高中地球科学/地球内部
板块构造学说是地质学的统一理论。这一重要理论解释了地球地理环境如何随着时间的推移而发生变化，并持续至今。它解释了为什么有些地方容易发生地震而有些地方则不然；为什么有些地区发生致命性的火山爆发，有些地区则发生轻微的火山爆发，而有些地区则完全没有火山爆发；以及为什么山脉位于它们所在的位置。板块构造运动影响着地球的岩石圈循环、气候和生命进化。板块构造理论是在20世纪众多科学家的努力下发展起来的。
在学习板块构造学说之前，你需要了解一些关于地球内部各层的信息。从外到内，地球分为地壳、地幔和地核。地质学家通常会谈论岩石圈，它是地壳和最上部地幔的总称。岩石圈是脆性的——容易断裂或破碎——而其下方的地幔则表现出塑性；它可以弯曲。地质学家必须使用巧妙的方法，例如跟踪地震波的特性，来了解我们星球的内部。
- 比较并描述地球的每一层。
- 比较地质学家了解地球内部的一些方法。
- 定义岩石圈、大洋地壳和大陆地壳。
- 描述热量如何传递，特别是地幔中对流是如何发生的。
- 比较地核的两部分，并描述为什么它们彼此不同。
地球由几层组成。最外面是相对寒冷、易碎的地壳。地壳下方是炽热的对流地幔。中心是致密、金属的内核。科学家们是如何知道这些的呢？岩石提供了线索，但地质学家只能看到最外层的岩石层。很少情况下，像钻石这样的岩石或矿物可能会从地壳或地幔更深处来到地表。不过，大多数情况下，地球科学家必须使用其他线索来弄清地球表面之下隐藏着什么。
科学家了解地球内部的一种方法是观察地震波（图6.1）。地震波从地震时地面断裂的地方向四面八方传播。地震波有几种类型，每种都有不同的特性。每种波在不同类型的物质中传播速度不同，当波从一种物质传播到另一种物质时，波会发生弯曲。某些类型的波不能穿过液体或气体，而另一些则可以。因此，科学家可以跟踪地震波在地球上传播时的行为，并利用这些信息来了解构成地球内部的物质。在“地震”课程中将介绍更多关于地震和地震波的信息。
科学家还从来自外太空的岩石中了解地球内部。陨石是早期太阳系形成的物质的残余。一些铁镍陨石被认为与地球的核心非常相似（图6.2）。因此，它们为科学家提供了关于地核组成和密度的线索。铁陨石是科学家能够用手握住的最接近地核样品的东西！
当然，科学家对地球最外层了解最多，对地球内部更深层的了解则越来越少（图6.3）。地球的外表面是地壳；一个由岩石构成的薄而易碎的外壳。地质学家将最外层、易碎的机械层称为岩石圈。地壳和岩石圈的区别在于岩石圈包括最上部地幔，它也是易碎的。
地壳是地球最外层非常薄的固体层。地壳变化很大；从海洋下较薄的区域到形成山脉的较厚区域。只要环顾四周，想想你曾经去过的地方或看到过的照片，你就可以猜到地壳并非完全相同。地质学家对两种截然不同的地壳类型进行了重要的区分：大洋地壳和大陆地壳。每种类型都有其独特的物理和化学特性。这是存在海洋盆地和大陆的原因之一。
大洋地壳相对较薄，厚度在5到12公里之间（3到8英里）。这种地壳是由喷发到海底的玄武岩熔岩构成的。玄武岩下方是辉长岩，这是一种侵入岩，来源于玄武岩岩浆，但冷却速度较慢，并形成较大的晶体。与构成大陆的岩石的平均值相比，大洋地壳的玄武岩和辉长岩密度较大（3.0 g/cm3）。沉积物覆盖了大部分大洋地壳，主要是岩石粉尘和称为浮游生物的微小海洋生物的壳。靠近海岸的地方，海床布满了来自河流和风力带来的大陆沉积物。
大陆地壳比大洋地壳厚得多，平均厚度约为35公里（22英里）。大陆地壳由三种主要类型的许多不同岩石组成：岩浆岩、变质岩和沉积岩。大陆地壳的平均成分约为花岗岩。花岗岩的密度（2.7 g/cm3）远小于大洋地壳的玄武岩和辉长岩。由于它厚且密度相对较低，因此大陆地壳比大洋地壳更向上隆起，大洋地壳则下沉到地幔中形成盆地。当这些盆地充满水时，就形成了地球的海洋。
由于岩石圈是地壳和最上部地幔的结合体，因此它比地壳厚。大洋岩石圈厚度约为100公里（62英里）。大陆岩石圈厚度约为250公里（155英里）。
地壳之下是地幔。与地壳一样，地幔也由岩石构成。地幔与地壳的区别在于岩石密度增加，这由地震波速度的突然增加表明。来自地震波和陨石的证据让科学家知道地幔是由富含铁和镁的硅酸盐矿物组成的，这些矿物是橄榄岩的一部分。这些类型的超基性岩石在地球表面很少见。地幔的一个非常重要的特征是它非常热。尽管较高的温度远远超过地表地幔岩石的熔点，但地幔几乎完全是固态的。地幔中的热量主要来自地核上升的热量。通过传导过程，热量从较热的物体传递到较冷的物体，直到所有物体的温度都相同。了解热量传递的方式对于理解地幔的行为至关重要。
