歷史地質/地球結構
在本文中，我們將回顧有關地球結構的一些關鍵事實，並討論如何知道它們。我們將回顧在關於火成岩、地震波和岩石的物理性質的文章中已經討論過的事實；讀者可能希望在進一步閱讀之前複習這些主題。
地球可以按成分分為地殼、地幔和地核，如右側圖所示。
地殼主要由火成岩和變質岩組成，頂部有一層相對薄的沉積物和沉積岩。
地殼有兩種型別：大陸地殼和海洋地殼。大陸地殼主要由長英質岩石組成，如花崗岩，厚度約為 30-50 公里，因地而異；海洋地殼主要由基性岩石組成，如玄武岩，厚度約為 5-10 公里。
這些岩石的性質表明為什麼存在地殼。讀者可能此時會發現回顧關於火成岩的主要文章很有用。總結最重要的幾點，長英質岩石（即那些具有較高二氧化矽含量的岩石）也具有比基性岩石更低的密度和更低的熔點。
例如，被稱為長石的礦物佔地球地殼的 60%；它們的熔點範圍從 600°C 到 1000°C 不等，具體取決於它們的精確化學成分，密度在 2.55 到 2.76 之間。將其與上地幔的超基性橄欖石進行比較，其熔點範圍在 1200°C 到 1900°C 之間，密度為 3.27–3.37。
這立即表明了為什麼地球應該有地殼：也就是說，一個與地幔在化學成分上不同的區域。地幔中較多的長英質礦物會熔化，因為它們的熔點低於地幔的主要成分；它們會上升，因為它們在成分和熔融狀態方面密度更低；一旦它們在地表噴發並冷卻，它們就會由於其較低的密度而“漂浮”在地幔上。因此，即使地球最初處於相對均質狀態（地質學家認為確實如此），這個被稱為分異的過程也將確保地球最終擁有一個由比地幔中礦物更長英質的礦物組成的地殼。
地幔由另外 2890 公里的密度更大的超基性岩石組成。
有時人們錯誤地認為地幔由熔融岩石組成。我們知道這不是真的，因為S 波穿過地幔，如果地幔是流體，這是不可能的（有關更多詳細資訊，請參閱關於地震波的主要文章）。人們普遍認為地幔是液態的原因之一是，畢竟，熔岩（一種液體）從地幔中噴發出來。然而，這種熔岩是由固態地幔的部分熔化產生的。順便說一句，這也是為什麼它的成分與地幔不同，更長英質的原因。雖然地幔不是液體，但它確實會流動：從技術上講，它是一種延性固體，如關於岩石的物理性質的文章中所解釋的那樣。
地核是地球最內部的部分，半徑為 3400 公里。它可以分為外核，它是熔融的，和核心，半徑為 1220 公里，它是固體的。（這種排列乍一看可能很奇怪，但請記住，核心承受著更大的壓力，因此熔點更高。）
地核主要由鐵組成。與地殼的存在一樣，這也可以用分異假設來解釋：就像輕物質上升到頂部一樣，更重的物質也會沉到底部。
地球根據岩石成分劃分為地殼、地幔和地核。但是，有時將地殼和地幔的最上層組合在一起作為 **岩石圈** 更為實用。它們的共同點是它們是 脆性 和 彈性 的，這與地幔其他部分的 塑性 和 韌性 岩石形成對比。岩石圈的厚度在 40-200 公里之間不等，因地而異；在大陸地殼之下，岩石圈更厚。岩石圈的概念在板塊構造的背景下尤其重要，因為板塊構造中的板塊不是（有時所說）地球地殼的板塊：它們是岩石圈的板塊。
岩石圈下方地幔的部分稱為 **軟流層**。這是地幔中最弱的部分，因為儘管它的溫度低於更深處的岩石，但它的壓力也更低。
正如我們在這些文章中通常做的那樣，我們現在將概述前幾節中描述的知識是如何獲得的。讓我們首先考慮限制任何構建地球內部物理性質模型的嘗試的事實。
正如在 關於地震波的文章 中所解釋的那樣，透過研究地震，可以發現地球內部不同點處的 P 波 和 S 波 的速度。結果總結在右側的圖表中。
正如在 上一篇文章 中所解釋的那樣，如果某個屬性僅隨距地球中心的距離而變化，而不隨緯度和經度而變化，我們稱之為球形對稱。可能沒有哪個地質屬性（除了距中心本身的距離）是完全球形對稱的；但可以證明，其中許多屬性非常接近球形對稱：在以下內容中，我們將使用“球形對稱”來表示“在良好的近似程度上是球形對稱的”。
正如我們在關於地震波的文章中所討論的那樣，P 波 和 S 波 的速度（vP 和 vS）是球形對稱的屬性。如果情況確實如此，而這些速度所依賴的地球屬性並非如此，那將是非常值得注意的。
在密度的情況下，有充分的證據表明它是球形對稱的：因為如果它是球形對稱的，那麼地球表面上的重力將（在良好的近似程度上）在地表上的任何一點都相同；事實確實如此。因此，證據表明密度（我們將用希臘字母 ρ 表示）必須是球形對稱的。由此立即得出，壓力也必須是球形對稱的，因為壓力可以從密度計算得出。
