關於地球的科學發明關於地球(最好是地球內部) 的科學發明.也不知道怎麼說.是怎麼來證明 地球 那些那些的.

題目：

關於地球的科學發明
關於地球(最好是地球內部) 的科學發明.也不知道怎麼說.是怎麼來證明 地球 那些那些的.

解答：

第一節 地球的內部圈層
一、地球內部圈層的劃分
（一）劃分依據
限於科學技術水平,人類可以直接觀察到的地下深度十分有限.現在世界上最深的礦井僅4～5km,最深的鑽井不過12.5km,即使是火山噴溢出來的岩漿,最深也只能帶出地下幾十到200km左右的物質.目前對地球內部的了解,主要是藉助於地震波研究的成果.地震發生時,人們會感到地球在劇烈顫動,這是由於地震所激發出的彈性波在地球中傳播的結果,這種彈性波就叫地震波（seismic wave）.地震波主要包括縱波（P波）、橫波（S波）和面波,其中對地球內部構造研究有意義的是縱波和橫波（註：面波只沿地表傳播）.質點的振動方向與地震波傳播方向一致的波稱縱波；質點的振動方向與地震波傳播方向垂直的波稱橫波.地震波從地震的震源激發向四面八方傳播,到達地表的各個地震台站後被地震儀所記錄下來.根據這些記錄,人們可以推斷地震波的傳播路徑、速度變化以及介質的特點,通過對許多台站的記錄進行綜合分析研究,便可以了解地球的內部構造.所以,有人把地震比喻爲地球內部的一盞明燈,它發出的地震波「照亮」了地球的內部.
地震波傳播速度的大小與介質的密度和彈性性質有關,其關係可用公式表示爲：

式中,vp、vs分別爲縱波和橫波速度,ρ爲介質密度,K爲介質的體變模量（即物體在圍限壓力下能縮小的程度,K值愈大物體愈難縮小）,μ爲切變模量（即物體在定向力作用下形狀能改變的程度,μ值愈大物體愈難變形.體變模量和切變模量可統稱爲彈性模量）.
所以,地震波速的變化就意味著介質的密度和彈性性質發生了變化.縱波的傳播速度高於橫波,在同一介質中縱波速度約爲橫波速度的1.73倍.在液體中,由於切變模量μ=0,所以橫波不能通過.
地震波的傳播如同光波的傳播一樣,當遇到不同波速介質的突變界面時,地震波射線就會發生反射和折射,這種界面稱爲波速不連續面.假如地球物質完全是均一的,那麼由震源發出的地震波都將以直線和不變的速度前進.但實際分析的結果表明,地震波總是沿著彎曲的路徑傳播並且不同深度的波速不一致,這表明地球內部的物質是不均一的.傳播路線的連續緩慢彎曲表示物質密度和彈性性質是逐漸變化的,傳播速度的跳躍及傳播路線的折射與反射表示物質密度和彈性性質發生了顯著變化.
（二）地球內部圈層的劃分
地震波的傳播速度總體上是隨深度而遞增變化的.但其中出現2個明顯的一級波速不連續界面、1個明顯的低速帶和幾個次一級的波速不連續面.
莫霍洛維奇不連續面（簡稱莫霍面,Moho discontinuity）該不連續面是1909年由前南斯拉夫學者莫霍洛維奇首先發現的.其出現的深度在大陸之下平均爲33km,在大洋之下平均爲7km.在該界面附近,縱波的速度從7.0km/s左右突然增加到8.1km/s左右；橫波的速度也從4.2km/s突然增至4.4km/s.莫霍面以上的地球表層稱爲地殼（crust）.
古登堡不連續面（簡稱古登堡面,Gutenberg discontinuity）該不連續面是1914年由美國地球物理學家古登堡首先發現的,它位於地下2885km的深處.在此不連續面上下,縱波速度由13.64km/s突然降低爲7.98km/s,橫波速度由7.23km/s向下突然消失.並且在該不連續面上地震波出現極明顯的反射、折射現象.古登堡面以上到莫霍面之間的地球部分稱爲地幔（mantle）；古登堡面以下到地心之間的地球部分稱爲地核（core）.
