根据对较强的、天然地震波传播速度变化的探测结果，结合岩石的高温和高压试验、陨石和宇宙化学研究成果，便可以对地球内部圈层的主要物理、化学特性进行推断，它们包括各圈层的密度、压力、温度、物理状态与化学成分、晶体结构等特性。
密度(density) 根据万有引力公式，在牛顿时代早已计算出地球的质量为5.976×1021t(接近60万亿亿吨)，再用地球的体积来除，就可得到地球的平均密度为5.517g/cm3。然而，地表岩石平均密度仅为2.6～2.7g/cm3。因此可以肯定，地球内部物质的密度一定大于地球的平均密度。近年来，根据地震波速向下变大的资料，计算出的固体地球的密度:地表岩石一般密度为2.6～2.7g/cm3，在地壳下部为2.9g/cm3，在莫霍面以下密度突然变大到3.32g/cm3;地幔的密度可由3.32g/cm3逐渐增大到与地球平均密度相当的5.56g/cm3;在古登堡面之下，密度剧增至9.98g/cm3，而在地心则可达12.51g/cm3(图8-5)。
图8-5 地球内部圈层的主要物理性质
压力(pressure) 地球内部的压力是指在不同深度的地方单位面积上的静岩压力(其实应该叫压强)。当我们潜入水中时，会感到来自四面八方的水压。在地球深处，情况相似，来自其周围各个方向(三维空间)的压力大致相等，即地球内部压力基本上保持平衡;其数值与该处上覆岩石的总重量相等，称为静岩压力，其大小可用P=ρgh来表达，即静岩压力(P)等于深度(h)与该处上覆物质平均密度(ρ)及平均重力加速度(g)的乘积。地球内部压力一定是随深度加大而逐渐增高的。地壳的平均密度约为2.75g/cm3，深度每增加1km，压力增加27.5MPa。随着岩石密度的加大，深部静岩压力增加得更快些。静岩压力在莫霍面附近约为1200MPa，古登堡面附近约为135200MPa，地心处可达361700MPa(图8-5)。
温度(temperature) 古代人根据矿井温度越向下越高、地下涌出沸腾的喷泉以及从火山喷出炽热的岩浆等现象，早已认识到地球内部温度肯定较高。不过，在地表附近，由于太阳辐射热的影响，温度有昼夜变化、季节变化和多年周期的变化。这一表层可叫外热层(或变温层)。外热层的深度一般为十几米，最多不超过几十米。在其下界面附近，地温常年保持不变，等于或略高于当地年平均气温，该处就称为常温层。常温层以下，受到地球内部热量的影响，温度逐渐升高。一般把在常温层以下，每向下加深100m所升高的温度称为地热增温率或地温梯度(geothermal gradient)。这是由于地球内部热量通过向上热传导而造成的。世界上不同地区地温梯度都不相同，地球表层的平均地温梯度为3℃。海底的地温梯度一般为4～8℃，大陆为0.9～5℃。大陆的地温梯度一般来说是显著低于海底的。如果都用上述地表附近的地温梯度来推算地球深部的温度，则地壳底部将为900℃，核幔边界将达86000℃，到地心将高达192100℃。按照这种推算，则地球内部必定早该熔融或化为气体状态(少数人至今还以为地球是“空心”的，即内部是气态或液态)。这种推测与在地球内部的主体部分，横波可以传播的事实不符(横波只能在固体内传播)。根据高温、高压实验成果与地震波传播特点，目前，地球内部温度比较公认的推算结果为:在莫霍面附近地温约为400～900℃，岩石圈底面在1200℃左右，地幔内的温度大致为1000～3500℃，地核的温度为4000～5000℃(图8-5)。不同学者用不同方法所获实验结果略有出入，差值在几百摄氏度到上千摄氏度。
物理状态与化学成分为了弄清地球内部各圈层的物理状态与化学成分，近几十年内，地球科学家从各种角度进行了大量的观测与实验，主要通过地震波传播特征，高温、高压材料实验，陨石的对比性研究，以及对于少量通过火山喷发带到地表来的地幔岩石的研究，逐渐取得了比较一致的认识。
地壳(crust) 现在一般认为平均厚度为33km，占地球总体积的1.55%，总质量的0.8%，地壳确实是固体地球的一个薄壳。地壳肯定是由密度较小(2.6～2.9g/cm3)的固体岩石所组成的。这些岩石主要由各类富铝的硅酸盐矿物所组成，而这些矿物通常具有架状、链状或层状等比较松散的硅酸盐晶体结构(彩图Ⅵ-1，2，3)。
地幔(mantle) 其厚度约2850km，占地球体积的82.3%，质量的67.8%，所以说地幔是地球的主体部分。整个地幔的温度为1000～3500℃，其地温梯度较小，仅为0.088℃，相当于地壳内平均地温梯度的1/33。根据地震波中的横波可以穿过整个地幔的事实来看，毫无疑问，地幔应该由固态岩石所组成。由地震波资料推测的地幔密度，比绝大多数地表岩石的密度要大得多。根据已见到的球粒陨石的密度(3～5g/cm3)、化学成分与地幔相近的特点，因而多数地球科学家认为地幔主要是由与球粒陨石成分相当的橄榄岩类所组成的。一般认为在地幔中肯定还含有少量相当于金属硫化物或氧化物的、可能为呈离子状态的高温超临界流体。