普通地质学笔记（一）|绪论＆地球的基本特征 - 海底地热能资源

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高中教材改版后，出题人现在都喜欢从大学教材里找材料，作为一个老师不得不提升自己的姿势水平。《普通地质学》大概是知乎公认的最佳中文地质学入门教材，正好拿来回顾一下已经还给大学老师的地质地貌知识。

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由于笔者自身水平限制，本笔记的专业使用价值可能不那么高，有什么错误还请大佬们不吝赐教。

舒良树大大的任教单位，抓来做分割线本节主要包括《普通地质学》（舒良树 第三版）第一章·绪论和第七章·地震及地球内部构造，同时参考了《地质学基础》（宋春青等 第四版）第一章·绪论和第二章·地球的基本特征，大部分内容为高中知识的回顾和深化。

一、绪论

1.地质学的学科范畴

地质学（geology）的研究对象是地球，是研究地球的物质组成、结构构造、地球形成与演化历史以及地球表层各种作用、各种现象及其成因，并为人类的生存与发展提供必要的地质依据的一门学问。

关于地质学与地理学的区分可以看看我之前写过的一个回答。简单的说，地质学着重研究地下，地理学侧重研究地球表层。

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2.地质学的一些理论思想

将今论古

其基本思想是莱伊尔提出的“现在是过去的钥匙”，即用现在正在发生的地质作用去推测过去，类比过去，认识过去。

举个例子：现在干旱区内陆湖里往往有盐类矿物沉淀形成的盐层，那么由此可以推断，如果某地古代岩石里发现了这种盐层，该地某个地质时期一定处于干旱的自然环境下。这就是所谓的“以现在推论过去”。

察尔汗盐湖以古论今、论未来

与上文所述“将今论古”是一种辩证关系。其基本含义是认识过去能够帮助我们更好的了解现在并预测未来。

举个例子：最近地质时期气候的冷暖变化是有周期性的，这在深海海底沉积物中留下了清楚的记录，研究这些沉积记录就能够帮助我们去预测未来（如1000年内）气候变化的趋势。这就是所谓的“以过去推论未来”。

米兰科维奇旋回控制的十万年尺度的气候变化周期 via@知乎日报活动论

上述的“将今论古”、“以古论今”存在理论缺陷，即只认识到古今的一致性而忽略了古今的差异性。过去不会和今天完全一样，今天也不会是过去的重演，地球的历史绝不会是简单的重复，而且不能排除曾经发生过若干次灾变或剧变事件。因此现代地质学接受了“将今论古”原理的同时，也注意到地球发展的阶段性和不可逆性，以及地球发展的不同阶段中自然条件的特殊性，最终形成了当代地质学研究的指导理论。

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3.地质作用

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地质作用是形成和改变地球的物质组成、外部形态特征与内部构造的各种自然作用。根据能量来源的不同可分为内力作用和外力作用。

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（1）内力作用（内营力）

内力作用的能量来源主要有：

地内热能：是导致地球发生变化的重要能源。目前公认地球热能主要源自地球内部放射性元素的衰变，此外地球在形成、演化过程中在重力作用下体积压缩产生的热量，地球内部物质发生化学反应、结晶作用释放的热量也都是地球热能的来源。据计算，地球内部每年产生的总热量大于每年经地表散失的总地热流量，这部分剩余的地热能量就是产生内力作用的主要能源。此外，根据岩石圈板块理论，地内热对流是板块运动驱动力的主要能源。重力能地球旋转能：地球自转对地球表层物质产生离心力和离极力，使其由高纬度地区向低纬度地区移动。

内力作用主要包括岩浆作用（包括喷出作用和侵入作用）、构造作用（包括升降运动和水平运动）、地震作用、变质作用、地球各层圈相互作用，内力作用对地表的影响为：

一般作用于地下深处，使地表起伏加剧使岩石圈变形、变质，形成新岩石改变大地构造格局

（2）外力作用（外营力）

外力作用的主要能量来源主要有：

太阳辐射能：太阳辐射能是大气圈、水圈和生物圈赖以活动、发育并相互进行物质和能量交换的主要能源，并由此产生了一系列外营力潮汐能：在日月引力的作用下，地球上的海水产生潮汐现象。潮汐具有强大的机械能，是导致海洋地质作用的重要营力之一

