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地层温度与压力
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你可能喜欢第5章地壳与板块；到60年代为止，全球地震观测台网已经揭示了引人注；地质格架；狭窄的地带上，例如地震和火山沿太平洋边缘都很常见；震震中还在大洋中央勾绘成线；也并非是任意的，而与特定大型构造有密切关系，例如；冲断层在山脉地带常见，而大洋中脊的地震常是由走滑；在揭示这些特征时，通过地震观测台网获取了极大的科；5.1??地壳的概念??；到上一世纪末人们已认识到在矿
第5章 地壳与板块
到60年代为止，全球地震观测台网已经揭示了引人注目的
地质格架。第一，地震大部分集中发生在地质上年轻的相对
狭窄的地带上，例如地震和火山沿太平洋边缘都很常见，地
震震中还在大洋中央勾绘成线。第二，造成地震的断裂类型
也并非是任意的，而与特定大型构造有密切关系，例如，逆
冲断层在山脉地带常见，而大洋中脊的地震常是由走滑断裂产生的。但在60年代尚未出现统帅一切的理论概念，以解释甚至预见这些全球特征。
在揭示这些特征时，通过地震观测台网获取了极大的科学成果：它对70年代形成板块构造理论起了关键性作用，板块构造理论能有足够广度和深度用地球物理原理去解释地球的主要地质现象。它在很大程度上不仅对地震，而且对火山、山脉、海沟及其他主要地质构造的分布和演化提供了解释。现代的观点认为，统一的全球“构造”力是引起所有这些现象的根源。这里，构造(tectonics)一词意思是地球内部产生的力造成的全球大规模变形。按照板块构造原理，地震的位置和产生它们的断裂机制是地球外层厚约200千米的岩石层系统运动的结果。为了了解引起这个运动的力，我们首先研究岩石外壳的构造和其中随深度增温的情况。
5.1??地壳的概念??
到上一世纪末人们已认识到在矿坑和钻孔中温度随深度增高，1889年费舍（Fisher）在广泛流行的《地壳的物理》一书中评论道：
“大地物理学中确立的最牢固的事实是：地表岩石的温度随深度增大而增高。甚至在西伯利亚的冻土中，这种增温也存在，虽然冻土冻结深度达200米。在采矿中，必须考虑这种逐渐增温对工人在很深处劳动时身体受到的极其严重的影响。这种增温虽然是普遍现象，但增温速率并非处处相同。平均每下降15米增温1℃。”
温度随深度增高意味着热从地心流向地表。近年来，地球物理学家曾测量了从大陆和洋底流出的热量。热流不是直接测量的，而是从垂直地温梯度和热导率计算得到的。热导率描述岩石传导热的有效程度；垂直
地温梯度是由在地表以下不同深度测温得到的。在大洋之下，把金属柱体插入软沉积物中，沿柱体每隔一定间隔有电温度计可测温度，并可回收其泥质岩心测热导率。在大陆上，温度计置于矿坑中不同高程的巷道或放入岩石钻孔中的不同深度，岩石的热导率是将岩心取样带回实验室测得的。
火山地区和地热区的热流常常相对较高，那里的热是由循环流动的水(热泉，间歇泉等)带到地表的。在古老、稳定的大陆区热流相对较低，这种古老地块可能几百万年来没有受地质作用干扰。一般地说，随大陆区域地质年龄增长和洋底年龄增长，它们的热流值降低。通常，热流范围为20～120毫瓦/平方米，全球平均约为60毫瓦/平方米。大多数地区热流值在平均值的30%之内。虽然大陆和大洋区的热流可相差很显著，但大洋区和大陆多数观测数据的大小是相似的。这种内热主要来源于地球可能曾是熔融状态的原始热，以及岩石中不稳定元素的放射性原子的衰变产生的热。
根据这些热流值，我们能推断地球深部岩石的温度(图5.1)。计算表明，在30～50千米深处温度介于500～800℃之间。这些数值很高，但还不算是最高的；在岩浆囊和喷发岩浆中温度常达到1 000℃和1 500℃。然而早就认识到，如果温度按这一速率继续增加，地球的岩石将不会像在地表及深矿坑中观察到的那样是刚性的，而将变为软的，甚至变为液体。例如，在奥斯蒙德?费舍（Osmond Fisher）时代普遍认为原始地球是全流体，随着热从表面传导到空间，外部岩冷却至固态，形成外皮或地壳，固态地壳类似炼铁炉中熔液表面上的固态壳。
