地壳的概念

   原始地球，有些人认为表面有全球性的海洋覆盖，后来才划分海陆。也有些人认为，所谓全球性海洋，纯属无稽之谈，自从地球形成以来，有了水就有了海陆的划分，海与陆，是原始地球固有的表面形态。这两种设想，都是空想，都无可靠的根据，也值不得议论。我们现在谈地壳的问题，只好从实际出发，从地球表面现实的状态出发，这个现实的状态，至少在二十几亿年以前，已经基本上形成了。自此以后的地球，只是在有了岩石壳、陆地、海洋、大气的基础上向前的发展。

   地质工作者所能直接观测的范围，到现在为止，只限于地球的表层。这个表层，只占地球表面极薄的一层。但是，构成这一薄层的物质和它结构的形式，却反映了地球在它长期发展过程中，内部和外部各种变化正负两方面的总和。

   内部变化，主要是建造性的，但有时既有建造作用，又有破坏作用。例如岩浆(即炽热的熔岩)上升，或并吞和熔化上层某些部分，继而又凝固；或侵入上层，破坏了它的完整性，同时又把它填充、胶结起来，而成为一个新的、比较更复杂的整体。外部变化，在大陆上，主要是破坏性的，而在海洋中，主要是建造性的。但有时与此相反，在大陆上某些地区，特别是在干旱和低洼地区，被破坏了的物质，积累起来而成为建造；在海洋中，由于海底潮流的作用，把已经形成的建造，部分地或全部冲毁，被潮流带到其他海域，再沉积下来。

   所谓地球的表层，并没有明确的界线。概略地讲，就地质工作者直接观察的范围来说，在某些褶皱强烈的山岳地带，能观测的厚度不超过十几公里，而在另外一些地层平缓的平原地区，能直接看到的地层厚度那就很有限了。这样的厚度，比起地球的半径来说，那是微不足道的。还必须指出，人们能直接观测的厚度，仅仅是地球表层的上部。究竟表层有多厚?也没有明确的界线，更谈不上地壳的厚度。但是，我们可以从这个能见到的表层中，找出与地球漫长的历史发展过程有关的资料。

   很早以来，人们从地球的表层所得到的印象，逐渐形成了地壳的概念。随着地质科学的发展，地壳的概念逐渐变得比较明确了。但至今还很难指出全球地壳的厚度究竟有多大，控制地壳形态的主要因素又是如何?现在，综合各方面的探索结果，来看我们今天对地壳的认识达到了什么程度。

一、地热

   有一种地球起源的概念，到现在还占着相当重要的统治地位。就是说地球原来是一团高温度的物质，逐渐冷却，在地球表面上结成了壳子，这就叫做地壳。这样形成的地壳，从表面到地球的深部，温度就必然越来越高。从钻探和开矿的经验看来，越到地下的深处，温度确实越来越高。但地温增加的情形各地不同，同在一地又随深浅而有不同。地温每增加一度，往下进入的深度名叫地温增加率，在亚洲大致40米上下增加1℃(我国大庆20米、房山50米)，在欧洲绝大多数地区是28—36米增加1℃，在北美绝大多数地区为40一50米左右增加1℃。这个地温增加率，并不是往下一直不变的。假如，我们假定每深100米地温增加3℃，那么只要往下走40公里，地下温度就可到1，200℃。现今，世界上各处火山喷出的岩流，即使岩流的熔点因压力的增加而有所变化，温度大都在1，000℃以上，1，200℃以下。据实验结果，玄武岩流在40公里的深度下，他的熔点不过增加60℃。这个数字，看来对熔岩影响甚小，对上述的1，000℃以上，1，200℃以下的估计没有什么影响。根据地热的情况，地壳的厚度大约在35公里左右。

   以上是从玄武岩的特点来推测地壳的厚度。现在从地球表面的热流和构成地壳各层岩石中所含放射性元素蜕变的发热量来探测一下地壳的厚度。地壳的上层，主要是由花岗岩类酸性岩石组成的，地壳的下层，主要是由玄武岩之类的基性岩石及超基性岩石组成的(详后)。