低速帶（或低速層,low-velocity zone）低速帶出現的深度一般介於60～250km 之間,接近地幔的頂部.在低速帶內,地震波速度不僅未隨深度而增加,反而比上層減小5％～10％左右.低速帶的上、下沒有明顯的界面,波速的變化是漸變的；同時,低速帶的埋深在橫向上是起伏不平的,厚度在不同地區也有較大變化.橫波的低速帶是全球性普遍發育的,縱波的低速帶在某些地區可以缺失或處於較深部位.低速帶在地球中所構成的圈層被稱爲軟流圈（asthenosphere）.軟流圈之上的地球部分被稱爲岩石圈（lithosphere）.
因此,地球的內部構造可以以莫霍面和古登堡面劃分爲地殼、地幔和地核三個主要圈層.根據次一級界面,還可以把地幔進一步劃分爲上地幔和下地幔,把地核進一步劃分爲外地核、過渡層及內地核.在上地幔上部存在著一個軟流圈,軟流圈以上的上地幔部分與地殼一起構成岩石圈.地球內部各圈層的劃分、深度及特徵見圖3.2和表3.1.
表3.1 地球內部圈層結構及各圈層的主要地球物理數據

二、地球內部的主要物理性質
地球內部的主要物理性質包括密度、壓力、重力、溫度、磁性及彈塑性等.
（一）密度
根據萬有引力公式可算出地球的質量爲5.974×1021t,再利用地球體積可得出地球的平均密度爲5.516g/cm3.但從地表岩石實測的平均密度僅爲2.7～2.8g/cm3,可以肯定地球內部必定有密度更大的物質.
目前,對地球內部各圈層物質密度大小與分布的計算,主要是依靠地球的平均密度、地震波傳播速度、地球的轉動慣量及萬有引力等方面的數據與公式綜合求解而得出的.計算結果表明,地球內部的密度由表層的2.7～2.8g/cm3向下逐漸增加到地心處的12.51g/cm3,並且在一些不連續面處有明顯的跳躍,其中以古登堡面（核-幔界面）處的跳躍幅度最大,從5.56g/cm3劇增到9.98g/cm3；在莫霍面（殼-幔界面）處密度從2.9g/cm3左右突然增至3.32g/cm3.各圈層物質密度的大小及變化見表3.1.
（二）壓力
地球內部的壓力是指不同深度上單位面積上的壓力,實質上是壓強.在地內深處某點,來自其周圍各個方向的壓力大致相等,其值與該點上方覆蓋的物質的重量成正比.地內的這種壓力又稱爲靜壓力或圍壓,按靜壓力平衡公式可表示爲ρ=hρhgh（即靜壓力ρ等於某深度h和該深度以上的地球物質平均密度ρh與平均重力加速度gh的乘積）.
因此,地內壓力總是隨深度連續而逐漸地增加的.如果知道了地球內部物質的密度大小與分布,便可求出不同深度的壓力值.例如,地殼的平均密度的2.75g/cm3,那麼深度每增加1km,壓力將增加約27.5MPa（MPa讀兆帕,1MPa=106N/m2）.計算證明,壓力值在莫霍面處約1200MPa、古登堡面處約135200MPa、地心處達361700MPa.地球內部各圈層的壓力大小及變化情況見表3.1.
（三）重力
地球上的任何物體都受著地球的吸引力和因地球自轉而產生的離心力的作用.地球吸引力和離心力的合力就是重力（gravity）.地球的離心力相對吸引力來說是非常微弱的,其最大值不超過引力的1/288,因此重力的方向仍大致指向地心.地球周圍受重力影響的空間稱重力場.重力場的強度用重力加速度來衡量,並簡稱爲重力（單位爲伽或毫伽：1Gal=1cm/s2=103mGal）.
