固体地球系统的组成要素及其相互作用
生态系统的物质循环可分为三大类型，即水循环(water cycle)，气体型循环(gaseous cycle)和沉积型循环(sedimentary cycle)。
而沉积型循环，主要是固体的循环。说物质循环首先要引入两个概念。
库(pool)是由存在于生态系统某些生物或非生物成分中的一定数量的某种化合物所构成的。对于某一种元素而言，存在一个或多个主要的蓄库。
流通(flow)：物质在生态系统中的循环实际上是在库与库之间彼此流通的。在单位时间或单位体积的转移量就称为流通量。
主要蓄库与岩石、土壤和水相联系的是沉积型循环，如磷、硫循环。沉积型循环速度比较慢。
参与沉积型循环的物质，其分子或化合物主要是通过岩石的风化和沉积物的溶解转变为可被生物利用的营养物质，而海底沉积物转化为岩石圈成分则是一个相当长的、缓慢的、单向的物质转移过程，时间要以千年来计。这些沉积型循环物质的主要储库在土壤、沉积物和岩石中，而无气体状态，因此这类物质循环的全球性不如气体型循环、循环性能也很不完善。
属于沉积型循环的物质有：磷、钙、钾、钠、镁、锰、铁、铜、硅等，其中磷是较典型的沉积型循环物质，它从岩石中释放出来，最终又沉积在海底，转化为新的岩石。
传统上，固体地球被分为地壳、地幔和地核三大部分，这是由于20世纪早期发现了两个主要的波速间断面（Moho面和深2900km核幔界面）的结果，它们同时也是密度跃升的界面。但是，从第二节的行星比较分析已知，这种三圈层的行星内部结构是行星老化阶段的标志，并不完全反映现时地质作用强烈的固体地球的特征。因此，从动力学角度不宜将它们作为固体地球的组成要素。根据地球内部的相对运动单元划分，可以把固体地球看成由以下六个要素（子系统）组成，它们是岩石圈、软流圈、中幔圈（Mesosphere）、外核、内核和全球流体通道网络。
从图2.2及2.3可知，地球的准圈层结构是三个相对刚性的圈层（岩石圈、中幔圈和内核）夹着两个Qs小的“软”圈层（软流圈和外核）。岩石圈是固体地球表层，它一方面像盾牌一样抵御着外层空间陨石等小天体物质的袭击，另一方面又阻隔内部热能和化学能的外泄，使地球内部各要素的相互作用处于一个相对封闭的体系之中。大陆岩石圈还为地球内部物质的重力和化学分异作用生成的残渣提供堆聚空间。由于地球自转，岩石圈将受到最强的自转离心力作用，在上一讲中已经提到了上地壳应力集中而易发生变形，在今后几讲中，我们将对岩石圈作详细讨论。
图2.4 （1980年）地球磁场（a）和它的非偶极分量（b）磁场单位为μT
图2.5 伦敦、波士顿和巴尔的摩的偏角和倾角的长期变化（引自Nelson等，1962）
图2.6 1922年5月地磁垂直分量Z的长期变化的全球图（引自Vestine等，1917）
图2.7 1942年5月地磁垂直分量Z的长期变化全球图（引自Vestine,1947）
图2.8 固体地球系统的准圈层模型
①陆根；②650K相变面：③地幔高速体；④热羽柱；⑤幔核过渡带；⑥外内核过渡带
岩石圈分地壳和浅地幔两部分，下面的软流圈Vs和Qs都比浅地幔明显降低（图2.9），而Vp在大洋区也有明显降低，在大陆区有的降低，也有的不降低，但密度没有明显变化（注意第一节中讲的波速与密度的线性关系并不总是成立的，用波速换算密度可能造成假像）。在大洋区软流圈多在60～200km之间，大陆区多在100～300km之间。软流圈没有清楚的底界，波速与Q值都是逐渐变化的（图2.2及图2.9）。实际上，软流圈可看成为上下两大刚性运动单元之间的耦合圈层。由于其上方的岩石圈和下部的中幔圈的旋转运动存在差异，软流圈流变性质平滑了上下圈层之间的相对运动，使地球的整体运动处于协同状态。目前认为，软流圈中积聚了内圈分异出来的水分和挥发分，导致这部分地幔的部分熔融并生成巨量熔岩。在大洋中脊火山熔岩流的观察可作为这种认识的直接依据。在第四讲及第七讲中我们还要对软流圈作进一步讨论。
