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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(píng)指正

目錄形式主義的居士：固體地球：全球地球物理學(xué)導(dǎo)論（第二版）——目錄?

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。現(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(duì)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(duì)于外行人來說，地球物理學(xué)意味著許多實(shí)際的東西。對(duì)加州人來說，地球物理學(xué)就是地震和火山；對(duì)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(duì)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(shí)踐，因?yàn)樵S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(duì)這個(gè)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(cè)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(shí)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(diǎn)，特別是自1967年以來乙炔報(bào)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(gè)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(jiǎn)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(duì)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(gè)內(nèi)核（inner core）。這個(gè)內(nèi)核是固態(tài)的。

從普林尼（Pliny）的時(shí)代到里奧納多（Leonardo）和赫頓（Hutton）的時(shí)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(duì)地質(zhì)學(xué)家來說既是一個(gè)謎，也是一種激勵(lì)。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(shí)，地面突然晃動(dòng)起來。達(dá)爾文(1845)在他的日記《小獵犬號(hào)的航行》中寫道：“大地固體地球物理學(xué)，這堅(jiān)實(shí)的象征，在我們的腳下移動(dòng)，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(bào)告說：“菲茨·羅伊船長(zhǎng)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?！被鹕奖l(fā)了。固體地球是活躍的。

到二十世紀(jì)初，科學(xué)界的觀點(diǎn)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(dòng)物和植物必然有一個(gè)共同的來源這一公認(rèn)的事實(shí)，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(dòng)物和植物從一個(gè)大陸遷移到另一個(gè)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(xiàng)建議，認(rèn)為大陸在緩慢移動(dòng)。這個(gè)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(dòng)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(jiān)固巖石而移動(dòng)的。然而，到了20世紀(jì)50年代，對(duì)大陸巖石磁性的研究表明，在過去環(huán)氧乙烷檢測(cè)儀，大陸之間一定是相對(duì)運(yùn)動(dòng)的；大洋中脊（mid-ocean ridges）——地球上最長(zhǎng)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(duì)流單元的邊緣。因此，當(dāng)大陸相分離時(shí)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(cè)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(dòng)。

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