外力作用主要包括地质体的风化作用、重力滑动作用以及各种地壳表层载体（河流、冰川、地下水、海水、湖泊、风沙）的剥蚀作用、搬运作用、沉积作用、固结成岩作用，外力作用对地表的影响为：

作用于地表附近，夷高填低（减弱地表起伏）使岩石的组成不断发生变化使地表形态发生变化

（3）总结：

复习一下高中地理

4.我国地学研究的若干优势

青藏高原：最年轻的巨型造山带，较完整的保有古大洋消亡的物质记录和大陆碰撞的证据

西北黄土高原：全球面积最大的黄土高原，有利于研究黄土的成因及其时代

大别-秦岭高压-超高压变质带：世界三大高压-超高压变质带之一

云南澄江动物群：寒武纪生命大爆发的事实依据

辽西热河生物群：填补了鸟类演化的空白、明确了哺乳动物三大类群的关系

张和兽化石陆相生油盆地：证明了陆相地层和盆地也能产生大油田，摘掉了我国“贫油国”的帽子

陆相生油的代表——大庆油田滇黔桂喀斯特地貌：世界上喀斯特地貌规模最大、特征最典型的地区

华南花岗岩：规模巨大、与中生代花岗岩相关的矿产资源十分丰富

二、地球的基本特征

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1.地球的形状

人类对于地球形状的认识经历了反复曲折的过程，其中不同阶段的认识可以归纳为三级近似：

一级近似——地球是一个圆球体

麦哲伦环球航行证明了地球是一个球体二级近似——地球是一个极轴方向扁缩的椭球（即常说的“两极稍扁、赤道略鼓”）

由于地球自转离心力的影响，地球更接近于一个椭球体三级近似——大地水准面（geoid）：大地水准面是由平均海面所封闭的球体形状。（平均）海面上的重力位是处处相等的，即海面在重力作用下是一个等位面，把这个等位面延伸通过大陆所形成的一个封闭曲面，即大地水准面。因为地球上有71%为海洋占据，所以大地水准面可以在一定程度上代表地球形状。按照我的理解，之所以强调“平均”，是因为平均海面往往意味着达到了一个平衡点，在这个位置上海面趋于静止，各点受力平衡、重力相等。因此个人觉得大地水准面可以看作是与海平面重合的重力等位面，有兴趣的同学可以参阅这个问题 3 ^# Q' a+ g f' q3 b' l

。

由于大地水准面是一个略有起伏的不规则封闭曲面，无法用数学精确描述，所以数学上的三级近似是参考椭球体，我国使用的是CGCS 2000椭球体。

大地水准面，有较大程度的夸张。凹凸不平的原因是地球内部物质分布不均。

2.地球物理性质简述

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（1）地球的密度和重力

a.地球密度

地球的平均密度为 5.517 g/cm^{3} 。根据地震资料得知，地球密度随着深度的增加而增大。

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b.重力＆重力异常

如果将地球看作一个理想的扁球体、且内部密度无横向变化，据此计算出的重力值为理论重力值。我国《区域重力调查规范》（DT/Z 0082-2006）采用的正常重力公式为：

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g_{0} = 978032.7(1+0.0053024sin^{2}\varphi-0.0000058sin^{2}2\varphi)

式中 \varphi 为实测点地理纬度。本式可以说明重力加速度随纬度的升高而升高。

由于各地海拔高度、地形及地下岩石密度不同，会使测出的实际重力值不同于理论值，即重力异常。我们需要排除海拔及实测点地形的影响，才能判断实测点的地下物质是否产生了重力异常。

