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The Solid Earth: An Introduction to Global Geophysics

C. M. R. Fowler

Translated by 地球物理局 基建處 固體地球物理學(xué)科

歡迎批評指正

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第一章 引言

地球物理學(xué)，即地球的物理學(xué)，是一門涵蓋空間、大氣、海洋和地球內(nèi)部的物理學(xué)的龐大學(xué)科。然而，地球物理學(xué)的核心，是固體地球理論?，F(xiàn)在我們已經(jīng)從廣義上理解了地球表面是如何運(yùn)作的，而且我們對地球深部的運(yùn)作也有了一定的了解。這些運(yùn)作過程和理解它們的方法構(gòu)成了本書的主題。對于外行人來說，地球物理學(xué)意味著許多實際的東西。對加州人來說，地球物理學(xué)就是地震和火山；對于德州人和阿爾伯塔人來說，地球物理學(xué)就是石油勘探；對非洲人來說，地球物理學(xué)就是地下水水文學(xué)。這里不詳細(xì)討論應(yīng)用地球物理學(xué)的方法和實踐，因為許多專業(yè)教科書都有涉及。這本書是關(guān)于地球的，關(guān)于它從表面到中心的結(jié)構(gòu)（structure）和功能（function）。

我們對這個星球的了解可以追溯到上千年前《約伯記》的古希伯萊作者，以及埃及人、巴比倫人和中國人。希臘人首先測量了地球，伽利略和牛頓把地球放在了它該在的位置，但地球物理學(xué)現(xiàn)代學(xué)科始于維多利亞時代的人。他們和他們的繼承者主要關(guān)心的是了解地球的結(jié)構(gòu)，而且他們非常成功。這些結(jié)果被總結(jié)在哈羅德·杰弗里斯爵士(Sir Harold Jeffreys)于1924年首次出版的《地球》一書中。自第二次世界大戰(zhàn)以來，地球表面的功能一直是人們關(guān)注的焦點，特別是自1967年以來乙炔報警器，板塊構(gòu)造理論的發(fā)現(xiàn)給地球物理學(xué)帶來了革命性的變化，該理論解釋了地球最上層的功能。

圖1.1 地球主要的內(nèi)部分區(qū)

地表出露的巖石是地殼（crust）的一部分（圖1.1）。這個富含硅（silica）的地殼層是由John Milne (1906)、瑞雷勛爵和盧瑟福（Rutherford）勛爵(1907)發(fā)現(xiàn)的。它在大陸以下平均38公里厚，在大洋以下平均7-8公里厚。在這層薄地殼之下是地幔（mantle），它向下延伸約2900公里，到達(dá)地球的中心地核（core）。地幔（1897年，Emil Wiechert最初用德語將其稱為“Mantel”或“外套”，可能與《贊美詩（Psalm）》104篇類似）在物理和化學(xué)上都與地殼不同，富含鎂硅酸鹽（magnesium silicates）。地殼是由幾十億年的地幔通過一系列的熔融和再造過程而形成的。地殼和地幔之間的邊界，是由Andrya Mohoroviˇci′c于1909年描繪的，被稱為莫霍洛維奇不連續(xù)面，或簡稱莫霍面（Moho）。1906年，R. D. Oldham發(fā)現(xiàn)了地核，1912年，貝諾·古登堡（Beno Gutenberg）根據(jù)對地震數(shù)據(jù)的研究，正確地描繪了地核(Gutenberg,1913,1914)。地核在物理和化學(xué)上都與地殼和地幔完全不同。它的主要元素是鐵和少量的其他元素。1926年，哈羅德·杰弗里斯爵士(Sir Harold Jeffreys)在潮汐研究中發(fā)現(xiàn)，地核作為流體是成立的。1929年，新西蘭西南部的布勒附近發(fā)生了一次大地震。這使得來自地球另一端的歐洲的丹麥地震學(xué)家英格·萊曼(Inge Lehmann)能夠研究通過地核的能量。1936年，基于這次地震的數(shù)據(jù)，她得以證明，地球在液態(tài)的外核之內(nèi)中有一個內(nèi)核（inner core）。這個內(nèi)核是固態(tài)的。