地球表面各點的重力值因引力與離心力的不同呈現一定的規律性變化.根據萬有引力定律（F=Gm1m2/r2）,地球表面的引力與地球半徑的平方成反比,而地球的形狀接近於一個赤道半徑略大、兩極半徑略小的扁球體.因此,地球兩極的重力值最大,並向赤道減小,減小數值可達1.8Gal左右.依照離心力公式（C=mω2r）,在角速度相同的情況下,地表各點的離心力與它到地球自轉軸的垂直距離成正比.因此,離心力以赤道最大,可達3.4Gal,並全部用來抵消引力；向兩極離心力逐漸減小爲零,所以,在引力與離心力的共同引響下,重力值具有隨緯度增高而增加的規律,赤道處重力值爲978.0318Gal,兩極爲983.2177Gal,兩極比赤道增加5.1859Gal.
在地球內部,重力因深度而不同.由於地球內部的慣性離心力變得更加微弱,故地球內部的重力可簡單地看成是引力.地球大體上是一個由均質同心球層組成的球體,在這樣的球體內部,影響重力大小的不是地球的總質量,而只是所在深度以下的質量.如質點位於地下2885km深處的核-幔界面上時,對質點具有引力的只是地核,而地殼與地幔對質點的引力因其呈圈層狀而正好相互抵消.根據上述原理,利用地球內部的密度分布規律,便可求出地球內部不同深部的重力值.從地表到地下2885km的核-幔界面,重力值大體上隨深度而增加,但變化不大,在2885km處達到極大值（約1069Gal）.這是因爲地殼、地幔的密度低,而地核的密度高,以致質量減小對重力的影響比距離減小的影響要小一些.從2885km 到地心處,由於質量逐漸減小爲零,故重力也從極大值迅速減小爲零（參見表3.1）.
（四）溫度
深礦井溫度增高、溫泉和火山噴出熾熱的岩漿等等事實,都告訴我們地球內部是熱的.溫度在地球內部的分布狀況稱爲地溫場（geotermal field）.
在地殼表層,由於太陽輻射熱的影響,其溫度常有晝夜變化、季節變化和多年周期變化,這一層稱爲外熱層.外熱層受地表溫差變化的影響由表部向下逐漸減弱,外熱層的平均深度約15m,最多不過幾十米.在外熱層的下界處,溫度常年保持不變,等於或略高於年平均氣溫,這一深度帶稱爲常溫層.在常溫層以下,由於受地球內部熱源的影響,溫度開始隨深度逐漸增高.通常把地表常溫層以下每向下加深100m所升高的溫度稱爲地熱增溫率或地溫梯度（geothermal gradient）（溫度每增加1℃所增加的深度則稱爲地熱增溫級）.世界上不同地區地溫梯度並不相同,如我國華北平原約爲1～2℃,大慶油田可達5℃.據實測,地球表層的平均地溫梯度約爲3℃；海底的平均地溫梯度爲4～8℃,大陸爲0.9～5℃,海底的地溫梯度明顯高於大陸.
地溫梯度是據地殼淺部實測所得的平均值,一般只適合於用來大致推算地球淺層（地殼以內）的地溫分布規律,並不適用於整個地球內部.如果按平均100m增溫3℃計算,至地殼底部地溫將超過900℃,到地心將高達200000℃的驚人數值,在這樣的溫度條件下,地球內部除了地殼以外當絕大部分處於熔融甚至氣體狀態,這與地球內部絕大部分可以通過地震波橫波（即主要爲固態）的觀測事實不符.實際上,地溫梯度是隨深度增加逐漸降低的.對於地球深部的溫度分布,目前主要是根據地震波的傳播速度與介質熔點溫度的關係式推導得出的.根據目前最新的推算資料,在莫霍面處的地溫大約爲400～1000℃,在岩石圈底部大約爲1100℃,在上、下地幔界面附近（約650km深處）大約爲1900℃,在古登堡面（核幔界面）附近大約爲3700℃,地心處的溫度大約爲4300～4500℃（見表3.1）.由於熱具有從高溫向低溫傳播的性質,所以地球內部的高溫熱能總是以對流、傳導和輻射等方式向地表傳播並散失到外部空間,通常把單位時間內通過地表單位面積的熱量稱爲地熱流密度（geothermal heat flow）.目前全球實測的平均地熱流值爲1.47×41.686mW/m2,大陸地表熱流的平均值（1.46×41.686mW/m2）與海底的平均值（1.47×41.686mW/m2）基本相等.地表的不同地區地熱流值並不相同,一般在一些構造活動的地區（如年青山脈、大洋中脊、火山、島弧等）熱流值偏高,而在一些構造穩定的地區熱流值偏低.
