岩石圈属于地球的内部圈层还是外部圈层?

华中师范大学城市与环境科学学院（430079） 肖 擎

岩石圈属于地球的内部圈层还是外部圈层?

华中师范大学城市与环境科学学院（430079） 肖 擎

在学习“地球圈层结构”一节时，必然要谈到岩石圈的问题。岩石圈作为地球重要的圈层之一，在地理教学中已成为教师引导学生关注的重点。岩石圈对人类生存和发展的作用和意义重大，一方面可以为人类提供化石燃料、矿物原料；另一方面通过物质循环，促进了圈层之间物质、能量的交换，从而维持着生命圈的勃勃生机。

一、岩石圈客观存在于固体地球的表层

岩石圈概念最早由美国地质学家巴雷尔·约瑟夫（Barrell Joseph）于1914年根据板块构造理论提出，是指相对于固体地球上部软流圈而言的坚硬部分。[1]岩石圈厚度是变化的，大洋部分在最新的大洋中脊部位只有6～8千米，而在最老的部位则有100千米，大陆岩石圈更厚一些，基本上在100～400千米之间。由于地壳和上地幔顶部都是由岩石（花岗质岩、玄武质岩和超基性岩等）组成的，所以地质学家们把它们统称为岩石圈。[2]

二、关于岩石圈属于哪一圈层的争议

从中学地理教学角度，岩石圈的归属圈层问题是大家争论的焦点。

1．岩石圈属于地球的外部圈层

人教版教材在“地球外部圈层示意图”中标示出了岩石圈，同时称“地球的外部圈层包括大气圈、水圈、生物圈等”，[3]图示加上文字表述中的“等”字，让人产生了编写者是否也有将岩石圈归入外部圈层倾向的猜想。

华东师范大学金祖孟教授主编的《地球概论》一书中也提到“地球表面由岩石构成。它主要是岩浆岩，即从地内上升的炽热岩浆冷凝而成的岩石。在岩浆岩上面，往往有一层较薄的沉积岩（一般不超过4～5km）和更薄的土壤覆盖层。地球的这一表层，包括岩浆岩、沉积岩和土壤覆盖层在内，被叫做岩石圈。它属于地球的外部圈层。”[4]

中科院地理科学与资源研究所研究员陈百明老师在《地理知识大观》中明确表示“地球圈层的外部圈层包括岩石圈，与人类关系密切，备受科学家重视，是现代地球科学中研究最多、最详细、最彻底的部分。地球的岩石圈、软流圈和地球的内部圈层（地幔圈、外核液体圈、固体内核圈）一起构成所谓的固体地球。”[5]

美国帕迪利亚（Paddy Leah）主编的《地表演变》一书将地球表面分为四大圈层（岩石圈、水圈、大气圈和生物圈），并认为“岩石圈是由各大陆和面积稍小的岛屿组成，一直延伸到整个洋底。平坦的平原，起伏的丘陵，河谷，以及巍峨的山峰，都是岩石圈的一部分。”[6]

同时有的教师认为岩石圈是固体地球的最外层，圈层中蕴含有水、生物和大气（从整个岩石圈的原子组成来说，氧占60．4%，其次才是硅、铝、氢等元素[7]），表层还覆盖有土壤，与人类关系十分密切，可归为外部圈层。[8]

2．岩石圈属于地球的内部圈层

A组仅采用椎弓根钉内固定系统治疗。患者全麻后取俯卧位，以骨折部位为中心做后正中切口，暴露伤椎及相邻正常椎体。使用椎弓根钉内固定系统在伤椎上下相邻2个椎体的椎弓根处置入导针定位，在C形臂X线机透视下证实导针位置合适后，于伤椎上下相邻2个椎体的椎弓根处植入4枚螺钉，螺钉深度达椎体前2/3处。若患者椎管内有骨块压迫或神经损伤先行椎板减压术，若无神经损伤则在C形臂X线机透视下行伤椎撑开复位。冲洗切口，置引流管，缝合切口。术后患者卧床3 ～ 5周后佩戴支具下床活动，4个月后去支具活动。

岩石圈为实体地球的一部分，它包括地壳和上地幔的顶部（软流层以上）的固体岩石部分，而地壳和上地幔的顶部都属于内部圈层。[9]

