历史地质/地球结构
在本文中，我们将回顾有关地球结构的一些关键事实，并讨论如何知道它们。我们将回顾在关于火成岩、地震波和岩石的物理性质的文章中已经讨论过的事实；读者可能希望在进一步阅读之前复习这些主题。
地球可以按成分分为地壳、地幔和地核，如右侧图所示。
地壳主要由火成岩和变质岩组成，顶部有一层相对薄的沉积物和沉积岩。
地壳有两种类型：大陆地壳和海洋地壳。大陆地壳主要由长英质岩石组成，如花岗岩，厚度约为 30-50 公里，因地而异；海洋地壳主要由基性岩石组成，如玄武岩，厚度约为 5-10 公里。
这些岩石的性质表明为什么存在地壳。读者可能此时会发现回顾关于火成岩的主要文章很有用。总结最重要的几点，长英质岩石（即那些具有较高二氧化硅含量的岩石）也具有比基性岩石更低的密度和更低的熔点。
例如，被称为长石的矿物占地球地壳的 60%；它们的熔点范围从 600°C 到 1000°C 不等，具体取决于它们的精确化学成分，密度在 2.55 到 2.76 之间。将其与上地幔的超基性橄榄石进行比较，其熔点范围在 1200°C 到 1900°C 之间，密度为 3.27–3.37。
这立即表明了为什么地球应该有地壳：也就是说，一个与地幔在化学成分上不同的区域。地幔中较多的长英质矿物会熔化，因为它们的熔点低于地幔的主要成分；它们会上升，因为它们在成分和熔融状态方面密度更低；一旦它们在地表喷发并冷却，它们就会由于其较低的密度而“漂浮”在地幔上。因此，即使地球最初处于相对均质状态（地质学家认为确实如此），这个被称为分异的过程也将确保地球最终拥有一个由比地幔中矿物更长英质的矿物组成的地壳。
地幔由另外 2890 公里的密度更大的超基性岩石组成。
有时人们错误地认为地幔由熔融岩石组成。我们知道这不是真的，因为S 波穿过地幔，如果地幔是流体，这是不可能的（有关更多详细信息，请参阅关于地震波的主要文章）。人们普遍认为地幔是液态的原因之一是，毕竟，熔岩（一种液体）从地幔中喷发出来。然而，这种熔岩是由固态地幔的部分熔化产生的。顺便说一句，这也是为什么它的成分与地幔不同，更长英质的原因。虽然地幔不是液体，但它确实会流动：从技术上讲，它是一种延性固体，如关于岩石的物理性质的文章中所解释的那样。
地核是地球最内部的部分，半径为 3400 公里。它可以分为外核，它是熔融的，和内核，半径为 1220 公里，它是固体的。（这种排列乍一看可能很奇怪，但请记住，内核承受着更大的压力，因此熔点更高。）
地核主要由铁组成。与地壳的存在一样，这也可以用分异假设来解释：就像轻物质上升到顶部一样，更重的物质也会沉到底部。
地球根据岩石成分划分为地壳、地幔和地核。但是，有时将地壳和地幔的最上层组合在一起作为 **岩石圈** 更为实用。它们的共同点是它们是 脆性 和 弹性 的，这与地幔其他部分的 塑性 和 韧性 岩石形成对比。岩石圈的厚度在 40-200 公里之间不等，因地而异；在大陆地壳之下，岩石圈更厚。岩石圈的概念在板块构造的背景下尤其重要，因为板块构造中的板块不是（有时所说）地球地壳的板块：它们是岩石圈的板块。
岩石圈下方地幔的部分称为 **软流层**。这是地幔中最弱的部分，因为尽管它的温度低于更深处的岩石，但它的压力也更低。
正如我们在这些文章中通常做的那样，我们现在将概述前几节中描述的知识是如何获得的。让我们首先考虑限制任何构建地球内部物理性质模型的尝试的事实。
正如在 关于地震波的文章 中所解释的那样，通过研究地震，可以发现地球内部不同点处的 P 波 和 S 波 的速度。结果总结在右侧的图表中。
正如在 上一篇文章 中所解释的那样，如果某个属性仅随距地球中心的距离而变化，而不随纬度和经度而变化，我们称之为球形对称。可能没有哪个地质属性（除了距中心本身的距离）是完全球形对称的；但可以证明，其中许多属性非常接近球形对称：在以下内容中，我们将使用“球形对称”来表示“在良好的近似程度上是球形对称的”。
正如我们在关于地震波的文章中所讨论的那样，P 波 和 S 波 的速度（vP 和 vS）是球形对称的属性。如果情况确实如此，而这些速度所依赖的地球属性并非如此，那将是非常值得注意的。
在密度的情况下，有充分的证据表明它是球形对称的：因为如果它是球形对称的，那么地球表面上的重力将（在良好的近似程度上）在地表上的任何一点都相同；事实确实如此。因此，证据表明密度（我们将用希腊字母 ρ 表示）必须是球形对称的。由此立即得出，压力也必须是球形对称的，因为压力可以从密度计算得出。
