爱华网摘 要： 本文按照各层在全球系统中的重要性，对地球各圈层的研究资料，按地壳、岩石圈、上地幔低速层、Lehmann不连续面、上地幔过渡区（Bullen区域C）、下地幔、Anderson区域D''、内外核依次进行简要叙述，并穿插了俯冲带和地幔对流的相关内容。最后，对与地球深部研究相关的方法进行介绍，包括静态超高压技术、深反射地震、大陆科学钻探、全球地震层析成像。
关键词：地球圈层结构；地幔对流；进展；研究方法；
现今地球深部物质的研究尤其是地幔和地核的研究，主要立足深部地球物理探测和高温超高压实验。地震学不仅能够提供地球的构造信息，而且还能提供地球的成分、晶体结构及矿物学和物理状态的信息。较富集矿物的速度和Vp/Vs比率的差异，使地震波速度方法可以有效判别矿物。地震波速变化与压力、矿物成分、温度及是否局部熔融等因素有关。大的波速间断面与局部熔融或相变有关。而高温高压实验，模拟在地球深部温度和压力下，物质的特征参数和演化，为深部遥测提供解释依据，最终回归到地球本体认识本身。一、地球圈层机构 根据地震波速可以确定地球的基本圈层结构，每一层均有次一级单位，其中下地幔是最大的次一级单位，而地壳是最小的主单位，也是与我们生活关系最密切的。作为稍微专业点的认识，不能满足于一般的“三明治”地球圈层模型，更要看到各层内部和各层之间的关系。 下面依次对在地球系统中关键的圈层一一介绍，这些层构并不严格按深度依次连续，有重叠和间断。
图1.地球内部结构
1、地壳1.1地壳厚度与波速、电性结构 地壳质量占地球的0.4%，类型有大陆地壳、海洋地壳和过渡地壳，平均厚度为陆壳（30~50km）、洋壳（5~8km）、过渡壳（15~30km）。值得注意的是海洋中大洋断裂带及其附近的地壳薄到只有3km，而海底高原和无震海岭处超过30km，这些物质源于海洋扩散中心或热点产生的大量物质。与月球及火星的外壳比较并与地幔的潜在地壳厚度比较，地球地壳似乎异常的薄，由此推断地壳物质在比较浅的深度就转变为致密的石榴石富集物，或者说具有与地壳物性性质相同的物质最大理论深度约50~60km。 在一些大陆边缘发现的蛇绿岩断面表明海洋地壳和上地幔的抬升或仰冲分层，这些断面处的岩石构成所具有的实验速度与海洋地壳和上地幔中实际观测到的速度响应很好。 地壳各层波速结构的特点有，波速的不均匀向下有增强的趋势，可能反映下地壳及壳幔边界由于温度压力增高而地质作用相对比较剧烈。 区域地壳结构研究时位场和折射地震资料较易取得，大地电磁及深反射资料较少。大地电磁反演可得到岩石圈地电结构，在综合地球物理解释中有时也能提供重要的约束。但由于影响电阻率的因素太多，其与物质成分的关系不如与温度及孔隙含水量关系密切，所以应用较少。
1.2造山带和沉积盆地地壳 在大陆构造单元中，中新生代造山带和沉积盆地是两个地壳研究的重要对象，前者是在挤压作用下的地壳缩短和增厚，后者是在拉伸环境中产生的地壳减薄。 根据年轻造山带地壳的波速结构对比研究，可得其部分特征：1、造山带的地壳厚度甚至比一般地盾区厚5~10km，在青藏高原地区更是厚达70km以上，形成巨厚的山根。2、造山带的上地壳底部常见波速在5.6~6.0km/s的低速层，可与大地电磁测量的低阻带进行对比研究。3、在造山带中康拉德面可能不存在，或者只与厚度不大的上述低速层对应。4、地壳大幅增厚的区域，下地壳可能存在低速层。这可能是沿碰撞破碎带侵入的部分熔融岩浆层。5、未发生拆沉作用的年轻造山带地壳底部带有波速偏高的亚层，有人用壳幔过渡带进行解释。另外，一部分早期造山带的地壳不地盾区还薄，而没有像喜马拉雅及阿尔卑斯等年轻造山带所具有的山根，这与拆沉作用有关。 拆沉作用即山根或增厚的岩石圈拆离并沉入软流圈的现象。这种拆离与造山带两侧挤压力产生的向下的分量及软流圈内部在岩石圈根部产生的局部湍流有关。 而现代沉积盆地的共同特点是有几公里厚的低速沉积岩，并且根据下部波速结构的不同，可分为拉张裂谷盆地及非拉张型盆地。板内地震带与拉张盆地的低波速和高热流有关。
