高中地球科學/地球內部
板塊構造學說是地質學的統一理論。這一重要理論解釋了地球地理環境如何隨著時間的推移而發生變化，並持續至今。它解釋了為什麼有些地方容易發生地震而有些地方則不然；為什麼有些地區發生致命性的火山爆發，有些地區則發生輕微的火山爆發，而有些地區則完全沒有火山爆發；以及為什麼山脈位於它們所在的位置。板塊構造運動影響著地球的岩石圈迴圈、氣候和生命進化。板塊構造理論是在20世紀眾多科學家的努力下發展起來的。
在學習板塊構造學說之前，你需要了解一些關於地球內部各層的資訊。從外到內，地球分為地殼、地幔和地核。地質學家通常會談論岩石圈，它是地殼和最上部地幔的總稱。岩石圈是脆性的——容易斷裂或破碎——而其下方的地幔則表現出塑性；它可以彎曲。地質學家必須使用巧妙的方法，例如跟蹤地震波的特性，來了解我們星球的內部。
- 比較並描述地球的每一層。
- 比較地質學家瞭解地球內部的一些方法。
- 定義岩石圈、大洋地殼和大陸地殼。
- 描述熱量如何傳遞，特別是地幔中對流是如何發生的。
- 比較地核的兩部分，並描述為什麼它們彼此不同。
地球由幾層組成。最外面是相對寒冷、易碎的地殼。地殼下方是熾熱的對流地幔。中心是緻密、金屬的核心。科學家們是如何知道這些的呢？岩石提供了線索，但地質學家只能看到最外層的岩石層。很少情況下，像鑽石這樣的岩石或礦物可能會從地殼或地幔更深處來到地表。不過，大多數情況下，地球科學家必須使用其他線索來弄清地球表面之下隱藏著什麼。
科學家瞭解地球內部的一種方法是觀察地震波（圖6.1）。地震波從地震時地面斷裂的地方向四面八方傳播。地震波有幾種型別，每種都有不同的特性。每種波在不同型別的物質中傳播速度不同，當波從一種物質傳播到另一種物質時，波會發生彎曲。某些型別的波不能穿過液體或氣體，而另一些則可以。因此，科學家可以跟蹤地震波在地球上傳播時的行為，並利用這些資訊來了解構成地球內部的物質。在“地震”課程中將介紹更多關於地震和地震波的資訊。
科學家還從來自外太空的岩石中瞭解地球內部。隕石是早期太陽系形成的物質的殘餘。一些鐵鎳隕石被認為與地球的核心非常相似（圖6.2）。因此，它們為科學家提供了關於地核組成和密度的線索。鐵隕石是科學家能夠用手握住的最接近地核樣品的東西！
當然，科學家對地球最外層瞭解最多，對地球內部更深層的瞭解則越來越少（圖6.3）。地球的外表面是地殼；一個由岩石構成的薄而易碎的外殼。地質學家將最外層、易碎的機械層稱為岩石圈。地殼和岩石圈的區別在於岩石圈包括最上部地幔，它也是易碎的。
地殼是地球最外層非常薄的固體層。地殼變化很大；從海洋下較薄的區域到形成山脈的較厚區域。只要環顧四周，想想你曾經去過的地方或看到過的照片，你就可以猜到地殼並非完全相同。地質學家對兩種截然不同的地殼型別進行了重要的區分：大洋地殼和大陸地殼。每種型別都有其獨特的物理和化學特性。這是存在海洋盆地和大陸的原因之一。
大洋地殼相對較薄，厚度在5到12公里之間（3到8英里）。這種地殼是由噴發到海底的玄武岩熔岩構成的。玄武岩下方是輝長岩，這是一種侵入岩，來源於玄武岩岩漿，但冷卻速度較慢，並形成較大的晶體。與構成大陸的岩石的平均值相比，大洋地殼的玄武岩和輝長岩密度較大（3.0 g/cm3）。沉積物覆蓋了大部分大洋地殼，主要是岩石粉塵和稱為浮游生物的微小海洋生物的殼。靠近海岸的地方，海床佈滿了來自河流和風力帶來的大陸沉積物。
大陸地殼比大洋地殼厚得多，平均厚度約為35公里（22英里）。大陸地殼由三種主要型別的許多不同岩石組成：岩漿岩、變質岩和沉積岩。大陸地殼的平均成分約為花崗岩。花崗岩的密度（2.7 g/cm3）遠小於大洋地殼的玄武岩和輝長岩。由於它厚且密度相對較低，因此大陸地殼比大洋地殼更向上隆起，大洋地殼則下沉到地幔中形成盆地。當這些盆地充滿水時，就形成了地球的海洋。
由於岩石圈是地殼和最上部地幔的結合體，因此它比地殼厚。大洋岩石圈厚度約為100公里（62英里）。大陸岩石圈厚度約為250公里（155英里）。
地殼之下是地幔。與地殼一樣，地幔也由岩石構成。地幔與地殼的區別在於岩石密度增加，這由地震波速度的突然增加表明。來自地震波和隕石的證據讓科學家知道地幔是由富含鐵和鎂的矽酸鹽礦物組成的，這些礦物是橄欖岩的一部分。這些型別的超基性岩石在地球表面很少見。地幔的一個非常重要的特徵是它非常熱。儘管較高的溫度遠遠超過地表地幔岩石的熔點，但地幔幾乎完全是固態的。地幔中的熱量主要來自地核上升的熱量。透過傳導過程，熱量從較熱的物體傳遞到較冷的物體，直到所有物體的溫度都相同。瞭解熱量傳遞的方式對於理解地幔的行為至關重要。
