北京大学通选课地震概论第四章

作者：赵克常
第四章 地球内部的结构
地震概论
解释沿大洋和大陆路径传播的勒夫和瑞利波特征的频散曲线
（上绿）各种周期的大洋勒夫波几乎以同样速度传播，它们同时到达，产生突出的 G脉动；相反的，大陆勒夫波的速度随周期逐渐变化，使之频散； （下蓝）沿大洋途径传播的瑞利波扩散成的波列可以以15秒为周期持续许多分钟， 而沿大陆途径传播同等距离的瑞利波记录则不出现这种长而单调的波列。
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第四章 地球内部的结构
地震概论
另外一个有关地球内部状态的重要线索是由日月引力 造成的海洋潮汐提供的。如果地球内部差不多都是液体的 话，地球的岩石表面将像大洋潮汐一样涨落，其结果是在 海岸边会看不到潮的涨落。1887年一个优秀的地球物理学 家乔治· 达尔文从主要海港的潮的高度得出结论：“认为 地球内部是流体的假说不可取”。他推理地球深部的总体 刚度虽然不像钢那样大，但仍是相当可观的。 经过进一步精心推敲，地球物理学家们作出了简单曲 线，估计从地表到地心巨增的压力对密度的影响。1897年 维歇特通过理论计算发现，地球内部可能由围绕着一个铁 核的硅酸盐地幔组成。
作者：赵克常
第四章 地球内部的结构
地震概论
• 地震观测表明，大洋和大陆下面的地壳的厚度不同。当地震仪 能记录绕地球漫长路径传播的地震波时，通过洋底和通过大陆 的地震波波型明显不一样，从而清楚地展示出地质构造的差别。 这些波型也提供了一种得力的方法，能从远处观测和分析地震 波沿途主要地质构造的情况。 • 如果知道深部地球介质的性质，我们就能从理论上预测相应观 测到的面波的波形。在实际工作中往往是倒过来的，我们先观 测到某种波形，然后试图从波形推断出沿漫长传播路线所经过 的岩石性质的平均状态。 • 面波通过地球表面的路径通常既穿过大洋，又穿过大陆。但在 特殊情形下，有些地震台能记录到仅通过大陆地壳或海洋地壳 的纯路径面波。
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地震概论
1902年在柏林发表的一张地球内部略图 这个地球的 早期模型具有固体地壳、弹性地幔和固态核
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第四章 地球内部的结构
地震概论 在20世纪地震仪广泛使用确认了层状 结构并发现了意想不到的构造。例如19世 纪地球物理学家推断地核为液体，但20世 纪发现在液体的核中还存在一个固态内核。 没有一种地质研究技术能与记录地震 波探测地球相比。我们怎么应用地震波去 透视地球内部? 为了寻找答案，首先要研究地震图。
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第四章 地球内部的结构
地震概论
• （3）内外核分界面 从2900km以下进入地核,纵波速度逐渐回升,横波速度因 横波不能通过而恒为零,直到大约5000km,横波才出现,纵波速 度也有明显跳跃,成为地球内部的第三大间断面。这是莱曼在 1936年首先发现的,可记为L面。 • （4）上下地幔的过渡层 从1956年开始,布伦对地幔做了进一步分层的研究,认为 地幔由上地幔(与20º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。 • 上述地球分层,即主要单元的划分,从20世纪开始至50年代已 大体确定,如书上图4.6所示：A(地壳),B(上地幔),C(过渡 层),D(下地幔),E(外核),F(间断面), G(内核)。 • 最近几十年,对地球结构的认识逐步深入,在横向变化、非弹 性和各向异性等诸方面深入发展,地球模型逐渐发展和完善。
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第四章 地球内部的结构
地震概论
• 地震波的速度是由介质的物质组成和温度共同决定的。 • 地球化学及地球内部物理学研究表明，过渡层的上、下界面 可能是由于地球内部相关深度的温度、压力条件下发生矿物 相变形成的。 • 关于410公里和670公里速度间断面的探测与研究，近年来已 成为地震学与地球动力学研究的一个专题。 • 全球地震活动图像显示，在700公里以下，地球内部没有发 现地震活动。因此下地幔被认为是板块俯冲深度的终结层。 下地幔的速度梯度较小，速度的变化也较为均匀。 • 由于地幔可以传播S（剪切）波，地震学中通常视地幔为固 体。
3. 大洋和大陆地壳的区别Байду номын сангаас
