钻探是在大洋中实现的。20世纪60年代开始的深海钻探计划（DSDP,1968～1983年）和后续的国际大洋钻探计划（ODP,1985～2003年）直接揭示了大洋岩石圈的性质，验证了海底扩张和板块构造学说，使全球板块构造学说成为20世纪的重大科学成就之一。对于地质构造更为复杂的大陆，更加需要钻探方法来直接验证，如20世纪90年代开始实施的国际大陆科学钻探计划（ICDP）。大陆科学钻探可以分为浅钻（<2000m）、中深钻（2000～5000m）、深钻（5000～8000m）和超深钻（>8000m），前苏联科拉超深钻井深为12261m，德国KTB超深钻为9101m，我国江苏东海的科学钻探终孔深度为5158m。由于技术的限制，大陆科学钻探的难度很大。

3.岩石包体

来自于深部的岩浆携带的不同尺度的深源包体，在岩浆喷发到地表或者侵入到地壳的浅部，最后被人们观察和取样，这是来自于地球深部的物质实体。深源包体包括来自于深部地壳的（如下地壳麻粒岩相、中地壳角闪岩相以及各种片麻岩类等地壳层次的岩石）、上地幔的（尖晶石相、石榴子石相等）各种橄榄岩包体，这些是揭示深部岩石圈的结构和组成的最好证据。

4.岩浆作用反演

基于已有的实验岩石学和岩石成因的理论，通过地表采样的岩石系统的岩石学和地球化学研究，可以推测该岩石从下地壳或者上地幔的深部原岩经过部分熔融产生岩浆，岩浆进一步形成和演化的整个过程。岩浆作用反演可以帮助推测地球内部不同圈层的性质。

5.高温高压实验

选择天然的或者人工合成的样品，模拟地球内部高温高压或者加入流体等条件，在实验室进行岩石的熔融或者结晶实验，测定岩石在高温高压条件下的各种物理性质（弹性波速度、电导率、密度等）。这是开展岩石成因研究的重要手段，也是将地球物理获得的地球内部的物理模型转化为岩石学和地球化学等物质模型的桥梁。

地球内部结构是指地球内部的分层结构。根据地震波在地下不同深度传播速度的变化，一般将地球内部分为三个同心球层：地核、地幔和地壳。中心层是地核；中间是地幔；外层是地壳。地壳与地幔之间由莫霍面界开，地幔于地核之间由古登堡面界开。地壳地壳是地球的表面层，也是人类生存和从事各种生产活动的场所。地壳实际上是由多组断裂的，很多大小不等的块体组成的，它的外部呈现出高低起伏的形态，因而地壳的厚度并不均匀：大陆下的地壳平均厚度约35公里，我国青藏高原的地壳厚度达65公里以上；海洋下的地壳厚度仅约5～10公里；整个地壳的平均厚度约17公里，这与地球平均半径6371公里相比，仅是薄薄的一层。 地壳上层为花岗岩层（岩浆岩），主要由硅－铝氧化物构成；下层为玄武岩层（岩浆岩），主要由硅－镁氧化物构成。理论上认为过地壳内的温度和压力随深度增加，每深入100米温度升高1℃。近年的钻探结果表明，在深达3公里以上时，每深入100米温度升高℃，到11公里深处温度已达200℃。 目前所知地壳岩石的年龄绝大多数小于20多亿年，即使是最古老的石头 丹麦格陵兰的岩石也只有39亿年；而天文学家考证地球大约已有46亿年的历史，这说明地球壳层的岩石并非地球的原始壳层，是以后由地球内部的物质通过火山活动和造山活动构成的。地幔地壳下面是地球的中间层，叫做“地幔”，厚度约2865公里，主要由致密的造岩物质构成，这是地球内部体积最大、质量最大的一层。 地幔又可分成上地幔和下地幔两层。一般认为上地幔顶部存在一个软流层，推测是由于放射元素大量集中，蜕变放热，将岩石熔融后造成的，可能是岩浆的发源地。软流层以上的地幔部分和和地壳共同组成了岩石圈。下地幔温度、压力和密度均增大，物质呈可塑性固态。地核地幔下面是地核，地核的平均厚度约3400公里。地核还可分为外地核、过渡层和内地核三层，外地核厚度约2080公里，物质大致成液态，可流动；过渡层的厚度约140公里；内地核是一个半径为1250公里的球心，物质大概是固态的，主要由铁、镍等金属元素构成。地核的温度和压力都很高，估计温度在5000℃以上，压力达亿千帕以上，密度为每立方厘米13克 美国一些科学家用实验方法推算出地幔与核交界处的温度为3500℃以上，外核与内核交界处温度为6300℃，核心温度约6600℃。

从表面往下，依次是地壳，地幔，地核。地壳与地幔的界面是莫霍面，约在地下17Km深处，地幔与地核的界面是古登堡面，约在地下2900Km深处。其中，上地幔的顶部和地壳构成岩石圈，岩石圈下面是软流层，软流层是岩浆的发源地。注，软流层也属于上地幔。地核也分外核和内核，这里图不好画只能这样讲

