地殼（ Crust）是地球最外層的堅硬外殼，位于莫霍面以上。平均厚度約33公里，它主要由巖石構成，分為較淺的上層和較深的下層。地殼含有90多種元素和三千多種礦物。
據估計，地殼擁有大約25億年的歷史，其發展經歷了太古代、元古代、古生代等五個重要時期的演化。學者們提出了對流、均衡、地球自轉、板塊構造等四種主要理論來解釋地殼的形成機制。地殼的運動形式主要分為水平運動和垂直運動兩種，這兩種運動形式不僅緊密相連，而且在地質歷史的不同階段和不同地理位置上通常會交替出現。
人類利用地震儀來研究地殼結構，通過發射地震波并記錄數據，繪制出一條波動各異的曲線，即所謂的地震圖。地殼在不同地形有不同的分類，覆蓋于穩定地幔之上的大陸地殼，是地盾型和中大陸型，覆蓋于不穩定地幔之上的大陸地殼，是斷塊山嶺型，阿卑斯型和島弧型，覆蓋于穩定地幔之上的海洋地殼，是深洋盆地型等。
演化歷史
冥古代（距今約38億年前）
冥古宙是地球天文演化歷程中的一個階段，標志著地殼最早期的形成。這一時期的地質記錄在地殼中并未發現，只能通過比較行星學和凝聚理論間接推斷地球冥古宙時期的地質活動。通過分析月球表殼、火星表殼以及隕石的特性進行類比，推測原始地殼主要由基性巖石組成，且地殼結構薄弱。
太古代（距今約25億年之前）
太古代，作為地殼形成之初期的一個重要時代，其跨越了大約10億年的漫長歲月。在這一時期，根據地層的特征分析，科學家們能夠對當時地球的地殼及其自然地理特征做出一定的推測。太古宙時代的地殼相對較薄，且穩定性不強，這一時期的地球特征為巖漿活動和火山爆發的頻繁，這種劇烈的地質活動不僅使得地表巖石經歷了深度的變質，還促進了大量鐵礦資源的形成，展現出一個地殼薄弱且極度動蕩的原始地球面貌。
元古代（距今25億—6億年前）
元古代持續了大約20億年，其間地球表面大部分仍被海洋覆蓋，地殼運動頻繁。距今18億年，即早元古代末期，發生了一次重大的構造運動——在中國被稱為呂梁運動。這次運動使得許多此前不斷活動的區域逐漸趨于穩定，形成了若干古老的陸地，包括中國（亦稱華夏）、西伯利亞地區、俄羅斯、加拿大、巴西、非洲、印度和澳大利亞等。其中，巴西、非洲、印度和澳大利亞這四塊古陸合稱為岡瓦那古陸。在中、晚元古代（距今18億至6億年間），華夏古陸的燕遼沉降帶形成了一套厚度巨大、變質程度極低或未發生變質的完整沉積巖系。地質學界將這套地層命名為震旦系，其時代定為震旦紀（震旦是中國的古名）。同時，在中國南方，如長江三峽地區，也發現了屬于震旦紀的地層。
古生代（距今6億—2.3億年前）
古生代分為早期和晚期兩個階段。在早古生代，地殼經歷了劇烈的變動，陸地面積增加，盡管如此，海洋依舊占據主導地位。這一時期，地殼的劇烈變動導致了多處地殼的反復抬升與下沉，這一過程表現為明顯的沉積循環和巖石相變化。在古生代，地球經歷了兩次重要的構造活動，分別是早古生代的加里東運動和晚古生代的海西運動。這些構造活動導致許多海槽和褶皺地帶隆起，陸地面積逐步增大。歐洲、亞洲等北方古陸開始逐漸聯合，僅被一條特提斯海海槽與南方古陸分隔，形成了南北兩大古陸對立的格局。世界上許多大山脈都是古生代褶皺帶的一部分。
中生代（距今2.3億—7千萬年前）
中生代時期是一個環境復雜多變的時期，但總體趨勢是陸地面積的增加。三疊紀的印支運動之后，侏羅紀至白堊紀期間的太平洋運動（在中國稱為燕山運動）導致古地中海東部和環太平洋地區的地殼運動異常活躍，形成了地槽和山脈。但是，古地中海的海水侵入了歐洲和非洲，而中國大陸始終高聳于海平面之上。同時，南方的岡瓦那大陸開始瓦解，古大西洋和古印度洋陸續形成并發展，東非大裂谷也在這一時期形成。
在中國，中生代的地殼運動及其引發的巖漿活動的規模和強度是自古生代以來前所未有的。印支運動和燕山運動基本結束了南海北陸的格局，使華南和華北形成了一個統一的大陸。至此，中國的地質構造輪廓和地貌基礎已基本形成。這一時期，中國的地貌以山脈縱橫和盆地遍布為特點，只有西藏、喜馬拉雅山區和臺灣地區仍然是海洋。
新生代（7千萬年前—21世紀）
