再談莫霍面、地殼和巖石圈

孟祥宏

（中國人民大學(xué)附屬中學(xué), 北京 100080）

再談莫霍面、地殼和巖石圈

孟祥宏

（中國人民大學(xué)附屬中學(xué), 北京 100080）

本文通過參考地質(zhì)學(xué)的研究論文和著作，圖文并茂地介紹了莫霍面處地震波突變的特點和原因。通過“北美大陸地形與莫霍面剖面圖”和“青藏高原地形與莫霍面剖面圖”論述了地殼的厚度取決于莫霍面的起伏而不是地表形態(tài)的起伏。最后，闡述了地質(zhì)科學(xué)家在劃分出地球內(nèi)部圈層的基礎(chǔ)上，提出巖石圈的原因和巖石圈成為科研熱點的過程，以及巖石圈在中學(xué)地理教學(xué)中的意義。

莫霍面剖面；巖石圈；地殼

1909年，莫霍洛維奇研究巴爾干半島的克羅埃西亞地震時，發(fā)現(xiàn)大陸下50km處，地震波出現(xiàn)明顯的不連續(xù)突跳，后來被證明該地震波不連續(xù)面在全球普遍存在，被定義為劃分地殼與地幔的界面，即：莫霍面[1]。1914年巴雷爾?約瑟夫（Barrell）從力學(xué)強度（剛性和流變性）角度，提出巖石圈和軟流層[2]。這都對地質(zhì)學(xué)的研究具有重大的意義，至今仍是地球科學(xué)研究的熱點[3]。目前，由于四種版本的高中地理必修教材闡述莫霍面、地殼和巖石圈內(nèi)容的圖、文較簡略，學(xué)生無法對莫霍面和巖石圈的底面進行直觀的認(rèn)識，容易混淆地殼、軟流層與巖石圈三者位置，不理解劃分地殼和巖石圈的意義。本文通過參考地質(zhì)學(xué)著作和科研論文，對莫霍面處地震波突變的特點和原因，莫霍面的起伏與地殼厚度，巖石圈的存在意義進行介紹。

一、莫霍面處地震波突變特點和原因

地震波中的縱波（P波）到達莫霍面后，其速度由平均6～7km/s突增為8km/s，橫波速度也有突增特點[4]。目前，從高中地理教材中的地球內(nèi)部圈層的示意圖中，難以直觀地看出地震波在地殼內(nèi)部和莫霍面處的速度變化特征及地殼厚度是如何變化的，如圖1。

圖1 各版本教材中劃分地球內(nèi)部圈層的示意圖

在科學(xué)研究的實測地震剖面圖中，能清楚看到地震波在莫霍面處的突變情況，如圖2左。教師在介紹莫霍面時，如果把教材示意圖和實測圖整合成一張圖，如圖2，學(xué)生既能看到地球內(nèi)部圈層的整體面貌，又能觀察到莫霍面處地震波傳播速度明顯增加的真實情況。

圖2 實測地震波速剖面圖和地球內(nèi)部圈層示意圖

有關(guān)莫霍面處波速跳動的原因，巖石學(xué)家研究認(rèn)為，莫霍面是一個起伏不平，厚薄不一的“過渡帶”，厚度達3-5km，由不同巖性的變質(zhì)巖夾層組成，莫霍面以上，是大家熟知的下地殼部分，為基性的“玄武巖”（又稱硅鎂層），平均密度為2．9g/cm3，以下為上地幔頂部的“地幔巖”，為超基性的“橄欖巖”，平均密度為3．5g/cm3，成分上的變化使得地震波速變化[5][6][7]。地球物理學(xué)家研究表明，莫霍面處的巖石彈性變化導(dǎo)致地震波速變化，而且，莫霍面還是重要的磁性界面和重力場界面，其上巖石磁化強，其下巖石磁化弱[8,9]。可見，莫霍面上、下的巖石在巖性、磁性和物理性質(zhì)上均不同，可以認(rèn)為是一個“化學(xué)面”，是科學(xué)研究的熱點問題，作為劃分地殼與地幔的界面具有重大意義。

二、莫霍面的起伏與地殼厚度

教材對于地殼厚度的介紹內(nèi)容，除了魯教版配有“巖石圈結(jié)構(gòu)示意圖”（圖3），其余版本教材沒有配圖，只用文字?jǐn)⑹隽说貧ず穸炔灰唬骄鶠?7千米。教師經(jīng)常用圖4來示意地球圈層結(jié)構(gòu)，說明地殼的大陸部分較厚，大洋部分較薄。圖4的問題是，容易使學(xué)生誤認(rèn)為莫霍面是均一的，地殼的厚度變化取決于地表的起伏。實際上，地殼厚度差最大有70km[10]，而地表最大落差還不足20km（珠穆朗瑪峰和馬里亞納海溝的高度差），因此，地殼厚度變化的主要影響因素不是地殼的上表面，而是地殼的底面，即：莫霍面的起伏。眾所周知，地殼分為上下兩層，上層為酸性的花崗質(zhì)層（硅鋁層），該層在山區(qū)和高原可達40km，在海洋地區(qū)較薄甚至消失，是不連續(xù)層。下層為基性的玄武巖（硅鎂層），在陸殼和洋殼均存在，是連續(xù)層。所以，陸殼較厚，為雙層結(jié)構(gòu)，洋殼較薄，一般為單層結(jié)構(gòu)[11]，如圖3。