   花岗岩之类酸性岩石，平均每1，000,000克每年由铀发出的热量为2.3卡，由钍发出的热量为2.1卡，由钾发出的热量为0.5卡，即平均每1，000,000立方厘米的花岗岩类岩石每年发出13.7卡的热量。玄武岩之类基性岩石以及其下的超基性岩石，平均每1，000,000立方厘米每年发出3.8卡的热量，其中超基性岩所发出的热量，占极小的比重。

   地球表面的热流平均值为每秒每1平方厘米为1.25×10^-6卡(即每年每1平方厘米40卡)。除了特殊的地热异常地区或地带以外，这个数值，最小的不小于0.8×10^-6，最大的不大于2.24×10^-6卡。用平均热流的数值乘地球全部面积，即得每秒热流总量为1.25×510×10¹⁰≈64×10¹²卡(≈每年20×10¹⁹卡)，其中大陆方面占每秒22×10¹²卡，即每年7×10¹⁹卡。假定大陆壳上层的厚度为18公里，地壳下层厚度也是18公里，按上述地壳上下两层发生的热量计算，大陆壳发生的热量为每年5.4×10¹⁹卡，差不多可以抵消它失去的热量的80％。可是大洋方面的情况就大不相同。如果假定大洋底上面平均有1公里厚的花岗岩类岩石，其下有5公里厚的玄武岩(实际上在广大的太平洋底只有玄武岩)，有人计算过，构成大洋底地壳的岩石发生的热量，抵消大洋底失去的热量不到11％。

   以上假定的大陆壳的厚度和海底地壳的厚度，当然是指平均的厚度。上述数据虽然不完全可靠，但也不是毫无根据。从地震观测所获得的大量事实(详后)，与上述假定，大体上是相符合的。这样推测出来的大陆壳的厚度，与考虑玄武岩流所得出的厚度，也相差不大。

   地球上自有生物以来，地面的平均温度，虽然有时发生较大的变化，如大冰期来临的时代，但至少最后三次大冰期并没有使比较高级的生物群灭亡。相反，有些新种族，特别发育。这说明尽管地面平均温度下降了，但下降的幅度，不会太大。否则高级生物，很难继续生存下去，更说不上有所发展。

   按前述构成地壳上下两层岩石含放射性元素的特点和它们的厚度来估计，地壳中岩石的发热量，是不够抵消地球失掉的热量的。那么，只有使用地球固有的热量来代偿不够消耗的数额，或者在地球内部不断发生发热的变化，来补偿消耗，才能保持地球表面的温度，不致不断下降。换句话说，在地热潜在储量的问题上，要地球“吃老本”，才能保持它表面温度。这样一来，就会导致到一定的时候，地球会开始趋于衰老的结论。归根到底，地壳就有不断加厚的趋势。

   地球表面的热流量 = 地温梯度 × 岩石传热率。

   地温向下如何增加，决定于近地面的地温梯度和岩石的传热率，而近地面的地温梯度与地表温度有密切的联系，岩石的传热率基本上是不会变的。所以，如若地球表面温度没有显著的变化，地球表面的热流量也不会有显著的变化。然而事实上，地球表面的平均温度有变化，虽然变化不大，一般认为这种变化，主要是由太阳的辐射热决定的。

   根据上述情况，我们可以说地球是一个庞大的热库，有源源不绝的热流。地质工作者和地球物理工作者，至今对这个极为重要的问题，还没有进行全面的调查研究，让这个随地可以取得的能量为人类的生活和生产服务。不错，在少数的地点，例如，在意大利、苏联、新西兰、美国、日本，仅仅在地热已经大量泄露的地方，建立了发电站，并把地热带来的热水加以综合利用。这些都是规模很小，没有注意到对地下储存的庞大热能的利用，而把地球在它表层给我们遗留下来的珍贵遗产——象煤炭这种由大量丰富多彩的物质集中构成的原料，不管青红皂白，一概当做燃料烧掉。这是无可弥补的损失。

