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如何认识地球深部结构——固体地球物理学的六种分支学科概述
发布时间：2020-04-28 来源：未知 点击次数： 打印 作者：admin
地球物理学是一个多领域知识高度交叉、高度融合的综合学科。按照应用范围的不同可以分为勘探地球物理学（以油气矿藏为目标）、固体地球物理学（以地球系统为目标）、空间地球物理学（以宇宙天体为目标）、城市地球物理学（以人文环境为目标）等。今天给大家介绍以整个地球系统为研究对象的固体地球物理学，其中包括六种分支学科：地震学、地球重力学、地磁学、地电学、地热学和地球放射性等。
说到认识地球深部结构，人们最先想到的是钻探取芯方法，包括科学钻探、油气钻探等。目前国际上的深部钻探已经取得了很大进步。但是地球的半径为6000公里，仅大陆地壳厚度就有40公里左右，所以即使是最深的钻井依然只能达到地球深度的0.2%，所以认识地球还需要借助间接的探测方法，即固体球物理方法。
图0-1 认识地球的直接方法—深部钻探
固体地球物理学以地球为模型，通过系统而完善的理论研究，结合深部探测数据，来认识大尺度（全球尺度、国家尺度、区域尺度等）的地球结构。最终目的是了解地球的圈层结构及物质组成、大地板块构造与地球动力学模式等。公众号文章《世界地球日——十分钟带你领略地球（附视频）》已经对固体地球的上述知识进行了介绍，本文着重介绍固体地球物理学的六种分支学科（表0-1）。
表0-1 固体地球物理学的六种分支学科
图1-1 天然地震现象及内部物理机制简图
（3）地震的观测与成像
地震台站是为了监视地震的发生，记录地震相关参数而架设的。根据台站的工作时间的不同，可分为固定台站和流动台站两种，其中，长期进行地震观测的台站称为固定台站，而短时期内进行观测的台站称为流动台站。全球地震台网GSN由128个超宽频带数字式观测台组成；为研究地球构造与地震而设立的极高质量的标准地震台。我国的国家数字地震台网也完成了152个国家级固定台站的建立，台站布局采用均匀分布的原则，是一个覆盖全国地震监测台网，除青藏高原外，台站之间的间距约250 km。此外，还有800多个地区级固定台站也在工作。据不完全统计，我国目前运行的固定台站超过1000个。
（4）地震波场与地球结构
地震波场是认识地球深部结构最有效的方法，利用地震学原理估计地球地下的性质。基于地震波场数据，地球内部的主要分层及速度结构在20世纪30年代已取得了基本完整的研究结果（图1-3）。1909年10月8日，克罗地亚地震学家莫霍洛维奇（Andrija Mohoroviic）在研究距克罗地亚境内萨格勒布约40千米的地震记录后，发现在P波之后有一明显的波群P，他认为是在地表下50千米深度处由于物质发生急剧变化，使下层纵波传播速度大于上层纵波传播速度所致，扩展到全世界，从而发现了地壳与地幔分界面。1914年，美国学者古登堡（Gutenberg）发现地下2885千米处存在地震波速的间断面，纵波突然降低，而横波则消失。并且在该不连续面上地震波出现极明显的反射、折射现象。后证实这是地核与地幔的分界层。1936年，丹麦地震学家莱曼（Lehmann）女士在1936年首先发现，从2900 km以下进入地核，P波速度逐渐回升，S波速度为零，直到大约5300 km深处．S波才出现，P波速度也呈现明显跳跃，成为地球内部的第三大间断面。横波不能在外核中传播，表明了外核的物质在高温和高压环境下呈液态或熔融状态。它们相对于地壳的“流动”，可能是地球磁场产生的主要原因。一般认为地球内核呈固态。内核中的横波由外核中的进入内核的时候发生转变形成。从1956年开始澳大利亚地震学家布伦（Bullen）对地幔做了进一步地分层的研究，地幔中在400 km和67 0km深处存在两个不连续面，认为地幔由上地幔、过渡层（速度变化不均匀）和下地幔（速度变化均匀）组成。