地表熱流值或地溫梯度明顯高於平均值或背景值的地區稱爲地熱異常區.地熱異常可以用來研究地質構造的特徵,同時對研究礦產（如金礦、石油等）的形成與分布也具有重要作用.地熱也是一種重要的天然資源,尋找地熱田可用於發電、工業、農業、醫療和民用等.
（五）磁場
地球周圍存在著磁場,稱地磁場（geomagnetic field）.地磁場近似於一個放置地心的磁棒所產生的磁偶極子磁場,它有兩個磁極,S極位於地理北極附近,N極位於地理南極附近.兩個磁極與地理兩極位置相近,但並不重合,磁軸與地球自轉軸的夾角約爲15°.以地磁極和地磁軸爲參考系定出的南北極、赤道及子午線被稱爲磁南極、磁北極、磁赤道及磁子午線.1980年實測的磁北極位置爲北緯78.2°、西經102.9°（加拿大北部）,磁南極位置爲南緯65.5°、東經139.4°（南極洲）.長期觀測證實,地磁極圍繞地理極附近進行著緩慢的遷移.
地磁場的磁場強度是一個具有方向（即磁力線的方向）和大小的矢量,爲了確定地球上某點的磁場強度,通常採用磁偏角、磁傾角和磁場強度三個地磁要素.
磁偏角是磁場強度矢量的水平投影與正北方向之間的夾角,變即磁子午線與地理子午線之間的夾角.如果磁場強度矢量的指向偏向正北方向以東稱東偏,偏向正北方向以西稱西偏.我國東部地區磁偏角爲西偏,甘肅酒泉以西多爲東偏.
磁傾角是磁場強度矢量與水平面的交角,通常以磁場強度矢量指向下爲正值,指向上則爲負值.磁傾角在磁赤道上爲0°；由磁赤道到磁北極磁傾角由0°逐漸變爲+90°；由磁赤道到磁南極磁傾角由0°逐漸變爲-90°.
磁場強度大小是指磁場強度矢量的絕對值.地磁場的強度很弱,平均爲50μT（T爲特[斯拉]的符號）；在磁力線較密的地磁極附近強度最大,爲6OμT左右；由磁極向磁赤道強度逐漸減弱；在磁赤道附近最小,
近代對地磁場的研究指出,地磁場由基本磁場、變化磁場和磁異常三個部分組成.
基本磁場占地磁場的99％以上,是構成地磁場主體的穩定磁場.它決定了地磁場相似於偶極場的特徵,其強度在近地表時較強,遠離地表時則逐漸減弱.這些特徵說明了基本磁場是起源於地球內部.對於基本磁場的起源,過去曾認爲地球本身是一個大永久磁鐵,使得它周圍產生磁場.但現代物理證明,當物質的溫度超過其居里溫度點時,鐵磁體本身便失去磁性.鐵磁體的居里溫度是500～700℃,而地球深部的溫度遠遠超過此數值,所以地球內部不可能是一個龐大的磁性體.現今比較流行的地磁場起源假說是自激發電機假說.該假說認爲地磁場主要起源於地球內部的外地核圈層.由於外地核可能爲液態,並且主要由鐵、鎳組成,因此它可能爲一個導電的流體層,這種流體層容易發生差異運動或對流.如果在地核空間原來存在著微樣的磁場時,上述差異運動或對流就會感生出電流產生新的磁場,使原來的弱磁場增強；增強了的磁場使感生電流增強,並導致磁場進一步增強.如此不斷進行,磁場增強到一定程度就穩定下來,於是便形成了現在的基本地磁場.
變化磁場是起源於地球外部併疊加在基本磁場上的各種短期變化磁場.它只占地磁場的很小部分（＜1％）.這種磁場主要是由太陽輻射、太陽帶電粒子流、太陽的黑子活動等因素所引起的.因此,它常包含有日變化、年變化及太陽黑子活動引起的磁暴（即較劇烈的變化）等成分.