然而，只有温度变化是不能完全确定地下深部岩石状态的。压力也随深度增加，压力增大将抵制高温造成的液化效应。令人惊奇的是甚至至今，从脆性到粘性变化的确切条件仍不能准确地预测。因此，岩石中复杂矿物组合的熔融状态现在仍不能全部清楚地了解，从固态到液态过渡时的温度和压力，特别是如果有水存在时，仍是不确定的。
图5.1 不同年龄的大陆和海洋地壳和上地幔中温度随深度的增加
与此相反，地震波证据明确表明深处岩石处于弹性状态。因为地震的S波不能通过流体传播，然而除少数例外情况下，一直到深2 900千米，即几乎地球半径的一半，都观测到S波传播。这一事实表明地球外层岩石具有可观的刚性，这些刚性岩石构成地壳并深至地幔。
关于地壳不同性质和厚度的首批确切的地震学证据始于本世纪初，著名的早期工作由克罗地亚的扎格瑞布地震观测台的莫霍洛维奇（Mohorovicic） (图5.2)完成。他从地震记录中推断，在大陆表面之下约30～50千米处，有一显著的构造变化，该界面深度随地理位置不同有所变化。当分析日克罗地亚地震的地震仪记录的P波和S波时，莫霍洛维奇注意到有些波似乎比设想的沿地球表面传播的波到达得晚一些。为了解释这个延迟，他假定朝下走的P波和S波沿着深约54千米一个界面被折射上来。以后的研究表明，这个被称为莫霍洛维奇不连续面(或简称莫霍面)的界面是全球现象，虽然它的平均深度一般比54千米小而且并不总是一个急剧过渡。这个界面把地壳和其下的地幔分开。
图5.2 莫霍洛维奇(年)――克罗地亚地震学家：他发现了地壳底部的不连续界面(简称莫霍
5.2??探索地壳??早期的地震学工作只有不多几个地震台资料，给人的印象是地壳处处是平坦的结构(奇怪的是这一观点在那些熟知地表构造很复杂的地质学家中竟广泛流行)。按照早期的设想，大陆地壳仅由两个主要岩石层构成，而近几年的地震学观察工作，揭示了更多的不规则性。地壳性质确实有很大变化，特别是在浅海和大陆山区。几乎没有一个地区地壳可在地质上简单地分为两层。
现代地球物理野外测量，其中以地震研究作为中心，对地壳变化提供了相当详细的研究成果(图5.3)。对许多陆地上的人工震源和天然地震的研究确定了地质上不同的大陆地壳岩石具有不同的物理性质。古老前寒武纪地质区域的地壳构造最简单、厚度最均匀，如西伯利亚、加拿大和澳大利亚的广大地块自前寒武纪末几乎几千万年来未曾经受变动。较年轻的地区诸如北美西部地壳由厚度和倾向不同的地壳组分构成。
图5.3 北美的地壳厚度（等值线单位以千米计）：在山区增大，靠近大洋减薄
识别地壳岩石详细构造的努力很大程度上依靠石油勘测工业中发展起来的高技术。放在卡车上的震动装置由一个大电动机提供地震波的能源。在20秒内，起震器最高可达30吨的垂直力以大致像一正弦波的形式作用于2米　2的地面上。其频率可在20秒左右缓慢变化，震动周期大约在8～32赫间线性变化。从地壳构造反射来的信号被安置在横过地面剖面上的许多地震仪的磁带记录下来。在一些雄心勃勃的实验中，上百台地震仪以100米的间隔安放在10千米长的剖面上。这种方法不需要在钻孔中爆破，而且科学家能简便地控制波源的特征。
这种试验的一个惊人成果见图5.4。这一工作是由纽约康奈尔大学地质科学系一组人于1976年和1977年在怀俄明的风河山沿风河山隆起进行的。图中纵坐标是地震P波的双向走时，即从振动器向下到界面又从界面向上反射到地面的时间。将它的数值乘以3，就可把时间粗略地换算成深度(以千米计)。如果我们沿着剖面从西南向东北，首先看到从绿河盆地许多沉积层的反射。这些沉积岩剖面最大厚度达到12千米，有些形成平缓的褶皱。当我们向风河山移动时，可看到陡倾斜的反射层，反映了逆冲面向地壳内俯冲下去(见图中的B-D)。地表地质证据证实这一逆冲断层的存在，绿河盆地年轻的沉积岩被覆盖在风河山的前寒武系古老岩石之下。在本图中未印出的另一条延续的剖面上，可以显示逆冲面横过沉积盆地并延伸到约25千
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地球的内部圈层和地壳
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