地球的圈层结构

1.4地球的圈层结构 一、三维目标 1、知识与技能 掌握地球内部圈层的划分依据及组成；掌握地壳、地幔、地核的基本特征；了解地球的外部圈层之间的密切关系及主要特点。 2、过程与 通过读内部构造图了解地球内部圈层的划分，明确地壳与岩石圈的范围、软流层的位置；运用比较法学习内部和外部圈层的特点。 3、情感、态度与价值观 地球内部的物质运动及地球外部的各个圈层之间相互联系，认识事物是普遍联系的；通过地震波的应用认识到人类利用自然、改造自然的能力；通过探索地球内部物质培养科学的探索精神。 二、教学重点 1、运用图说明地球内部圈层划分的依据，两个不连续面及地壳、地幔、地核的特征。 2、用图归纳地球的外部圈层及其特点 三、教学难点 1、地震波传播速度的变化与地球内部物质组成的关系 2、地球内部圈层划分 四、教学方法、教学形式 引导辅助法、小组竞赛形式 五、思路 本节从微观角度分析地球的圈层结构，此部分除了地震波等涉及物理知识迁移稍有难度外，其余知识较为直观简单，因此以小组竞赛形式穿插，可以活跃课堂、重点分析疑难点，些过程中引导学生利用有限知识探索无限的未知世界。 六、教学过程 新课引入：上天、入地、下海是人类向自然界挑战的三大壮举。目前，随着科技的日新月异，载人宇宙飞船可以在太空遨游，可谓上天有路，但对于我们脚下的地球却是入地无门。那么地球内部到底什么样子呢？是否像传说中那样有十八层呢？今天学习：地球的圈层结构 板书：1.4地球的圈层结构 师：这节内容大家已经认真预习了，我们就以小组竞赛形式穿插学习这节。全班分3组，得分最高组胜出，还将评出两位最佳学生，给予奖励。分两类题型：必答和抢答。 首先，必答，每组派代表各抽取三题。每题分值10分。（规则公布） 必1：虽然入地无门，但目前我们已经知道地球的内部结构，主要是通过何种手段了解？ 生：地震波 师：就像我们看西瓜是否熟了，看瓷器是真是假，敲一敲从声音判断一样，我们可以造成地球的震动了解地球的内部结构，正好自然界就存在这样的震动—地震 必2：世界两大地震带？ 生：环太平洋地震带、地中海-喜马拉雅山地震带 必3：地震是怎样发生？ 生：地下深处岩石破裂把长期积累起来的能量以地震波的形式向四面八方传播出去，到地面引起的房摇地动。 师：地震就是地球内能通过地震波形式释放，地震波就类似我们常看到的水波。当向池塘里扔一块石头时水面被扰乱，以石头入水处为中心有波纹向外扩展，是不是水朝周围流去？不是，如果水面浮着一个软木塞，它只是在原来位置上下跳动。地震波也是如此，只是质点的上下或左右振动造成的。 必4：地震波分为哪两种？ 生：横波和纵波。 必5：什么是横波？ 生：横波是质点震动方向与地震波传播方向垂直。 必6：什么是纵波？ 生：纵波是质点震动方向与地震波传播方向平行. 师：我们来应用一下。大家感觉过地震没有？如果有机会可有去台湾或是日本感觉一下，其中，台湾每天平均有40次地震，能够感觉到的有3、4次之多，那么，想一想 抢1：地震发生时地面上的人感觉到如何震动？ 生：先上下颠簸，后左右摇晃。因为纵波传播速度快，横波传播速度慢。 抢2：某海域发生地震时，水中游泳的人有何感觉？ 生：感觉到上下颠簸。因为纵波可通过固液气三介质，而横波只能通过固体。 师：可见横波和纵波的可以通过的介质不同，我们就可以通过横纵波的变化来判断地球的内部物质状态进而分层。 必7：地球内部分为哪几圈层？这些圈层分界线？