再談莫霍面、地殼和巖石圈

孟祥宏

（中國人民大學附屬中學, 北京 100080）

再談莫霍面、地殼和巖石圈

孟祥宏

（中國人民大學附屬中學, 北京 100080）

本文通過參考地質學的研究論文和著作，圖文并茂地介紹了莫霍面處地震波突變的特點和原因。通過“北美大陸地形與莫霍面剖面圖”和“青藏高原地形與莫霍面剖面圖”論述了地殼的厚度取決于莫霍面的起伏而不是地表形態的起伏。最后，闡述了地質科學家在劃分出地球內部圈層的基礎上，提出巖石圈的原因和巖石圈成為科研熱點的過程，以及巖石圈在中學地理教學中的意義。

莫霍面剖面；巖石圈；地殼

1909年，莫霍洛維奇研究巴爾干半島的克羅埃西亞地震時，發現大陸下50km處，地震波出現明顯的不連續突跳，后來被證明該地震波不連續面在全球普遍存在，被定義為劃分地殼與地幔的界面，即：莫霍面[1]。1914年巴雷爾?約瑟夫（Barrell）從力學強度（剛性和流變性）角度，提出巖石圈和軟流層[2]。這都對地質學的研究具有重大的意義，至今仍是地球科學研究的熱點[3]。目前，由于四種版本的高中地理必修教材闡述莫霍面、地殼和巖石圈內容的圖、文較簡略，學生無法對莫霍面和巖石圈的底面進行直觀的認識，容易混淆地殼、軟流層與巖石圈三者位置，不理解劃分地殼和巖石圈的意義。本文通過參考地質學著作和科研論文，對莫霍面處地震波突變的特點和原因，莫霍面的起伏與地殼厚度，巖石圈的存在意義進行介紹。

一、莫霍面處地震波突變特點和原因

地震波中的縱波（P波）到達莫霍面后，其速度由平均6～7km/s突增為8km/s，橫波速度也有突增特點[4]。目前，從高中地理教材中的地球內部圈層的示意圖中，難以直觀地看出地震波在地殼內部和莫霍面處的速度變化特征及地殼厚度是如何變化的，如圖1。

圖1 各版本教材中劃分地球內部圈層的示意圖

在科學研究的實測地震剖面圖中，能清楚看到地震波在莫霍面處的突變情況，如圖2左。教師在介紹莫霍面時，如果把教材示意圖和實測圖整合成一張圖，如圖2，學生既能看到地球內部圈層的整體面貌，又能觀察到莫霍面處地震波傳播速度明顯增加的真實情況。

圖2 實測地震波速剖面圖和地球內部圈層示意圖

有關莫霍面處波速跳動的原因，巖石學家研究認為，莫霍面是一個起伏不平，厚薄不一的“過渡帶”，厚度達3-5km，由不同巖性的變質巖夾層組成，莫霍面以上，是大家熟知的下地殼部分，為基性的“玄武巖”（又稱硅鎂層），平均密度為2．9g/cm3，以下為上地幔頂部的“地幔巖”，為超基性的“橄欖巖”，平均密度為3．5g/cm3，成分上的變化使得地震波速變化[5][6][7]。地球物理學家研究表明，莫霍面處的巖石彈性變化導致地震波速變化，而且，莫霍面還是重要的磁性界面和重力場界面，其上巖石磁化強，其下巖石磁化弱[8,9]。可見，莫霍面上、下的巖石在巖性、磁性和物理性質上均不同，可以認為是一個“化學面”，是科學研究的熱點問題，作為劃分地殼與地幔的界面具有重大意義。

二、莫霍面的起伏與地殼厚度

教材對于地殼厚度的介紹內容，除了魯教版配有“巖石圈結構示意圖”（圖3），其余版本教材沒有配圖，只用文字敘述了地殼厚度不一，平均為17千米。教師經常用圖4來示意地球圈層結構，說明地殼的大陸部分較厚，大洋部分較薄。圖4的問題是，容易使學生誤認為莫霍面是均一的，地殼的厚度變化取決于地表的起伏。實際上，地殼厚度差最大有70km[10]，而地表最大落差還不足20km（珠穆朗瑪峰和馬里亞納海溝的高度差），因此，地殼厚度變化的主要影響因素不是地殼的上表面，而是地殼的底面，即：莫霍面的起伏。眾所周知，地殼分為上下兩層，上層為酸性的花崗質層（硅鋁層），該層在山區和高原可達40km，在海洋地區較薄甚至消失，是不連續層。下層為基性的玄武巖（硅鎂層），在陸殼和洋殼均存在，是連續層。所以，陸殼較厚，為雙層結構，洋殼較薄，一般為單層結構[11]，如圖3。