现在考虑这样一个事实：对于地球上的任何一点，S 波 的速度（vS）由公式 vS = √μ/ρ 给出，其中 μ 是刚度，ρ 是密度。因此，鉴于 vS 和 ρ 都是球形对称的，那么 μ 也必须是球形对称的。此外，P 波 的速度（vP）由 vP = √(κ + 4μ/3)/ρ 给出。因此，鉴于 vP、μ 和 ρ 是球形对称的，那么 κ 也是球形对称的。
通过这种推理，利用我们感兴趣的属性之间的相互关联性，我们可以证明它们都是球形对称的。因此，要构建地球的第一个近似模型，我们只需要将地球内部的每个 *深度* 与重力、密度、不可压缩性等值相关联。
我们知道地球表面重力的强度，因为我们可以直接测量它；我们也知道地球中心的重力，因为在任何球形对称物体中，这必须精确地为 0。我们知道表面的温度和热流率。我们知道表面的压力：1 个大气压。我们知道地球的质量，这可以通过测量牛顿常数 G 的实验轻松推断出来。由于我们知道这一点以及地球的体积，我们也知道它的平均密度。
所有这些都对任何地球模型构成约束。例如，如果我们认为我们知道一个将密度与深度相关的函数，我们可以轻松计算出如果该函数是正确的，地球的表面重力应该是什么。
我们已经使用与属性相关的公式，从其他属性的球形对称性推导出某些属性的球形对称性。但它们之间的关系允许我们比这更精确。例如，如果我们知道 vS = √μ/ρ，那么知道深度和 vS 之间的关系，以及深度和 ρ 之间的关系，我们就会自动知道深度和 μ 之间的关系。并且知道这一点，并且知道深度和 vP 之间的关系，我们可以利用公式 vP = √(κ + 4μ/3)/ρ 来告诉我们深度和 κ 之间的关系——等等。
这意味着我们没有必要，甚至不可能对我们感兴趣的各种物理属性的值形成独立的假设。我们知道的值（vP 和 vS）对我们想要知道的值构成约束。
总结一下：地球内部物理变量值的任何模型都必须受到以下因素的约束：
- vP 和 vS 的已知值
- 边界条件
- 球形对称性
- 自洽性
这些约束足以让地质学家计算出压力、密度、重力、不可压缩性等数值。右侧的图表显示了一些结果。
这里 μ 代表刚度；κ 代表不可压缩性；P 代表压力；ρ 代表密度；g 代表重力。
关于地球 矿物 成分的假设当然必须受到我们对其物理性质模型的约束：这些矿物必须具有正确的密度、刚度等，才能解释这些性质。
迄今为止，人们已经能够钻入地壳 12 公里多一点，并取样并进行温度测量。结果是，大陆地壳（在沉积的任何沉积层之下）确实由 长英质 花岗岩、片麻岩 等组成；而海洋地壳则由更多 基性岩石 组成，例如 玄武岩 和 辉长岩。我们还可以研究被推到陆地上的海洋地壳部分——**蛇绿岩**。这些将是 后续文章 的主题。
有许多线索可以揭示地幔的成分。
- 火山喷发有时会将 橄榄岩 的碎片带到地表；它们破碎的锯齿状形状表明，它们一定是由于喷发的力量从母岩中撕裂下来的。不幸的是，这种喷发起源于最大深度约为 180 公里，因此它们只为我们提供了对上地幔的采样。
- 蛇绿岩的底部是 **蛇纹岩**，这是一种在热量和水的存在下由 橄榄岩 产生的岩石；也就是说，在上地幔存在的条件下。
- 橄榄岩 的密度恰好可以解释从地震数据推断出的 ρ 值。
- 矿物 随着压力的变化会改变其相：相同比例的相同元素会采用更紧密的结构。例如，在约 400 公里深度的压力下，橄榄石（橄榄岩的主要矿物成分）会转变为瓦兹莱石。地震数据表明，在这个深度，密度变化与这种相变预期的一致。上地幔的其他密度不连续性可以用类似的方式解释。
- 我们没有看到任何明确表明在地幔中某个深度以下完全替换了不同物质的不连续性。
尽管谨慎的地质学家不会声称对下地幔的成分有绝对的确定性，但大家普遍认为，从地幔顶部到地核顶部，地幔的物质组成大体相同。
最后，地核。地核分为外液态核和内固态核，这是基于对S- 和 P波 的研究。 S波 不能穿过外核，证明外核是液态的；P波 穿过内核的速度更快，表明存在一个突然的转变，这与从液态到固态的相变相对应。
鉴于地核的密度，它一定主要由铁组成。当然，它原则上可以由比铁重得多的东西（如金）和比铁轻得多的东西混合而成。然而，铁是地球、太阳系和宇宙中唯一既密度大又含量丰富的元素，可以解释地核的质量。
铁中可能混合了约 8% 的镍，因为这些元素通常以这种比例结合在一起。然而，这种铁镍混合物实际上会略微重于地核的实际质量；因此，地核中一定还存在一定比例的轻元素。丰富的轻元素硅和氧是最受欢迎的候选者。