中幔圈（深度约从200km到2900km）是固体地球的躯干。由于670km是深源地震的极限深度，而且这里有明显的地震波速跃升，传统上称670km以上的地幔为上地幔，它实际上是一个波速阶梯状增大的过渡带（见图2.3上）。厚达两千余公里的下地幔波速相当高，但密度及Q值低于内核。由于目前来自中幔圈的岩石样品很少而且难以准确鉴别，我们对中幔圈成分的知识只能靠高温高压研究，即把浅地幔岩石（如橄榄岩）加热加压，看它在到达中幔圈温度压力之下会发生什么样的相变。以此推测其中的硅酸盐可能具有尖晶石及钨钛矿等晶体结构。巨厚的中幔圈是固体地球系统中活动性最小和最稳定的组成要素，看来它至少在太古代以来就比较稳定，只在上下边界附近有较大的变化。
图2.9 上地幔地震波速与密度模型
近年来全地幔层析成像已经发现中幔圈波速分布有一定的不均匀性，这一点将在第四讲中讨论，低阶的全球重力异常被认为与下地幔物质密度分布有关。图2.10为全球自由空气重力异常图（球调和系数取到22阶），它的最短波长约为2000km，在一定程度上反映了中幔圈物质密度的横向变化。图中粗线条为负异常，浅线条为正异常。由图可见，异常的分布与大陆、大洋的位置无明显的对应关系，倒是与现代大地形起伏区（包括海沟）有些吻合。最主要的特征也许是环太平洋异常带，似乎与环太平洋板块俯冲带对应。图2.11为全球大地水准面高度异常图，在西太平洋有高达60m的正异常，同样说明太平洋是一个很特殊的地区，它自古生代以后一直为海洋占据，这种特殊性肯定与下方中幔圈有关。
图2.10 由GEM-10地球模型（系数n=22）计算的地球重力异常图
梯度大的地区与地形起伏大区对应.GEM-10模型用卫星跟踪的地面重力测量数据推算引力位系数，数值单位10-5m·s-2
地核是地球系统的热源和重力源，可能是最主要的动力源。外核是地球系统中最活动的圈层，上节中关于偶极地磁场快速变化以及地球历史中频繁的磁极反转就是内核活动性的有力证据。地球物理资料认为，激发地磁场的外核，主要由导电流体组成，这些流体对流形成了地球的偶极场，而流体的湍流造成非偶极场。核幔边界上可能有一个局部熔融的过渡层。很自然的问题是，外核流体运动的动力来源何处？会不会来源于内核？
图2.11 全球大地水准面高度异常图（相对椭球）
数值单位为m
地球内核密度高达13000kg/m3,Vp=11.35km/s,Vs推测为3.1km/s。有人曾推测在内核的高温高压下原子发生核聚变，为固体地球内部活动提供巨大的能源和热源。但是，迄今为止，并没有观测到来自地核的地震。与现今老化的月核相比，内核很可能是地球物质重力分异凝积的产物，但不排除它含有大量放射性物质并为内核流体活动提供动力源的可能性。外核中含有较多的轻物质，如富钙铝的氧化物及硅酸盐，应比内核含有更多的放射性元素（如铀，40K等），外核本身也可以成为地球内部的热库和动力源。
作为固体地球的一个重要的组成部分，我们将在第七讲中详细讨论全球流体通道网络，它相当于固体地球的动脉，使地球充满活力。
地理系统演化
答：这种自组织过程在地理系统的演化过程中也是经常发生的,譬如,地震、火山的爆发等都是由于来自于固体地球内营力的突发性变化所引起的。 (2)系统要素的质与量的变化引起自组织 地理系统是由众多的地理要素构成的,当某一地理要素发生质变时,系统本身也要发生变化,在一定的条件下就会发生自组织现象。一方面,一部分要素会...