首先，实测点都有一定的海拔高度。海拔每升高1m，重力加速度降低0.3083mGal。因此需要将其校正到海平面高度。

这种校正只考虑海平面和测点高差之间的影响，而未考虑海平面与测点之间物质的影响，似乎那里是空的一样，所以这种校正称为自由空气校正。

其次，实际上海平面和实测点的垂直高度之间并不是空气，还有岩石（按平均密度 2.67g/cm^{3} 计算）等对重力产生影响。因此自由空气校正后还必须减去这部分岩石及周围地形对实测点产生的重力值，即布格校正。布格校正后重力值与理论重力值之差称为布格异常，一般所说的重力异常指布格异常，可以反映地表以下物质密度的变化，广泛用于矿产勘探和地质调查。

实际重力值大于理论值称为正异常，一般出现在存在密度较大物质的地区，例如铁、铜、铅、锌等金属矿区；实际重力值小于理论值称为负异常，一般出现在存在密度较小物质的地区，例如石油、美、盐类以及大量地下水等。海拔越高、地壳越厚，布格校正后的重力值越小、越为负异常，而海洋地壳较薄，布格重力异常为正。其原因是地势起伏与莫霍面起伏呈镜像关系，详见下文“均衡原理”。

大陆与海洋地区的布格重力异常

若将地球视为密度均匀的球体，根据万有引力定律，理论上重力加速度在地表附近达到最大值，而后随着地下深度的增加而递减。但由于地球内部实际上物质密度分布不均匀，实际上重力加速度随深度的增加先增大、后减小，到地心处趋向于0。

c.均衡原理

地球上有海拔8844.86m的最高峰，也有海拔-10910m的海底最深处。如此巨大的高差会导致地球表面质量的不平衡，那么地球是怎样维持稳定的？

实际上，地球表面地势的起伏是与莫霍面呈镜像关系的，这种现象较为广泛的解释为：

假设在地幔内部存在一个水平面，称为补偿基面。补偿基面以上虽然有的地方地壳比较厚（如高山高原），有的地方地壳比较薄（例如大洋），但最终补偿基面上各点所受的压力（即补偿基面以上所有物质的重力）实际上是相等的。

原因是虽然高山高原的地壳厚，但是它下面的莫霍面很深，也就是说从高山高原地区的地表到补偿基面，大部分是密度较低的地壳，莫霍面以下密度较大的地幔比较少（地球密度随着深度的增加而增大）；

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iPad写字手感很奇怪，凑合看叭。。

而大洋虽然地壳薄，但莫霍面浅，补偿基面以上密度较大的地幔比较多；

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根据

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F = \frac{mg}{S} = \rho gh

可以得知高山高原地区虽然地势高、但密度较小，海洋地区虽然地势低、但密度较大，故两处岩块的总重量相等，从而能保持重力均衡。

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应该指出，虽然大陆与大洋在重力上是均衡的，山区与平原在重力上也是均衡的，但是这种均衡总是暂时的和相对的。因为大陆是剥蚀区，特别是在山区，其剥蚀速度快，剥蚀量大，山体岩石不断被剥蚀并被搬运到低地或海洋之中堆积下来，增加这些低洼地区的负荷。这就能改变原有的重力均衡。其结果是轻者上浮，重者下沉，引起地壳的升降运动。

更重要的是，构造应力、热力以及地幔物质的调整等因素既能造成原有均衡的破坏，也能引起地壳的升降运动。所以，均衡原理对了解地球的动力学现象是很重要的。

（2）地磁

a.地磁的成因

地磁成因是地球物理学重大理论难题，至今仍没有一种理论能够有效解释地磁的各种特性。目前倾向的认知是：

地球外核部分是液态的金属铁镍物质，是一种导电流体，在地球旋转过程中，产生感应自激，形成地球磁场。又因地球转动过程中，流体地核相较固体地幔略有滞后，因此产生地球磁场逐渐向西漂移。

详细论述可见以下回答

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b.地磁三要素

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①磁场强度H：地表任意一点地磁的大小，为矢量，指向北磁极，单位奥斯特（Oe）。