1.3地壳的密度结构 根据地震波速，可以比较容易得到地壳垂向的密度分布和差异，但其横向分辨率不高。利用重力资料研究地壳的密度结构，弥补了这方面的不足。重力资料是二维数据，如果没有地震约束，它的垂向分辨率很差，不能反演出地壳密度的精细结构。 前几年，杨文采与侯遵泽利用二维小波变换与多尺度分析技术，对中国布迦重力异常进行了多尺度分解，取得了反映中国大陆上地壳密度分布的重力小波细节。负的小波细节异常，基本上与中新生代趁机盆地对应，反映了我国油气资源的潜在产地。
2、岩石圈2.1岩石圈综述 岩石圈指地壳和浅地幔最成的，软流圈上部的刚性层。厚度为25km（洋盆）~150km（地盾）。典型的大陆岩石圈指古老地盾及克拉通地区的岩石圈，它是长期稳定的块体。 岩石圈的定义是基于流变学的，即从刚性岩石圈过渡到粘滞性软流圈的边界。关于其底部边界，有若干说法。地震岩石圈底界指的是P波从8.1~7.8km/s，S波从4.7~4.4km/s的边界，即上地幔高速带的底界或软流圈的顶界。热岩石圈底界用热边界层（TBL）定义这个边界。当热量传递和经过热边界层时形成很陡的温度梯度。热岩石圈厚度与地震岩石圈有一定差异，假设岩石圈是均匀的，大陆热岩石圈厚度可达200km以上。 岩石圈应视为地幔物质分异产生的残渣。Anderson曾提出在下部岩石圈Vp和Vs分别为8.6km/s、4.8km/s，这是经过修正后的最低限速。该速度需要在相当浅的地方有大量的石榴石存在，若与P波速度符合，至少需要26%含量的石榴石。因此，下部岩石圈相对与底部地幔尤其是海洋地区可能重力不稳定。2.2俯冲带的研究 岩石圈为板块的主体，板块的飘移即岩石圈的飘移。与板块构造有关的岩石圈研究重点之一，便为俯冲带的研究。详细的地球物理资料发现，俯冲板块具有高阻、高波速和高地震品质Q值特征。 通过一条横穿东太平洋俯冲带的地球物理剖面，可以发现太平洋板块从温哥华岛向北美大陆下方俯冲，俯冲的大洋岩石圈Vp=8.1~8.3km/s，ρ=1000~10000Ω•m，在此板块顶有个Vp=6.35km/s和ρ为几十欧的亚层，俯冲板块下方的软流圈Vp=7.7km/s，ρ=100~300Ω•m。这种结构模式反映了100km深度范围内俯冲板块主体是相对冷且干的，但伴随着俯冲作用和脱水，在其顶面（大陆岩石圈底部）发生熔融。 从另一条横跨汤加海沟的反演P波品质因数剖面，可见高Q值的俯冲板块一直延伸至670km间断面附近。Fukao等人（1992）对西太平洋俯冲带的最新P波层析成像发现，反映俯冲板块的高速体插入到670km界面之后，沿此界面平伸加厚。来自深源地震（震源深度超过500km）方面的数据也支持了上述高速体反映板块俯冲及其沿670km界面积聚的假说。他们还认为不位于现代俯冲带下方的高速体也是古老俯冲带在670km间断面附近积聚的结果。Anderson也曾推断，位于核幔边界的D''层，也是古岩石圈在地球吸积过程中俯冲至核幔边界的沉积物。也有人根据地震层析图提出现在仍存在冷板块继续向下俯冲并穿过下地幔的过程，但这一过程难以用板块拖曳力来解释。