班武奇、陈树杰在《板块构造学说的来龙去脉》一书中研究地球内部概况的时候，认为岩石圈是随着地球科学研究不断深入，为了更好地研究地球表层物质运动的特点，划分出来的一个地球内部的圈层。[10]

白武明在《地球动力学》一书中从固体地球物理学的角度探讨了岩石圈的各种动力学原理，他认为“地球在形成和演化过程中，通过物理和化学分异的作用，使得地球内部逐渐形成圈层结构。其中岩石圈的基本特征是能有效地传递地震波和具有高的地震波速度。”[11]

目前现行高中地理四种版本的地理教材主要也是

把岩石圈放在“地球内部圈层”内容中进行阐述。表1显示：虽然不同版本教材对岩石圈内容的叙述和处理不尽相同，但是对于岩石圈的空间位置范围的处理是基本一致的，即主要将其置于“地球的内部圈层”中，或通过文字直接表述，或以图像形式呈现。

表1 高中地理四种版本教材对岩石圈内容的处理

三、岩石圈应该属于地球内、外圈层之间的过渡圈层

“岩石圈的范围”这一知识点是高中地理中重要的内容之一，也是学业水平测试、高考的重要考点之一。弄清楚岩石圈的范围及所属的圈层对于学生理解岩石圈的物质循环非常重要，并且对理解它对人类活动的影响，理解四大圈层与地理环境的关系等问题有重要意义。

笔者请教了地理教学、自然地理学、岩石学方面的几位专家①，他们给出了自己的理解。

华中师范大学博士生导师吴宜进教授认为“岩石圈属于哪一圈层”的问题应该从它的概念、组成方面进行分析。岩石圈是软流层以上的坚硬岩石组成的圈层，其内部的物质成分与地幔更接近，从地质学角度分析应该属于内部圈层；但是其表层附着了很薄的沉积岩层和土壤层，与大气、水体、生物关系密切，从地理学角度看又是一个比较特殊的圈层。

中国地质大学（武汉）博士生导师马昌前教授认为岩石圈是地球表层的刚性固态部分。最新研究表明其内部的构造分层非常明显，受地幔物质的影响比较大，说它是地球内部结构的一部分无可厚非。但是其圈内也会孕育生命，与大气圈、水圈、生物圈互相影响。因此从这一角度说岩石圈是介于内、外圈之间的过渡圈层也是可以的。

综上所述，本文提出以下观点：面向中学地理教学，岩石圈应该属于地球内、外圈层之间的过渡圈层。

科学研究表明，数十亿年前，原始地球是一个刚从太阳星云中分化出来的接近均质的物体。主要由碳、氧、镁、硅、铁和镍等元素组成，没有明显的分层现象。地球圈层的分化过程同整个地球的温度变化过程密切相关。放射性元素的辐射能量在地球内部的积累，使那里的温度逐渐升高，因而物质就有了可塑性，加上重力的作用，物质便发生分异，逐渐形成性质不同的圈层，不同圈层间存在着相互联系。[12]

1．地球的内、外圈层的划分依据不一样

中学地理教材中所说的地球外部圈层主要是依据地表物质的构成来进行划分的，可分为大气圈、水圈和生物圈。这三个圈层在固体地球的表面之上，与人类息息相关，是地理环境的有机组成部分，对它们可以用直接观测和测量的方法进行研究，而地球的内部圈层结构是无法直接观测的，现在已知的最深钻孔不过12千米，[13]科学家们只有依靠观测地震波在地下不同深度传播速度的差异和变化来判断地球固体表面以内的构造，并在此基础上把地球内部划分为地壳（圈）、地幔（圈）、地核（圈）三个基本圈层。而岩石圈并不在内外圈层划分类属的名称体系中，是一个特殊的圈层，笔者认为应介于内部圈层和外部圈层两者之间，如图1[14]所示。

2．岩石圈的分化与内、外圈层都有密切联系

岩石圈是固体地球最外面的坚硬部分，它的分层并不依据地球物理方法（地震波等形式），而是利用各种物质的物理性质进行科学划分。同时其表面直接与大气圈、水圈等联系在一起，在太阳辐射和地球重力驱动下，与大气圈和水圈物质运动构成了地表动力系统，这是可以直接观测、测量的。从这两点来看岩石圈应该不属于内部圈层。

