**章 地球系统与深地科学
**节 地球系统概述
地球是我们人类居住的唯一场所、我们生活的家园，为人类提供了生活必需的粮食、水、能源和矿产资源；同时也常给人类带来诸如火山、地震、海啸等灾难。地球系统（Earth System）是由相互作用的近地空间、大气圈、水圈（含冰雪圈）、生物圈（含人类社会或人类圈）、地壳、地幔、地核（包括外核和内核）等自然圈层构成的开放的复杂巨系统（图1-1），包括自地心到地球外层空间的广阔范围，可分为地球上部的物理气候系统、地球表层的全球生态系统和地球下部的固体地球系统等子系统，并包括大气环流、大洋环流、地幔对流和外核对流等多个大环流系统。同时，地球系统中还存在一个穿透各个圈层的磁性层（图1-2）（Maruyama et al.，2014）。地球系统具有混沌现象、不确定性、自组织和非线性特征。
图1-1 地球系统示意图：从近地空间到地核的构成和过程
（修改自Neal et al.，2008；汪品先等，2018）
图1-2 由固体地球、水圈、大气圈、生物圈和磁性层构成的地球系统（据Maruyama et al.，2014）
（一）地球表层系统
地球表层是维持所有生命和人类活动的唯一环境，是地球宜居性的重要载体（朱日祥等，2021a，2021b）。表层是一个*特的系统，既不是固体地球、海洋，也不是大气系统本身，而是所有这些系统的共同作用层。然而，我们今天看到的表层环境仅仅是地球过去经历的无数种形态和条件中非常短暂的一部分。作为地球历史时间序列的沉积记录是我们长尺度认识地球表层的窗口。长尺度认识的意义在于我们可以了解在行星尺度下不断变化的地球表面状态和形态，测量快速和缓慢变化的速率，研究人类时间尺度下没有表现出来的大尺度的关联性，刻画现今地球表层并赋予其科学内涵。地球的过去状态与现今明显不同，这一点对于模拟变化的地球来讲是一个巨大的挑战，因此，从人类时间尺度下存在的地球表层模式来外推地球表层系统仅仅是模拟的**步。通过研究我们已经知道，行星地球历史包括了一系列的极端事件和极端状态（如极端温暖、雪球地球、大洋缺氧、CO2富集、快速风化作用、生物分异度和生命的组成变化等事件）。这些更替的地球状态，在时间上的距离（即“深时”）犹如在空间上与金星和火星的距离一样，极大地拓宽了我们的视野，增加了我们对于表层系统动力变化极限的认识。
（二）固体地球系统
固体地球系统就在我们的脚下，它包括从地面（包括海底）到浅表（包括海下浅表）、地壳、地幔（含软流圈）和地核在内的整个固体地球圈层系统，主要由岩石圈（含地壳和岩石圈地幔）、软流圈、下地幔和地核组成。地幔对流可能是控制固体地球系统行为的主要因素之一（图1-3）（Maruyama et al.，2007）；而地球外核发动机可能是维系地球“生命”（即活动性）的主要动力来源。
图1-3 主要的地幔对流型式（显示超级地幔柱和一个超级下降地幔流）（据Maruyama et al.，2007）
超级地幔柱之下存在超低速度带（ULVZ）；D″层顶部存在钙钛矿向后钙钛矿的相转变；D″层的厚度是可变的；中亚到东亚存在一个巨大的与冷的超级下降地幔流有关的下沉区；*冷地幔之上存在相应的西太平洋三角带；矿物相变、非均质流变或成分的不均一性，造成不对称的内核
1. 岩石圈
固体地球的外部圈层称为岩石圈，包括地壳和上地幔盖层，它是在地幔软流圈之上的刚性圈层，并因物质的密度大小及物性参数的不同而分成若干次级圈层。大陆演化的地球动力学过程发生在整个岩石圈/软流圈尺度，深达数百千米。在数十亿年的地球演化中，由于板块的俯冲、碰撞、拼合与地幔物质的上涌，以及化学分异变化，大陆岩石圈发生了构造叠加、地壳增厚、断裂错断、板块分裂、减薄以至消亡等构造运动，造就了大陆岩石圈的复杂结构，以及火山喷发、岩浆侵入、变质等复杂的地球动力学过程（石耀霖等，2011）。在不同历史时期，大陆岩石圈的位置、形状、内部结构及物质组成有很大的变化。地壳和岩石圈上地幔纵波波速的平均值分别为6.45km/s和8.09km/s（Christensen and Mooney，1995）。
1）中地壳
中地壳的平均岩石组成主体为长英质片麻岩，含有0～30%的斜长角闪片麻岩。在活动裂谷和洋内岛弧地区，中地壳的地震波速值*高，纵波速度为6.7±0.3km/s、6.8±0.2km/s；其他地区中地壳的纵波速度变化范围为6.4～6.7km/s（Rudnick and Gao，2003）。
2）下地壳
下地壳P波速度较大，一般为6.9～7.2km/s，其随构造单元不同、研究区不同有很大的变化，反映了下地壳岩石组成、演化历史的差异。
3）岩石圈地幔
岩石圈地幔是莫霍洛维奇不连续面（简称“莫霍面”或“Moho面”）之下、软流圈以上的地幔部分，组成岩石圈的下部。
2.软流圈
软流圈是岩石圈地幔与下地幔之间的部分，其上界面为岩石圈－软流圈边界（LAB）。1948年Gutenberg提出，在岩石圈地幔与软流圈之间存在一个不连续面（G面）。地震学研究表明，太平洋上地幔之下存在一个地震波速度快速降低的不连续面（G面），深度为40～100km。该深度与低速带（LVZ）的顶部大致相当，被认为可能是LAB的地震学表达。但是，G面与LAB并不是一个等同的面。地震波各向异性层析成像结果显示，G面与地震波各向异性的垂向变化相一致，并处在受热控制的LAB之上。G面可能是冻结岩石圈结构、地幔成分的区域变化或动力学扰动LAB的结果（Beghein et al.，2014）。