3、地幔 这里对地幔的叙述从上地幔中的低速带（古登堡低速带）开始，向下依次为Lehmann不连续面(约220km深处)、上地幔过渡区（Bullen区域C）、Anderson区域D''。最后介绍地幔对流。 地幔中存在许多不连续面或速度、温度异常梯度面，这些间断面被认为同地幔矿物的在一定深度压力下相变的结果，这些相变体系有石英的相变、FeO-MgO体系的相变、FeO-SiO2体系的相变、MgO-SiO2体系的相变、橄榄石和辉石的相变—钙钛矿相（白武明等，2005）。
3.1上地幔低速带 上地幔负速度梯度区域（低速层）由古登堡在1959年提出，它的发现巩固了软流圈的概念。关于速度为何降低，Anderson提出如果温度足够高，那么压力效应就能忽略，并且速度随深度而减小，但仅用高温梯度不能对其充分解释。所以部分熔融和断层卸载两者导致了速度的大幅衰减。 低速带是一个高热梯度区，是传导传热与对流传热的边界层。地盾之下低速层非常薄，大约150km~200km，东太平洋海隆下低速层延深至400km且该处Lehmann不连续面消失。研究低速带或低于低速带的速度详细分布很困难，另外关于低速带的底界状况还存在争议。
3.2Lehmann不连续面 在低速层底部，靠近220km处，有一个高速度梯度层即Lehmann不连续面（与Lehmann发现的内外核界限区分），此处波速大约增加3.5%~4.5%的量级。该不连续面的存在已在全球许多地方得到证实，最近的地球模型中Vp/VS比率反转也靠近220km。这是成分、相位、温度梯度的综合反映。Anderson认为这一边界影响地震活动性并可能影响密度或阻碍板块插入，在大陆碰撞带，低于这个深度的和消减岩石圈年龄大于50Ma的区域，几乎没发生几次地震。但如前述，现在的证据更倾向于岩石圈板块可以俯冲至上地幔底部。 总之Lehmann不连续面相当神秘，利用表面震源观测是困难的，并且它在一些地区还不存在。与其他地震不连续面不同的是来自Lehmann不连续面折射波并不首先到达。来自中源地震的反射波是最好的地震资料。3.3上地幔的过渡区域 上地幔的过渡区域（Bullen区域C）一般被定义为400km~650km不连续面之间的地幔，有时也包括低速层以下的地幔。该层上下界面为两个重要的不连续面。其中400km不连续面被认为橄榄石与尖晶石的相变界面，但这一化学解释不完全符合地震波速资料，所以大多学者认为400km深度大约只有一半的橄榄石向尖晶石相转变，其余的在400km~600km范围内陆续相变，这样计算出的波速跃升才与反演结果较为相符。650km相变面通常认为是尖晶石到二次尖晶石的转换，该相变面展布在20km区间。但后来根据地震资料发现，650km不连续面是良反射面，需要它的深度小于4km，并且弹性特性的剧增与橄榄石相变相矛盾，所以尖晶石到二次尖晶石的转换不是合理的解释。 由于在650km以下存在一个高速梯度区，所以下地幔本体直到750km~800km深度才开始，该深度之下直到核幔边界以上300km左右下地幔是比较均匀的。跨越650km间断面，泊松比稍有下降，压力和温度两者都使均匀物质的泊松比增加，因此该下降是化学或矿物学变化的标志。3.4Anderson区域 在核幔边界上部200km范围为Anderson区域D''，一直被视为一个地震波速低梯度带和走时与振幅分散度增加的区域。它与上覆地幔有不同的密度，并可能包含有一个或多个间断面，同时它也是横向不均匀的。该区域可能是一个高热梯度和小规模对流区域，同时可能代表地幔的一个化学上的特殊区域。作为一个化学断面，核幔边界是一个高热梯度区。另外，地核为良导体并且粘滞性低，所以它近似为等温的，横向温度的变化能够保留在地幔中，但它们集中在D''底部，因此D''区域中温度梯度是变化的。Anderson还推断该层是地球吸积时俯冲下来的古岩石层的储藏室。