新生代的構造運動稱為新阿爾卑斯運動（在中國稱為喜馬拉雅運動），主要發生在第三紀。這一運動導致太平洋東岸的海岸山脈和安第斯山脈得到進一步形成，同時太平洋西岸、東亞的島弧和海溝也隨之出現。特提斯海地區經歷了一系列強烈的褶皺隆起過程。中國的喜馬拉雅山脈以及臺灣山脈逐漸升高。在喜馬拉雅運動期間，全球多地發生了斷裂以及不同程度的升降運動。這些變化使得地球上的海陸分布、地形地貌、河流山脈和氣候趨向于現代的樣貌。
地殼構成
地殼與人類息息相關，蘊含了眾多豐富的礦產資源，是人類研究的重點對象。地殼主要由各式巖石構成，而巖石則由不同礦物的顆粒（或晶體）組合而成，這些礦物進一步由若干基本元素構成。
結構
地震學資料表明，地殼由層狀結構組成，分為較淺的上層和較深的下層。上層主要由富含硅和鋁的物質組成，質地類似花崗石；而下層則主要由富含硅和鎂的物質構成，與玄武巖相似。這兩層的分界稱作康拉德界面。位于地殼之下的是上地幔，主要由玄武橄欖巖構成，其與地殼的分界被稱為莫霍面。
元素
根據分析，地殼由90多種元素構成，主要包括氧(O)、硅(Si)、鋁(Al)、鐵(Fe)、鈣(Ca)、鉀(K)、鈉(Na)、鎂(Mg)、氫(H)等，其中氧和硅的含量最為豐富。這些元素在地殼中通常不以單獨形式存在，而是形成一種或多種元素的礦物。
礦物
到目前為止，地殼中已識別出三千多種礦物，但構成地殼巖石的主要造巖礦物不超過30種，包括石英、正長石、斜長石、云母、角閃石、輝石、黃鐵礦、磁鐵礦、方解石、褐鐵礦、菱鐵礦、鋁礬土等。這些礦物分布于各種巖石中，只有當一種或幾種礦物大量富集時，才能形成具有工業開采價值的礦床。
巖石
盡管地殼中的巖石類型繁多，它們的形成原因主要可以歸類為巖漿巖、沉積巖和變質巖三大類。
地殼厚度
地殼構成了地球表面的薄外層，其平均厚度約為33公里，通常在30至40公里范圍內。不過，由于各地的地質歷史差異，地殼厚度有顯著不同。例如，天山南部的地殼厚度大約為81至86公里，屬于全球最厚之處。同樣，中國西藏高原的地殼厚度也達到了60公里。相比之下，大洋盆地的地殼則相對較薄，僅有6至10公里厚。平原地區的地殼厚度則居中，大致在20至40公里之間。一般而言，地面到莫霍面的垂直距離被視為地殼的實際厚度。
地殼的分類
覆蓋于穩定地幔之上的大陸地殼，是地盾型和中大陸型，覆蓋于不穩定地幔之上的大陸地殼，是斷塊山嶺型，阿卑斯型和島弧型，覆蓋于穩定地幔之上的海洋地殼，是深洋盆地型，覆蓋于不穩定地幔之上的海洋地殼,是海嶺型和海溝型。
地殼運動
在地球的發展演變過程中，地殼持續地運動、演進和變化。例如，大約2500萬年前，喜馬拉雅山區還是廣闊的海洋，后因地殼上升而形成了今天被譽為“世界屋脊”的高原。這種地殼變化主要是由地球內部動力學引起的，導致巖石層或巖體發生形變和位移，這種現象稱為地殼運動。地殼運動造就了多種地質構造，比如褶皺和斷層等。因此，地殼運動也常被視為構造運動。它不僅控制了海洋與陸地的變化及其分布輪廓，還包括地殼的隆起與下沉，以及山脈和海溝的形成等。地殼運動至今依然在持續進行中。
基本形式
水平運動
水平運動指的是地殼沿著地表平行方向的移動，這種移動主要由巖石圈的水平壓縮或拉伸引起，導致巖石發生褶皺和斷裂。這種現象能夠造成龐大的褶皺山脈、裂谷以及大陸的漂移等。比如，印度板塊向歐亞大陸板塊施加壓力并滑入其下方，導致五千萬年前的喜馬拉雅地區從廣闊的海域逐步升起，形成了今天被譽為“世界屋脊”的壯觀山脈。
垂直運動
垂直運動涉及地殼沿其表面垂線方向的活動，主要體現為巖石圈向上或向下的移動，導致地殼廣泛隆起或下沉，從而形成海侵和海退現象。如臺灣高雄市附近的珊瑚灰巖，已上升至海平面以上350米，而現今的江漢平原自晚第三紀起下沉超過10,000米，累積了厚重的沉積物。
其他
水平運動與垂直運動緊密相連，通常在時間和空間中交替出現。地殼運動通常非常緩慢，以至于人們幾乎感覺不到。例如，喜馬拉雅山脈從海底升至海平面以上8000多米，年均上升速度僅為2.4厘米，但長期累積的效果卻非常顯著。有時，地殼運動會以極為劇烈的形式發生，比如地震和火山爆發。如1976年7月28日，唐山大地震導致極震區70%至80%的建筑物倒塌或嚴重損壞，約24萬人遇難；2004年12月26日，印度洋發生的8.9級大地震觸發了海嘯，導致約29萬人死亡。