   地热与地温是有密切关系的。地下的等温面一般不是平面，而是随地区和地带起伏不平，同时等温面之间的间隔也是各处不等。在等温面隆起的地方，间隔较小的地方，可以说是热异常区。这种热异常区的存在，是比较普遍的，但是直到现在还没有开展普遍的调查。在这种热异常区，取出地下储藏的热能是比较容易的。事实上，我们在钻井中已经遇到大量的热水向外涌出，热水的温度从四、五十度到一百多度不等。这样，从地下取出热水并不限于热异常区，在其他必要的地区，也可以同样进行勘测和开发。从地下冒出的热水，往往还含有有用的物质，如若能够有计划的加以调查研究，在适当地点加以开发和综合利用，对祖国的社会主义建设，肯定有很大的好处。

二、酸性和基性岩类的分布

   火成岩的种类很多，就它们的化学性质来说，有些是以石英和其他含硅酸较多的矿物为主要成分的各种花岗岩类，属于这一类型，统称为酸性岩类。另外，又有以橄榄石、辉石、角闪石等类矿物为主要成分的，有辉长岩、玄武岩、辉石岩、闪石岩、橄榄岩等，统称为基性和超基性岩。在这两个类型的岩石中间，还有许多种类的中性岩，其中以花岗闪长岩和安山岩比较重要。从火成岩所在的地位来说，又有深成、中成、浅成和地面的区别。例如：一般认为，基性岩石特别是超基性岩，是深成的岩石。从它们的比重来说，深成的基性和超基性岩石比重较大(3.1-3.2左右)，浅成的酸性岩石比重较小(2.8—2.9)。花岗岩的地位比较特殊，大部分是在地壳中较深而又不太深处形成的，因被侵蚀露出地面较多。在正常情况下，一般酸性的在上部，基性的在下部。

   花岗岩的形成，有争论，现在还未解决。有的认为是地下的岩浆由于上升经过冷却而凝结的产物，有的认为是在地壳表层下面高温高压的条件之下，沉积、变质岩层经过变化而产生的。这两种对立的论点，使我们回忆到在地质学发展的初期，水成学派和火成学派的论战。不过，在今天争论的重大问题更多了。花岗岩化固然是其中之一，但不象火成学派对水成学派那样水火不能相容。由于花岗岩在地球表层的范围面积很大，而且某些矿床的分布往往与它有一定的联系，所以花岗岩的成因问题，现在还是论战比较激烈的。看起来，有的花岗岩确是由岩浆凝结产生的，而另外一些花岗岩，则是在高温和高压条件下，由别的岩石转变所形成的。

   我们知道，地球平均比重是5.52，花岗岩平均比重是2.7，玄武岩平均比重是2.9—3.0，橄榄岩平均比重是3.3。由此可见，越到地球的深部比重就越大，基性岩就越占优势。再往下走，比重更大的物质成分，一定会随深度增加，否则不能达到地球的平均比重5.52。这样看来，在大陆上组成地壳的岩石，只能是比较轻的岩石，不可能达到橄榄岩的程度。所以，在大陆方面，一般认为把最基性的岩层当做地壳的底部是比较合理的。

   一般地说，构成地壳表面的岩石，绝大部分是属于酸性的岩石；沉积岩层和沉积变质岩层，仅仅是表皮的一层，其下绝大部分是花岗岩类的岩层。这些岩层中绝大部分的矿物成分是以硅和铝为主的矿物所组成的，因此统称为硅铝层。硅铝层以下的岩层，绝大部分是由以镁、铁、硅等元素为主的矿物所组成的，因此地壳下部的一层被称为硅镁层。

但是，在大洋方面的情况则有所不同。有些大洋，例如太平洋海底有大片面积铺着极薄的一层红泥、乌滓(其中含有大量海中浮游微体生物的壳片)。红泥的平均厚度不到300米。其下几乎全是玄武岩构成的。就是说，不存在硅铝层。而在印度洋中的有些海域，发现了存在着较薄的硅铝层，其下主要还是由硅镁层组成。大西洋的情况又有些不同。大西洋底有较薄的硅铝层，看来是普遍存在的，其下还是硅镁层。根据上述情况，构成地壳岩石的性质，有这样一个比较显著的差异，即构成大陆上层的岩石，总起来说，比重较轻，而构成大洋底、特别是太平洋底的岩石则较重。这些岩石，不但是主要的物质成分不同，结构形式不同，而且强度也有差别。所以，我们谈地壳，从岩石分布的观点来看，就不能不把大陆部分和海洋部分分别看待。