現在考慮這樣一個事實：對於地球上的任何一點，S 波 的速度（vS）由公式 vS = √μ/ρ 給出，其中 μ 是剛度，ρ 是密度。因此，鑑於 vS 和 ρ 都是球形對稱的，那麼 μ 也必須是球形對稱的。此外，P 波 的速度（vP）由 vP = √(κ + 4μ/3)/ρ 給出。因此，鑑於 vP、μ 和 ρ 是球形對稱的，那麼 κ 也是球形對稱的。
透過這種推理，利用我們感興趣的屬性之間的相互關聯性，我們可以證明它們都是球形對稱的。因此，要構建地球的第一個近似模型，我們只需要將地球內部的每個 *深度* 與重力、密度、不可壓縮性等值相關聯。
我們知道地球表面重力的強度，因為我們可以直接測量它；我們也知道地球中心的重力，因為在任何球形對稱物體中，這必須精確地為 0。我們知道表面的溫度和熱流率。我們知道表面的壓力：1 個大氣壓。我們知道地球的質量，這可以透過測量牛頓常數 G 的實驗輕鬆推斷出來。由於我們知道這一點以及地球的體積，我們也知道它的平均密度。
所有這些都對任何地球模型構成約束。例如，如果我們認為我們知道一個將密度與深度相關的函式，我們可以輕鬆計算出如果該函式是正確的，地球的表面重力應該是什麼。
我們已經使用與屬性相關的公式，從其他屬性的球形對稱性推匯出某些屬性的球形對稱性。但它們之間的關係允許我們比這更精確。例如，如果我們知道 vS = √μ/ρ，那麼知道深度和 vS 之間的關係，以及深度和 ρ 之間的關係，我們就會自動知道深度和 μ 之間的關係。並且知道這一點，並且知道深度和 vP 之間的關係，我們可以利用公式 vP = √(κ + 4μ/3)/ρ 來告訴我們深度和 κ 之間的關係——等等。
這意味著我們沒有必要，甚至不可能對我們感興趣的各種物理屬性的值形成獨立的假設。我們知道的值（vP 和 vS）對我們想要知道的值構成約束。
總結一下：地球內部物理變數值的任何模型都必須受到以下因素的約束：
- vP 和 vS 的已知值
- 邊界條件
- 球形對稱性
- 自洽性
這些約束足以讓地質學家計算出壓力、密度、重力、不可壓縮性等數值。右側的圖表顯示了一些結果。
這裡 μ 代表剛度；κ 代表不可壓縮性；P 代表壓力；ρ 代表密度；g 代表重力。
關於地球 礦物 成分的假設當然必須受到我們對其物理性質模型的約束：這些礦物必須具有正確的密度、剛度等，才能解釋這些性質。
迄今為止，人們已經能夠鑽入地殼 12 公里多一點，並取樣並進行溫度測量。結果是，大陸地殼（在沉積的任何沉積層之下）確實由 長英質 花崗岩、片麻岩 等組成；而海洋地殼則由更多 基性岩石 組成，例如 玄武岩 和 輝長岩。我們還可以研究被推到陸地上的海洋地殼部分——**蛇綠岩**。這些將是 後續文章 的主題。
有許多線索可以揭示地幔的成分。
- 火山噴發有時會將 橄欖岩 的碎片帶到地表；它們破碎的鋸齒狀形狀表明，它們一定是由於噴發的力量從母巖中撕裂下來的。不幸的是，這種噴發起源於最大深度約為 180 公里，因此它們只為我們提供了對上地幔的取樣。
- 蛇綠岩的底部是 **蛇紋岩**，這是一種在熱量和水的存在下由 橄欖岩 產生的岩石；也就是說，在上地幔存在的條件下。
- 橄欖岩 的密度恰好可以解釋從地震資料推斷出的 ρ 值。
- 礦物 隨著壓力的變化會改變其相：相同比例的相同元素會採用更緊密的結構。例如，在約 400 公里深度的壓力下，橄欖石（橄欖岩的主要礦物成分）會轉變為瓦茲萊石。地震資料表明，在這個深度，密度變化與這種相變預期的一致。上地幔的其他密度不連續性可以用類似的方式解釋。
- 我們沒有看到任何明確表明在地幔中某個深度以下完全替換了不同物質的不連續性。
儘管謹慎的地質學家不會聲稱對下地幔的成分有絕對的確定性，但大家普遍認為，從地幔頂部到地核頂部，地幔的物質組成大體相同。
最後，地核。地核分為外液態核和內固態核，這是基於對S- 和 P波 的研究。 S波 不能穿過外核，證明外核是液態的；P波 穿過核心的速度更快，表明存在一個突然的轉變，這與從液態到固態的相變相對應。
鑑於地核的密度，它一定主要由鐵組成。當然，它原則上可以由比鐵重得多的東西（如金）和比鐵輕得多的東西混合而成。然而，鐵是地球、太陽系和宇宙中唯一既密度大又含量豐富的元素，可以解釋地核的質量。
鐵中可能混合了約 8% 的鎳，因為這些元素通常以這種比例結合在一起。然而，這種鐵鎳混合物實際上會略微重於地核的實際質量；因此，地核中一定還存在一定比例的輕元素。豐富的輕元素矽和氧是最受歡迎的候選者。