图1-3 通过地球地震波的性质来推测地球内部结构和物质组成
图1-4通过地球震荡认识地球内部结构
2、地球重力学
地球重力学的主要研究内容包括：地球重力场的大地位球函数、地球形变(地壳均衡、固体潮)、地球重力场观测与数据解算等。
（1）地球重力场的大地位球函数
地球重力由地球的引力、地球自转离心力组成。地球物理学中所称的重力（重力场强度）为单位质量所受到的重力即为重力加速度。在地面上重力加速度是随地点的不同有所变化。其变化的原因主要有：地球不是一个圆球体，而是北极略凸，南极略凹的扁球体，同时地球自然表面是起伏不平的；地球绕轴作自转运动，绕太阳作公转运动，月球绕地球运动；地球内部的质量（密度）分布不均匀，这种不均匀是复杂的地质构造作用造成的。
用质量等于地球总质量、以地球自转角速度绕其极半径旋转的旋转椭球来模拟真实地球，用这种地球模型，在其表面上和外部空间产生的重力场称为地球的正常重力场。真实地球与正常场地球模型的密度分布不同在该点产生的重力场为重力异常场。地球在其外部空间产生的引力位称为大地位，大地位满足拉普拉斯方程，它可以展成球面函数的无穷级数和。随着空间技术的发展和地面重力测量结果的不断积累，现在可以确定大地位的球函数展开系数，尤其是其展开中的低阶项系数。
大地水准面是一个特殊的重力等位面。由于地球表面70%以上为海水覆盖，因此，通常用大地水准面表示地球的基本形状。如果海水面是一个平静，这个水准面即为大地水准面。但海水面永远不会平静，所以，一般是将平均的海平面作为大地水准面，大地水准面也是一个十分复杂的曲面。
图2-1地球各圈层密度垂向变化及大地水准面示意图
如果把地球视为呈层状均匀的球体，则可通过积分获得地球内部重力场。若不考虑离心力，地球内部引力位可视为由不同密度的层圈在观测点处产生的引力位。将密度代入公式计算，可得出地球内部重力场的随深度的变化。按照上述假设，自地面到深度为2400公里处，重力场变化很小，可近似视为常量，在核幔边界上达到最大值，这是由于地核密度突然增大的缘故。进入地核以后，重力值随深度迅速衰减，至地心重力为零。地球表面的重力场可以测量得到，利用格林定理可以得到地球表面引力位，进一步向上延拓可计算出空间任意点的引力位。随高度增加，位场特征从复杂到简单，即分辨率降低，场值由大变小；随高度增加，位场特征从反映局部到反映全局。
图2-2距地面不同高度空间重力场
（2）地球形变(地壳均衡、固体潮)
地壳均衡：科学家们认为从地下某一深度起，相同截面所承载的质量趋于相等．这个概念叫地壳均衡。地面上大面积的地形起伏，必然在地下有所补偿。目前有两种地壳均衡模型：Pratt模式与Airy模式都。
固体潮是指在日、月引潮力的作用下，固体地球产生的周期性形变的现象。用精密仪器可以观测到地球的固体表层也有和海洋潮汐相似的周期性升降现象，陆地表面的升降幅度因此可达7～15 cm。日、月引力引起地球周期性形变，表现出重力变化称为重力固体潮。需要给以校正。重力固体潮变化由不同周期信号叠加而成。
（3）地球重力场观测与数据解算
全球尺度的重力观测主要借助于航空卫星或重力台站，90年代中期，NASA和ESA先后推出地球物理卫星计划。CHAMP、GRACE、GOCE为三颗对地观测卫星，持续地观测全球重力和磁场及其变化。测量的地球重力场数据需要经过一系列计算才能用于反映地球结构，包括纬度改正、高度改正、中间层改正、地形改正、均衡改正等。