岩石圈又是地幔软流圈以上的坚硬岩石部分，主要存在于内部圈层，地表下存在各种岩石的物质循环。这其中包括属于地壳的硅铝层（花岗岩层）、硅镁层（玄武岩层）和属于上地幔最上部的超基性岩层（橄榄岩层）。[15]现在所知的各种构造活动主要发生在岩石圈范围内，板块构造理论的构造单位—板块，即是由岩石圈划分而成的不同块体。坚硬岩石圈覆盖于软流层之上，地壳的均衡调整藉此进行。由此可见岩石圈与地球的内部圈层关系十分密切，因此也不能说岩石圈属于外部圈层。

图1 地球圈层结构知识框图

可见岩石圈是介于内部圈层和外部圈层之间的一个圈层（图1），具有过渡性，包括地壳和上地幔的顶部，即软流层之上的固体岩石部分。[16]

四、岩石圈分层内容的中学地理教学指引

岩石圈的分层问题比较特殊，大部分空间范围处于内部圈层的空间范围中，但它又与外部圈层有着千丝万缕的联系，并与外部圈层之间进行着物质交换和能量转化，从而构成了人类生活的地球表层。在中学地理教学过程中，很难把它的归属问题表述清楚，很多教材就采取了弱化、模糊的处理办法和形式，或者借助于图来模糊表示。

中学地理教学过程中要了解岩石圈的范围，知道它和其他圈层之间的关系，认识到它的过渡性，更重要的是能够通过岩石圈分化的解读，理解其物质循环的意义，即地壳物质在其自身不断循环和转化的同时，与地球内部和地球外部也在不断地进行物质与能量转化；且与地表岩石的形成、地貌的变化、土壤层的发育以及矿产资源的形成（例如煤、石油、天然气等）都有着密切的关系。教学中利用学术界对此问题的争论或质疑进一步引导学生学会辩证地看待问题，结论不是最重要的，获得结论或最终未能获得结论的学习过程都是实现教学目标的重要途径。

注释：

①李家清、吴宜进、马昌前老师分别是地理教学、自然地理学、岩石学领域的专家，他们从自己研究的角度谈了看法，让人深受启发。在此对他们百忙之中的讲解深表感谢。

②人类属于生物圈的一部分，也有人强调人类的重要性和特殊性，单分出一个“智慧圈”，这样就有五大圈层。

[1]孙荣圭.地质科学史纲[M].北京:北京大学出版社,1984.

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

[3]人民教育出版社.普通高中课程标准实验教科书地理必修I[M].北京:人民教育出版社,2010.

[4]金祖孟.地球概论（第三版）[M].北京:高等教育出版社,1997.

[5]陈百明,张笑恒.地理知识大观[M].北京:时事出版社,1993.

[6]帕迪利亚（美）（吉云松,王张华译）.科学探索者—地表的演变[第二版)[M].杭州:浙江教育出版社,2010.

[7] G.E.赫钦逊等[华北农业大学植物生理教研组译).生物圈[M].北京:科学出版社,1974.

[8]世纪气象.天文地理.地球圈层结构及概况. [EB/ OL].http://www.21cma.net/thread-5555-1-1.html.

[9]柳斌.中学教学全书·地理卷[M].上海:上海教育出版社,1996.

[10]班武奇,陈树杰.板块构造学说的来龙去脉[M].北京:科学出版社,1984.

[11]白武明等.地球动力学[M].北京:地震出版社,2003.

[12]孟凡刚,孙彦顺.地球的圈层结构[J].地理教育,2009(4):11.

[13]赵国隆.世界上最深的钻孔[J].国外地质勘探技术,1985(3):27.

[14]人民教育出版社.普通高中课程标准实验教科书地理必修I教师教学用书[M].北京:人民教育出版社,2009.

[15]何钟.自然地理学[M].北京:水利电力出版社,1991.

[16]陈澄,樊杰.地理课程标准（实验）解读[M].南京:江苏教育出版社,2003.