世界上最深的钻井只到十几千米,连大陆地壳的底都没有碰到。地球内部的分层不是挖出来的,是地震波穿过整个地球时留下的速度跳变。一次大地震的能量足以穿透地心,全球台站记到的到达时间,把各界面的深度钉在了几个位置上,误差多在数千米以内。
先看纵波速度:突然加速的那一层就是莫霍面
莫霍洛维奇在 20 世纪初记录近震,发现纵波在几十千米深处突然加速,从约 6 千米/秒升到 8 千米/秒。这个界面后来被称为莫霍面,是地壳与地幔的成分分界,也是人类最早定出的地球内部界面,比地核的发现早了几年。
深度并不固定。大陆地壳厚 30–70 千米,大洋地壳只有 5–10 千米,青藏高原下方还要更厚。同一个莫霍面,在陆下深、在海下浅,用一个深度值去套所有地区,层位必然对不上。
再往下横波整体消失,那里就是核幔边界
到约 2900 千米,横波收不到,纵波速度从 13 千米/秒跌到 8 千米/秒。这个界面叫古登堡面,是地幔与地核的分界,深度在全球相当稳定,不随海陆位置变动。
横波无法通过液体,缺失本身就是液相的证据。横波在这一深度被整体截断,说明外核是液态的。这个结论不依赖任何钻探,只依赖波形记录与台站分布,因而比任何采样都更有全球性。
外核影区与波速回升,把液态外核与固态内核分开
纵波在震中距 103 度至 143 度之间几乎收不到,形成影区,过了 143 度又重新出现。影区由外核的折射与吸收造成,它的宽度反过来约束了外核的半径,也解释了地核另一侧为何仍有信号,尽管强度弱得多。
更深处纵波速度回升,说明介质又变回固态,即内核。外核液态、内核固态,是靠影区边界与波速回升一起定下来的,两条证据方向一致,这个模型才站得住。
混进来的是岩石圈与软流圈,它们不按成分分层
岩石圈与软流圈常被画进同一张分层图,但那是力学分层。岩石圈包含地壳与上地幔顶部,能长期保持刚性;其下的软流圈强度低,可以缓慢流动,板块正是滑在这一层之上,速度每年几厘米。
大洋岩石圈厚约数十千米,随年龄逐渐增厚;大陆岩石圈可达一百多千米。莫霍面是成分界面,岩石圈底是力学界面,两者深度并不重合,同图标注时必须分开画线。
关键数据
下列数值取自全球平均模型与典型构造区,局部可有明显偏离。
- 全球地壳平均厚度约 17 千米,陆厚海薄
- 地幔底界深约 2900 千米
- 内核半径约 1220 千米,外核厚约 2200 千米
- 地核温度估计 4000–6000 K
- 上部地温梯度约 25℃/千米
- 目前最深钻井约 12 千米,未穿地壳
边界:界面深度随构造位置变化,单一数值不能通用
造山带下方的莫霍面可以深达数十千米,洋脊下方只剩数千米,同一个界面在全球起伏很大。拿一张固定深度的分层图去判读山区剖面,层位会对不上,甚至会得出地壳缺失的结论,把整条剖面的解释带偏。
薄层与多次反射也会干扰读数。地壳内部若有高速薄层,波形上会出现假的速度跳变;此时要用接收函数与人工震源剖面互相校验,单条波形不足以定案,深度误差可达数千米量级。
参考文献
- 曾融生.《固体地球物理学导论》. 科学出版社.
- Dziewonski A. M., Anderson D. L. Preliminary reference Earth model. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 1981.
- Fowler C. M. R. The Solid Earth: An Introduction to Global Geophysics. Cambridge University Press.