3.5地幔对流 地幔可以传播短周期地震剪切波，以弹性体响应潮汐应力，但是对于长期持续荷载它表现为粘性流体的性质。对流部分地由板块运动所驱动，部分地由化学成分的分异所驱动。 地幔对流这一概念自一提出便带有很强的假设成分，直到现在这一概念仍带有很强的假设因素。地幔对流即使存在，也是极其缓慢的过程，它以地质年代为尺度，迄今为止人类仍无法进行对地幔对流运动的直接观测。所以，证明地幔对流的存在，描述它的运动状态，研究它与岩石圈、地核、板块运动的关系及相互作用成为固体地球研究的前沿。这些问题的解答将会对完善板块运动及地球本体认识有极大的意义。 虽然不能对地幔对流进行直接观测，但关于地幔的存在，还是有多方佐证的。谢鸿森（1997）曾总结过四个方面的证据：1、板块运动本身要求地球内部有大规模的运动作为动力来源。2、冰盖及巨湖区地壳卸载后的地壳回升需要一个流动地幔的支持。3、全球地震层析成像反映的的地幔内部物质的横向不均匀与由板块构造理论所推演的地幔内部结构和物质状态比较吻合。4、地表发现的幔源岩石应该是由流动的地幔带至浅部的。 目前关于地幔对流的研究主要集中在地幔对流模型的构建和模拟，并在流体力学、板块运动、地球化学等方面进行对比、拟合和修正。研究表明，地幔中可能存在的对流模型有五种，分别是全地幔大尺度地幔对流、上地幔小尺度、层状对流、D''层中极小规模对流和热柱形态对流。图[2]表示了地幔对流的一种想象图（傅容珊，1993）。 但由于证据资料的不足，各种对流模型都面临着种种质疑，真实的对流及其形态需要长期的观测，建立的模型所面临的约束条件极其苛刻，况且许多约束条件本身都不清楚。考虑到地球作为一个开放的、非线性的系统，在研究地幔对流时不能只强调对流或者说循环闭合的对流，更要考虑湍流或者是具有分形结构的多尺度复杂模型。4、地核 早期，有人根据地球的质量、惯性矩、平均密度等推导出一个致密的大地核；1912年Gutenberg第一次确定地核深度为2900km；1926年才确定了地核的流动性；后来Lehmann利用“地核影区”的地震资料推断出存在一个波速较高的内核。 Butler和Anderson（1978）用各种状态方程去拟合外核的地震波资料，计算结果是纯铁镍地核具有太高的密度和太低的体积声速，以致于与地震资料不一致，需要比较轻的掺杂元素来使密度降低。同时这种掺杂元素也应该使熔点降低，因为纯铁的熔点可能比外核的温度高。根据挥发性、溶解度、弹性特征及球粒陨石成分的参考，似乎硅氧硫都起到使铁密度降低和波速升高的作用。至于地核详细成分的确定，要参考高温高压实验的结果。 地球内核以高Vp、高密度和高Q值为特征；外核以剪切模量G=0、Q=0和高密度为特征，因此可以以很低的衰减传播P波。
二、研究方法介绍 主要介绍对于地球内部结构研究比较重要的几种方法，包括静态超高压实验、深反射地震、大陆科学钻探、全球层析成像，它们从不同的方面给出了关于地球深部的新认识。
