再谈莫霍面、地壳和岩石圈

孟祥宏

（中国人民大学附属中学, 北京 100080）

再谈莫霍面、地壳和岩石圈

孟祥宏

（中国人民大学附属中学, 北京 100080）

本文通过参考地质学的研究论文和著作，图文并茂地介绍了莫霍面处地震波突变的特点和原因。通过“北美大陆地形与莫霍面剖面图”和“青藏高原地形与莫霍面剖面图”论述了地壳的厚度取决于莫霍面的起伏而不是地表形态的起伏。最后，阐述了地质科学家在划分出地球内部圈层的基础上，提出岩石圈的原因和岩石圈成为科研热点的过程，以及岩石圈在中学地理教学中的意义。

莫霍面剖面；岩石圈；地壳

1909年，莫霍洛维奇研究巴尔干半岛的克罗埃西亚地震时，发现大陆下50km处，地震波出现明显的不连续突跳，后来被证明该地震波不连续面在全球普遍存在，被定义为划分地壳与地幔的界面，即：莫霍面[1]。1914年巴雷尔•约瑟夫（Barrell）从力学强度（刚性和流变性）角度，提出岩石圈和软流层[2]。这都对地质学的研究具有重大的意义，至今仍是地球科学研究的热点[3]。目前，由于四种版本的高中地理必修教材阐述莫霍面、地壳和岩石圈内容的图、文较简略，学生无法对莫霍面和岩石圈的底面进行直观的认识，容易混淆地壳、软流层与岩石圈三者位置，不理解划分地壳和岩石圈的意义。本文通过参考地质学著作和科研论文，对莫霍面处地震波突变的特点和原因，莫霍面的起伏与地壳厚度，岩石圈的存在意义进行介绍。

一、莫霍面处地震波突变特点和原因

地震波中的纵波（P波）到达莫霍面后，其速度由平均6～7km/s突增为8km/s，横波速度也有突增特点[4]。目前，从高中地理教材中的地球内部圈层的示意图中，难以直观地看出地震波在地壳内部和莫霍面处的速度变化特征及地壳厚度是如何变化的，如图1。

图1 各版本教材中划分地球内部圈层的示意图

在科学研究的实测地震剖面图中，能清楚看到地震波在莫霍面处的突变情况，如图2左。教师在介绍莫霍面时，如果把教材示意图和实测图整合成一张图，如图2，学生既能看到地球内部圈层的整体面貌，又能观察到莫霍面处地震波传播速度明显增加的真实情况。

图2 实测地震波速剖面图和地球内部圈层示意图

有关莫霍面处波速跳动的原因，岩石学家研究认为，莫霍面是一个起伏不平，厚薄不一的“过渡带”，厚度达3-5km，由不同岩性的变质岩夹层组成，莫霍面以上，是大家熟知的下地壳部分，为基性的“玄武岩”（又称硅镁层），平均密度为2．9g/cm3，以下为上地幔顶部的“地幔岩”，为超基性的“橄榄岩”，平均密度为3．5g/cm3，成分上的变化使得地震波速变化[5][6][7]。地球物理学家研究表明，莫霍面处的岩石弹性变化导致地震波速变化，而且，莫霍面还是重要的磁性界面和重力场界面，其上岩石磁化强，其下岩石磁化弱[8,9]。可见，莫霍面上、下的岩石在岩性、磁性和物理性质上均不同，可以认为是一个“化学面”，是科学研究的热点问题，作为划分地壳与地幔的界面具有重大意义。

二、莫霍面的起伏与地壳厚度

教材对于地壳厚度的介绍内容，除了鲁教版配有“岩石圈结构示意图”（图3），其余版本教材没有配图，只用文字叙述了地壳厚度不一，平均为17千米。教师经常用图4来示意地球圈层结构，说明地壳的大陆部分较厚，大洋部分较薄。图4的问题是，容易使学生误认为莫霍面是均一的，地壳的厚度变化取决于地表的起伏。实际上，地壳厚度差最大有70km[10]，而地表最大落差还不足20km（珠穆朗玛峰和马里亚纳海沟的高度差），因此，地壳厚度变化的主要影响因素不是地壳的上表面，而是地壳的底面，即：莫霍面的起伏。众所周知，地壳分为上下两层，上层为酸性的花岗质层（硅铝层），该层在山区和高原可达40km，在海洋地区较薄甚至消失，是不连续层。下层为基性的玄武岩（硅镁层），在陆壳和洋壳均存在，是连续层。所以，陆壳较厚，为双层结构，洋壳较薄，一般为单层结构[11]，如图3。