②磁偏角D/ \theta ：地理子午线（即通常所说的“经线”）与地磁子午线（以南北磁极为南北极所画出的经线）的夹角。以指北针为准，偏东为正，偏西为负。

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③磁倾角I/ \alpha ：磁针与所在地水平面的夹角（更具体的说是地球磁场的磁感线切线与地表切线的夹角），下倾为正，上仰为负。磁倾角随纬度变化，在两磁极为90°，在磁赤道为0°。

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c.地磁的特点：

①地磁南北极与地理南北极位置不一致且地磁位置逐年变化，磁极有向西缓慢移动的趋势；地磁会发生周期性倒转。

②地面上每一点都可从理论上计算出它的磁偏角和磁倾角。如磁偏角和磁倾角与理论值不符时，叫做地磁异常。

局部地磁异常主要由地下岩石磁性差异因此，据此可以勘探高磁性矿床。

③地球磁场的磁力线受太阳风的影响，被压缩在一个固定区域内， 这个区域叫磁层。

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地球磁场的真实形状。图示蓝色区域内为地球磁层，左侧受太阳风的压迫。磁层可以保护地球上的生物免受宇宙射线和粒子袭击的危害。蓝色的线是地球磁场的磁感线。

d.古地磁学

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岩浆冷凝成岩浆岩的过程中，磁性矿物经居里点（磁性体失去磁性的临界温度）时被当时磁场磁化，这种保留在岩石中的磁性称热剩磁，记录了当时地球磁场的状况。

反过来，如果知晓当时的地球磁场情况，可以根据岩石剩余磁性方向、磁偏角、磁倾角等推断当地在该地质时期的经纬度，从而为现代地质学的大陆漂移、海底扩张、板块运动提供了十分重要的证据（例如推测各大陆拼合和解体的过程）。

（3）地热

a.地热的相关概念：

①地热的主要来源是放射性元素衰变。地热的释放有火山喷发、热水活动、构造运动的多种形式，但最经常和持续的方式是地球内部热能从地球深部向地表的传输，称之为大地热流。

②从地表向下至一定深度，其温度不随外界温度而变化，这一深度称为常温层。在常温层以下，地热随深度增加，增温规律可以用地热增温级和地热梯度表示。

地热增温级：在常温层以下，温度每升高1℃所增加的深度

地热梯度：地热增温级的倒数，深度每增加100m所升高的温度

b.全球地热流值分布特征：

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①大陆和海洋平均地热流值几乎相等；

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②在海洋中，洋中脊地热流值最高，而距离洋中脊最远的海沟地热流值最低；

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③在陆地上，不同时期的大地构造单元，从古至今，地热流值表现为由低到高的趋向；

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④地热流值与岩石圈厚度呈反比；

⑤地热能资源丰富的地区与火山地震带高度重合。

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3.地震＆地球的内部构造

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（1）地震概述

a.地震要素及地震产物：

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海啸：地震引发海啸需要具备3个必备条件：

震级足够大，震源深度较浅；海岸临近深海，大量的海水汹涌上岸；（所以我国大部分临海地区不会发生海啸）震源断裂的错动方式为上下方向为主的运动。

强烈地震期间的摩擦熔融还可形成假熔岩，其是一种黑色，隐晶质、玻璃质、似岩脉状的岩石。

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b.地震分类

①地震成因分类：

构造地震：由地下岩石突然发力错断引起。地球约90%的地震和破坏性大的地震都属构造地震。具体原理见下图。

弹性回跳学是应用最广的地震成因假说。比较形象的比喻是两只手掰筷子，作用与筷子上的力就是积蓄的应力，筷子掰断的瞬间释放的能量就是地震能量的来源。这一假说可以较好的解释浅源地震，但对于岩石已具有塑性的中、深源地震无法解释。火山地震：火山爆发时气体冲击力所引发的地震或者火山喷发时地下岩浆、气体状态变化产生地应力分布变化引起构造变动、发生地震。冲击地震：由山崩、滑坡引起，或喀斯特地貌区地下溶洞洞顶塌落引起，也发生于煤矿等矿井采空区塌落。