3.下地幔
下地幔所处深度为660～2900km，构成固体地球的主要岩石质部分，主要由(Mg，Fe)SiO3-钙钛矿和(Mg，Fe)O混合而成；由于温度、压力和密度均增大，物质呈可塑性固态。地幔对流将铁质地核的热向上传导，并通过热平流驱动近地表的构造引擎。深部下地幔是我们生活的地表环境时不时发生地质灾害的根源，许多大规模的火山喷发事件可能与深部地幔的地震学特征有关（图1-3）。
在核幔边界（CMB）之上存在一个超低地震波速度带和地震不连续界面（D″层）。D″层可能是一种“反地壳”，主要由早期大陆地壳的英云闪长岩－奥长花岗岩－花岗岩（TTG）+斜长岩组成。核－幔边界反地壳的构造样式可能与地球表层相类似，发育密度分层、增生、岩浆活动和交代作用（Komabayashi et al.，2009）。
在非洲和太平洋之下，大型低剪切波速省（LLSVP）从CMB一直延伸到CMB之上的1000km处，表现为巨大的块状结构，剪切波速度有约3%的减小。在CMB之上100～300km处，存在一个几乎是水平展布的地震波速度不连续面，速度为2%～3%；从该不连续面到CMB为地幔底部的D″异常带（图1-3）。在地幔*下部的5～40km处，零星出现一些压缩波和剪切波速度大为降低的区域，而剪切波速度的降低能够达到45%，形成超低速度带（ULVZ）。与地幔总体相比，这些低速度带的体积较小；其中，LLSVP的总体积可以达到下地幔的8%左右，而ULVZ的总体积不到下地幔的1%（Andrault et al.，2014）。高温高压实验和数值模拟结果表明，LLSVP可能与地幔*下部的约700km范围内存在的(Mg，Fe)SiO3-钙钛矿向后钙钛矿结构的转变有关，而ULVZ可能与钙钛矿的部分熔融及铁含量增加有关（Zhang L et al.，2014）。
4.地核
地幔和地核的分界面是古登堡（Gutenberg）不连续面（简称“古登堡面”），深度为约2900km。地核由固体金属构成，包括一个大小与月球相当的直径为2400km的固态内核和直径为7000km的液态外核。地核分外核E层（2885～5144km）和内核F层（5144～6371km）。地球的外核可能主要由熔融的铁质合金组成，并含有约10%质量的轻元素。由于地球外核的不断固化，地球的内核不断生长。
（三）固体地球的热结构
Maruyama等（2007）根据洋中脊玄武岩（MORB）和地幔岩相图分析，结合410～660km地震不连续面、D″层的厚度和ULVZ的分布，估算了固体地球的热结构主要由全球两个大的超级地幔柱和一个下降流构成（图1-4）。其中，地核*上部（核－幔边界）的温度为大约4000K，与高温高压实验推算得到的核－幔边界温度（约3700℃）相一致。他们认为，除了D″层之外，现今地球的热结构可能主要受180Ma以来的板块俯冲作用的历史控制。700Ma以来劳亚（Laurasia）、冈瓦纳（Gondwana）和罗迪尼亚（Rodinia）大陆的古地理重建预示，D″层的热结构可能受古老板片的“墓地”控制。
图1-4 地球热结构（据Maruyama et al.，2007）
核幔边界（CMB）上的“冷点”可能是驱动地球外核下降流的重要因素。一个“冷点”处在西太平洋三角带（WPTZ），其下的下降流使得固体内核变冷，并通过Fe-Ni晶体的沉淀-堆积而促使近赤道内核的优先生长；由于轻元素富集并向太平洋超级地幔柱根部上升，残余流体变得稀薄。轻元素的外逃可能引起超级地幔柱的活动。另一个“冷点”来自南美洲的下降流，在内核和非洲超级地幔柱之下引起类似的动力学过程。固体内核的构造岩可能形成金属Fe相的定向组构
地幔熔融温度提供了地幔和地核热结构的关键约束。Nomura等（2014）通过高压实验和三维X射线显微层析成像研究，给出核－幔边界附近压力条件下的原始地幔（地幔岩）固相线温度为3570±200K；由于全球的*下部地幔并不都是熔融的，因此，它给出了显著低于以往推算值的核－幔边界温度上限，说明*下部地幔中可能广泛存在后钙钛矿相；由于氢等杂质的存在，外地核的熔融温度显著降低。
以往的实验推算地球外核与内核交界处的温度为6300℃，地心温度约6600℃。但是，*近的研究表明，地核的温度可能并没有这么高（图1-5）。新近计算的地核热导率为90～150W/（m？K）。外核的地震结构说明它可能经历过适度的混合，外核温度*线可能接近于绝热线（图1-5）（Olson，2013）。根据新的热导率计算，地核绝热线之下的热传导范围为10～15TW，相当于（很可能大于）来自地核的总热流值（估计为8～16TW）。根据标准地核模型，外核的对流主要是成分变化引起的，受制于固化内核释出的轻元素向上的浮动。成分对流使得外核物质混合，外核温度保持在绝热线温度附近，从而结束了地核的热平衡机制，为地球发电机提供了丰富的动能（Olson，2013）。
（四）地球发动机和地球磁场
地球是目前唯一一个被认知具有全球板块构造系统的行星。地球系统是一个由双发动机（或发电机）构成和驱动的统一的动力学系统。一台发动机是地球内部的放射性和原生
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