图2-4 三颗地球重力场观测卫星及CHAMP卫星得到的全球重力异常
3、地磁学
地磁学的主要研究内容包括：地磁场的高斯分析、地磁场的起源、地球古地磁场、地磁测量和磁测仪器等。
（1）地磁场的高斯分析
地磁场由各种不同起源、不同变化规律的磁场成分叠加而成。根据场源位置，可将地磁场分为稳定磁场（内源场）与变化磁场（外源场）两部分。稳定磁场又可分为基本磁场和异常磁场。基本磁场起源于地核或核幔边界的电流体系的磁场。是地球磁场的主体，具有全球性分布，从地核一直延伸到地球外部空间很远的地方。异常磁场，起源于地壳内的磁性物质感应产生的磁场。由于场源深度浅，它在地球表面上呈区域性分布，典型范围约数十公里，而且随着离地面高度的增加而迅速衰减。描述地球磁场方向和大小的6个物理量称为地磁要素：包括磁总场、北分量(x分量)、东分量(y分量)和垂直分量(z分量)。磁偏角(D)、磁倾角(I)、总磁场强度(T)及其各个分量。
图3-1 地球磁场的组成及地磁要素示意图
地磁学和地电学的理论基础都是麦克斯韦方程组。根据麦克斯韦方程组，近地空间磁标势满足拉普拉斯方程，为了研究全球的地磁场分布，采用地心球坐标系。球心为坐标原点，自转轴为极轴。求解拉普拉斯方程，通过分离变量法、勒让德函数、施密特准归一化得到球坐标系下拉普拉斯方程的通解。对于磁标势的多极子展开式，如果在地心处放置一个磁偶极子，它所激发的磁标势正好是n=1的三项；如果在地心放置一个磁四极子，则它的磁标势为n=2的五项；以此类推，如果在地心处放置一个磁2^n极子，则它的磁标势为n=N的（2N+1）项球谐项。因此，任何一个复杂的磁场可以看成是一系列磁多极子的叠加。
图3-2 电磁现象数学物理基础—麦克斯韦方程组
地球基本磁场展开成高斯级数，n=1的三项磁场称为地心偶极子场，而n≥2的各项称为非偶极子场，又称为大陆磁异常。非偶极子场与偶极子场有不同的长期变化特征，非偶极子场具有较快的随时间变化。目前主要倾向于认为：非偶极子场主要起源于核幔边界处的若干电流体系，而偶极子场则起源于液核内部的电流体系。
为了对基本磁场的高斯系数给出一个全世界通用的标准，从1968年开始，国际地磁和空间物理协会（IAGA）相继讨论和通过了几个不同年代的基本磁场模型，称为国际地磁参考场（International geomagnetic reference field，IGRF) 。它由一组高斯球谐系数和年变率系数组成，表示地球基本磁场和长期变化。每五年发表一次球谐系数，及绘制一套世界地磁图。其他年份的高斯系数，由相邻两个模型经线性内插得到，或者由IGRF提供的年变率计算得出。在地图上将某一地磁要素具有相同数值的点用光滑曲线连接起来，绘制出该要素的等值线，一系列具有不同数值的等值线就构成了一副地磁图。
图3-3 全球磁偏角（D）和磁倾角（I）等值线图
（2）地磁场的起源
关于地磁起源的假说，最早有大磁球、旋转磁效应、旋转电荷、旋转物体固有磁矩等假说。以上这些假说，除了各自的不足之处，还有一个共同的问题，就是都无法解释地磁场倒转现象。这些假说也都没有把地磁现象与其他地球物理现象结合起来考虑，没有把地磁起源与地球内部构造结合起来考虑。
大约从20世纪40年代以后，由埃尔萨塞、布拉德等人逐步发展起来的液核发电机理论，目前被认为是最有希望的地磁起源学说。基本想法是假设在某一时刻，在液核中存在一个初始的微弱磁场（称之为“种子场”），那么由于液核中导电物质的运动，就将在液核中产生感应电流；这个感应电流反过来又产生一个磁场，叠加在原来的种子磁场之上；在适当的条件下，种子磁场可以被加强并可能保持征一个具有较高强度的稳定状态，而这就是我们所观测到的地球基本磁场。形象地说，液核就象是一台不停运转的发电机，电磁感应使它产生着电流和电流的磁场。
