第四节 地球的圈层结构
课前引入
在凡尔纳的科幻小说《地心游记》中，主人公可以在地下旅行，甚至穿过地心。但就当前实际的科技水平来说，人类还无法实现“地心漫游”。目前最深的钻井，深度为12千米，仅仅触及地球的“表皮”。那么人类通过什么方式认识地球的内部结构呢？地球的内部结构究竟是怎样的呢？
地球的内部圈层结构
地球的内部结构，我们无法直接观察。科学家主要通过对地震波①的研究来了解地球的内部结构。地震波有纵波（P波）和横波（S波）之分。纵波的传播速度较快，可以通过固体、液体和气体传播；横波的传播速度较慢，只能通过固体传播。纵波和横波的传播速度，都随着所通过物质的性质而变化。从地球内部地震波曲线图上，可以看出地震波在一定深度发生突然变化（图1.34）。这种波速突然变化的面叫不连续面。地球内部有两个不连续面：一个在地面下平均33千米处，在这个不连续面下，横波和纵波的速度都明显增加，这个不连续面叫莫霍界面②；另一个在地下约2900千米处，在这里纵波的传播速度突然下降，横波完全消失，这个面叫古登堡界面③。以这两个界面为界，地球内部被划分为地壳、地幔和地核三个圈层。
脚注：①地震发生时，地下岩石受到强烈冲击，产生弹性震动，并以波的形式向四周传播。
②1909年，克罗地亚地震学者莫霍洛维奇根据地震资料首先发现了这一界面。为了纪念他，人们将此界面命名为“莫霍洛维奇界面”，简称“莫霍界面”。
③1913年，德国地震学者古登堡（1936年加入美国国籍）研究地震波时推算出这一界面，并得到世界的公认。为了表彰他在地球内部结构研究领域的贡献，人们将此界面命名为“古登堡界面”。
（一）地壳
地壳是地球表面一层由固体岩石组成的坚硬外壳，位于莫霍界面以外。地壳厚薄不一，海洋地壳薄，一般为5—10千米；大陆地壳厚，有高大山脉的地方地壳会更厚，最厚达70千米。
（二）地幔
地幔从莫霍界面直至2900千米深处的古登堡界面，占地球总体积的80%。根据地震波波速的变化，地幔分为上地幔和下地幔。上地幔的上部存在一个软流层，温度很高，岩石部分熔融，能缓慢流动。科学家推断，软流层是岩浆的主要发源地，地球板块的运动与之相关。上地幔顶部与地壳都由坚硬的岩石组成，合称岩石圈。
（三）地核
地核主要由铁和镍等金属组成，厚度约3400千米。根据地震波的变化，可将地核分为外核和内核两层。外核是液态的金属物质，科学家认为，外核物质的运动形成了地球的磁场。内核是一个密度极大的固体金属球，超强的压力将铁原子和镍原子紧紧挤压在一起。
地球的外部圈层结构
地球的外部圈层包括大气圈、水圈、生物圈等（图1.35）。
大气圈是由气体和悬浮物质组成的复杂系统，它的主要成分是氮气和氧气。大气圈笼罩着地球，使得地球上的温度变化和缓，同时提供了生物生存所需的氧气。大气圈中的风、云、雨、雪等天气现象，与人类息息相关。
水圈是地表和近地表的各种形态水体的总称，其主体是海洋，还包括陆地上的河流、湖泊、沼泽、冰川、地下水等。水是最活跃的自然环境要素之一，在地球表面物质迁移和能量转换中起着十分重要的作用，是人类和其他生物生存和发展所不可或缺的。
生物圈是地球表层生物及其生存环境的总称。地球生物的活动和影响范围虽然涉及大气圈、水圈和岩石圈，但多数生物集中分布在大气圈、水圈与岩石圈很薄的接触带中。生物从环境中获取物质和能量，同时也在促进太阳能转化、改变大气圈和水圈组成、改造地表形态等方面起着重要作用。
大气圈、水圈、生物圈与岩石圈相互联系、相互渗透，共同构成人类赖以生存和发展的自然环境。
活动：认识大气圈、水圈、生物圈和岩石圈及其相互联系
自然景观涉及大气圈、水圈、生物圈和岩石圈。图1.36为一张自然景观照片。
1. 找出照片中主要事物，如山、云、山顶积雪、河流、草、树木等。
2. 将找出的事物按照大气圈、水圈、生物圈和岩石圈进行分类。
3. 思考各事物之间的联系。
课前探索：盒子里面是什么?