磁異常（magnetic anomaly）是地球淺部具有磁性的礦物和岩石所引起的局部磁場它也疊加在基本磁場之上.一個地區或地點的磁異常可以通過將實測地磁場進行變化磁場的校正之後,再減去基本磁場的正常值而求得.如所得值爲正值稱正磁異常,爲負值稱負磁異常.自然界有些礦物或岩石具有較強的磁性,如磁鐵礦、鉻鐵礦、鈦鐵礦、鎳礦、超基性岩等,它們常常能引起正異常.因此,利用磁異常可以進行找礦勘探和了解地下的地質情況.
（六）彈塑性
地球具有彈性,表現在地球內部能傳播地震波,因爲地震波是彈性波.日、月的吸引力能使海水發生漲落即潮汐現象,用精密儀器對地表的觀測發現,地表的固體表面在日、月引力下也有交替的漲落現象,其幅度爲 7～15 cm,這種現象稱爲固體潮,這也說明固體地球具有彈性.同時,地球也表現出塑性.地球自轉的慣性離心力能使地球赤道半徑加大而成爲橢球體,表明地球具有塑性；在野外常觀察到一些岩石可發生強烈的彎曲卻未破碎或斷裂,這也表明固體地球具有塑性.地球的彈、塑性這兩種性質並不矛盾,它們是在不同的條件下所表現出來的.如在作用速度快、持續時間短的力（如地震作用力）的條件下,地球常表現爲彈性體；在作用力緩慢且持續時間長（如地球旋轉離心力、構造運動作用力）或在地下深部較高的溫、壓條件下,則可表現出較強的塑性.
三、地球內部各圈層的物質組成及物理狀態
推斷地球內部各圈層物質組成的主要依據有下列幾個方面：
（1）根據各圈層密度和地震波速度與地表岩石或礦物的有關性質對比進行推測.
（2）根據各圈層的壓力、溫度,通過高溫高壓模擬實驗進行推測.
（3）根據來自地下深部的物質進行推斷.火山噴發和構造運動有時能把地下深部（如上地幔）的物質帶到地表,爲我們認識深部物質提供了依據.
（4）與隕石研究的結果進行對比.
隕石是來自太陽系空間的天體碎片,就目前獲得的大量隕石看,按成分可分三類：
石隕石（stone meteorite）要由橄欖石、輝石等（鐵、鎂的矽酸鹽）礦物組成,按成分大約相當於地表見到的超基性岩,金屬狀態的鐵、鎳成分很少,密度3～3.5g/cm3或更大.
鐵隕石（iron meteorite）主要由金屬狀態的鐵、鎳組成的天然合金,密度8～8.5g/cm3或更大；
鐵石隕石 爲上述兩類隕石的過渡類型,其中鐵、鎂矽酸鹽礦物與金屬狀態的鐵、鎳成分各占一部分.
現代天文學及天文地質學的研究表明：①這些隕石應來自於太陽系內部的天體或小行星,當它們進入地球引力場時被地球吸引,並有相當一部分被大氣圈摩擦燃燒,其殘骸成爲隕石落入地表.而太陽系以外的物質穿過遙遠的空間進入地球的可能性是極小的.②太陽系內部的物質成分及形成演化具有統一性,特別是人類登月獲得月球表面岩石與地球表面的某些岩石類似的事實,使太陽系物質統一性的信念進一步確立.因此,可以運用隕石的特徵推斷地球內部的物質狀態.
根據上述各方面的綜合研究,現今對地球內部各圈層的物質組成與狀態的認識如下：
（一）地殼
地殼是莫霍面以上的地球表層.其厚度變化在5～70km之間.其中大陸地區厚度較大,平均約爲33km；大洋地區厚度較小,平均約7km；總體的平均厚度約16km,約占地球半徑的1/400,占地球總體積的1.55％,占地球總質量的0.8％.地殼物質的密度一般爲2.6～2.9g/cm3,其上部密度較小,向下部密度增大.地殼爲固態岩石所組成,包括沉積岩、岩漿岩和變質岩三大岩類.由於地殼是當前地質學、地球物理學、地理學等學科的主要研究對象,因此,有關其詳細情況將在下一節作進一步介紹.