古地磁研究表明，地磁场至少已存在10亿年，因此，如果地核发电机理论是地磁起源的正确解释的话，那么地核内必定存在某种能源，它是长寿命且足够功率的，能在长达10亿的时期内不断地以每秒钟1亿-10亿焦的速率向液核发电机提供能量。
可能的能量来源包括：液核中的放射性元素(例如钾)蜕变释放热能；重力分异作用释放引力势能；内核凝固增大释放潜热；地球进动过程中，地幔对地核做功而传递机械能；地球形成时的原始热能等。但是，所有这些可能的能量来源，它们是否真的存在；是否具有足够的寿命、功率与效率以及怎样转变为电磁能量，都还没有得到肯定的结论。
2005年宋晓东团队在《科学》上发表研究成果，证实地球内核的超速旋转，指出地球内核的旋转速度每年要比地幔和地壳快0.3到0.5度，也就是说，地球内核比地球表面构造板块的运动速度快3万倍，新发现有助于解释地球磁场是怎样产生的。
图3-4 地球磁场起源假说—液核发电机理论
（3）地磁场的观测与变化
全球尺度地磁场的观测借助于国际地磁台网和地磁卫星。INTERMAGNET（国际实时磁观测网）是一个全球性的研究机构联盟，使用地面磁力计，记录地球随时间变化的磁场的绝对水平。 EMAG2地磁模型根据卫星、船舶和航空磁测量数据编制。磁异常是地质特征增强或减弱局部磁场的结果。这些地图增加了关于地壳地下结构和组成的知识。全球磁异常网格可用于用于岩石圈演化研究。
图3-5 全球地磁台站（http://www.meteo.be/IAGA_WG_V.1/）
地球基本磁场随时间的缓慢变化。不同年代的地磁图，等值线的形状和位置在缓慢地变化。尽管非偶极子场的强度比偶极子场要弱得多，但是它随时间的变化却比偶极子场更剧烈。19世纪以来，地球磁矩几乎一直是单调下降的，下降的速率约5%/世纪。与此同时，地球的四极矩却以40%/世纪的速度在增加，这意味着，非偶极子场成分在基本磁场中所占的比重越来越大。英国地磁学家布拉德计算零值等偏线的位置移动，得出漂移速度为向西每年约0.20的结果。沿某一纬度圈计算磁场相位的变化速度，利用台站观测值计算视漂移速度。可以认为，西向漂移是非偶极子场长期变化的主要特征。地磁场二阶时间导数的突然改变（地磁场年变率曲线斜率急剧变化）。地磁场“突跳”（地磁急变）；地磁场二阶时间导数的突然改变（地磁场年变率曲线斜率急剧变化）。一部分研究者认为，突跳是一种起源于地球内部的、世界范围的现象，另一部分研究者认为，这是一种起源于地球外部的、区域性的现象。关于这个问题的进一步深入研究，有可能对揭示地核流体的动力学过程、核幔耦合及地幔导电性能具有深远意义。
（4）地球古地磁场
古地磁学是通过测定岩石的天然剩余磁化强度来研究各个不同地质年代的地球磁场。有助于使人们有可能纵观地磁场的历史演变，为地磁起源理论提供事实依据；为大陆漂移、海底扩张学说和板块构造理论提供决定性证据，还为许多地质学实际问题提供新的有效手段。研究途径主要是地球岩矿石的天然剩余磁化（NRM）。岩石在大自然条件下获得的剩余磁化。自然界中大多数岩石都含有少量的铁磁性矿物，这些铁磁性矿物被地磁场磁化并保留了一部分剩余磁性，岩石的NRM正是由这些铁磁性矿物颗粒所携带的。天然剩磁的形成机制包括：热剩磁、化学剩磁、沉积剩磁、等温剩磁、粘滞剩磁等。
图3-6 古地磁、海洋磁异常为大陆漂移、海底扩张过程提供证据
4、地电学