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地震概论
穿过大洋和大陆的地震波的不同波形
（上）加利福尼亚伯克利的一个长周期地震仪记录的地震图，可看到阿拉斯加地震 沿大洋路径传播的勒夫波脉动(G脉动)(时间分段信号点为1分钟间距)； （下）西伯利亚地震到瑞典乌普萨拉地震台穿过大陆路径传播的勒夫波列，由于频 频散被拉开成长久的波列(时间从左到右；0.9毫米相当1秒)
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地震概论
1936年： 内核的发现 (Inge Lehmann）
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第四章 地球内部的结构
地震概论 第二节 地球内部的圈层结构
• 根据地震波速度的不同,地球可分为地壳、上下地幔和内外地 核等几个大构造单元。其中,壳幔界面、幔核界面、内外核界 面和上下地幔之间的过渡层,是十分明显的。 • （1）壳幔界面 在地下30—60km深度处,纵波速度从6-7km/s,跳到8km/s 以上,它是地壳与地幔的分界面。这个界面是莫霍洛维奇在 1909年研究Pn震相时提出来的,因此, 该界面又称为莫霍面(M 面)。 • （2）幔核界面 在地幔内,速度随深度而增加。在大约2900km处,P波速度 突然从13km/s下降到8km/s左右,出现地球内部第二大间断面。 这是古登堡在1914年首先较精确地计算出其深度的,因此该界 面又称为古登堡面(G面)。
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五、地球内核的发现
丹麦地震学家英格· 莱曼（Inge Lehmann）于1936年首次发 表证据说，在外核之内有一月亮大小的内核，这一结论被以后的 观测进一步证实。 哥本哈根的位置适合于记录太平洋地震带上大地震产生的通 过地球核心的地震波。莱曼利用这个优势获得了读取具有这些波 的地震图的可观经验，并巧妙地应用科学方法取得了决定性成果。 当她研究记录太平洋地震的地震图时，发现不能用地球内部 一般的模型解释地震波。这种波的一个例子在下页图中以箭头标 示。莱曼认为如果该波是从小的地球内核反射出来的，其到时就 能够得到解释。
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四、地球液体核的发现
地震学历史中探测工作最辉煌的成就之一是英国地 质学家奥尔德姆（Oldham）发现地球的核。地核存在 的直接证据最早来自奥尔德姆的地震学观测，他于1906 年将其成果发表于一篇著名的论文中。 回顾奥尔德姆的发现，可让我们更深入体会到地震 学家是如何利用观测的震相走时曲线，来推断地球内部 结构的。 “一直到120度距离的波都没有穿过地核，在150 度距离上波速明显减小，表明在这个距离出露的波深深 地穿过了地核。因为120度的弦能达到的最大深度为地 球半径的一半，因此推断地核的半径应该不超过地球半 径的0.4倍。”
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通过大洋路径传播过来的瑞利波
1983年4月3日哥斯达黎加地震在德国贝尔恩台记录的运动垂直分量
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三、地幔结构
• 从地壳底部到地幔顶部，地震波速跳跃很大，说明地幔顶部的 物质和地壳不同。 • 由于地幔内部又存在410公里和670公里（全球平均）两个地球 二级速度间断面，地幔分为上地幔、过渡层及下地幔三个层区。 • 重力均衡现象要求上地幔要有可以沿水平方向流动的物质层， 我们称其为软流层。 • 软流层以上至地面（包括地壳在内）称为岩石层，岩石层内的 物质不能沿水平方向流动。 • 力学上的软流层与地震学发现在上地幔内部存在的低速层，其 含义和位置不一定符合，这是因为虽然软流层是地质时间尺度 的物质力学性质的描述，但在地震波测量的时间响应尺度内仍 然可以表现为弹性响应。
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2.地壳底部的发现
克罗地亚的扎格瑞布地震观测台的莫霍洛维奇 （Mohorovicic）分析1909年10月8日克罗地亚地震 的地震仪记录的P波和S波时，注意到有些波似乎比 设想的沿地球表面传播的波到达得晚一些。为了解释 这个延迟，他假定朝下走的P波和S波沿着深约54千 米一个界面被折射上来。以后的研究表明，这个被称 为莫霍洛维奇不连续面(或简称莫霍面或M界面)的界 面是全球现象，虽然它的平均深度一般比54千米小而 且并不总是一个急剧过渡。这个界面把地壳和其下的 地幔分开。