熱量可以透過兩種方式在地球內部流動。如果物質是固體，熱量透過傳導流動，熱量透過原子之間的快速碰撞傳遞。如果物質是流體並且能夠移動——也就是說，它是氣體、液體或能夠移動的固體（如牙膏）——熱量也可以透過對流流動。在對流中，會形成暖物質上升和冷物質下沉的洋流。這會形成一個對流單元（圖6.4）。
當一壺水在爐子上加熱時，就會發生對流。爐子加熱水底層，使其密度低於上層的水，因此較暖的水底層會上升。由於水壺頂層的水不在熱源附近，因此相對較冷。因此，它的密度高於其下方的水，因此會下沉。只要水壺底部比頂部有更多的熱量，水壺內就會形成穩定的對流單元。
地幔中也存在對流單元。地幔物質受地核加熱，因此向上升起。當它到達地球表面時，會水平移動。當物質遠離地核的熱量時，它會冷卻。最終，對流單元頂部的地幔物質變得足夠冷和緻密，從而下沉回更深的地幔中。當它到達地幔底部時，它會在地核正上方水平移動。然後，它到達暖地幔物質上升的位置，對流單元完成一個迴圈。地幔對流與板塊構造之間的關係將在本章的最後一節中討論。
在地球中心有一個緻密的金屬核心。科學家知道核心是金屬的，有兩個原因：首先，一些隕石是金屬的，人們認為它們代表了核心。其次，地球表面層的密度遠小於地球的整體密度。我們可以利用地球的自轉來計算地球的密度。如果表面層的密度小於地球的平均密度，那麼內部的密度一定大於平均密度。計算表明，核心約85%是鐵金屬，鎳金屬構成其餘的大部分。這些比例與金屬隕石中觀察到的比例一致。地震波表明，外核一定是液態的，核心一定是固態的。
如果地球的核心不是金屬，那麼地球就不會有磁場。金屬導電，但構成地幔和地殼的岩石則不導電。最好的導體是可以移動的金屬，因此科學家假設磁場是由於液態外核的對流造成的。這些對流在地球外核形成，因為外核底部受到更熱的核心的加熱。
- 地球由三層組成：地殼、地幔和地核。
- 脆性的地殼和最上層的地幔一起被稱為岩石圈。
- 在岩石圈之下，地幔是能夠流動或表現出塑性的固態岩石。
- 熾熱的地核使地幔底部變暖，從而導致地幔對流。
- 地幔對流對板塊構造理論非常重要。
- 列舉兩種科學家瞭解地球內部組成的途徑。
- 洋殼由哪種型別的岩石構成？
- 大陸地殼由哪種型別的岩石構成？
- 列舉兩個科學家知道外核是液態的原因。
- 描述地球內部的以下各部分的特性：岩石圈、地幔和地核。它們由什麼構成？它們有多熱？它們的一些物理特性是什麼？
- 假設地球內部含有大量的鉛。根據你以前的知識，鉛的密度是多少？鉛更有可能存在於地殼、地幔還是地核中？
- 當你把手放在一個裝滿沸水的鍋的上方時，你的手是由於對流還是傳導而變暖的？如果你觸控鍋，你的手是由於對流還是傳導而變暖的？根據你的答案，哪種型別的熱傳遞更容易、更有效地傳遞熱量？
- 傳導
- 能量透過物質以熱的形式透過直接接觸傳遞的過程，從高溫區域轉移到低溫區域。
- 對流
- 透過運動傳遞熱量的過程。
- 對流單元
- 由密度較小的暖物質上升和密度較大的冷物質下沉形成的迴圈模式。
- 大陸地殼
- 漂浮在地幔上形成大陸的密度較小的岩石物質。
- 地核
- 地球緻密的金屬中心。外核是液態的，核心是固態的。
- 地殼
- 地球表面的岩石外層。地殼的兩種型別是大陸地殼和洋殼。
- 岩石圈
- 構成地球表面的固態、脆性岩石層。岩石圈由地殼和最上層的地幔組成。
- 地幔
- 地球的中間層，位於地殼和地核之間。地幔由透過對流迴圈的熱岩石組成。
- 隕石
- 撞擊地球的行星體（如月球、行星、小行星和彗星）的碎片。
- 洋殼
- 位於海洋之下的地殼。
- 板塊構造
- 地球表面被劃分為在行星表面移動的岩石圈板塊的理論。板塊構造的驅動力是地幔對流。
- 地震波
- 也稱為地震波。地震波為科學家提供了有關地球內部的資訊。
- 洋殼比大陸地殼薄且密度更大。所有地殼都位於地幔之上。如果事實並非如此，我們的星球會是什麼樣子？
- 如果沉積物隨著時間的推移沉降到海底，那麼沉積物的厚度能告訴科學家有關不同區域海底年齡的哪些資訊？
- 地幔中的對流單元如何影響岩石圈板塊在地球表面的運動？