广义的地球物理电法包括直流电法、激电法、瞬变电磁法、可控源电磁法、大地电磁法、自然电位法、充电法、震电法等一系列方法理论。但是，能以固体地球整体为对象，进行地球圈层和板块尺度探测的电法只有天然源的大地电磁法。
（1）地球电磁学原理
在地表以上的空间，存在着各式各样的交变电磁场，并以电磁波的形式进行传播。地球至外太空一切可产生电磁波场的电磁活动均可以是天然电磁场的源。大多数地球天然电磁场的源都与太阳活动有关，比如由太阳风与地球磁层和电离层相互作用引起的地磁脉动、地电磁湾和磁暴等。此外，远距离的气象活动和人文活动也可产生电磁波场，比如与雷暴活动相伴随的闪电等，人工电力、无线电台以及其他工业器件引起的发射等。
地球可以看做一个导电体，其内部不同圈层、不同岩石、矿物，由于内部结构和外部物理条件的差异，具有不同的电性特征。大地电磁测深的理论基础是不同频率的电磁波具有不同穿透深度（如图，在大地电阻率相同的情况下，电磁波高频成分波长短，衰减快；低频成分波长长，衰减慢），在地表观测完整的电磁波场时间序列，经过相关的数据处理和分析得到从高频至低频的电磁信号，就可以进一步获得地球从浅至深的电性结构。不言而喻，对于勘探来说，需要的是能深入地下, 并且反射而回可予测量的电磁波。其频率应大致在100 kHz 以下。频率再高，对一般岩层，是难于穿入较深的。
图4-1地球介质电阻率及电磁场穿透深度
随着大地电磁测深方法的进一步应用，人们发现，把地球看作均匀层状介质的假设并不完全成立，比如断层、褶皱、倾斜、推覆等复杂地质构造，非常规油气藏、煤层、金属矿藏等都复杂地质体都具有明显的二/三维特征，仅靠单一方向的正交电场和磁场进行计算有可能带来误解。由此，人们提出了张量大地电磁测深法，即在地表某一给定测点同时观测两个水平正交分量电场、两个正交分量磁场和一个垂直分量磁场。进一步通过数据处理可以得到张量阻抗和张量相位，此时大地电阻率已不再是一个标量，而是一个张量，通过张量分析可以极大提高大地电磁法在二维、三维勘探中的效果。在二维勘探中，可以通过张量分析进行地电介质维性判断，提高二维解释精度，在三维勘探中，通过张量阻抗分解和张量相位分析，可以压制浅层不均匀体引起的静态效应，突出深部异常，从而保证地球深部结构探测的深度与精度。
图4-2大地电磁的观测方式及仪器
（2）大地电磁观测与地球电性结构
2004年，美国开始了“地球透镜计划（EarthScope）”，其中，“大地电磁阵列”是整个计划中的重要部分，是一个大陆尺度的大地电磁场观测计划，它将为北美大陆的构造与演化提供新的约束。2007年，澳大利亚启动了新的一轮地球探测计划（AuScope），其中岩石圈结构大地电磁探测项目（AusLamp）是其中一项重要内容，通过大地电磁阵列观测，获得澳大利亚岩石圈三维电性结构模型，为整个澳洲的岩石圈结构演化以及资源分布提供基础的地球物理信息。中国“深部探测技术与实验研究专项”也设立“大陆电磁参数标准网实验研究（SinoProbe-01）”项目，解决大陆尺度、阵列式大地电磁场标准网观测计划的关键技术问题，研究具体的实施方法技术，并提供示范性成果。
图4-3 美国（EarthScope）、澳大利亚（AuScope）中国（Sinoprobe）深部探测计划布置的大地电磁测点
地电学与地磁学密切相关，地球电导率的获得需要电场数据，也需要地球磁场数据。Kelbert等人利用长期地磁响应函数来推导一个关于地幔中电导率变化情况的全球尺度的三维模型。他们的研究显示，地幔过渡区（深度在410公里到660公里之间）的变化为大约一个数量级，其中在温度低的、地震波传播快的区域电导率高（那些地方的板块已经下潜）。这一结果支持以下观点：过渡带中的水至少有一部分被冷的下潜板块带到了该区域。