1、静态超高压实验技术 静态超高压技术应用于地球科学主要是进行地幔、地核的多种模拟实验。科学家利用静态超高压装置先后完成了地幔及地核矿物的合成和高压相变实验研究，建立了地幔矿物相变模式；进行了高压下矿物、熔体、岩石的物质结构和物性就位测量；高压熔体结构、高压下岩石熔融结晶实验研究等。其中以美国卡内基地球物理实验室的金刚石压腔实验技术和日本的大腔体实验技术最为先进。这两项技术各有分工，又相互补充。 金刚石压腔技术实现的最高压力已超过地球中心的压力（350GPa），而达到木星幔的压力（550GPa）（美国卡内基地球物理实验室），其压腔体积为10-6—10-7mm3。它的主要研究对象是矿物和单质，能在相当于地幔、地核甚至于巨行星幔的压力下对矿物和单质的结构、相变及多种物性进行研究。因为具有高透明度的金刚石测量窗口，它能实现晶体X射线衍射、光谱测量等高压光学测量。金刚石压腔技术是目前实现静态压力最高，测量方法最全，并广泛用于地球深部物质研究的高压装置。 大腔体实验技术能达到的最高压力较低（一般在30GPa以下），但其容积比金刚石压腔大，达到1—105mm3，所以其研究对象既可以是矿物，又可以是岩石、熔体及含流体的矿物、岩石或其混合物。它不仅可以进行各种性质的测量，还能合成大量的纯净矿物样品，并作为金刚石压腔的实验样品。另外，通过在试样中加入水和其他试剂，并调节各种物理化学条件，能造成与上地幔类似的多种环境条件，以进行上地幔物质机构、物性及迁移演化的研究。 2004年，中国北京同步辐射高温高压实验平台已能达到133GPa的准静水压。
2、深反射地震 深反射地震主要用于寻找深部的反射体，研究地壳及浅地幔结构。其结果是地质学家研究地壳内部结构是首选的约束条件。 深反射地震方法的原理与沉积盆地油气地震勘探相似。但是深反射地震信号能量弱、接受距离长、静校正幅度大、叠加效果不明显、数据信噪比低，所以资料采集和处理难度更大，另外深反射地震处理要求高度保持原始地震相位和振幅信息，以确定地下不同深度的反射状态。 世界上许多国家都开展了深反射地震计划，如美国的COCORP，英国的BIRPS等，并确定了一些大地构造单元的反射模式。显生宙造山带一般由板块碰撞和俯冲形成，所以是深反射地震调查的重点。我国中部造山带东端的大别—苏鲁超高压变质带被认为是扬子板块与苏鲁地体碰撞的结果，通过这里的深反射地震剖面，在下地壳中发现了多个楔形反射体和一个复式反射体。 青藏高原和喜马拉雅山是世界公认的研究大陆动力学及板块相互作用的重点地区。在这一地区我国以赵文津院士为首席科学家开展了“国际喜马拉雅和青藏高原深剖面及综合研究(INDEPTH)”，项目的科学目标是通过完成一条横穿喜马拉雅和青藏高原的深反射地震等综合地质地球物理剖面调查和多学科综合研究，探讨陆--陆碰撞造山带、雅鲁藏布江缝合带及青藏高原的深部结构构造及其形成与隆升机制。该项目已进行了三个阶段12年的研究，目前已进入第四阶段，关于该项目所取得的进展详见文献[5]。
3、大陆科学钻探 大陆科学钻探被称为地球科学的大科学设施和望远镜，1995年国际上成立了大陆科学钻探计划（ICDP），并把此作为大陆岩石圈计划的重点。 大陆科学钻探的科学目标主要有：岩石圈动力学与变形，通过钻探直接观测以获得对岩石圈机制的新认识；会聚板块边界和碰撞带，通过实际观测确定实际物理化学条件的变化及其他参数，通过连续采样确定地壳结构；获得地壳中的流体的物理化学状态及分布；获得高分辨率的沉积物以获得关于地球历史、气候变化和环境变迁的知识等。 大陆科学钻探包含深部地质地球物理遥测、钻探测井和长期实验观测三个部分，目前全球有20口4000米以上的科学深钻，超过8km的超深钻有两口，分别为前苏联的科拉深钻（12262m）和德国的KTB（9100m），但两者均未达到计划深度。关于两者的详细情况见文献[]。我国大陆科学钻探开始于2001年8月，并于2005年3月达到5158米，完成计划深度。我国大陆科学钻探选址位于大别—苏鲁超高压变质带，该地区是研究大陆会聚边缘和壳幔作用的世界级区域，也是中国四个大陆科钻世界级场址之一。同时我国还在青海湖开展了“中国环境科学钻探计划