（二）地幔
地幔是地球的莫霍面以下、古登堡面（深2885km）以上的中間部分.其厚度約2850km,占地球總體積的82.3％,占地球總質量的67.8％,是地球的主體部分.從整個地幔可以通過地震波橫波的事實看,它主要由固態物質組成.根據地震波的次級不連續面,以650km深處爲界,可將地幔分爲上地幔和下地幔兩個次級圈層.
1.上地幔
上地幔的平均密度爲3.5g/cm3,這一密度值與石隕石相當,暗示其可能具有與石隕石類似的物質成分.從火山噴發和構造運動從上地幔上部帶出來的深部物質來看,也均爲超基性岩.近年來通過高溫高壓試驗來模擬地幔岩石的性質時發現,用橄欖岩55％、輝石35％、石榴子石10％的混合物作爲樣品（礦物成分相當於超基性岩）,在相當於上地幔的溫壓條件下測定其波速與密度,得到與上地幔基本一致的結果.根據以上理由推測,上地幔由相當於超基性岩的物質組成,其主要的礦物成分可能爲橄欖石,有一部分爲輝石與石榴子石,這種推測的地幔物質被稱爲地幔岩.
上地幔上部存在一個軟流圈,約從70km延伸到250km左右,其特徵是出現地震波低速帶.物理實驗表明,波速降低可能是由於軟流圈物質發生部分熔融,使其強度降低而引起的.據地內溫度估算,軟流圈的溫度可達700～1300℃,已接近超基性岩在該壓力下的熔點溫度,因此一些易熔組分或熔點偏低的組分便可開始發生熔融.據計算,軟流圈的熔融物質可能僅占1％～10％,熔融物質散布於固態物質之間,因而大大降低了強度,使軟流圈具較強的塑性或流動性.由於軟流圈物質已接近熔融的臨界狀態,因此它成爲岩漿的重要發源地.
2.下地幔
下地幔的平均密度爲5.1g/cm3,由於這裡經受著強大的地內壓力作用,使得存在於上地幔的橄欖石等礦物分解成爲FeO、MgO、SiO2和Al2O3等簡單的氧化物.與上地幔相比,其物質化學成分的變化可能主要表現爲含鐵量的相對增加（或Fe/Mg的比例增大）.由於壓力隨深度的增大,物質密度和波速逐漸增加.
（三）地核
地核是地球內部古登堡面至地心的部分,其體積占地球總體積的16.2％,質量卻占地球總質量的31.3％,地核的密度達9.98～12.5g/cm3.根據地震波的傳播特點可將地核進一步分爲三層：外核（深度2885～4170km）、過渡層（4170～5155km）和內核（5155km至地心）.在外核中,根據橫波不能通過,縱波發生大幅度衰減的事實推測其爲液態；在內核中,橫波又重新出現,說明其又變爲固態；過渡層則爲液體—固體的過渡狀態.
地核的密度如此之大,從地表物質來看只有一些金屬物質才可與之相比,而地表最常見的金屬是鐵,其密度爲8g/cm3,它在超高壓下完全可以達到地核的密度.地核的密度與鐵隕石較接近,也表明地核可能主要爲鐵、鎳物質.地球具有主要由內部物質引起的磁場,這說明地球內部一定具有高磁性的鐵、鎳物質非常集中的某個圈層,而地殼、地幔中均不存在,那麼它應存在於地核中.此外,人們用爆破衝擊波提供的瞬時超高壓來模擬地核的壓力狀態,並測定一些元素在瞬時超高壓下的波速與密度,結果發現地核的波速與密度值與鐵、鎳比較接近.綜合多方面推測,地核應主要由鐵、鎳物質組成.近年來的進一步研究還發現,在地核的高壓下,純鐵、鎳的密度略顯偏高,推測地核最合理的物質組成應是鐵、鎳及少量的矽、硫等輕元素組成的合金.