地球科学概论(第三章)—中国矿业大学(北京)

第三章地球的内部圈层和地壳的物质组成

●重点掌握地球内部圈层划分的依据，内部圈层的划分，各圈层

的主要物理状态，地壳的类型，大陆地壳与大洋地壳

的异同，

矿物的概念，矿物的晶体结构，矿物的形态；岩石的

成因分类，三大类岩石的主要特点。

●一般了解地幔、地核的物质组成，元素在地球和地壳中的分

布，克拉克值，地壳的重力均衡和重力异常。2001年8月4日，中国大陆科学钻探工程在江苏省东海县开钻。钻井所在地毛北镇位于世界上规模最大的超高压变质带－大别苏鲁造山带上。2005年3月8日完钻，钻进深度5158米。中国大陆科学钻探是我国"入地"计划的重大突破，也是当前实施的国际大陆科学钻探计划20

多个项目中最深的科学钻井。第一节地球的内部圈层

利用地震波可探测地球内部的圈层结构；

固体地球内部分为地壳、地幔、地核三个圈层；

地壳主要由低密度的富铝硅酸盐岩石组成；

地幔主要由密度中等的固态富镁硅酸盐岩石组成；

地核主要由高密度的铁镍合金组成，外核呈液态，

内核呈固态。一、内部圈层的划分（一）划分依据——地震波

候风地动仪地震波

●面波——对固体地球表面破坏最强

●体波——纵波（P波）和横波（S波）

地震波探测的原理：波传播速度与介质的密度和弹

性性质有关，波速变化意味着介质密度和弹性变化；P

波速度高于S波，且S波不能通过液体和气体。一、内部圈层的划分

（二）密度和物性分层

●两个一级波速不连续界面

莫霍面与古登堡面——分隔地壳、地幔、地核

●一个明显的低速带

软流圈——分隔岩石圈和中间圈二、主要物理性质

●密度

地壳平均密度2.7-2.8g/cm3,<地球平均密度5.516g/cm3；

●压力

与上覆物质重量成正比，按静压力平衡公式计算；

●重力

地球吸引力和离心力的合力，大致指向地心，影响重力的是下伏物质质量；

●温度

地温场、常温层（外热层）、地热增温率或地温梯度、地热流密度；二、主要物理性质●

磁场地球的偶极磁场，磁轴与地球

自转轴夹角15度并绕地理极缓慢

迁移

（1）地磁三要素：磁偏角、磁

倾角、磁场强度（磁感应强度）

（2）地磁场的组成：基本磁场

（偶极磁场）、变化磁场（非偶

极）、磁异常

（3）地磁场的成因：自激发电

机假说

G为地球旋转轴，

M为磁极，F为

磁力线；地球

内部液态外核

的差异运动与

漩涡可产生感

应电流，从而

在一定时期内

形成较稳定的

地磁场。二、物质组成

和物理状态

●地壳●地幔●地核

分层、厚度、

物质组成、物性第二节地壳的物质组成—岩石和矿物

地壳主要由富铝硅酸盐岩石组成；

岩石是矿物的集合体；

矿物是天然产出的单质或化合物，具有一

定的化学成分和内部结构；

矿物内部的晶体结构是决定其外部形态及

特性的主导因素。

道生一

一生二

二生三

三生万物

-----《老子道德经四十二章》一、元素在地壳中的分布

●根据宇宙始于大爆炸的设想，所有物质是从基本粒

子聚变为氢，然后四个氢合成一个氦（热核聚变），氦进一

步再合成其它元素。

●克拉克值——化学元素在地壳中的平均质量百分比，某一地区的克拉克值又称为该元素的丰度值。

美国化学家克拉克（F.W.Clarke，1947-1931）在1989-

1925年期间，对全球性5159个样品作了分析，求得50种元

素在大陆地壳16公里内的平均含量，后来的地球化学家又

作了许多修正、补充。元素在地壳中的平均含量、最低工业品位和富集倍数元素平均含量（％）最低工业品位（％）富集倍数元素平均含量（％）最低工业品位（％）富集倍数

Al8303.8Sn0.00020.21000Fe5255Cr0.01303000Cu0.0050.5100Pb0.00122000Ni0.0071.0143Au0.00000040.00082000Zn0.0072.5357W0.00010.77000Mn0.0935389Hg0.0000080.225000●存在于地球圈层（如地壳岩石）中的元素（绝大部分以化合物形式）随地质作用而迁移、变化，集中或分散，

当元素或化合物相对集中到能够具有经济价值并可被利用

时，称为矿产。二、矿物1、矿物(mineral)定义地壳中由地质作用形成的单质或无机化合物，具有一定的化学成分和内部结构2、矿物的晶体结构（矿物的DNA）绝大多数矿物是固体，仅少数（如自然汞Hg，水）等是液体。固体矿物按其内部质点的结构不同分为：