1.请老师提前准备三个外表完全一样的密封小盒子，并在盒子里面分别装入乒乓球、小石头和橡皮泥。
2.请同学们通过摇晃、手惑、听音等方式推测盒子里装的可能是什么物品，并说明依据。
思考：1.如果请你研究地球内部的信息，这个小实验的模拟对你有什么启发?
2.查找资料，看看科学家为了了解地球内部的信息，采用了哪些探测方法?
学习指南：地球的内部圈层可以分为哪几层？各有什么特征？地球的外部圈层可以分为哪几层？各有什么特征?
提示：尝试用示意图表示地球内部圈层和外部圈层，并作相关注释与描述。
本节的主要概念是地球的圈层结构。
地球的内部圈层
地球具有圈层结构，可分为内部圈层和外部圈层两大部分。
地震波在不同物质中的传播速度不同。根据地震波在地下不同深度传播速度的变化，可将地球的内部圈层分为三层:地壳、地幔和地核。
名词链接：地震波指地震发生时所产生的波动。地震波可分为纵波和横波，遇到不同的介质，其传播速度就会发生变化。
地壳：地壳指地表至莫霍面之间的部分。地壳是地球的坚硬外壳，它由岩石组成。地壳的厚度不均，平均厚度为17千米。大洋地壳部分较薄，平均厚度为5-10千米;大陆地壳平均厚度为39-41千米，但各地差异很大，如我国青藏高原地区的地壳厚度超过65千米。
地幔：莫霍面以下至古登堡面之间部分是地慢。地幔可分为上地幔和下地幔，莫霍面至地下1000千米的范围为上地幔，1000-2900千米的范围为下地幔。在上地幔上部60-250千米(上界)至400千米(下界)之间，物质组成与地壳相似，但由于温度超过物质熔点，部分岩石处于熔融状态，这一部分称为软流层。软流层被认为是岩浆的发源地。地壳和上地幔顶部(软流层以上的上地幔),合称岩石圈。
名词链接：莫霍面：1909年，克罗地亚地震学家莫霍洛维契奇研究地震时发现，地震波传播速度突然加快出现的深度，在大陆之下平均为30-40千米，在大洋之下平均为5-10千米。为了纪念他，人们将这个界面命名为英霍洛维契奇面，简称莫霍面。
古登堡面：1914年，德国地球物理学家古登堡发现，在地下2900千米处地震波的传播速度明显下降(纵波速度下降，横波完全消失)，后来证实这里是地慢与地核的分界面。人们将这个界面称为古登堡面。
地核：古登堡面以下至地心为地核，它主要由铁和镍组成。地核分为外地核和内地核。研究表明，外地核可能呈熔融状态，包围着内地核。内地核由于压力极大，铁原子和镍原子被挤到一起形成一个固态金属球。
地球的外部圈层
地球的外部圈层包括大气圈、水圈和生物圈三个圈层。这些圈层与岩石圈一起，相互联系、相互制约，形成人类赖以生存的自然地理环境。
大气圈：大气圈指环绕地球的气体层，其下部的边界为地球海陆表面。大气的密度随着高度增加而逐渐减小，在2000-3000千米的高空，地球大气的密度已经与星际空间的密度非常相近，这个高度可大致看作大气的上界。
水圈：水圈是由地球表层水体构成的连续的不规则圈层。它包括地表水(海洋、河流、湖泊等)、地下水、大气水、生物水等。地球上的水中有97%是海洋咸水，3%是淡水。约2/3的淡水储存在南北极和高山地区的冰川中。
思考：知道了地球淡水的构成，反思自己在日常用水行为中，应做出哪些改进。
生物圈：广义上的生物圈是由地球上所有生物及其生存环境构成的圈层。狭义上的生物圈则指生物本身。生物圈并不单独占有空间，而是存在于大气圈下层、整个水圈和岩石圈上层。生物绝大部分集中在地面以上100米至水面以下200米之间，这是生物圈的核心部分。生物圈的质量仅相当于大气圈质量的1/300、水圈质量的1/7000，但是它非常活跃，是一个特殊和重要的圈层。
