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在高中必修1《地球的圈层结构》教学中,学生难免会有两个疑问:①横波是如何通过软流层的?②既然横波不能通过液态介质,怎么判断出地球内核为固态?现解答如下:
学生只所以会产生第一个疑问,是因为课文中提到地幔上部(地下60~250 公里)存在一个软流层,并推测这里可能是岩浆的发源地。无论是从软流层的字面理解,还是从对岩浆的感性或理性认识,都会给人一种“液体”的印象。横波是不能通过液体的,而课文和插图所反映出来的都是横波仍能通过,因此,学生难免产生疑问。
对于这个问题,只要把软流层的情况解释清楚就行了。在地表以下,随着深度的增加,压力越来越大,在 50 公里深处,已达101325×104 帕(1 万个大气压)以上;同时,温度也不断升高。而软流层的深度在地下 60~250 公里,它的温度和压力更是可想而知的大了。但事实上软流层的岩石并不呈液体状态,原因是强大的压力起着使物质不易熔成液体的作用。实验表明:当压力加大到略高于 20265×105 帕(2 万个大气压),这时冰需加热到 80℃ 才融化。在软流层内,温度高到能使岩石熔化是不成问题的,但是在强大的压力制约下,岩面却处于一种潜在的熔融状态,就象烧红的玻璃似的,既不是液体,但又具有可塑性。而喷出地表或接近地表的岩浆之所以呈液体状态,是因为其压力大大减小后,由这种具有可塑性的岩石转化成的。所以地震波可以在软流层这种特殊介质中传播,不过速度微有下降。纵波传播速度由 8.1 公里/秒降至 7.8 公里/秒,横波由 4.6 公里/秒降至 4.4 公里/秒(该层被称为古登堡低速层),只是这微小的变化在课本的插图中没有表现出来罢了。那么如何解释软流层的“流动性”呢?这主要从漫长的时间上考虑。既然软流层的岩石具有可塑性,那么在用万年乃至百万年计的地质历史上,在受到一定力的作用下,它必然产生缓慢的流动。就象冰川一样,它本来是固体,但在重力和本身压力的作用下,却可以缓慢流动形成冰川。
对于第二个问题,学生的疑问主要产生于外核既然是液体,横波不能通过,那么如何推断内核是固体呢?首先,从课本的插图上可以看出,纵波在地下5000 公里深处(内外核界面)传播速度明显增加,这说明可能由液态转入固态;其次,图上未反映出来的情况是,横波在 5000 公里以下重新出现,不过这是由纵波转化出来的,比较微弱,这进一步证明内核为固态。
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