●晶质矿物——内部质点（原子、离子或分子）在三度空间作有规律的重复排列●非晶质矿物——内部质点排列无规律自然界中绝大多数是晶质矿物，随仪器精度提高过去许多以为是非晶质的矿物其实是“隐晶质”。3、矿物的形态同一成分和内部结构的矿物，在一定外部条件下，常以惯

常的晶体形态出现，称晶体习性。单个晶体的形态（晶体习

性）归纳为：

●一向延伸型；●二向延伸型；●三向等长型

黄铁矿

(FeS2) （愚人金）所具有的立方体晶体形态进面、晶面上有三组相互垂直的晶面条纹。矿物除以单晶或规则连生体（双晶）出现外，更常聚合

形成矿物集合体，它的形态取决于单体形态及集合方式。3、矿物的形态

小结

★同一矿物的晶体结构相同；

★化学成分相同、但晶体结构不同、构成不同矿物；

★同一矿物（同一晶体结构）可以有多种晶体外部形态。4、矿物的物

理性质

矿物的物理

性质不仅与

化学成分相

关，更受晶

体结构控制，

如同是由碳

单质组成的

金刚石与石

墨。矿物的物理性质

●光学性质：颜色、条痕色、透明度、光泽

●力学性质：硬度、解理、断口

●其它物理性质：磁性、比重、发光性

矿物

沿解理裂

开所形成

的光滑面

萤石石盐方解石CaF2NaClCaCO3二、矿物5、矿物的种类已知2270余种，常见200-300种，主要造岩矿物仅

20-30种。按矿物化学成分分为5大类：

●自然元素矿物－重要矿产资源

●硫化物矿物－有色金属和稀有金属矿产

●卤化物矿物－重要的工业原料矿产

●氧化物和氢氧化物矿物－金属矿产

●含氧盐矿物－地壳中最主要的矿物组分三、岩石

1、岩石(rock)的概念

天然形成的、由固体矿物或岩屑组成的集合体

●单矿物岩石

●复矿物岩石

●岩屑组成的岩石。岩石与矿物的根本区别不在外表，而在于矿物有确定

的化学成分和晶体结构，但岩石（中各种矿物）成分和

化学成分含量不定，只有大致范围――岩石是各种矿物的

集合体。

大理岩，由石灰岩经变质作用形成的结晶岩石，矿物成分主要为方解石2、水成论与火成论的论战

●水成论（Neptonism,Neptone希腊神话中的海神）代表人物：魏尔纳（A.G.Werner，1750-1815）德国萨克森州地质教授观点：岩石从原始海洋中沉积、结晶，火山喷发是地下煤燃烧的结果；

●水成论（Plutonism,Pluto希腊神话中的地府之神）代表人物：赫顿（J.Hutton，1726-1797）苏格兰医生、务农，致力于自然历史考察观点：地球深处高热熔化，浅部冷凝成岩；对花岗岩和玄武岩成因的解释

19世纪初争论结束，火成论得到承认，二者共存。经过大争论，得以从成因角度进行岩石的分类。3、岩石的成分和结构1828年英国尼科尔(W.Nicol)将偏光技术应用于显微镜，加上化学理论与分析测试技术的进步，使人们能根据化学成分、矿物组成和组合、光学性质等对岩石进行更准确、细致的分类，岩石学迅速发展。●岩石的矿物成分——矿物种类及其含量；

●岩石的结构●岩石的构造。

岩石花岗岩

石英＋角闪石＋长石矿物●岩石的矿物成分——矿物种类及其含量；

●岩石的结构

●岩石的构造。

区分岩石的结构（颗粒本身的特点）和构造（颗粒分

布和排列方式）结构构造

（风成）交错层理4、岩石的成因类型

（1）岩浆岩(magmatite)由岩浆冷凝结晶形成的岩石；岩浆是上地幔和地壳深部形成的、以硅酸盐为主要成分的炽热的粘稠、富含挥发分的熔融体。

●按形成环境分类：喷出岩与侵入岩；

●按化学成分分类：超基性岩（SiO2<45%）、基性岩（SiO245-52%）、中性岩（SiO252-66%）、酸性岩（SiO2>66%）

●矿物成分：暗色矿物与浅色矿物

●分布面积20%左右，体积占地壳的30-40%。

●常见：玄武岩、花岗岩

岩石花岗岩

石英＋角闪石＋长石矿物

京西下韦店辉绿岩墙

京西房山花岗岩（2）沉积岩

地表或近地表环境，由母岩风化剥蚀的产物在原地或经搬运沉积固结成岩形成的岩石。

●按成分分为：碎屑岩、火山碎屑岩、粘土岩、化学

岩和生物化学岩等四类

●组成沉积岩的物质成分主要为：岩屑、矿物（碎屑

矿物、表生矿物、化学沉淀新矿物）、有机质及胶结物

●分布面积70%左右，体积占地壳的10%

●常见：泥岩、页岩、砂岩和碳酸盐岩

中国四川省九寨沟的石灰华(施健摄，1993)

砾岩角砾岩

砂岩含植物化石的页岩