在高空和地球内部，各圈层基本是上下平行分布的;但是在地球表面附近，各个圈层却是相互渗透，甚至是相互重叠的。
阅读：人类圈
由于人类具有智慧和主观能动性，能够在认识自然的基础上，影响和改造自然，因此人类活动已成为地球系统变化的驱动力之一。有学者提出一个与岩后圈、大气圈、水圈和生物圈并列的地;，j(圈层一一”人类圈’\人类圈具有以下特征:以人类为自然实体，是具有全埠规模和影响力的地球圈层;是以其他圈层的资源环境为代价，谋求自身的生存发展的圈层;是依赖非可再生资源，由单一物种构成的高度脆弱的圈层;是在改造自然的同时也改造着人类自身，推动着人类与自然和谐共存的圈层。
案例研究：”生物圈2号”
科学家将人类生存的地球称为”生物圈1号”。为了实验人类离开地球能否生存，美国从1984年起在亚利桑那州沙漠中建造了一个几乎完全密封，占地约1.2万平方米的实验基地，称为”生物圈2号”。这是一个由80000根白漆钢梁和6000块玻璃组成的玻璃建筑。
在”生物圈2号”中，研究者设计建设了5个野生生物群落(热带雨林、热带草原、海洋、沼泽和沙漠)和两个人工生物群落(集约农业区和居住区)，它们以地球北回归线和南回归线间的生态系统为参照。”生物圈2号”内共有约4000个物种，包括动物、植物和微生物。研究者通过工程手段，避免”生物圈2号”与外界大气和地下土嚷进行物质交换，允许太阳尤透过玻璃结构供植物进行尤合作用。
1991年9月26日，第一批8名科研人员进驻”生物圈2号”，他们只带入一批植物种子和少量必备物品。能源取自太阳能，氧气由自己种的植物制造，粮食靠自己种植，肉类和蛋白质取自自己养的鸡、鸭、猪、羊等，连生物圈内的气候，也需要研究者自己控制，并尽可能地模拟地球气候。这些说着容易，做起来难。例如，绿色植物过多，没有充足的肥料和二轧化碳供植物呼吸，植物会死亡;他们想多吃肉食，必须多养动物，而动物过多，粮食和饲料就会紧张，氧气的消耗会增加，空气中的二氧化碳浓度会升高，从而影响研究者自身生存。这一切都需要研究者周密计划和细致安排，任何一方面出现偏差，都可能导致整个实验前功尽弃。
这个实验引起了世界的关注，但实验结果并不乐观。第一批科研人员在”生物圈2号”中停留共计21个月。第二批科研人员于1994年3月6日进驻，工作10个月后离开。研究者在实验期间对大气、水和废物循环利用及食物生产进行了广泛而系统的科学研究。通过实验，研究者发现”生物圈2号”的氧气与二氧化碳的大气组成比例，无法自行达到平衡；”生物圈2号”内的水泥建筑物影响正常的碳循环;多数动植物无法正常生长或生殖，其灭绝的速度比预期的还要快。经广泛讨论，确认”生物圈2号”实验失败。这也证明了在现有的技术条件下，人类无法模拟出一个类似地球的、可供人类生存的生态系统。同时也向世人昭示，地球仍是人类唯一的家园，人类应当努力保护它，而不是破坏它。
1996年，”生物圈2号”交由美国哥伦比亚大学管理和规划，作为生态学、环境变迁研究及教学的基地。2011年7月，亚利桑那大学获得”生物圈2号”的所有权，将其科学研究的用途延续至今。
思考：1.”生物圈2号”涉及了哪几个圈层?
2.导致这个实验失败的主妥原因是什么?
作业题
1.读”地球的内部圈层结构示意”图，完成下列各题。
(1)地壳、地慢和地核是根据什么划分的？
(2)岩石圈和地壳是什么关系？
2.绘制示意图，说明大气圈、水圈和生物圈之间的关系。
3.地球的外部圈层中哪一个圈层质量最小?这个圈层还有什么特点?