”。
4、全球地震层析成象 层析成象从本质上讲是根据对函数的某种积分资料，一般是沿一系列射线路经的积分资料来反推函数分布的一种数据处理方法。地震层析成像用全球各台站天然地震记录中的各个震相的走时为数据，用射线追踪计算震源和台站之间的理论走时，调整和修改地球的波速模型使实际走时与计算走时之均方差取得极小。1984年Anderson和Dziewonski根据大量地震波资料通过基函数展开的成象方法得到了地球内部三维结构的图像，在地学界引起极大的反响。 地震层析成像包括P波、S波和面波成像，P波成像最真实精确。全球层析成像主要研究岩石圈深部、全地幔的三维结构，根据层析图人们确定了陆根的存在及其深度，研究了俯冲板块的特征，如Fukao根据P波层析成像图，给出了俯冲带延伸至上地幔底部的证据；全球地震层析图部分的否定了地幔热柱源自地幔深处的说法。地震层析成像最重要的任务是给出地幔对流存在的直接证据及其对流状态，但目前地震层析成像的分辨率还不够高，上地幔像元尺度约100km，下地幔200~400km，还不能达到所需要的程度。
三、结语 通过对地球圈层结构研究历史及现状的了解和总结，我获得了更多的关于地球深部方面的知识，对地球内部层构形成了一个整体并清晰的认识，同时也了解到现今固体地球方面研究的前沿和重点。 地球内部各圈层的结构、深部物质与能量的交换、圈层耦合、深层过程,以及地球动力学模型的建立乃是当代地球物理学发展的前沿和生长点,是21世纪上、中叶地球物理学发展的主体走向（陈运泰，2001）。地球内部作为一个黑箱结构，使得对它的每一个结论都经历了反复的质疑和论证，一个完善的解释或模型必须满足地震波速、化学组分、热状态和相变、固体和流体力学多方面的约束。因此固体地球的研究很大程度上依赖与其他领域的进展，即使想对某一个细节进行完善的解释，都需要巨量的地学和物理知识，尤其是地球化学的知识，因为无论何种资料，最终都要落到地球本体的物质这一层面。 关于地球还有许多在我们认识范围之外，吾辈任重而道远！
参考文献[1]Anderson D L.Theory of theEarth地球的理论[M].Blackwell:Blackwell ScientificPublications,1989.[2]谢鸿森.地球深部物质科学导论[M].科学出版社，1997.[3]杨文采.后板块地球内部物理学导论[M].地质出版社,1999.[4]徐国明.反演理论及应用[M].地震出版社,2003.[5]赵文津,赵逊,史大年,刘葵,江万,吴珍汉,熊家育,郑玉坤.INDEPTH计划十二年的主要科学成果[J].[6]陈运泰,滕吉文,张中杰.地球物理学的回顾与展望[J].地球科学进展,2001、10第16卷第5期：634--642[7]白武明，谢鸿森等.地球的层圈结构、力学性质和地幔矿物的高压相变[J].物理。2005 Vol.34 No.2：P.115-122
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