圖3 魯教版教材中“巖石圈結構示意圖”

圖4 地球圈層結構示意圖

研究表明，莫霍面在橫向上是極不均一的，即：不同地方的莫霍面深度變化很大[12]。可以說，地殼厚度的變化主要體現在莫霍面的起伏而不是地表形態的起伏，如圖5。山地地區，莫霍面相應下降，構成所謂的“山根”，凹陷的盆地往往是莫霍面隆起，或者說，地形和莫霍面呈現出倒影關系[13]，如圖6。

圖5 太平洋至大西洋橫穿北美大陸的地形與莫霍面剖面圖（引自 Press,1978）

圖6 中亞地殼西藏至準噶爾（沿85°E）的地形與莫霍面剖面圖（據王謙身，1979）

三、巖石圈的存在意義

在概念上，巖石圈一直是相對于軟流圈來說的。在1914年，巴雷爾?約瑟夫（Barrell）從力學強度（剛性和流變性）角度，提出兩者的概念，即：巖石圈是具有高強度（剛性）的地球外殼，其下是軟流圈，具有可塑性，可以提供重力均衡補償[14]。當初，僅從物理的力學角度劃分出巖石圈和軟流圈，不具有十分重要的意義。

后來，在科學研究中，隨著地球科學理論的完善和研究技術、方法的提高，特別是20世紀六、七十年代提出板塊構造理論，即：巖石圈代表若干浮于軟流圈之上的保持剛性的板塊，板塊之間發生會聚、發散、側向滑動等相對運動，并在邊界處產生相互作用，促進地球的物質循環，這可能是地球上大多數地震和火山活動的起因。至此，巖石圈作為板塊構造學說的基礎，才一直成為地球科學家研究的焦點內容，甚至比莫霍面具有更重要的意義。

具體到中學地理教學，巖石圈作為聯系地球外部和內部的一個重要圈層，促進了圈層之間物質和能量的交換，這正是巖石圈的存在意義。使學生從本質上理解劃分巖石圈的意義，可以為學習后面章節中的板塊構造運動和巖石圈的物質循環等內容做好鋪墊。針對巖石圈在內部和外部圈層的歸宿問題，肖擎老師已給出詳細介紹，在此不再贅述[15]。

綜上所述，地殼和巖石圈是地球科學家從不同的研究角度提出和劃分的，各自具有重要的研究意義。因此，在教學中，介紹或探究：“在科學研究中，地球科學家劃分了地球的內部圈層，又提出巖石圈以及巖石圈成為研究焦點的過程”，既可以使學生理解地球內部圈層的劃分和巖石圈的存在意義，又逐步培養了學生從多個角度辯證地看待科學研究問題的能力。

參考資料：

[1][12] 高名修.莫霍洛維奇不連續面[J].地震,1983, (1):39-41.

[2][14] Barrel J. The strength of the Earth’s crust. I. Geologic tests of the limits of strength [J]. J Geol, 1914, (22):28-48.

[3] 陳凌,朱日祥,王濤.大陸巖石圈研究進展[J].地學前緣,2007,14(2):58-74.

[4] 夏邦棟.普通地質學[M].北京:地質出版社,1984.

[5][10] 陸廷清,陳曉慧,胡明.地質學基礎[M].北京:石油工業出版社,2009.

[6] 黃定華.普通地質學[M].北京:高等教育出版社, 2004.

[7] 馬昌前.莫霍面,下地殼與巖漿作用[J].地學前緣,1998,5(4):201-208.

[8] 楊坤光,袁晏明.地質學基礎[M].北京:中國地質大學出版社,2009.

[9] B.B.別洛烏索夫.地球構造圈[M].北京:地震出版社,1983.

[11] 宋春青,邱維理,張振春.地質學基礎[M].北京:高等教育出版社,2005.

[13] 陳國達,歷史-因果論大地構造芻議[J].大地構造與成礦學,1992,(1):1-71.

[15] 肖擎.巖石圈屬于地球內部圈層還是外部圈層[J].中學地理教學參考,2012,(5):21-22.