（每组请一位同学上黑板写） 师：为什么以此作为分界线？读126左图，在33及2900千米处横波纵波发生了突变，我们就把波速突变的面叫不连续面。第一个界面位于33千米深处，是奥地利学者莫霍洛维奇于1909年发现的，简称为“莫霍面”。另一明显界面位于2885千米深处，是美国学家古登堡于1914年发现的，简称为“古登堡面”。 抢3：地震波传播速度变化最大的地方？ 生：古登堡界面 师：图126左图，古登堡界面横波消失，纵波波速突然下降。莫霍界面，横纵波速明显增加。波速突变说明它们的物质状态发生了变化，因此以这些界面分为地壳、地幔、地核，我们来了解各层的基本特征。 抢4：地壳厚度不一，平均厚度多少？（17KM） 抢5：世界最深的地方？（马里亚那海沟11034米，一般越深的地方，地壳也越薄） 抢6：中国大陆地壳最厚的地形区？（青藏高原，说明海拔高地壳越厚，海拔越低地壳越薄） 抢7：内部圈层中厚度最大的圈层？（地核） 师：图126左图，发现地核内波速在5000米左右发生变化。图127，将地核分为外核和内核。推测外核物质形态？液态。内核物质形态？固体。这些只是推测，真正到底是什么物质，还得靠你们。 抢8：目前被认为岩浆的主要发源地？位于哪一圈层？（软流层、位于地幔） 师：图127软流层位于上地幔上部，是个明显的地震波的低速层，这里物质呈熔融状态被认为是大部分火山、地震的发源地。图127地幔分为上地幔和下地幔，说明？波速变化。 地球的内部圈层就像鸡蛋，地核就相当于蛋黄，地幔就相当于蛋白，地壳就相当于蛋壳，它们之间的膜就相当于界面。 抢9：对于地球内部秘密的探测还可以通过什么方法渠道？（火山喷发物，岩芯） 抢10：目前世界钻探达到万米，而被誉为“亚洲第一深井”的钻探工程在中国将用5年时间打出这口5 000米深的科研井。此科研井的开钻地点位于？（江苏东海） 师：地球内部通过物理方法，对于地球外部圈层直接观测即可。地球外部圈层分哪几层？ 大气圈、水圈、生物圈、岩石圈呈同心圆状分布。 必8：地壳与岩石圈的区别？ 生：在于范围和界面的不同。莫霍界面以上称地壳。地壳和上地幔顶部(软流层以上)，由坚硬的岩石组成，合称岩石圈。地壳的厚度比岩石圈要小。 必9：大气圈物质组成？   生：气体和悬浮物 师：大气圈到底有多厚，大气上界多少千米？据人造卫星探测资料显示在2000-3000千米高空，地球大气密度与星际空间密度非常接近，可以作为大气的上界。这么厚的大气主要成分是氮和氧。 必10：水圈的主体水？ 生：海洋水 师：水圈包括地表水、地下水等，它是一个连续但不很规则的圈层。其中海洋水质量约为陆地水的35倍。如果整个地球没有固体部分的起伏，那么全球将被深达2600米的水层所均匀覆盖。因此曾认为地球是一颗"蓝色的水球"。 生物圈就是生物和其生存环境。那么生物生存范围有大，目前已知生物能够到达的最高上限是高山兀鹫—高原上的神鹰，飞过珠峰，达到9000多米高。陆地最深的生物是地下2000米的石头里发现了微生物，海洋中就是马里亚纳海沟发现了世界上最深的虫子。因此生物圈包括大气圈的下部、水圈的全部和岩石圈的上部，它是太阳系所有行星中仅在地球上存在的一个独特圈层。 这些圈层相互影响，而且处在不断的运动变化中，与人类关系密切，所以我们将在后面的章节详细介绍。 今天我们学习了地球的内部和外部圈层结构，一起来回忆巩固一下。 最后统分得出优胜组及两位优秀学生给以奖励。 