地球是距太阳第三颗，也是第五大行星。在地球存在的太阳系中，一共有九大行星，按体积计算地球排在第五位，按照距离太阳的距离地球排第三位，距离太阳的平均距离为亿km，在地球内侧是水星和金星；地球的密度是5515千克每立方米，与太阳系其它行星相同的是地球在绕太阳公转的时候同时也在进行自转。轨道半径: 149,600,000 千米(离太阳 天文单位)，行星直径: 12, 千米，质量: 千克，地球由于不同的化学成分与地震性质被分为不同的岩层，地壳的厚度不同，海洋处较薄，大洲下较厚。内核与地壳为实体；外核与地幔层为流体。不同的层由不连续断面分割开，这由地震数据得到；其中最有名的有数地壳与上地幔间的莫霍面－不连续断面了。 地球的大部分质量集中在地幔，剩下的大部分在地核；我们所居住的只是整体的一个小部分地球的地壳由几个实体板块构成，各自在热地幔上漂浮。理论上称它为板块说。它被描绘为具有两个过程：扩大和缩小。扩大发生在两个板块互相远离，下面涌上来的岩浆形成新地壳时。缩小发生在两个板块相互碰撞，其中一个的边缘部份伸入了另一个的下面，在炽热的地幔中受热而被破坏。在板块分界处有许多断层，大洲板块间也有碰撞。

地球内部圈层划分依据地球内部情况主要是通过地震波的记录间接地获得的。地震时，地球内部物质受到强烈冲击而产生波动，称为地震波。它主要分为纵波和横波。由于地球内部物质不均一，地震波在不同弹性、不同密度的介质中，其传播速度和通过的状况也就不一样。例如，纵波在固体、液体和气体介质中都可以传播，速度也较快；横波只能在固体介质中传播，速度比较慢。地震波在地球深处传播时，如果传播速度突然发生变化，这突然发生变化所在的面，称为不连续面。根据不连续面的存在，人们间接地知道地球内部具有圈层结构。（一）地壳 地壳厚度各处不一，大陆地壳平均厚度约35公里，高大山系地区的地壳较厚，欧洲阿尔卑斯山的地壳厚达65公里，亚洲青藏高原某些地方超过70公里，而北京地壳厚度与大陆地壳平均厚度相当，约36公里。大洋地壳很薄，例如大西洋南部地壳厚度为12公里，北冰洋为10公里，有些地方的大洋地壳的厚度只有5公里左右。整个地壳平均厚度约17公里。一般认为，地壳上层由较轻的硅铝物质组成，叫硅铝层。大洋底部一般缺少硅铝层；下层由较重的硅镁物质组成，称为硅镁层。大洋地壳主要由硅镁层组成。（二）地幔 介于地壳与地核之间，又称中间层。自地壳以下至2900公里深处。地幔一般分上下两层：从地壳最下层到100—120公里深处，除硅铝物质外，铁镁成分增加，类似橄榄岩，称为上地幔，又称橄榄岩带；下层为柔性物质，呈非晶质状态，大约是铬的氧化物和铁镍的硫化物，称为下地幔。地震资料说明，大致在70—150公里深处，震波传播速度减弱，形成低速带，自此向下直到150公里深处的地幔物质呈塑性，可以产生对流，称为软流圈。这样，地幔又可分为上地幔、转变带和下地幔三层。了解地幔结构与物质状态，有助于解释岩浆活动的能量和物质来源，及地壳变动的内动力。（三）地核 地幔以下大约5100公里处地震横波不能通过称为外核，推测外核物质是“液态”，但地核不仅温度很高，而且压力很大，因此这种液态应当是高温高压下的特殊物质状态；5100—6371公里是内核，在这里纵波可以转换为横波，物质状态具有刚性，为固态。整个地核以铁镍物质为主。地球结构为一同心状圈层构造，由地心至地表依次分化为地核（core）、地幔（mantle）、地壳（crust）。地球地核、地幔和地壳的分界面，主要依据地震波传播速度的急剧变化推测确定。地球各层的压力和密度随深度增加而增大，物质的放射性及地热增温率，均随深度增加而降低，近地心的温度几乎不变。地核与地幔之间以古登堡面相隔，地幔与地壳之间，以莫霍面相隔。地核又称铁镍核心，其物质组成以铁、镍为主，又分为内核和外核。内核的顶界面距地表约5100公里，约占地核直径的1/3，可能是固态的，其密度为—克/立方厘米。外核的顶界面距地表2900公里，可能是液态的，其密度为9—11克/立方厘米。地幔又可分为下地幔、上地幔。下地幔顶界面距地表1000公里，密度为克/立方厘米，上地幔顶界面距地表33公里，密度克/立方厘米，因为它主要由橄榄岩组成，故也称橄榄岩圈。地壳的厚度约33公里，上部由沉积岩、花岗岩类组成，叫硅铝层，在山区最厚达40公里，在平原厚仅10余公里，而在海洋区则显著变薄，大洋洋底缺失。地壳的下部由玄武岩或辉长岩类组成，称为硅镁层，呈连续分布，在大陆区厚可达30公里，在缺失花岗岩的深海区厚仅5—8公里。地球内部结构：地壳、地幔和地核 三层之间的两个界面依次称为莫霍面和古登堡面地壳+上地幔顶部=岩石圈 纵波，横波通过地幔速度最大地球外部圈层结构：大气圈、水圈和生物圈