热量可以通过两种方式在地球内部流动。如果物质是固体，热量通过传导流动，热量通过原子之间的快速碰撞传递。如果物质是流体并且能够移动——也就是说，它是气体、液体或能够移动的固体（如牙膏）——热量也可以通过对流流动。在对流中，会形成暖物质上升和冷物质下沉的洋流。这会形成一个对流单元（图6.4）。
当一壶水在炉子上加热时，就会发生对流。炉子加热水底层，使其密度低于上层的水，因此较暖的水底层会上升。由于水壶顶层的水不在热源附近，因此相对较冷。因此，它的密度高于其下方的水，因此会下沉。只要水壶底部比顶部有更多的热量，水壶内就会形成稳定的对流单元。
地幔中也存在对流单元。地幔物质受地核加热，因此向上升起。当它到达地球表面时，会水平移动。当物质远离地核的热量时，它会冷却。最终，对流单元顶部的地幔物质变得足够冷和致密，从而下沉回更深的地幔中。当它到达地幔底部时，它会在地核正上方水平移动。然后，它到达暖地幔物质上升的位置，对流单元完成一个循环。地幔对流与板块构造之间的关系将在本章的最后一节中讨论。
在地球中心有一个致密的金属核心。科学家知道核心是金属的，有两个原因：首先，一些陨石是金属的，人们认为它们代表了核心。其次，地球表面层的密度远小于地球的整体密度。我们可以利用地球的自转来计算地球的密度。如果表面层的密度小于地球的平均密度，那么内部的密度一定大于平均密度。计算表明，核心约85%是铁金属，镍金属构成其余的大部分。这些比例与金属陨石中观察到的比例一致。地震波表明，外核一定是液态的，内核一定是固态的。
如果地球的核心不是金属，那么地球就不会有磁场。金属导电，但构成地幔和地壳的岩石则不导电。最好的导体是可以移动的金属，因此科学家假设磁场是由于液态外核的对流造成的。这些对流在地球外核形成，因为外核底部受到更热的内核的加热。
- 地球由三层组成：地壳、地幔和地核。
- 脆性的地壳和最上层的地幔一起被称为岩石圈。
- 在岩石圈之下，地幔是能够流动或表现出塑性的固态岩石。
- 炽热的地核使地幔底部变暖，从而导致地幔对流。
- 地幔对流对板块构造理论非常重要。
- 列举两种科学家了解地球内部组成的途径。
- 洋壳由哪种类型的岩石构成？
- 大陆地壳由哪种类型的岩石构成？
- 列举两个科学家知道外核是液态的原因。
- 描述地球内部的以下各部分的特性：岩石圈、地幔和地核。它们由什么构成？它们有多热？它们的一些物理特性是什么？
- 假设地球内部含有大量的铅。根据你以前的知识，铅的密度是多少？铅更有可能存在于地壳、地幔还是地核中？
- 当你把手放在一个装满沸水的锅的上方时，你的手是由于对流还是传导而变暖的？如果你触摸锅，你的手是由于对流还是传导而变暖的？根据你的答案，哪种类型的热传递更容易、更有效地传递热量？
- 传导
- 能量通过物质以热的形式通过直接接触传递的过程，从高温区域转移到低温区域。
- 对流
- 通过运动传递热量的过程。
- 对流单元
- 由密度较小的暖物质上升和密度较大的冷物质下沉形成的循环模式。
- 大陆地壳
- 漂浮在地幔上形成大陆的密度较小的岩石物质。
- 地核
- 地球致密的金属中心。外核是液态的，内核是固态的。
- 地壳
- 地球表面的岩石外层。地壳的两种类型是大陆地壳和洋壳。
- 岩石圈
- 构成地球表面的固态、脆性岩石层。岩石圈由地壳和最上层的地幔组成。
- 地幔
- 地球的中间层，位于地壳和地核之间。地幔由通过对流循环的热岩石组成。
- 陨石
- 撞击地球的行星体（如月球、行星、小行星和彗星）的碎片。
- 洋壳
- 位于海洋之下的地壳。
- 板块构造
- 地球表面被划分为在行星表面移动的岩石圈板块的理论。板块构造的驱动力是地幔对流。
- 地震波
- 也称为地震波。地震波为科学家提供了有关地球内部的信息。
- 洋壳比大陆地壳薄且密度更大。所有地壳都位于地幔之上。如果事实并非如此，我们的星球会是什么样子？
- 如果沉积物随着时间的推移沉降到海底，那么沉积物的厚度能告诉科学家有关不同区域海底年龄的哪些信息？
- 地幔中的对流单元如何影响岩石圈板块在地球表面的运动？