图3 鲁教版教材中“岩石圈结构示意图”

图4 地球圈层结构示意图

研究表明，莫霍面在横向上是极不均一的，即：不同地方的莫霍面深度变化很大[12]。可以说，地壳厚度的变化主要体现在莫霍面的起伏而不是地表形态的起伏，如图5。山地地区，莫霍面相应下降，构成所谓的“山根”，凹陷的盆地往往是莫霍面隆起，或者说，地形和莫霍面呈现出倒影关系[13]，如图6。

图5 太平洋至大西洋横穿北美大陆的地形与莫霍面剖面图（引自 Press,1978）

图6 中亚地壳西藏至准噶尔（沿85°E）的地形与莫霍面剖面图（据王谦身，1979）

三、岩石圈的存在意义

在概念上，岩石圈一直是相对于软流圈来说的。在1914年，巴雷尔•约瑟夫（Barrell）从力学强度（刚性和流变性）角度，提出两者的概念，即：岩石圈是具有高强度（刚性）的地球外壳，其下是软流圈，具有可塑性，可以提供重力均衡补偿[14]。当初，仅从物理的力学角度划分出岩石圈和软流圈，不具有十分重要的意义。

后来，在科学研究中，随着地球科学理论的完善和研究技术、方法的提高，特别是20世纪六、七十年代提出板块构造理论，即：岩石圈代表若干浮于软流圈之上的保持刚性的板块，板块之间发生会聚、发散、侧向滑动等相对运动，并在边界处产生相互作用，促进地球的物质循环，这可能是地球上大多数地震和火山活动的起因。至此，岩石圈作为板块构造学说的基础，才一直成为地球科学家研究的焦点内容，甚至比莫霍面具有更重要的意义。

具体到中学地理教学，岩石圈作为联系地球外部和内部的一个重要圈层，促进了圈层之间物质和能量的交换，这正是岩石圈的存在意义。使学生从本质上理解划分岩石圈的意义，可以为学习后面章节中的板块构造运动和岩石圈的物质循环等内容做好铺垫。针对岩石圈在内部和外部圈层的归宿问题，肖擎老师已给出详细介绍，在此不再赘述[15]。

综上所述，地壳和岩石圈是地球科学家从不同的研究角度提出和划分的，各自具有重要的研究意义。因此，在教学中，介绍或探究：“在科学研究中，地球科学家划分了地球的内部圈层，又提出岩石圈以及岩石圈成为研究焦点的过程”，既可以使学生理解地球内部圈层的划分和岩石圈的存在意义，又逐步培养了学生从多个角度辩证地看待科学研究问题的能力。

参考资料：

[1][12] 高名修.莫霍洛维奇不连续面[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] 陈凌,朱日祥,王涛.大陆岩石圈研究进展[J].地学前缘,2007,14(2):58-74.

[4] 夏邦栋.普通地质学[M].北京:地质出版社,1984.

[5][10] 陆廷清,陈晓慧,胡明.地质学基础[M].北京:石油工业出版社,2009.

[6] 黄定华.普通地质学[M].北京:高等教育出版社, 2004.

[7] 马昌前.莫霍面,下地壳与岩浆作用[J].地学前缘,1998,5(4):201-208.

[8] 杨坤光,袁晏明.地质学基础[M].北京:中国地质大学出版社,2009.

[9] B.B.别洛乌索夫.地球构造圈[M].北京:地震出版社,1983.

[11] 宋春青,邱维理,张振春.地质学基础[M].北京:高等教育出版社,2005.

[13] 陈国达,历史-因果论大地构造刍议[J].大地构造与成矿学,1992,(1):1-71.

[15] 肖擎.岩石圈属于地球内部圈层还是外部圈层[J].中学地理教学参考,2012,(5):21-22.