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第四章 地球内部的结构
地震概论
1909年：莫霍面的发现(Mohorovicic）
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1909年：莫霍面的发现(Mohorovicic）
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地壳的厚度在全球各处是不同的。大陆地区，地壳平均厚 度为35公里，但横向很不均匀，如我国青藏高原下面的地壳厚 度达60～80公里，而华北地区有些地方，还不到30公里。海洋 地壳的厚度只有5～8公里。 在大陆的稳定地区，地壳厚度约为35～45公里，一般分为 两层。上层的P波速度由5.8～6.4 km/s随深度增加到下层的 6.5～7.6 km/s。但增加的情况存在很大的地区差异。有些地区， 上下层中间存在一个速度间断面，叫康拉德（Conrad）面，或 C界面。但在另一些地区，观测不到来自C界面的震相。由地壳 下部到地幔，波速增加一般是很快的，P波速度由7 km/s在几公 里的深度内很快增加到8.0～8.2 km/s。M-界面的细结构现在仍 然是地球科学研究的热点问题。
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二、地壳的探究
1. 一个误区
过去人们普遍认为地球内部是液体,地壳是表面 凝固着一层硬壳。而现在很多人形象地把地球比作一 个鸡蛋，当然地壳就比作蛋壳，所以，地壳总给人一 个内软外坚的印象，这样理解显然错误，因为现代地 震学观测表明地球内部大多数深度的介质一般比钢还 硬，地壳下面并不软。 然而地壳一词已沿用许多年，地学界也不打算再 改。但请大家记住，它仅仅是指地球的最外固体层， 并不是刚度较强的硬壳的含义。
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第四章 地球内部的结构
第一节 第二节 第三节 第四节 地球内部结构的发现 地球内部的圈层结构 反演问题 反演地震层析成像与地球内部三维结构
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第一节 地球内部结构的发现 一、探索的历史
• 在古代，地心被神化地描绘成地狱之火。 • 古希腊时，毕达哥拉斯和亚里士多德都提出过球形大地的观点，埃拉托 色尼则第一个用几何方法给出了地球赤道的长度。 • 1522年9月6日，麦哲伦完成了第一次环球航行，地球是圆的这个概念才 宣告确立。 • 1666年，牛顿发现了万有引力定律，标志着对地球认识的新阶段的开始。 牛顿和惠更斯同时得出地球是一个两极扁平赤道隆起的椭圆的理论，牛 顿的重力原理也提供了测定地球密度的一种途径。把整个地球内部的平 均性质与已知岩石的密度比较，可以得到对地球组成情况的初步近似估 计。 • 1798年，英国的卡文迪什勋爵确定地球的平均密度为5.45，比普通岩石 的密度大一倍。差异如此之大，表明在地球内部决没有空洞，那里的物 质必定是非常致密的。
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1906年：外核的发现(Oldham）
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1914年：古登堡古面的发现(Gutenberg）
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地震概论
• 德国的古登堡（Gutenberg）教授(1889～1960年)进行了 比奥尔德姆更广泛的地震波反射波观察，拥有更丰富的地 震记录，古登堡利用核幔界面的反射波震相走时资料得出 了比奥尔德姆更精确的核界面深度估计，1914 年他首次 估计出地核深度为2900公里，他的估计结果经受了时间的 考验，现代观测对地核深度的估计值2891公里与这一数值 仅有几公里的误差。 • 在核幔界面处，P波速度从13.72 km/s下降为8.06 km/s； S波速度从7.26 km/s下降为0。速度的突然变化说明地核 的物质组成和状态与地幔不同。核幔界面不仅是物质间断 面，且可能还是温度间断面。