從普林尼（Pliny）的時代到里奧納多（Leonardo）和赫頓（Hutton）的時代，在海拔數(shù)千英尺的山上發(fā)現(xiàn)古代海灘和海洋生物的化石，對地質(zhì)學(xué)家來說既是一個謎，也是一種激勵。1835年2月20日，年輕的查爾斯·達(dá)爾文(Charles Darwin)在智利瓦爾迪維亞附近上岸，在一片樹林里休息時，地面突然晃動起來。達(dá)爾文(1845)在他的日記《小獵犬號的航行》中寫道：“大地固體地球物理學(xué)，這堅實的象征，在我們的腳下移動，就像液體上的一層薄薄的硬殼。”這就是康塞普西翁大地震。幾天后，在康塞普西翁附近，達(dá)爾文報告說：“菲茨·羅伊船長在高出水面十英尺的巖石上發(fā)現(xiàn)了腐爛的貽貝殼床，這些貽貝殼還附著在巖石上。”火山爆發(fā)了。固體地球是活躍的。

到二十世紀(jì)初，科學(xué)界的觀點是，地球已從其假定的原始熔融狀態(tài)冷卻下來，這種冷卻所導(dǎo)致的收縮引起了表面地形學(xué)：山脈和大洋盆地。在分離的大陸發(fā)現(xiàn)的許多化石、動物和植物必然有一個共同的來源這一公認(rèn)的事實，要么用巨大大陸地區(qū)的沉沒以形成海洋（這在后來被認(rèn)為是不可能的）來解釋固體地球物理學(xué)，要么用能夠使動物和植物從一個大陸遷移到另一個大陸的大洋之間的陸橋的沉沒來解釋。

1915年，德國氣象學(xué)家阿爾弗雷德·魏格納(Alfred Wegener)發(fā)表了一項建議，認(rèn)為大陸在緩慢移動。這個大陸漂移（continental drift）理論，依據(jù)大洋兩岸海岸線互補(bǔ)形狀以及古生物學(xué)、動物學(xué)和植物學(xué)證據(jù)，被一些地質(zhì)學(xué)家接受，尤其是那些來自南半球的如Alex Du Toit (1937)的學(xué)者，但普遍不被認(rèn)可。地球物理學(xué)家十分正確地指出，從物理上講，大陸是不可能通過構(gòu)成洋底的堅固巖石而移動的。然而，到了20世紀(jì)50年代，對大陸巖石磁性的研究表明，在過去環(huán)氧乙烷檢測儀，大陸之間一定是相對運(yùn)動的；大洋中脊（mid-ocean ridges）——地球上最長的山脈系統(tǒng)，已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，大陸漂移說再次被討論。1962年，美國地質(zhì)學(xué)家哈里·H·赫斯（Harry H. Hess）發(fā)表了一篇關(guān)于地球運(yùn)作的重要論文。他提出大陸漂移是由海底擴(kuò)張（seafloor spreading）的過程引起的。大洋中脊標(biāo)志著地幔中上升的對流單元的邊緣。因此，當(dāng)大陸相分離時固體地球物理學(xué)，新的海底物質(zhì)沿著大洋中脊從地幔中升起，填補(bǔ)了這片空缺地帶。在接下來的十年里，能夠成功地用于物理學(xué)、地質(zhì)學(xué)和生物學(xué)觀測的板塊構(gòu)造理論得到了發(fā)展。這一理論已成為地質(zhì)學(xué)和地球物理學(xué)研究的統(tǒng)一因素。板塊構(gòu)造學(xué)說和大陸漂移說的主要區(qū)別在于，大陸不再被認(rèn)為是在大洋巖石上犁行；相反，大洋巖石和大陸一起在地球內(nèi)部移動。

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