②震源深度分类

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③地震序列及其分类

发生在同一地质构造带或同一震源体内，具有成因联系的一系列地震，称为地震序列。可分为

主震型地震：最为常见，主震震级特别突出，前震或有或无，但有很多余震。目前地震预测唯一成功案例——1975年海城大地震，预测依据之一便是主震前的一系列前震。

借用湾湾的一张图震群型地震：由多次震级相近的地震组成，没有突出主震的地震序列。孤立型地震：前震、余震稀少，且与主震震级相差很大。

c.震级＆烈度

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地震震级是衡量地震大小的一个量，为地震的基本参数，是通过测量地震波中的某个振相的振幅来获取的。

目前常用的里氏震级是以地震释放的能量为依据，依次确定出震级与能量的关系。规定标准地震仪在震中距100km处所测得的水平向最大记录振幅（以微米计）的常用对数为该地震的震级。（也就是说地震释放的能量与震级呈指数关系）

1960年2月29日摩洛哥的阿加迪市发生地震，其震级为5.8级，但因其震源浅，破坏力大，致使四层以上房屋全部倒塌。而日本海沟经常发生7级以上地震，但因其震源深，对地面上的破坏并不大。由此我们需要引入衡量地震对地面破坏程度的量——烈度。

地震对地面的破坏程度，称为烈度，一般分为12级。同一次地震在不同地区造成的破坏程度不同，故各地具有不同的烈度。震中区破坏最严重，离震中越远破坏越轻。烈度相同点的连线，称为等震线。

同一地震只有一个震级，烈度则随离震中或震源的距离而不同。同一地点、同一震级的地震，其震源越浅，造成的破坏越大，烈度越高。

d.地震的分布

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世界地震分布：

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环太平洋地震带：全球大部分特大地震发生于此，与中、新生代环太平洋褶皱带和新构造强烈活动带是一致的。地中海-印尼地震带（地中海-喜马拉雅地震带）：与欧亚新生代褶皱带一致洋脊地震带：包括大西洋中脊地震带、印度洋海岭地震带、东太平洋中隆地震带陆内变形带：板块碰撞影响带（断裂带）和陆内裂谷带

中国地震分布：

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邻近环太平洋地震带：主要有东北深震带、阴山-燕山造山带、郯庐断裂带、太行山山前断裂带、汾渭地堑、台湾周边等贺兰山-六盘山-龙门山-横断山地震带：成都旁边那条非常明显的地震分布带我国西部地震带：主要分布在塔里木盆地的盆山交接带、昆仑山山缘、青藏高原等地

（2）地震波

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地震会产生体波和面波。

体波：包括纵波（P波）和横波（S波）纵波（P波）：纵波质点的振动方向与波的传播方向一致，在固液气三态介质中均能传播；纵波传播速度快、最先到达震中，使地面发生上下振动，破坏性弱。

横波（S波）：横波质点的振动方向与波的传播方向垂直，只能在固体中传播；横波速度较慢，使地面发生左右或前后振动，对建筑物破坏性强。

面波：面波是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的。它仅沿面（或沿不同介质的界面）传播，不能传入地下。其波长大，振幅大，是造成建筑物强烈破坏的主要因素。面波又分为勒夫波（L波）和瑞利波（R波）。

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（3）地球内部构造

a.两个一级不连续面和地球内部的三个圈层

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根据地震波在不同密度和刚性的介质中传播的速度不一致，我们可以找到两个地震波传播速度发生剧烈变化的一级不连续面。

地理试卷见过无数次的图莫霍面：在地下平均33km处（大陆深、大洋浅，详见上文“均衡原理”），横波（S波）和纵波（P波）速度出现急增。该不连续面称莫霍面，其以上为地壳，以下为地幔。古登堡面：在地下平均2900km处，纵波（P波）速度锐减，横波（S波）完全消失。该不连续面称古登堡面，其以上为地幔，以下为地核。

b.地壳（A层）

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地壳成分以O、Si、Al及Fe、Ca等组成的硅酸盐矿物为主。康拉德面（一个地壳内部的次级不连续面，在此纵波速度有一个突增）将地壳分为上下两层：