最近30年的研究，根据组成地幔物质晶体结构因深度变化而显示出的差别，进而认识到在地幔内的硅酸盐存在着两个物相变化的界面;即在400km深处的晶体结构，由上部的橄榄石结构(孤立的岛状硅氧四面体结构，彩图Ⅵ-4)向下转变为较紧密的尖晶石型结构(四面体和八面体混合型结构，彩图Ⅵ-5);在670km深处则由尖晶石结构向下转变为更紧密的钙钛矿型结构(八面体和立方体混合型结构，彩图Ⅵ-6)。据此，可以将地幔划分为三个次级圈层(图84):上地幔(upper mantle，B，33～400km深)，主要由具橄榄石结构的镁铁硅酸盐所组成:地幔过渡层(mantle transitional zone，C，400～670km深)，主要由具有尖晶石结构的镁铁硅酸盐(主要成分为Mg2SiO4)所组成;下地幔(lower mantle，D，670～2885km深)，则主要由具有钙钛矿结构的硅酸盐所组成。将地幔分出这样三个层次，地震波波速向下逐渐加大，岩石密度与温度也逐渐增大的现象，可以得到比较合理的解释。
地核(core) 其体积约为地球的16.2%，质量约占地球的31.3%，地核的密度达9.98～12.5g/cm3。当地震波向下传播经过古登堡面之后，纵波速度骤然衰减，而横波速度更突然无法测出。这个事实表明，此处的物质组成、物理状态与密度肯定发生了急剧的变化。这一带的温度为3500℃，压力达135200MPa，根据最近几十年来对各类陨石的研究和高温、高压实验资料，研究结果表明，在这种高温、高压环境中，硅酸盐已经不可能独立存在，而正好适合类似于铁陨石的形成，而且它们的密度还可超过10g/cm3。为什么会想到是铁?因为在宇宙和太阳系中，铁是大量存在的唯一重金属元素(铂、金等高密度的重金属在地球或其他行星内的含量甚微，仅约十亿分之一，它们不可能构成这么大的地核)。另外，通过计算，还令人惊奇地发现:地核、地幔内的硅酸盐和铁的质量比例，约2∶1，居然与来自天外的球粒陨石(占陨石总量80%左右，绝大部分来自小行星)的硅酸盐和铁的比例恰好相符;也正好说明，地核、地幔很可能原来是由球粒陨石分异而成的。进一步的实验研究还表明，地核不是由纯铁组成的，而是以铁镍合金为主。在相当于地核的高温、高压实验中，发现如仅仅是铁和镍的合金，其密度比地震波速所推算出的地核密度还要大10%左右。因而，后来又在铁镍合金中加进少量的氢、硫化物或者硅酸盐(在高温、高压条件下形成超临界流体)，得到密度与地震波所推测的密度比较一致的实验材料。于是一般推测地核可能还含有10%～15%的氢、硫化物或硅酸盐等所组成的超临界流体。横波传播到外核(outer core，E层，深度为2885～4170km)，突然消失的现象，表明该层肯定处于液态(图8-4，8-5)。地核过渡层(core transitional zone，F层，4170～5155km深)为液态与固态的过渡状态。进入到内核(inner core，G层，5155km深至地心)，横波又重新可以测出，说明内核是处在固态的。根据上述事实和相关的试验，认识到:外核与内核都处在物质固、液两相的临界点附近，相对而言，地核内部的温度变化很小(3500～5000℃左右)，地温梯度仅为0.043℃/100m。在外核，由于静岩压力还不够大，温度已经超过了铁镍合金的熔点，因而变成熔融的液态;到了内核，静岩压力继续较快地增加，而温度增高得不多，铁镍合金又回到固相的状态(见图8-5，温度与岩石熔点变化曲线)。在内核又能测出纵波与横波都存在，说明内核仍旧处在固体状态。一些强地震的地震波其实可以一直穿过全部地核，横波在外核之所以测不出来，并不是横波到此消失的结果，而是由于液态外核质点间距较大，无固定晶格，具有剪切运动性质的横波无法测出，尽管地震波的能量传递过去了，但只表现出纵波的形式。
过去几十年内曾经有人提出地球内部存在核裂变、热核聚变反应或基本粒子紧密堆积等的假说与猜想，由于这些假说都与上述基本事实不吻合，已经被学术界所否定。地球内部完全达不到热核反应或基本粒子紧密堆积时所需要的温度和压力条件。因此，可以肯定地说，地球内部不存在天然的热核反应或基本粒子紧密堆积的物理状态。
有关地球的磁场、重力场和其他地球物理场的特征将在以后几章中分别予以讨论。
思考题
1.人类主要用什么方法来探测地球的内部?
2.为什么横波传到外核时消失了，而到内核又出现了呢?
3.根据什么来判断地球内部是以固体为主的，只有外核才是液态的?
4.地球内部的物质组成是怎样推测出来的?
进一步阅读的书目
1.曾融生.1984.固体地球物理学.北京:科学出版社.
2.Press F and Siever R.1982.Earth.Freeman W H and Company.613 p.
3.Song Xiaodong，Richards P G.1996.Seismological evidence for differential rotation of the Earth's inner core.Nature，382:221～224.
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