地球科学的研究对象和研究内容
答：地球物理学(geophysics)是应用物理学的方法研究地球的一门学科,是近代发展起来的地球科学与物理学相结合的一门重要边缘学科。广义的地球物理学的研究对象包括固体地球及其表部的水体和周围的大气圈。但由于水体和大气圈的研究都已建立起相应的独立学科,所以一般所称的地球物理学是狭义的,其主要研究对象是固体地球,因而...
地球科学的研究方法
答：然而,地球也是一个非均质体,它的不同的组成部分(或子系统)无论在物质状态还是运动和演变特点上都具有一定的差异,表现出分异性或多元性。例如,不同地区的地理环境、气候环境具有明显的差异,不同地区的水文条件也具有明显差异。固体地球特别是地壳的不同地区或不同组成部分的差异性更为显著,如大陆、海洋、山系、平原...
地球是怎么形成的
答：地球起源于46亿年以前的原始太阳星云。形成地球的微行星起源于吸积坍缩后剩下的由气体、冰粒、尘埃形成的直径为一至十千米的块状物。这些物质经过1000至2000万年的生长，最终形成原生地球。 初生的地球表面是由岩浆组成的“海洋”。地球自西向东自转，同时围绕太阳公转。现有45.5亿。在45.5亿年以前起...
地球科学的100个基本问题目录
答：10. 地球化学元素丰度与分类: 地球化学如何揭示地球的物质循环和地球历史。11. 地球内部圈层结构: 从地壳到地核的多层次探索，理解地球的内在动力。12. 外部圈层结构: 大气、水圈和生物圈，地球系统中不可或缺的组成部分。13. 地球系统与固体地球系统: 地球作为一个整体的运作机制，及其各个部分的互动...
地球的有关知识
答：此外在地球外圈和地球内圈之间还存在一个软流圈,它是地球外圈与地球内圈之间的一个过渡圈层,位于地面以下平均深度约150公里处。这样,整个地球总共包括八个圈层,其中岩石圈、软流圈和地球内圈一起构成了所谓的固体地球。对于地球外圈中的大气圈、水圈和生物圈,以及岩石圈的表面,一般用直接观测和测量的方法进行研究。而...
地球的知识
答：地球水圈总质量为1.66×1024克,约为地球总质量的3600分之一,其中海洋水质量约为陆地(包括河流、湖泊和表层岩石孔隙和土壤中)水的35倍。如果整个地球没有固体部分的起伏,那么全球将被深达2600米的水层所均匀覆盖。大气圈和水圈相结合,组成地表的流体系统。 生物圈 由于存在地球大气圈、地球水圈和地表的矿物,在地球...
地球化学的研究方法
答：地球化学的每种理论,应用于解决地学问题,均构成一种研究方法。地球化学的基本研究方法主要是对地球系统及其各级子系统进行观察、取样分析、归纳和演绎研究;其次是实验模拟研究及数字模拟研究。现就地球化学一般研究方法简述如下。 1.地球化学野外工作方法 这里涉及的主要是人们肉眼可以直接观察的固体地球部分研究,至于大气圈...
地球化学(学科名)详细资料大全
答：地球化学是研究地球的化学组成、化学作用和化学演化的科学,它是地质学与化学、物理学相结合而产生和发展起来的边缘学科。自20世纪70年代中期以来,地球化学和地质学、地球物理学已成为固体地球科学的三大支柱。它的研究范围也从地球扩展到月球和太阳系的其他天体。 地球化学的理论和方法,对矿产的寻找、评价和开发,农业发...
有关于地球的资料
答：它有一颗天然的卫星---月球,二者组成一个天体系统---地月系统。地球自西向东自转,同时又围绕太阳公转。地球自转与公转运动的结合使其产生了地球上的昼夜交替和四季变化(地球自转和公转的速度是不均匀的)。同时,由于受到太阳、月球、和附近行星的引力作用以及地球大气、海洋和地球内部物质的等各种因素的影响,地球自转...