圖3 魯教版教材中“巖石圈結(jié)構(gòu)示意圖”

圖4 地球圈層結(jié)構(gòu)示意圖

研究表明，莫霍面在橫向上是極不均一的，即：不同地方的莫霍面深度變化很大[12]。可以說，地殼厚度的變化主要體現(xiàn)在莫霍面的起伏而不是地表形態(tài)的起伏，如圖5。山地地區(qū)，莫霍面相應(yīng)下降，構(gòu)成所謂的“山根”，凹陷的盆地往往是莫霍面隆起，或者說，地形和莫霍面呈現(xiàn)出倒影關(guān)系[13]，如圖6。

圖5 太平洋至大西洋橫穿北美大陸的地形與莫霍面剖面圖（引自 Press,1978）

圖6 中亞地殼西藏至準(zhǔn)噶爾（沿85°E）的地形與莫霍面剖面圖（據(jù)王謙身，1979）

三、巖石圈的存在意義

在概念上，巖石圈一直是相對于軟流圈來說的。在1914年，巴雷爾?約瑟夫（Barrell）從力學(xué)強度（剛性和流變性）角度，提出兩者的概念，即：巖石圈是具有高強度（剛性）的地球外殼，其下是軟流圈，具有可塑性，可以提供重力均衡補償[14]。當(dāng)初，僅從物理的力學(xué)角度劃分出巖石圈和軟流圈，不具有十分重要的意義。

后來，在科學(xué)研究中，隨著地球科學(xué)理論的完善和研究技術(shù)、方法的提高，特別是20世紀(jì)六、七十年代提出板塊構(gòu)造理論，即：巖石圈代表若干浮于軟流圈之上的保持剛性的板塊，板塊之間發(fā)生會聚、發(fā)散、側(cè)向滑動等相對運動，并在邊界處產(chǎn)生相互作用，促進地球的物質(zhì)循環(huán)，這可能是地球上大多數(shù)地震和火山活動的起因。至此，巖石圈作為板塊構(gòu)造學(xué)說的基礎(chǔ)，才一直成為地球科學(xué)家研究的焦點內(nèi)容，甚至比莫霍面具有更重要的意義。

具體到中學(xué)地理教學(xué)，巖石圈作為聯(lián)系地球外部和內(nèi)部的一個重要圈層，促進了圈層之間物質(zhì)和能量的交換，這正是巖石圈的存在意義。使學(xué)生從本質(zhì)上理解劃分巖石圈的意義，可以為學(xué)習(xí)后面章節(jié)中的板塊構(gòu)造運動和巖石圈的物質(zhì)循環(huán)等內(nèi)容做好鋪墊。針對巖石圈在內(nèi)部和外部圈層的歸宿問題，肖擎老師已給出詳細(xì)介紹，在此不再贅述[15]。

綜上所述，地殼和巖石圈是地球科學(xué)家從不同的研究角度提出和劃分的，各自具有重要的研究意義。因此，在教學(xué)中，介紹或探究：“在科學(xué)研究中，地球科學(xué)家劃分了地球的內(nèi)部圈層，又提出巖石圈以及巖石圈成為研究焦點的過程”，既可以使學(xué)生理解地球內(nèi)部圈層的劃分和巖石圈的存在意義，又逐步培養(yǎng)了學(xué)生從多個角度辯證地看待科學(xué)研究問題的能力。

參考資料：

[1][12] 高名修.莫霍洛維奇不連續(xù)面[J].地震,1983, (1):39-41.

[2][14] Barrel J. The strength of the Earth’s crust. I. Geologic tests of the limits of strength [J]. J Geol, 1914, (22):28-48.

[3] 陳凌,朱日祥,王濤.大陸巖石圈研究進展[J].地學(xué)前緣,2007,14(2):58-74.

[4] 夏邦棟.普通地質(zhì)學(xué)[M].北京:地質(zhì)出版社,1984.

[5][10] 陸廷清,陳曉慧,胡明.地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2009.

[6] 黃定華.普通地質(zhì)學(xué)[M].北京:高等教育出版社, 2004.

[7] 馬昌前.莫霍面,下地殼與巖漿作用[J].地學(xué)前緣,1998,5(4):201-208.

[8] 楊坤光,袁晏明.地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:中國地質(zhì)大學(xué)出版社,2009.

[9] B.B.別洛烏索夫.地球構(gòu)造圈[M].北京:地震出版社,1983.

[11] 宋春青,邱維理,張振春.地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2005.

[13] 陳國達,歷史-因果論大地構(gòu)造芻議[J].大地構(gòu)造與成礦學(xué),1992,(1):1-71.

[15] 肖擎.巖石圈屬于地球內(nèi)部圈層還是外部圈層[J].中學(xué)地理教學(xué)參考,2012,(5):21-22.