巖石圈屬于地球的內部圈層還是外部圈層?

華中師范大學城市與環境科學學院（430079） 肖 擎

巖石圈屬于地球的內部圈層還是外部圈層?

華中師范大學城市與環境科學學院（430079） 肖 擎

在學習“地球圈層結構”一節時，必然要談到巖石圈的問題。巖石圈作為地球重要的圈層之一，在地理教學中已成為教師引導學生關注的重點。巖石圈對人類生存和發展的作用和意義重大，一方面可以為人類提供化石燃料、礦物原料；另一方面通過物質循環，促進了圈層之間物質、能量的交換，從而維持著生命圈的勃勃生機。

一、巖石圈客觀存在于固體地球的表層

巖石圈概念最早由美國地質學家巴雷爾·約瑟夫（Barrell Joseph）于1914年根據板塊構造理論提出，是指相對于固體地球上部軟流圈而言的堅硬部分。[1]巖石圈厚度是變化的，大洋部分在最新的大洋中脊部位只有6～8千米，而在最老的部位則有100千米，大陸巖石圈更厚一些，基本上在100～400千米之間。由于地殼和上地幔頂部都是由巖石（花崗質巖、玄武質巖和超基性巖等）組成的，所以地質學家們把它們統稱為巖石圈。[2]

二、關于巖石圈屬于哪一圈層的爭議

從中學地理教學角度，巖石圈的歸屬圈層問題是大家爭論的焦點。

1．巖石圈屬于地球的外部圈層

人教版教材在“地球外部圈層示意圖”中標示出了巖石圈，同時稱“地球的外部圈層包括大氣圈、水圈、生物圈等”，[3]圖示加上文字表述中的“等”字，讓人產生了編寫者是否也有將巖石圈歸入外部圈層傾向的猜想。

華東師范大學金祖孟教授主編的《地球概論》一書中也提到“地球表面由巖石構成。它主要是巖漿巖，即從地內上升的熾熱巖漿冷凝而成的巖石。在巖漿巖上面，往往有一層較薄的沉積巖（一般不超過4～5km）和更薄的土壤覆蓋層。地球的這一表層，包括巖漿巖、沉積巖和土壤覆蓋層在內，被叫做巖石圈。它屬于地球的外部圈層。”[4]

中科院地理科學與資源研究所研究員陳百明老師在《地理知識大觀》中明確表示“地球圈層的外部圈層包括巖石圈，與人類關系密切，備受科學家重視，是現代地球科學中研究最多、最詳細、最徹底的部分。地球的巖石圈、軟流圈和地球的內部圈層（地幔圈、外核液體圈、固體內核圈）一起構成所謂的固體地球。”[5]

美國帕迪利亞（Paddy Leah）主編的《地表演變》一書將地球表面分為四大圈層（巖石圈、水圈、大氣圈和生物圈），并認為“巖石圈是由各大陸和面積稍小的島嶼組成，一直延伸到整個洋底。平坦的平原，起伏的丘陵，河谷，以及巍峨的山峰，都是巖石圈的一部分。”[6]

同時有的教師認為巖石圈是固體地球的最外層，圈層中蘊含有水、生物和大氣（從整個巖石圈的原子組成來說，氧占60．4%，其次才是硅、鋁、氫等元素[7]），表層還覆蓋有土壤，與人類關系十分密切，可歸為外部圈層。[8]

2．巖石圈屬于地球的內部圈層

A組僅采用椎弓根釘內固定系統治療。患者全麻后取俯臥位，以骨折部位為中心做后正中切口，暴露傷椎及相鄰正常椎體。使用椎弓根釘內固定系統在傷椎上下相鄰2個椎體的椎弓根處置入導針定位，在C形臂X線機透視下證實導針位置合適后，于傷椎上下相鄰2個椎體的椎弓根處植入4枚螺釘，螺釘深度達椎體前2/3處。若患者椎管內有骨塊壓迫或神經損傷先行椎板減壓術，若無神經損傷則在C形臂X線機透視下行傷椎撐開復位。沖洗切口，置引流管，縫合切口。術后患者臥床3 ～ 5周后佩戴支具下床活動，4個月后去支具活動。

巖石圈為實體地球的一部分，它包括地殼和上地幔的頂部（軟流層以上）的固體巖石部分，而地殼和上地幔的頂部都屬于內部圈層。[9]