图4-4 全球尺度地幔电导率分布（Kelbertet al., 2009）
5、地热学
地热学的主要研究内容包括：地球岩石热物理特征、地球热源与大地热流、地球内部温度分布、地球的热历史等。
（1）地球岩石热物理特征
地球的地热场（或温度场）表示地球内部各圈层中的温度分布状态。地球内部温度分布不仅与空间位置有关，而且还随时间变化。我们把地温度场内某点的温度是随时间变化，则称之为非稳定地热场，不随时间变化称为稳定地热场。热流密度被定义为在单位时间内流过单位面积的热量，它是一个矢量，以温度降低的方向为正。它等于岩石热导率与相应地温梯度的乘积。地球介质与温度场有关的物理量有热导率、比热容、热扩散率、生热率等。热传递方式有热传导（声子传热）、热辐射（光子传热）、热激发(激子传热)、热对流（对流传热）等。
（2）地球热源与大地热流
地球的热量来源包括：地球形成时的温度、放射性元素生热、形成地核过程中产生的热量、地月潮汐摩擦等其它形式的热源。地球的内部就像一个巨大的热电站，由对流提供能量，通过从深埋地下的岩石中获取能量来加热地表。在这个巨大工厂的中心，有内核和熔化的外核。向外，我们有陆地的地幔，接着是地壳。地幔的外层和整个地壳有时被统称为岩石圈；这是一个由12个巨大的板块组成的拼图，这些板块随着强大的地下水流的节奏相互碰撞。这些板块被称为构造板块，它们之间的边界是地球内部活动最清晰可见的地方；因为这些地方经常发生地震和火山。
图5-1 地幔对流引起地球热量流动
大地热流密度值是地球热损耗中的传导部分。通过测量垂向温度随深度增加(温度梯度)和测定测温范围内岩石的热导率，可以求出大地热流密度值。大地热流密度易受地壳升降、水的运移或火山活动的干扰。在大陆，地表热流密度的近60％来自岩石圈底部，另40％来自地壳内放射性物质的衰变，大陆热流密度与最后一次造山运动、侵蚀速率以及放射性热源分布有关。
在大陆上，古老地盾区的热流密度较低，而现代火山带、新生代岩浆活动带的热流密度较高。在大洋，洋底的热流密度随洋底年龄的增加而减小；洋中脊处海洋热流密度最高，并对称地向两侧降低。在深海沟处常为低热流密度。热流密度和地壳年龄的关系同海底扩张模式相一致。
以前人们认为大陆的热流密度比海洋大得多。因为大陆地壳里花岗岩层很厚，而花岗岩的放射性生热率很高。而海洋的地壳很薄．因而推测大陆热流密度比海洋大得多。但是，测量结果证实两者的热流密度相差很小。大陆相海洋的热流密度只是在数值相似、而其形成的机制是不相同的。在海洋较年轻的区域，深部地慢的热流密度还来不及传到海洋底部，测得的地表热流密度主要来自岩石圈内释放的剩余热，对于年龄大于4.0×109年龄的古老洋区，可以认为岩石圈内的温度分布已趋于稳定，洋底热流密度主要来自岩石圈的底部，以传导热为主。
全球热流场的分布，论证了板块学说关于部分熔融的上地慢物质沿着洋中脊不断涌到地表，海洋板块向洋脊两侧扩张，经冷却形成洋底岩石层，冷却的岩石层在海沟处又重新插入地幔软流圈中——一种对流模式。软流圈物质的向上涌流是地热演化的表现，它一方面有助于软流圈的对流冷却，另一方面促进地幔物质的分异。
（3）地球内部温度分布
地壳温度：地壳浅层的温度是目前能直接测量的温度范围。地壳浅层的温度分布状态从地表向下大致可分为三带，即变温带(外热层)、恒温带(中性层)和增温带(内热带)。一般情况下，日变的影响深度在1～2m,年变温带的深度为15～30m左右。多年变温带中长周期性(35～100a)的影响深度可达数百米。地壳深层的温度无法直接测量，只有通过间接的方法进行推断和分析。根据浅层的初始测温资料，如地表温度，热流和岩石的热导率等，通过理论计算推断深部的温度。