   大陆的边缘，不是以海岸线为界的。大陆与大洋之间，经常有一个宽窄不等的过渡浅海地带。这个地带，往往是一个平缓的斜坡，有时有人称它为陆棚(或大陆架)。陆棚上的沉积物，绝大部分是由邻近的大陆输送而来的，其中生存的生物所赖以生活的物质，主要是由大陆上供给的。一般认为，大陆附近的浅海的深度为130一140米，至多不过200米。这个浅海地带的边缘，是大陆与海洋的界线。由此而下，海底斜坡坡度突然变得很大，称为深海，其中的沉积物和生存的生物与浅海有显著的差别。深海以外的海域，通属于大洋(见图1)。

图1．  大陆与大洋交界处一般化剖面图

三、地震波穿过地球各层的速度

   地震的震中，绝大部分深度不大，但也有少数地震是从地球深部发动的。每一次地震都发出三种不同的震波。第一种是纵波，又叫疏密波。它传播的方向和受震动的物质摆动的方向是一致的，好象音波一样。第二种是横波，又名扭动波。物质受这种波动而发生的摆动，并不与波动传播的方向一致，好象拿一条绳子让它摆动时，绳子各点摆动的方向和波动前进的方向是不一致的。第三种是表面波。这种波又分为两种，在此无需详述。它们仅仅在地面传播。当地震发生时，这种表面波破坏力较大。这三种波动传播的速率都不等，纵波最快，横波较慢，跟着来的就是表面波。所以，在离震中稍远的地方，它们到达的时间不同，因此从纵波和横波到达的时差，可以计算接收这两种波动的地点到震中的距离。

   弹性物质传这两种波的速度，是与它们物质的密度(比重)和某些弹性系数各有一定的关系。它们都是与传播物质的密度(比重)的平方根成反比例。因此，从震波传播的速度，可以推测传播它的物质的密度。

   以上这些事实，是经过无数次实践的经验完全得到证实，从理论上也可以得到证明。

   另外，根据实践的经验，我们知道，固体既可以传播纵波，又能传播横波，而流体只能传播纵波，不能传播横波。

   地震波传播的速度，在地球上各处看来稍有不同。从事地震工作的人们所提出的数据，也不完全一致，同一个人，不同时间提出的数据也不完全一致。不过，总的说来，只是大同小异。现在，把这些数据总合起来，列表如下。

   另外有人认为：最上一层大约10—15公里，纵波传播速度大约每秒5.6公里，横波传播速度约每秒3.2公里，其下有不甚显著的不连续面。这个不连续面下的一层的厚度与上层大致相等，其传播速度是每秒6.2公里。

   深度45公里左右，传播速度突然增加，不连续情况，极为显著。

地球内部分层结构

   从上列数据，可以看出：

   (1) 地震波在地球中传播的速度，一般越到深处越大。

   (2) 速度不是均匀增加的，而是达到某些深度时突然增大，达到核心表面又显著地减少。在那些深度，构成地球物质的性质显然有所变化，一般越深越重。

   (3) 这种突然变化及不连续的现象，标志着地球内部，可以划分为若干个同心的球形圈。其中，最上一圈的厚度，一般认为33—45公里，但有的地方较厚，如西藏高原达到60公里以上，而另外有些地方，厚度较薄，最薄的地方不到30几公里，个别地区更薄。这个最上的一圈，就是地壳。

   (4) 所有不连续面中，有两个不连续面特别值得注意。一个不连续面，有时称为莫霍面。另一个是深度在2,898公里的不连续面，有时称为古天伯不连续面。这个不连续面以上，直到地壳的底部之间的球形圈，统称为地幔。地幔以下的部分，统称为地球核心。