课题1：检查进度
找出八个距离最接近的地点分别代表各行星，并标在中国行政区划图上。
探究
目前，人类在地球表层的最深钻井不足13千米，而地球平均半径为6371千米，人类已达部分只占地球平均半径的1/516，因此缺乏地球内部状况的直接证据。
1.说一说，你了解哪些关于地球内部的知识？
2.俗话说：“上天有路，入地无门。”议一议，在“入地无门”的情况下，科学家是如何探测地球内部奥秘的？
一、地震和地震波
（一）地震
地震是地壳快速释放能量过程中造成的地面震动，是一种危害和影响巨大的自然灾害。我国是世界上地震灾害比较严重的国家之一。
地震的大小用震级表示。地震释放出来的能量越大，震级越高。一次地震，只有一个震级。一般来说，5级以上的地震会造成不同程度的破坏，7级以上的地震常造成极大的破坏。地震对地表和建筑物等破坏强弱的程度，用烈度表示。一次地震，可以有多个烈度。
- 地震波
地震的能量以波动的方式向外传播，形成地震波。地震波有纵波（P波）和横波（S波）之分。纵波的传播速度较快，在固体、液体和气体中均能传播；横波的传播速度较慢，只能在固体中传播。地震波在不同介质中的传播速度不同。地震波经过不同介质的界面时，还会发生反射和折射现象。科学家利用地震波的上述性质，通过对地震波的精确测量，“透视”了地球内部的结构。
二、地球的内部圈层
科学家通过对地震波传播速度的研究，把地球内部划分为地壳、地幔和地核三个主要圈层。三层之间的两个界面依次称为莫霍面和古登堡面。界面的命名是为了分别纪念发现这两个界面的地震学家莫霍洛维契奇和古登堡。
- 地壳
地壳是地面以下、莫霍面以上的固体外壳。地壳平均厚度为17千米。大陆地壳较厚，平均厚度为39~41千米，高山、高原地区（如青藏高原）地壳最厚处可达70千米；大洋地壳较薄，平均厚度为5~10千米。地球大范围固体表面的海拔越高，地壳越厚；海拔越低，地壳越薄。
- 地幔
地幔是地球内部介于地壳和地核之间的圈层，在莫霍面以下到古登堡面以上，深度从地壳底界到2900千米。地幔能传播横波，具有固态特征，主要由含铁、镁的硅酸盐类矿物组成，由上而下，铁、镁的含量逐渐增加。地幔分为上地幔和下地幔。上地幔上部存在一个软流层，一般认为这里可能是岩浆的主要发源地。地壳和上地幔顶部（软流层以上）是由岩石组成的，合称岩石圈。
- 地核
地核是地球的核心部分，即古登堡面所包围的球体。科学家推测，组成地核的物质，可能是极高温度和高压状态下的铁和镍。根据地震波传播速度的不同，地核又分为内核和外核。横波不能在外核中传播，表明外核的物质在高压和高温下呈液态或熔融状态。它们相对于地壳的“流动”，可能是地球磁场产生的主要原因。一般认为地球内核呈固态。
阅读
组成地壳的元素地壳由90多种化学元素组成，它们多以化合物的形态存在。氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁8种元素的质量总数占地壳总质量的98.04%。其中，氧几乎占1/2，硅占1/4强。硅酸盐类矿物在地壳中分布最广。
元素在地壳中分布不均衡。除了氧之外，地壳上层硅和铝的比重较大，密度相对较小，称为硅铝层；其下的地壳铝的成分相对减少，镁和铁的比重则相对增加，密度比硅铝层大，称为硅镁层。硅镁层是连续的，其上的硅铝层在大洋底部非常罕见，即使有也非常薄。
活动
三、地球的外部圈层
通常把地壳表层以外的由大气、水体和生物组成的自然界，划分为大气圈、水圈和生物圈三个圈层，统称为地球的外部圈层。
（一）大气圈大气圈是包裹地球的气体层。近地面的大气密度大。随着高度的增加，大气的密度迅速减小。在2000~3000千米的高空，每立方厘米的空间，平均只有一个气体分子，与星际空间的情况很接近，一般把这个高度作为大气圈的上界。
（二）水圈水圈由液态水、固态水和气态水组成。按照它们存在的位置和状态，可分为海洋水、陆地水、大气水和生物水。陆地水与人类社会的关系最为密切，它主要可分为地表水和地下水。