上层（A层）成分以O、Si、Al及K、Na等为主，称为硅铝层。又因为成分与花岗岩相似，又称为花岗岩层，密度 2.6-2.7g/cm^{3} ；下层（A层）成分依然以O、Si、Al为主，但Mg、Fe、Ca含量显著增加，称为硅镁层。又因为成分与玄武岩相似，又称为玄武岩层，密度 2.9-3.0g/cm^{3}。硅铝层、硅镁层的分布甚至康德拉面是否存在都有争议，这里选取了《地质学基础》的论述

大陆地壳（简称陆壳）与大洋地壳（简称洋壳）有根本差别。

陆壳密度约 2.7g/cm^{3} ，平均厚度35km，具有双层结构（硅镁层上叠有硅铝层）。其下地壳岩石成分相当于基性麻粒岩，上地壳成分相当于花岗岩，表层为沉积岩。陆壳形成年代较老，构造复杂。洋壳密度约 3.01g/cm^{3}，平均厚度7-8km，一般只有单层结构（硅镁层），主要由玄武岩和橄榄岩组成，结构简单，都形成于中生代以后。

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c.地幔（B、C、D层）

地幔的密度、温度和压力均随深度而增加，地震波速度大体为缓慢而均匀的变化，说明地幔物质相较地壳更加均匀。但在地下约400km和1000km各有次级不连续面出现，即拜尔勒面和雷波蒂面。地震波在雷波蒂面有一个突增，从而将地幔分为上地幔和下地幔（D层）。而上地幔根据拜尔勒面分为上地幔上部（B层）和上地幔下部（C层）。

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上地幔上部（B层）可以继续划分为B层和B层。上地幔顶层（B层）相当于固态的橄榄质层，故通常将其与地壳合称为岩石圈。在B层以下（地下平均70km），本来保持上升趋势的地震波速度忽然明显下降，直到地下220km恢复上升，因此推测这一地带的物质是固液混合物，岩石可能有部分熔融，具有较大的塑性或潜柔性，故称软流圈（B）。软流圈（B）可能是岩浆的发源地。地震波波速在地下100-150km下降的更为明显，这一层称为古登堡低速层。

上地幔上部（B层）密度与超基性岩相当，上地幔其余部分化学成分无甚差别，但密度更大，推测是超基性岩类岩石在很高的静压力下发生物质相变的产物。根据地震波速和密度的测定，上地幔（B、C层）的岩石成分相当于辉石橄榄岩，称为地幔岩。相比于地壳， SiO_{2} 含量减少，铁镁含量增加。

下地幔物质密度更大，地幔底部物质密度约 5.5g/cm^{3}，与地球平均密度相当。但化学成分与上地幔是否相同仍有争议。

核幔边界：在下地幔底部、核幔边界部位有一个地震波速骤减带，又称超底速带（D带）。此处主要成分是后钙钛矿，被认为是全球地幔柱的源区。核幔边界的成因解释是，外核中轻而炽热的铁物质上升并与下地慢底部硅酸盐物质发生化学反应，或者外核物质在下地幔底部发生部分熔融，从而形成一个铁一硅酸盐物质聚积带。此聚积带本身具有的压力会把包含在其中的一部分铁挤出，从而构成一独立的导电层，故在该带的波速骤减。

地幔的化学组成在不同地区可以有明显差异，因而地幔成分应具有横向的不均一性。

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d.地核

地核位于古登堡面（地下2900km）以下，一般认为由Fe与少量Ni、S的混合物组成，分为外核（E层）、过渡带（F层）和内核（G层）。外核为液态、地球磁场的来源；内核为固态（由于高压而温度不够不能熔融）。

地球内部的圈层结构

夏天结束啦