   (5) 到现在为止，还没有得到横渡穿过地球核心的可靠记录。

   (6) 在2,898公里的不连续面以下，地球核心各圈的密度虽然增加很快，但传播纵波的速度，反而比在地幔下部传播的速度显著的降低。

   如若把地震波传播的速度，和前述酸性岩和基性岩即硅铝层和硅镁层的分布情况结合起来考虑，似乎硅铝层和硅镁层或硅镁层的上部，都应属于地壳的组成部分。这样，就可以说，地壳的厚度，除了某些大洋或大洋中某些区域以及大陆上某些区域以外，大致可以认为，平均厚度不出30到40余公里的范围。这个数字，同地热方面推测的数字大致符合。

图2．地球各层传地震波的速度图

图3．地球剖面图

实线表示从地震发生的中心向地球内部各方面传播震波的方向(注意因地球内部密度不同，震波传播方向由于受到屈折而发生弯曲现象)，虚线表示反射波传播的路线，P为纵波，S为横波，L为表面波，PP和SS为第一次反射波，PPP和SSS为再反射波。

四、均衡代偿现象

   由于地球自转的关系，地球表面的形状，不是理想的球形，而是一个扁球形。在两极的直径稍短，赤道的直径稍长，两者相差的数值大约为赤道直径的1／297。因为地球表面形状是个扁球，所以纬度每隔一度，在地面上的平均距离是随纬度各不相等。每一纬度与次一纬度在地面的差距是0.021公里。测量纬度的方法，都是以垂直线为标准，而垂直线不能不受质量分布的影响。

   假如在同一经度上，两点之间或两点附近有大山脉存在，这时候垂直线受了大山脉的侧面吸引力，测量仪器的垂直观测线就不是真正的垂直线，而是稍向山脉倾斜。如果观测的两点在山脉一边，那么，近山脉的一点，垂直线倾斜较大，远山脉的一点倾斜要小。这些倾斜角度，都可以用重力比较精确地计算出来，然而据实际观测远星定位的结果，与按重力计算的结果不相符合，因此根据远星测量两点间的距离，往往和实际在地面丈量出来的两点间的距离不一致。

   1709年，康熙48年5月18日，康熙命天主教耶稣会神父雷孝思等人测制满洲地图，先从辽东人手，东北至鱼皮达子。1710年，康熙复命进至黑龙江，是年12月14日图成，实地丈量，尽到最大的努力，用三角法递推互较，并测定纬度，但经度则是约推。在当时的条件下，可算是比较精密的，而其结果是地图的某些部分衔接不起来。当时认为其原因是由于仪器不够精密或观测方法不够准确所致的。实际上并不是这样，而是没有考虑到重力变异的影响。这次经验，第一次揭露了地面丈量与经纬度测量两种方法之间的矛盾，明确了由此而得出的差距。可惜当时只是抓住了现象，而没有接触到问题的实质。

   在印度北部靠近喜马拉雅山测量的结果，发现了由于喜马拉雅山的吸引力对垂直线的影响，只占山应有的吸引力的三分之一。在南美洲及其他地区也发现了类似的现象。甚至有人测量因山的吸引力而发生的倾斜，不仅为零，有时还为负数。这样看来，大山是个“空壳子”，否则它的质量到那里去了?这里显然存在一个极堪注意的问题。

   另外，在高山顶上进行测量，也发现了类似的现象。在高山的顶上，重力的数字应该是从海平面上的数字，减去由于山的高度而失去重力，加上由于山的质量而增加的重力数字。这两项数字，都可以精确的计算出来。这个实测的结果证明，山顶重力数字接近于山不存在的数字。那么，山的质量到那里去了?

   山不可能是“空壳”，构成山的岩石不可能无质量，而计算所得的结果，又是根据重力的规律，也不可能有重大的错误。有两种不同的想法用来解决这个矛盾。一种是，认为大山只是漂浮在地壳上部，一部分出露在地面，一部分伸入地下，因为造山的岩石，主要是属于硅铝层的岩石，也就是较轻的岩石，地下硅镁层的岩石较重，如若山的地下部分，插入较重的岩层所在的地位，好象冰山浮在海中那样。那么，因为山的存在对重力所发生的影响，就可以这样抵消了。另外一种看法，认为一个山的密度(单位体积的重量)在地下可能按一定的规律增加，增加到一定的时候，他和侧面岩层的比重相等。这样，因山的存在而对重力发生的影响，也可以抵消了。这样造成的抵消面，叫做均衡代偿基准面。