班武奇、陳樹杰在《板塊構造學說的來龍去脈》一書中研究地球內部概況的時候，認為巖石圈是隨著地球科學研究不斷深入，為了更好地研究地球表層物質運動的特點，劃分出來的一個地球內部的圈層。[10]

白武明在《地球動力學》一書中從固體地球物理學的角度探討了巖石圈的各種動力學原理，他認為“地球在形成和演化過程中，通過物理和化學分異的作用，使得地球內部逐漸形成圈層結構。其中巖石圈的基本特征是能有效地傳遞地震波和具有高的地震波速度。”[11]

目前現行高中地理四種版本的地理教材主要也是

把巖石圈放在“地球內部圈層”內容中進行闡述。表1顯示：雖然不同版本教材對巖石圈內容的敘述和處理不盡相同，但是對于巖石圈的空間位置范圍的處理是基本一致的，即主要將其置于“地球的內部圈層”中，或通過文字直接表述，或以圖像形式呈現。

表1 高中地理四種版本教材對巖石圈內容的處理

三、巖石圈應該屬于地球內、外圈層之間的過渡圈層

“巖石圈的范圍”這一知識點是高中地理中重要的內容之一，也是學業水平測試、高考的重要考點之一。弄清楚巖石圈的范圍及所屬的圈層對于學生理解巖石圈的物質循環非常重要，并且對理解它對人類活動的影響，理解四大圈層與地理環境的關系等問題有重要意義。

筆者請教了地理教學、自然地理學、巖石學方面的幾位專家①，他們給出了自己的理解。

華中師范大學博士生導師吳宜進教授認為“巖石圈屬于哪一圈層”的問題應該從它的概念、組成方面進行分析。巖石圈是軟流層以上的堅硬巖石組成的圈層，其內部的物質成分與地幔更接近，從地質學角度分析應該屬于內部圈層；但是其表層附著了很薄的沉積巖層和土壤層，與大氣、水體、生物關系密切，從地理學角度看又是一個比較特殊的圈層。

中國地質大學（武漢）博士生導師馬昌前教授認為巖石圈是地球表層的剛性固態部分。最新研究表明其內部的構造分層非常明顯，受地幔物質的影響比較大，說它是地球內部結構的一部分無可厚非。但是其圈內也會孕育生命，與大氣圈、水圈、生物圈互相影響。因此從這一角度說巖石圈是介于內、外圈之間的過渡圈層也是可以的。

綜上所述，本文提出以下觀點：面向中學地理教學，巖石圈應該屬于地球內、外圈層之間的過渡圈層。

科學研究表明，數十億年前，原始地球是一個剛從太陽星云中分化出來的接近均質的物體。主要由碳、氧、鎂、硅、鐵和鎳等元素組成，沒有明顯的分層現象。地球圈層的分化過程同整個地球的溫度變化過程密切相關。放射性元素的輻射能量在地球內部的積累，使那里的溫度逐漸升高，因而物質就有了可塑性，加上重力的作用，物質便發生分異，逐漸形成性質不同的圈層，不同圈層間存在著相互聯系。[12]

1．地球的內、外圈層的劃分依據不一樣

中學地理教材中所說的地球外部圈層主要是依據地表物質的構成來進行劃分的，可分為大氣圈、水圈和生物圈。這三個圈層在固體地球的表面之上，與人類息息相關，是地理環境的有機組成部分，對它們可以用直接觀測和測量的方法進行研究，而地球的內部圈層結構是無法直接觀測的，現在已知的最深鉆孔不過12千米，[13]科學家們只有依靠觀測地震波在地下不同深度傳播速度的差異和變化來判斷地球固體表面以內的構造，并在此基礎上把地球內部劃分為地殼（圈）、地幔（圈）、地核（圈）三個基本圈層。而巖石圈并不在內外圈層劃分類屬的名稱體系中，是一個特殊的圈層，筆者認為應介于內部圈層和外部圈層兩者之間，如圖1[14]所示。

2．巖石圈的分化與內、外圈層都有密切聯系

巖石圈是固體地球最外面的堅硬部分，它的分層并不依據地球物理方法（地震波等形式），而是利用各種物質的物理性質進行科學劃分。同時其表面直接與大氣圈、水圈等聯系在一起，在太陽輻射和地球重力驅動下，與大氣圈和水圈物質運動構成了地表動力系統，這是可以直接觀測、測量的。從這兩點來看巖石圈應該不屬于內部圈層。