七、板书设计：(略)   学生自学   一、课前预习要求 1、地球内部的圈层划分、依据及特征 2、地球的外部圈层的关系 3、将你不明白的知识设计成问题形式上交 二、课内知识补充 1、纵波( P wave ) 和横波( S wave )：我们最熟悉的波动是观察到水波。当向池塘里扔一块石头时水面被扰乱，以石头入水处为中心有波纹向外扩展。这个波列是水波附近的水的颗粒运动造成的。然而水并没有朝着水波传播的方向流；如果水面浮着一个软木塞，它将上下跳动，但并不会从原来位置移走。地震运动与此相当类似。我们感受到的摇动就是由地震波的能量产生的弹性岩石的震动。岩石，受到打击，会产生两类弹性波从源向外传播。一种纵波( P wave ) 是质点震动方向与地震波传播方向平行的地震波. 另一种横波( S wave ) 是质点震动方向与地震波传播方向垂直的地震波。 2、地震：地震主要是构造地震，它是由于地下深处岩石破裂、错动把长期积累起来的能量急剧释放出来，以地震波的形式向四面八方传播出去，到地面引起的房摇地动。 地震波发源的地方，叫作震源。震源在地面上的垂直投影，叫作震中。震中到震源的深度叫作震源深度。通常将震源深度小于70公里的叫浅源地震，深度在70-300公里的叫中源地震，深度大于300公里的叫深源地震。破坏性地震一般是浅源地震。如1976年的唐山地震的震源深度为12公里。 世界两大地震带：环太平洋地震带：分布在太平洋周围，像一个巨大的花坏，把大陆与海洋分隔开来。地中海-喜马拉雅山地震带：从地中海向东，至印度尼西亚、至堪察加。 3、地壳厚度变化的规律：地球大范围固体表面的海拔较高，地壳越厚；海拔越低，地壳越薄。大陆地壳是双层结构，上层是硅铝层，下层是硅镁层，大洋地壳往往是单层结构，硅铝层很薄，甚至缺失。地壳厚度的不均和硅铝层的不连续分布状态，是地壳结构的主要特点。 4、软流层：在距地球表面以下约100公里的上地幔中，有一个明显的地震波的低速层，这是由古登堡在1926年最早提出的，称之为软流圈，这里物质呈熔融状态能够长期缓慢变形厚约 100千米，这里有大部分火山、地震的发源地。 5、地壳与岩石圈的区别：在于范围和界面的不同。莫霍界面以上称地壳，以下为地幔。软流层仅是上地幔上部的较薄的一层。地壳和上地幔顶部(软流层以上)，由坚硬的岩石组成，合称岩石圈。地壳的厚度比岩石圈要小。 三、课外知识拓展 地球内部是什么样子？ 人类繁衍生息在大地上，很想知道地下是个什么样子。那么，地下究竟是什么样子呢?这的确是个大难题，难就难在人们入不了地。当今世界上最深的钻井也只有万米左右。这个深度同地球6300多千米的半径相比，实在是太微小了。人们想直接观察地球内部的状况是不可能的，但可以通过地震波在地球内部传播的情况，间接地了解到地球内部的结构和物理状况。地震波有个特性，它在不同物理性质的物质中有不同的传播速度，该速度受物质密度、温度、压力的影响。   当地壳岩石发生断裂错动时，会产生强烈的震动，这就是地震。地震所释放出的能量非常巨大，可相当于10万颗普通的原子弹爆炸。它能使地球像一个巨大的音叉那样发生振动，产生强大的地震波。当人们在地表用仪器观测地震波向地球中心传播时，发现地震波在大陆底下33千米左右深处，在海洋底下10千米左右深处发生了巨大的突变；在地下2900千米左右深处又发生了巨大的突变。这表明地下有两个明显的界面，界面上下物质的物理性质有很大差异。第一个界面位于33千米深处，是莫霍洛维奇于1909年发现的，简称为“莫霍面”。