主要理論
地殼運動成因的理論旨在闡釋地殼運動的力學原理，主要包括對流說、均衡說、地球自轉理論和板塊構造論等。
對流說
該理論指出，地幔物質呈塑性狀態，上層溫度較低，而下層溫度較高。這種溫度差引發了緩慢的對流過程，進而驅動了上方地殼的移動。
均衡說
均衡說認為，地幔內部存在一個重力均衡面，該面以上的物質雖然重力相等，但由于密度差異，表現出不同的厚度。當地表發生剝蝕或沉積，導致重力發生變化時，為了保持均衡面上的重力平衡，均衡面上的地幔物質會相應移動，補償地表重力的變化，進而引發上層地殼的運動。
地球自轉說
地球自轉說提出，地球自轉的速度變化導致地殼運動。地球自轉加速時，一方面，離心力增強，使地殼物質向赤道遷移；另一方面，切向加速度的增加使地殼物質由西向東移動。不同的基底黏著力會導致地殼各區域移動速度不一，進而引發擠壓、拉張、升降等地殼變形和位移。當地球自轉減速時，慣性離心力和切向加速度同樣減小，導致地殼發生反向的恢復運動。由于基底黏著力的差異，同樣會引起地殼的變形和位移，從而在地殼上形成緯向和經向的山脈、裂谷、隆起和凹地。
板塊構造說
板塊構造論是基于大陸漂移和海底擴張理論提出的，它假設地球在形成時表層冷凝形成地殼，隨后地球內部的熱量在某些區域集中，形成高溫點，導致地殼裂開形成六大板塊。這些板塊由大洋中脊和海溝隔開，地球內部的高溫點通過大洋中脊的裂縫釋放熱能，當熱流上升至大洋中脊的裂縫時，一部分熱流遇到海水冷卻，形成新的洋殼；而另一部分熱流沿著洋殼底部向兩側流動，推動板塊漂移。因此，大洋中脊不斷生成新的洋殼，而在海溝地帶，地殼通過相互擠壓和碰撞，一部分抬升成巨大的山脈，另一部分則插入地幔內熔化。在這些擠壓碰撞區域，由于板塊間的劇烈摩擦，產生局部高溫并積累了大量的應變能，形成了火山帶和地震帶。此外，大板塊內部還可以劃分出多個次級板塊，這些板塊因底部黏附力的差異，運動速度各不相同，也會導致地殼的變形和位移。
研究方法
地震儀
地震儀記錄的是一條起伏不同的曲線，稱為地震圖。這條曲線能揭示許多信息，如通過地震波的振幅和密度分析波的類型及不同波的到達時間差。還可以根據地震波的最大振幅和周期計算地震的震級。若兩個以上的觀測站記錄到同一地震，可以根據兩站接收到的地震波時間差計算出地震的位置和震源深度。
地震波探測地球深部結構的能力源于其“轉性”特性。地球內部結構不均一，介質變化時，地震波的性質和路徑可能改變，稱為“轉性”。簡而言之，地震波速度通常隨深度增加而升高，若波速突然減慢或發生偏折，可能表示地震波遇到了介質突變區，這是科學家發現地球深部不同分層狀態的理論基礎。
PKIKP波
當內核的體積極其微小，占地球總體積不足1%時，研究這樣小的體積成為了一項挑戰。研究人員為了探究這一點，需要將地震儀部署在地球的另一端，即地震發生點的對面或接近對點的位置。
在此情境下，地震波將從地表開始，依次穿越地幔、外核、內核、再次穿過外核和地幔，最終到達地球另一側的地表。這種地震波被稱為PKIKP波。PKIKP波的傳播時間和振幅已經成為了推測空間特性的關鍵短周期工具。為了更精確地探測內核的最內層（IMIC），這項新研究提出了一種創新的地震學方法：復合PKIKP法。
在深入探討這一方法之前，先對地震波有更全面的了解。根據波的特性，地震波主要分為三類：體波、面波和尾波。體波能夠在介質中傳播，分為P波（縱波）和S波（橫波），P波可以在固體和液體中傳播，而S波僅能在固體中傳播，因此只有P波能夠抵達地核。
當P波到達震源對應的對跖點時，它可能會被地面反射，產生反射波。要產生多次反射波，需要遇到具有較高反射系數的反射界面，因為普通反射界面的反射強度較弱，多次反射后波的能量會進一步減弱，通常難以與噪聲區分開。只有在具有較高反射系數的界面（如不整合面）處產生的多次反射，才能形成較強的多次波，這正是復合PKIKP法的應用基礎。
該研究向我們展示了一種新的利用地震數據進行地球深部結構探測的方法。通過重新篩選和分析現有數據，我們可能會獲得一些新的洞見。
參考資料 >
地球的內核里，還隱藏著一個核心？.國家科技傳播中心.2024-02-21