（三）生物圈生物圈是地球上所有生物及其生存环境的总称。生物圈并不单独占有任何空间，而是分别渗透于大气圈的底部、水圈的全部和岩石圈的上部，厚度约20千米。但是，生物的绝大部分集中在地面以上100米到水面以下200米的范围内。这一薄层处在大气圈、水圈、岩石圈的接触带，可以说是生物圈的核心部分。
大气圈、水圈、生物圈与岩石圈相互联系、相互渗透，共同构成人类赖以生存和发展的自然环境。
狭义的生物圈是指地球表面生活于大气圈、水圈和岩石圈界面的生物世界。对于整个地球来说，这仅仅是很薄的一层“生物膜”。
活动
1.阅读下列材料，完成相关任务。
2017年8月8日21时19分，四川省阿坝藏族羌族自治州九寨沟县发生里氏7.0级地震。地震预警系统在地震波抵达甘肃陇南前19秒、抵达四川成都前71秒对外发布预警信息，预警信息以广播预警、电视弹窗、手机App报警、专用接收终端预警等形式发出。地震预警是一个全自动的物联网。通过在主要地震区布设密集的地震预警监测仪，在地震发生时，利用地震波比电波传播速度慢的特点，在地震造成破坏前，通过手机、应急广播和专用接收终端等，提前几秒到几十秒为用户发出全自动秒级响应的预警警报。
（1）地震预警与地震预报属同一概念吗？为什么？
（2）讨论开展地震预警应用的重大意义。
（3）当地震发生时，不同的地方、不同的情况应采取不同的应对方法。收集相关资料，与同学交流避震方法。
（4）在教师的组织下，开展地震应急演练，以掌握应急避震的正确方法，提高应急反应能力。
2.绘制地球圈层结构示意图，将自己的作品拿到同学之间去交流。如果有可能，把你的作品给家人欣赏，向他们介绍地球的圈层结构，并力求讲解严谨科学、形象生动，且富有特色。
课前引入
一、地球的内部圈层
地球物理学家通过对地震波传播速度的研究，将地球内部大致分为三个圈层——地壳、地幔和地核。
地壳是地球表面一层薄薄的、由岩石组成的坚硬外壳。它是一个连续圈层，平均厚度约为17千米，大陆部分较厚，大洋部分较薄。
地幔介于莫霍面与古登堡面之间，厚度约2800千米。在地幔上部存在一个由塑性物质组成的软流层，该软流层一般被认为是岩浆的主要发源地。
软流层以上的地幔顶部与地壳，主要由岩石组成，构成岩石圈。地核位于古登堡面以下，厚度约3400千米。根据地震波波速变化，地核可分为外核和内核。内核为固态，外核为液态。地核的温度很高，压力和密度很大。
脚注：1909年，奥地利科学家莫霍洛维奇首先发现地震波波速在地球内部一定深度处发生突变。为了纪念他，人们将地球内部此界面命名为莫霍洛维奇面，简称莫霍面。
地震波波速在地球内部另一深度处发生突变的界面。1914年，德国科学家古登堡（后加入美国籍）最早研究这一界面，故将此界面命名为古登堡面。
知识窗：利用地震波来划分地球内部圈层
地震发生时，地下岩石受到强烈冲击，产生地震波。地震波有纵波（P波）和横波（S波）之分。纵波的传播速度较快，能通过固体、液体和气体物质传播；横波的传播速度较慢，只能通过固体物质传播。科学家在研究地球内部地震波传播速度的变化规律时，发现在地下平均约33千米处（大陆部分）和地下约2900千米处，地震波速度突然变化，由此推测其两侧物质有较大差异。人们以这两个界面为界，把地球内部划分为地壳、地幔和地核三个圈层。
二、地球的外部圈层
地球固体表面以上的各个圈层，称为外部圈层。外部圈层可以分为大气圈、水圈和生物圈。
大气圈指环绕地球外部的气体圈层。大气圈是地球生命的保护伞，它不仅避免了大多数流星体对地球的撞击，而且削弱了紫外线对地球生物的影响，从而保护了地球上的生命。
水圈是由地球表层各种水体组成的连续但不规则的圈层。地球表面覆盖着大量的液态水，使地球成为“蓝色星球”，这是地球与太阳系中其他行星的主要区别之一。
广义的生物圈是地球表层生物及其生存环境的总称。狭义的生物圈是地球表层生物的总和。生物圈是地球特有的圈层，也是非常活跃的圈层。
地球的大气圈、水圈、生物圈和岩石圈之间，相互联系、相互制约、相互渗透，不断地进行着物质和能量的交换，形成了人类赖以生存的地球表层环境。