另一明显界面位于2885千米深处，是美国学家于1914年发现的，简称为“古登堡面”。据此，科学家们认为，地球内部大致可分为三个组成物质和性质不同的同心圈层，最外面的一层称为地壳，最中心部分称为地核，中间一层称为地幔。如果把地球内部结构做个形象的比喻，它就像一个鸡蛋，地核就相当于蛋黄，地幔就相当于蛋白，地壳就相当于蛋壳。 地壳的厚度是不均匀的，一般大陆地壳较厚，尤其山脉底下更厚，平均厚度约32千米，海洋地壳较薄，一般在5～10千米。地壳的物质组成除了沉积岩外，基本上是花岗岩、玄武岩等。花岗岩的密度较小，分布在密度较大的玄武岩之上，而且大都分布在大陆地壳，特别厚的地方则形成山岳。海洋地壳几乎或完全没有花岗岩，一般在玄武岩的上面覆盖着一层厚约0.4～0.8千米的沉积岩。地壳的温度一般随深度的增加而逐步升高，平均深度每增加3米，温度就升高1℃。 地核中心的压力可达到350万个大气压，温度可达4000℃～5000℃。在这样高温、高压的条件下，地球中心的物质的特点是在高温、高压长期作用下，犹如树脂和蜡一样具有可塑性，但对于短时间的作用力来说，却比钢铁还要坚硬。推测外地核可能由液态铁组成，内核被认为是由刚性很高的，在极高压下结晶的固体铁镍合金组成。 地幔是介于地表和地核之间的中间层，厚度将近2900千米，它的物质组成具有过渡性。靠近地壳部分，主要是硅酸盐类的物质；靠近地核部分，则同地核的组成物质比较接近，主要是铁、镍金属氧化物。地幔是地球里面放射性物质集中的地方，由于放射性物质分裂的结果，整个地幔的温度都很高，大致在1000℃到2000℃或3000℃之间，这样高的温度足可以使岩石熔化，但这里的压力很大，约50万～150万个大气压。在这样大的压力下，物质的熔点要升高。在这种环境下，地幔物质具有一些可塑性，但没有熔成液体，可能局部处于熔融状态，这已从火山喷发出来的来自地幔的岩浆得到证实。   地球的外部圈层   人们对于地球的结构有了比较清楚的认识。整个地球不是一个均质体，而是具有明显的圈层结构。地球每个圈层的成分、密度、温度等各不相同。在天文学中，研究地球内部结构对于了解地球的运动、起源和演化，探讨其它行星的结构，以至于整个太阳系起源和演化问题，都具有十分重要的意义。地球圈层分为地球外圈和地球内圈两大部分。地球外圈分为四圈层，即大气圈、水圈、生物圈和岩石圈   岩石圈 对于地球岩石圈，主要由地壳和地幔圈中上地幔的顶部组成，从固体地球表面向下穿一直延伸到软流圈。岩石圈厚度不均一，平均厚度约为100公里。由于岩石圈及其表面形态与现代地球物理学、地球动力学有着密切的关系，因此，岩石圈是现代地球科学中研究得最多、最详细、最彻底的固体地球部分。   大气圈 大气圈是地球外圈中最外部的气体圈层，它包围着海洋和陆地。大气圈没有确切的上界，在2000 ～ 16000 公里高空仍有稀薄的气体和基本粒子。在地下，土壤和某些岩石中也会有少量空气，它们也可认为是大气圈的一个组成部分。地球大气的主要成份为氮、氧。由于地心引力作用，几乎全部的气体集中在离地面100公里的高度范围内，其中75％的大气又集中在地面至10公里高度的对流层范围内。根据大气分布特征，在对流层之上还可分为平流层、中间层、高层大气等。   水圈 水圈包括海洋、江河、湖泊、沼泽、冰川和地下水等，它是一个连续但不很规则的圈层。从离地球数万公里的高空看地球，可以看到地球大气圈中水汽形成的白云和覆盖地球大部分的蓝色海洋，它使地球成为一颗"蓝色的行星"。