The Solid Earth: An Introduction to Global Geophysics

C. M. R. Fowler

Translated by 地球物理局 基建处 固体地球物理学科

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第一章 引言

地球物理学，即地球的物理学，是一门涵盖空间、大气、海洋和地球内部的物理学的庞大学科。然而，地球物理学的核心，是固体地球理论。现在我们已经从广义上理解了地球表面是如何运作的，而且我们对地球深部的运作也有了一定的了解。这些运作过程和理解它们的方法构成了本书的主题。对于外行人来说，地球物理学意味着许多实际的东西。对加州人来说，地球物理学就是地震和火山；对于德州人和阿尔伯塔人来说，地球物理学就是石油勘探；对非洲人来说，地球物理学就是地下水水文学。这里不详细讨论应用地球物理学的方法和实践，因为许多专业教科书都有涉及。这本书是关于地球的，关于它从表面到中心的结构（structure）和功能（function）。

我们对这个星球的了解可以追溯到上千年前《约伯记》的古希伯莱作者，以及埃及人、巴比伦人和中国人。希腊人首先测量了地球，伽利略和牛顿把地球放在了它该在的位置，但地球物理学现代学科始于维多利亚时代的人。他们和他们的继承者主要关心的是了解地球的结构，而且他们非常成功。这些结果被总结在哈罗德·杰弗里斯爵士(Sir Harold Jeffreys)于1924年首次出版的《地球》一书中。自第二次世界大战以来，地球表面的功能一直是人们关注的焦点，特别是自1967年以来乙炔报警器，板块构造理论的发现给地球物理学带来了革命性的变化，该理论解释了地球最上层的功能。

图1.1 地球主要的内部分区

地表出露的岩石是地壳（crust）的一部分（图1.1）。这个富含硅（silica）的地壳层是由John Milne (1906)、瑞雷勋爵和卢瑟福（Rutherford）勋爵(1907)发现的。它在大陆以下平均38公里厚，在大洋以下平均7-8公里厚。在这层薄地壳之下是地幔（mantle），它向下延伸约2900公里，到达地球的中心地核（core）。地幔（1897年，Emil Wiechert最初用德语将其称为“Mantel”或“外套”，可能与《赞美诗（Psalm）》104篇类似）在物理和化学上都与地壳不同，富含镁硅酸盐（magnesium silicates）。地壳是由几十亿年的地幔通过一系列的熔融和再造过程而形成的。地壳和地幔之间的边界，是由Andrya Mohoroviˇci´c于1909年描绘的，被称为莫霍洛维奇不连续面，或简称莫霍面（Moho）。1906年，R. D. Oldham发现了地核，1912年，贝诺·古登堡（Beno Gutenberg）根据对地震数据的研究，正确地描绘了地核(Gutenberg,1913,1914)。地核在物理和化学上都与地壳和地幔完全不同。它的主要元素是铁和少量的其他元素。1926年，哈罗德·杰弗里斯爵士(Sir Harold Jeffreys)在潮汐研究中发现，地核作为流体是成立的。1929年，新西兰西南部的布勒附近发生了一次大地震。这使得来自地球另一端的欧洲的丹麦地震学家英格·莱曼(Inge Lehmann)能够研究通过地核的能量。1936年，基于这次地震的数据，她得以证明，地球在液态的外核之内中有一个内核（inner core）。这个内核是固态的。

从普林尼（Pliny）的时代到里奥纳多（Leonardo）和赫顿（Hutton）的时代，在海拔数千英尺的山上发现古代海滩和海洋生物的化石，对地质学家来说既是一个谜，也是一种激励。1835年2月20日，年轻的查尔斯·达尔文(Charles Darwin)在智利瓦尔迪维亚附近上岸，在一片树林里休息时，地面突然晃动起来。达尔文(1845)在他的日记《小猎犬号的航行》中写道：“大地固体地球物理学，这坚实的象征，在我们的脚下移动，就像液体上的一层薄薄的硬壳。”这就是康塞普西翁大地震。几天后，在康塞普西翁附近，达尔文报告说：“菲茨·罗伊船长在高出水面十英尺的岩石上发现了腐烂的贻贝壳床，这些贻贝壳还附着在岩石上。”火山爆发了。固体地球是活跃的。

到二十世纪初，科学界的观点是，地球已从其假定的原始熔融状态冷却下来，这种冷却所导致的收缩引起了表面地形学：山脉和大洋盆地。在分离的大陆发现的许多化石、动物和植物必然有一个共同的来源这一公认的事实，要么用巨大大陆地区的沉没以形成海洋（这在后来被认为是不可能的）来解释固体地球物理学，要么用能够使动物和植物从一个大陆迁移到另一个大陆的大洋之间的陆桥的沉没来解释。

1915年，德国气象学家阿尔弗雷德·魏格纳(Alfred Wegener)发表了一项建议，认为大陆在缓慢移动。这个大陆漂移（continental drift）理论，依据大洋两岸海岸线互补形状以及古生物学、动物学和植物学证据，被一些地质学家接受，尤其是那些来自南半球的如Alex Du Toit (1937)的学者，但普遍不被认可。地球物理学家十分正确地指出，从物理上讲，大陆是不可能通过构成洋底的坚固岩石而移动的。然而，到了20世纪50年代，对大陆岩石磁性的研究表明，在过去环氧乙烷检测仪，大陆之间一定是相对运动的；大洋中脊（mid-ocean ridges）——地球上最长的山脉系统，已经被发现，大陆漂移说再次被讨论。1962年，美国地质学家哈里·H·赫斯（Harry H. Hess）发表了一篇关于地球运作的重要论文。他提出大陆漂移是由海底扩张（seafloor spreading）的过程引起的。大洋中脊标志着地幔中上升的对流单元的边缘。因此，当大陆相分离时固体地球物理学，新的海底物质沿着大洋中脊从地幔中升起，填补了这片空缺地带。在接下来的十年里，能够成功地用于物理学、地质学和生物学观测的板块构造理论得到了发展。这一理论已成为地质学和地球物理学研究的统一因素。板块构造学说和大陆漂移说的主要区别在于，大陆不再被认为是在大洋岩石上犁行；相反，大洋岩石和大陆一起在地球内部移动。

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