地幔温度：地球深部的温度分布表明了地球深部的热状态，但它无法直接测量。同时，利用浅部的测温资料推算地壳以下的深部温度也不适用了。因为地球探部的热状态与地壳有明显的不同，一是放射性元素集中于地壳浅层，所测地温梯度远比深部高，二是在地壳深部除热传导外，温度越高，辐射传热能力所起的作用也越大，这就增加了深部物质总的传热能力，地温梯度相应地降低了。
地核温度：假定整个地核是由铁所组成，外核是液态的铁，内核是固态的铁，那么内外核界面的温度应当就是该处压力下铁的熔点。内核温度应比铁的熔点为低，外核温度应比铁的熔点为高。因此研究铁在相应压力下的熔点对于研究地核的温度有重要的意义。为了实现地幔温度分布与地核温度分布在幔核边界一致，即克服上述由纯铁计算熔点偏高1000ºK的困难，促使人们考虑地核可能不是纯铁组成，而是由含杂质的铁组成。考虑到内核由于密度比铁高，可能含有镍等重金属，从而组成类似铁镍合金的内核。又考虑到外核由于密度比铁低，可能含有硫、硅等轻物质，从而组成含有非金属的铁外核。这样，在内外核边界上仍可保持原来铁的熔化温度，而在核幔边界上的温度可以降低1000ºK，即3000ºK左右。从而将地幔温度分布与地核温度分布连为一个整体。
（4）地球的热历史
从地球形成直到今日的温度变化历史，目前还很难给出确切的进程，只能给出变化轮廓。即使是这样，所得的结果对于了解现今地球内部的温度分布也是有益的，而且，在某种程度可借助于这些结果，对未来地球的发展做预测。地球的热历史研究主要包括三部分：地球的原始温度、地球的增温机制、地球增温的约束条件等。
地球的原始温度和地球起源有密切关系。二十多年前曾经普遍认为地球是在高温条件下形成的，因此假设原始地球处于熔化状态。但是近来关于地球起源的研究，认为地球是由气体和固体尘埃云堆积形成的，它的原始温度不可能很高。原始地球温度决定于地球的堆积条件以及地球形成过程中放射性元素(短寿命)的含量。
现在人们已放弃″原始地球正在冷却″的传统认识，承认地球是在增温。地球的增温方式有：吸积增温、分异增温、放热增温等。增温的结果，促成了物质的流动、分异，也改变了放射性元素在地球内的分布，完成了地球的成层构造。
根据地球内部的放射性含量可以估计放射性热产量H，根据地表热流密度可以估计地球向外散失的热量Q，潜热(熵)Lc。三者构成了地球增温的约束条件。地球内部热量的相互约束条件表明，放射性热产量比地表散失热量大2-3倍，意味着地球在增温，而不是冷却，但是，所产生的热量，即使全部用于加热地球，也不可能使地球全部熔化。因此，地球整体在加温，而且可以在局部地区出现物质熔化，但不会酿成全球熔化。这就是地球走过的热历史。
图5-2 地球各圈层地温梯度垂向变化及地热流交换示意图
6、地球放射性
地球放射性的主要研究内容包括：地球放射性元素属性及含量、放射性元素与地球内部结构的关联、地球放射性元素观测等。
（1）地球放射性元素属性及含量
地球放射性指地球中具有能发出射线物质的特性。地球中的放射性物质主要有铀（U）、锕（Ac）和钍族（Th）以及同位素40K，87Rb等。放射性元素的含量愈近地壳上部愈高。铀、钍在地球中的平均浓度分别为n×10-8和n×10-7，总储量分别为，n×1014-n×1015吨，由于铀、钍的原子构造和亲石性，铀在地壳中较核心的含量高达1300倍。铀、钍、镭的含量随SiO2和K2O含量的增加而增高：在酸性岩中最高，超基性岩中最低。富集铀的沉积岩都与碳质、沥青质、有机质、磷质等有关。变质岩中含铀、钍量一般介于沉积岩与火成岩之间。水圈和生物圈也有放射性同位素分布，并互相联系，构成一个放射性循环系统，对地球放射性的研究具有很重要的意义。