   照第一种的看法，山是有根的。就是说地面上高低不等的地区，就造山的岩石来说，在它的表面和底面，有相应而又相反的形象。照第二种的看法，抵消基准面是与地球中分层的球面大致符合的。长期以来实践的经验，导致人们多数倾向于第二种看法，但在某些高山和高原地区，第一种看法，是比较更切合实际的。

   这种由于地形的高低不等，而没有发生应该发生的重力变更现象，叫做地壳均衡现象。其所以发生这种现象，主要是由于有关地区岩层上下的密度发生变化，或者高山、高原较轻岩层插入地下，而得以补偿。然而，补偿一般都不完全，由此就出现了所谓重力异常的现象。在很多地方和地带，我们可以比较精密地测出重力异常区或异常带分布和伸展的情况。这对埋藏在地下的矿产资源和构造形态的探索，是有效方法之一。

   大陆壳的上部由硅铝层构成，下部由硅镁层构成；大洋底部的上层有时平均有1公里厚的硅铝层，其下由5公里厚的硅镁层构成，有时无硅铝层。如果大陆壳和海底壳完全达到均衡的状态，在地表高低不等的地区，则地壳上下各层岩层密度的分布和各层高低的对比，各有差异，而均衡代偿基准面所在的深度，则应该都是一致的。有人选择了几个有代表性的柱状剖面表示这种关系(图4)。每一柱状剖面左侧数字表示岩层厚度，右侧数字表示各层平均密度。把这些平均密度乘以相应的厚度直到深50公里处，即得在这个深度处的压力。这个压力，对每一个柱状剖面都是相等的，例如对大洋底部来说，

       5 × 1.03(海水)+ 1×2.4(沉积物) + 5 × 2.9(地壳下部的硅镁层)

               + 39 × 3.3(地幔上部硅镁层) = 150.75

对其他各个柱状剖面，都可以照样计算出大致相等的数字。

图4 四个典型柱状剖面表示莫霍面（M）和均衡代偿基准面的相对位置

图5 大陆和大洋两方均衡代偿现象示意剖面图

   这样，就是说，在高度不同的地区，地壳的厚度不同，硅铝层和硅镁层的厚度也各不相同，莫霍面的深度也各不相同。在大洋中，莫霍面约在海面下10公里，而在大陆上接近海平面的平原地区和高原地区，地壳的总厚度约为30一36公里。这个厚度就是莫霍面的深度。均衡代偿基准面在地幔表层以下。

   以上是在地壳各部分完全达到了均衡代偿的条件下作出的估计。事实上，地壳各部分均衡代偿现象是极不平衡的。有些地壳部分，如太平洋底部，总起来说，与邻近的大陆之间，比较的接近于均衡，但在它的周围一带和邻近的大陆地带之间，地壳高低起伏，相差很大。例如，邻近东亚大陆的太平洋海域中，从堪察加半岛一千岛群岛一日本列岛一琉球群岛的沿岸直到菲律宾迤东，存在着一条地球上最长最深的海沟，其中有些部分，深度比10公里还大，邻近的岛屿地带，都呈现着极为显著的重力异常带。这种重力异常带，明显地反映，在这些地域，连印度尼西亚群岛及其迤南的海沟和新西兰及其东北的克尔马得克海堤和汤加海沟等等地带在内，地壳远没有达到均衡代偿的要求。同样，在大陆上有许多地区，特别是高山和高原地区以及由新沉积物填平的低凹地带，通过重力测量，我们经常发现均衡代偿不良的现象。是什么力量干扰了这条规律的实现?不是别的，就是推动地壳运动的力量。地壳各部分，都在不断地通过代偿，争取达到均衡。地壳运动，倾向于破坏均衡。地壳各部分争取达到均衡的倾向，可以引起有关的局部地区发生升降运动，但在地质时代的任何时期，它不可能成为发动全球性大规模地壳运动的有力因素。

原著：李四光《天文 地质 古生物》1972年科学出版社，p.71-80

翻录者：     陈立军        2014.1.8

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