巖石圈又是地幔軟流圈以上的堅硬巖石部分，主要存在于內部圈層，地表下存在各種巖石的物質循環。這其中包括屬于地殼的硅鋁層（花崗巖層）、硅鎂層（玄武巖層）和屬于上地幔最上部的超基性巖層（橄欖巖層）。[15]現在所知的各種構造活動主要發生在巖石圈范圍內，板塊構造理論的構造單位—板塊，即是由巖石圈劃分而成的不同塊體。堅硬巖石圈覆蓋于軟流層之上，地殼的均衡調整藉此進行。由此可見巖石圈與地球的內部圈層關系十分密切，因此也不能說巖石圈屬于外部圈層。

圖1 地球圈層結構知識框圖

可見巖石圈是介于內部圈層和外部圈層之間的一個圈層（圖1），具有過渡性，包括地殼和上地幔的頂部，即軟流層之上的固體巖石部分。[16]

四、巖石圈分層內容的中學地理教學指引

巖石圈的分層問題比較特殊，大部分空間范圍處于內部圈層的空間范圍中，但它又與外部圈層有著千絲萬縷的聯系，并與外部圈層之間進行著物質交換和能量轉化，從而構成了人類生活的地球表層。在中學地理教學過程中，很難把它的歸屬問題表述清楚，很多教材就采取了弱化、模糊的處理辦法和形式，或者借助于圖來模糊表示。

中學地理教學過程中要了解巖石圈的范圍，知道它和其他圈層之間的關系，認識到它的過渡性，更重要的是能夠通過巖石圈分化的解讀，理解其物質循環的意義，即地殼物質在其自身不斷循環和轉化的同時，與地球內部和地球外部也在不斷地進行物質與能量轉化；且與地表巖石的形成、地貌的變化、土壤層的發育以及礦產資源的形成（例如煤、石油、天然氣等）都有著密切的關系。教學中利用學術界對此問題的爭論或質疑進一步引導學生學會辯證地看待問題，結論不是最重要的，獲得結論或最終未能獲得結論的學習過程都是實現教學目標的重要途徑。

注釋：

①李家清、吳宜進、馬昌前老師分別是地理教學、自然地理學、巖石學領域的專家，他們從自己研究的角度談了看法，讓人深受啟發。在此對他們百忙之中的講解深表感謝。

②人類屬于生物圈的一部分，也有人強調人類的重要性和特殊性，單分出一個“智慧圈”，這樣就有五大圈層。

[1]孫榮圭.地質科學史綱[M].北京:北京大學出版社,1984.

[2]百度百科.巖石圈[EB/OL].http://baike. baidu. com/view/66110.htm.

[3]人民教育出版社.普通高中課程標準實驗教科書地理必修I[M].北京:人民教育出版社,2010.

[4]金祖孟.地球概論（第三版）[M].北京:高等教育出版社,1997.

[5]陳百明,張笑恒.地理知識大觀[M].北京:時事出版社,1993.

[6]帕迪利亞（美）（吉云松,王張華譯）.科學探索者—地表的演變[第二版)[M].杭州:浙江教育出版社,2010.

[7] G.E.赫欽遜等[華北農業大學植物生理教研組譯).生物圈[M].北京:科學出版社,1974.

[8]世紀氣象.天文地理.地球圈層結構及概況. [EB/ OL].http://www.21cma.net/thread-5555-1-1.html.

[9]柳斌.中學教學全書·地理卷[M].上海:上海教育出版社,1996.

[10]班武奇,陳樹杰.板塊構造學說的來龍去脈[M].北京:科學出版社,1984.

[11]白武明等.地球動力學[M].北京:地震出版社,2003.

[12]孟凡剛,孫彥順.地球的圈層結構[J].地理教育,2009(4):11.

[13]趙國隆.世界上最深的鉆孔[J].國外地質勘探技術,1985(3):27.

[14]人民教育出版社.普通高中課程標準實驗教科書地理必修I教師教學用書[M].北京:人民教育出版社,2009.

[15]何鐘.自然地理學[M].北京:水利電力出版社,1991.

[16]陳澄,樊杰.地理課程標準（實驗）解讀[M].南京:江蘇教育出版社,2003.