与地球同时生成的天然放射性核素，目前存在有180多种，主要是铀、钍、锕系列和钾的同位素。较高放射性元素含量出现在磁铁矿、磷灰石、萤石和黄铁矿等矿物中，较低含量常与富硅和碱金属矿物有关。
图6-2地球放射性元素属性及分布规律
（2）放射性元素与地球内部结构的关联
地球放射性元素与地球内部热源密切相关。以日本东北大学为主的研究小组在地球表面释放的热量中，有大约54％来自放射性物质衰变，而剩余部分应该是从地球诞生时保存至今的原始热量。利用位于日本中部岐阜县地下千米处的装置KamLAND，根据多年观测数据重新计算了地球内部放射性元素产生的热量。研究发现，地球自身热量大约有一半来自放射性物质衰变，另一半则是从地球刚形成时保存至今的原始热量。新数据不仅和目前公认的地质物理模型预测相一致，还有助于完善这些模型。该研究发表在最近出版的《自然·地质科学》杂志上。海洋底层扩展、大陆板块运动、地球外核融化、产生地磁场，这些都离不开热量，地壳和地幔层放射性元素如铀、钍和钾的衰变是这些热量形成的主要原因。地质学家根据来自全球2万多个钻井的温度测量数据，计算出从地球散失到太空中的热量约为44太瓦（44万亿瓦特）。此前的研究人员利用通行的主体硅酸盐地球模型计算出约8太瓦来自铀-238（238U），8太瓦来自钍-232（232Th），4太瓦来自钾-40（40K）。
利用放射性元素衰变引起的反中微子可以探测全球，远程监测核反应堆。地球中反中微子是地球上U、Th 和40K 等元素及其部分同位素衰变产生的。地球中中微子和反中微子作为探测行星新方式的一种粒子, 受到许多粒子物理学、核物理学、地球物理学和地质学等研究工作者的重视，并在研发极端背景反中微子探测器和理解反中微子传播方面取得了较大的进展。基于反中微子探测数据，用较成熟的核物理理论解释这些数据，可促进这个领域研究的进展.在前期有关中微子研究的基础上，一些核物理参数有助于解释反中微子信号，并且为这些参数的确定提供作为实验参考的框架。
图6-3全球反中微子通量图（根据地壳、地幔及人工核反应堆中 238U和232Th衰减得到）来自AGM2015,https://www.ultralytics.com/agm2015
图6-4 固体地球不同圈层的反中微子通量密度；来自AGM2015, https://www.ultralytics.com/agm2015
总结与展望
（1）固体地球物理学六个学科之间不是孤立的。首先，研究对象是一致的，都是固体地球系统。其次，各学科之间有关联性。地震学与地球重力学都涉及到对地球的密度分布进行研究。地磁学与地电学都基于麦克斯韦电磁理论，地球电导率的获得离不开地球磁场。地热学又与地球放射性相关，地球表面释放的热量中，有大约一半左右来自放射性物质衰变。
（2）固体地球物理学的六个分支学科，虽然研究的物理量不同，但主要研究思路是一致的。固体地球物理学的研究都可以分为以下几部分：学科研究对象的物理机制是什么？与地球深部结构的关系是什么？如何观测并解算全球尺度数据？地球物理场的时空分布规律有什么特征？把握住以上四点，就可以将震、重、磁、电、热、放这每一门学科的要点串起来，从而建立固体地球学的整体框架。
（3）利用固体地球物理学原理、方法、技术了解固体地球圈层结构和板块构造需要有两方面的支撑：一是数据支撑，目前国际上已经集成了大量的固体球物理开源数据库，供科研工作者申请使用，为科学研究提供了便利。二是技术支撑，基于机器学习、数据驱动的多源异构数据融合技术是未来的研究方向之一。