其中海洋水质量约为陆地（包括河流、湖泊和表层岩石孔隙和土壤中）水的35倍。如果整个地球没有固体部分的起伏，那么全球将被深达2600米的水层所均匀覆盖。大气圈和水圈相结合，组成地表的流体系统。   生物圈 由于存在地球大气圈、地球水圈和地表的矿物，在地球上这个合适的温度条件下，形成了适合于生物生存的自然环境。人们通常所说的生物，是指有生命的物体，包括植物、动物和微生物。据估计，现有生存的植物约有40万种，动物约有110多万种，微生物至少有10多万种。据统计，在地质历史上曾生存过的生物约有5－10亿种之多，然而，在地球漫长的演化过程中，绝大部分都已经灭绝了。现存的生物生活在岩石圈的上层部分、大气圈的下层部分和水圈的全部，构成了地球上一个独特的圈层，称为生物圈。生物圈与其他圈层相比，其不同点：首先，其他圈层是由无机物组成的，而生物则构成了生物圈的主体，是一个非常活跃的圈层；其次，其他圈层都具有相对独立的空间结构，而生物圈则渗透于其他圈层之中，形成一个特殊的结构。生物圈是太阳系所有行星中仅在地球上存在的一个独特圈层。   圈层结构的形成   地球的圈层构造是其40多亿年演化的结果。作为太阳系内行星之一的地球，大约在45亿年前就有现在这样的大小，而且成分很均匀，那时的地球还比较冷。但在距今约45～40亿年之间地球遭到陨石等小星体的强烈轰击，这些强大的动能就转变为热能。同时，地球上的放射性元素衰变也产生大量的热能，而地球自身的压缩也导致温度升高，使原始地球很快变热，内部温度升高，使地下一定深度的物质发生熔融，使原始地球中的金属铁、镍等高密度低熔点物质向地球中心部位沉降聚集而成地核，其释放出的重力能又转变成热能，进一步导致地球内部的对流和分异作用，低密度物质向上浮动，经冷却形成原始地壳，并逐渐形成了地球的圈层结构。地球上已知的最古老的岩石年龄约为38亿年   生命研究爆炸性发现—— 地下两千米石头里发现生命   有谁能想到，在地下数千米深的地方，仍然有生命的存在?在我国实施的“入地”工程——大陆科学钻探工程中，我国科学家惊奇地发现在地下2000米深处的极端条件下，仍然“生活”着大量微生物，这些微生物靠“吃”铁、甲烷等维持生存。   近年来，中美科学家对大陆科学钻探工程中获取的2000米岩芯合作开展了地下微生物研究，通过对岩芯的低温冷储及DNA分析，首次在1080米深度的岩石中发现了太古菌及细菌，然后又对6个不同的深度、4种不同岩石性质的固体岩芯样品及流体样品进行DNA分析，发现了大量极端条件下形成的微生物，有嗜酸菌、嗜铁菌、嗜甲烷菌等，并完成了嗜热微生物的分离培养及鉴定的试验性工作。   中科院微生物研究所和美国的科学家还设计了一系列培养基，并且分离到两株活着的高温菌株。以前人们认为石头里没有生命，但这些生活在缺氧、高温极端环境中的‘饥饿生命’打破了人们的传统认识。它们藏身在岩石微细裂缝里，只靠‘吃’铁、镍、甲烷等生存。   上天、入地、下海是人类向自然界挑战的三大壮举。从2001年起实施的中国大陆科学钻探工程是国家重大科学工程，是目前国际上正在实施的最深的科学钻井。两年多来，科学家们在江苏省东海县的超高压岩石中向地球深处“钻”进近3700米，通过初步研究建立了工程主孔的构造学、岩石学、地球化学剖面，还将构建一个地下微生物剖面，因为地下不同的地段生存着不同的生物群落。目前的研究只是初步的，相信以后的成果会比更有爆炸性。     大陆科学钻探小百科   CCSD（中国大陆科学钻探工程）：利用现代深部钻探高新技术，在具有全球地学意义的大别——苏鲁超高压变质带实施中国第一口5000米科学深钻，利用从钻孔中获取的岩心及液、气态样品及原位测量数据，进行多学科综合研究。   超高压变质岩：是板块俯冲、碰撞作用的产物，是研究板块会聚边界物质组成、结构及地球动力学的重要窗口之一。   ICDP（国际大陆科学钻探组织）：1997年成立，总部位于德国波茨坦，德国、美国、中国为主要发起国及常任理事国。   纪录：目前世界上最深的科学钻探井为前苏联的科拉SG3超深钻井，深12262米。   四、探究思路   在人们的日常生活中有这样的经验，当你拿起一个瓷碗或瓦罐想要检验有没有裂纹时，只要轻轻一敲，便能从它发生的声音判断是否完好；装在密封小盒子的物品，我们可以通过摇、拍、称重等，听其声，测其重，也能猜到盒子中装的是什么。人们面对庞大的地球，要想得知地球内部的结构和物质组成，逐步揭示地球内部的秘密。目前人们主要通过哪方面的研究来推测地幔和地核的物质状态可能是什么?还通过哪些渠道或方法获取地球内的信息?   (1) 地震波 (2)通过火山喷发物，钻井得到的岩芯来了解地球内部的物质组成。地表的温泉、热泉等推知地球内部蕴藏着丰富的地热资源等等。   1．4问题设计   必1：虽然入地无门，但目前我们已经知道地球的内部结构，主要是通过何种手段了解？10分（地震波）   必2：世界两大地震带？10分（环太平洋地震带、地中海-喜马拉雅山地震带）   必3：地震是怎样发生？10分   生：地下深处岩石破裂把长期积累起来的能量以地震波的形式向四面八方传播出去，到地面引起的房摇地动   必4：地震波分为哪两种？10分（横波和纵波）   必5：什么是横波？10分（横波是质点震动方向与地震波传播方向垂直）   必6：什么是纵波？10分（纵波是质点震动方向与地震波传播方向平行）   抢1：地震发生时地面上的人感觉到如何震动？15分   生：先上下颠簸，后左右摇晃。因为纵波传播速度快，横波传播速度慢。   抢2：某海域发生地震时，水中游泳的人有何感觉？15分   生：感觉到上下颠簸。因为纵波可通过固液气三介质，而横波只能通过固体。   必7：地球内部分为哪几圈层？这些圈层分界线？（对一个2分，最快组加10分，然后加8分，最后一组加6分）   抢3：地震波传播速度变化最大的地方？10分（古登堡界面）   抢4：地壳厚度不一，平均厚度多少？10分（17KM）   抢5：世界上深的地方？15分（马里亚那海沟，一般越深的地方，地壳也越薄）   抢6：中国大陆地壳最厚的地形区？10分（青藏高原，说明海拔高地壳越厚，海拔越低地壳越薄）   抢7：内部圈层中厚度最大的圈层？10（地核）   抢8：目前被认为岩浆的主要发源地？位于哪一圈层？10分（软流层、位于地幔）   抢9：对于地球内部秘密的探测还可以通过什么方法渠道？（火山喷发物，岩芯）   抢10：目前世界钻探达到万米，而被誉为“亚洲第一深井”的钻探工程在中国将用5年时间打出这口5 000米深的科研井。此科研井的开钻地点位于？10分（江苏东海）   必8：地壳与岩石圈的区别？10分   生：在于范围和界面的不同。莫霍界面以上称地壳。地壳和上地幔顶部(软流层以上)，由坚硬的岩石组成，合称岩石圈。地壳的厚度比岩石圈要小。   必9：大气圈物质组成？10分（气体和悬浮物）   必10：水圈的主体水？10分（海洋水）