目前还无法主要依靠直接观测来了解地球内部的物质组成。大部分必须依靠间接的理论推导和实验方法，并从各个相关学科推导出来。主要方法有三种：①地球物理方法。该方法主要以地震学研究为基础，结合大地电磁学、重力学、地磁学和地热学研究。 ②实验岩石学方法。该方法主要模拟地球深部不同温度、压力条件下稳定的矿物成分、结构、组合和相变。 ③地球化学、宇宙化学、地质学方法。该方法是对陨石、月球岩石、深钻岩心、构造运动抬升的深层地质剖面以及源自地球深处的各类岩石的直接研究。地球的总体组成 地球的总体组成可以通过两种方式确定。一是根据地球各层的密度和质量分布以及对地幔和地核组成的基本假设进行近似估计。另一种是根据地球起源理论和陨石对比研究结果，选择特定类型陨石的成分作为建立地球整体模型的基础。地球总体成分估算 地球各层的体积、质量和基本物质成分列于表1。 表1 地球各层的体积和质量 大气和海洋只占地球的0.03%地球的总质量，而地壳只占地球总质量的不到1%。因此，地球的整体组成基本上是由地幔和地核决定的。假设地球的铁合金具有球粒陨石的平均铁和镍成分，并含有这些陨石中的平均 FeS 含量（5.3%），并且地幔加地壳的成分与球粒陨石中的平均含氧物质相同（硅酸盐加少量磷酸盐和氧化物），计算出的土成分列于表2。
表 2. 整个地球的平均成分。尽管表2中的数据并不准确，但它们说明了一些重要问题。地球的 90% 由 Fe、O、Si 和 Mg 4 种元素组成。其他含量超过 1% 的元素有 Ni、Ca、Al 和 S。其他七种元素 Na、K、Cr、Co、P、Mn 和 Ti 的含量范围为 0.1% 至 1%。由此我们可以知道地球物质组成的一些特征。首先，由于元素与氧的亲和力不同（根据形成氧化物的自由能），MgO、SiO2、Al2O3、Na2O和CaO先于FeO形成。当氧气不足时，大多数铁和镍将处于不合格状态。金属保持氧化状态。各种氧化物会结合形成硅酸盐，例如MgO和SiO2结合形成（辉石）或（橄榄石）。如果达到重力平衡状态，大部分致密物质将向地心集中并分层，形成致密的金属核和密度较低的硅酸盐地幔。浓度非常低的元素会发生不同的相互作用，并且往往会彼此分离。例如，一些贵金属元素如铂、金往往会与金属铁结合并富集在地核中；而诸如铀之类的喜氧元素则与较轻的硅酸盐结合并集中在地球的上部。其次，可以合理地假设，地球一旦被加热到完全或部分熔融状态，低熔点的挥发性成分（H2O、CO2、N2、Ar等）逸出，形成大气。地幔中富含SiO2、Al2O3、Na2O和K2O的易熔且较轻的物质上升到地表。
因此，早期地球被分为地核、地幔、地壳、海洋和大气等层状结构。现有证据表明，大约40亿年前，地球已经达到了与现在的层状结构类似的状态。地球整体构成的陨石模型 大约46亿年前，地球和其他行星是由原始太阳星云吸积和凝结形成的。太阳的总成分为太阳系中物质的整体化学提供了线索。温度条件对不同空间位置的气体和尘埃云吸积的化学成分有很强的控制作用，导致化学成分从太阳系内部到外部的分区。内行星（水星、金星、地球和火星）不仅具有质量小、密度高的特点，而且在高温条件下凝结了大量的高密度硅酸盐和铁镍物质，低温度凝结相对减少；而外行星（木星、土星、天王星、海王星和冥王星）质量大、密度低，仅含有少量硅酸盐物质。组成它们的大部分材料都是气体和冰形式的低密度挥发性元素。陨石是小行星碰撞的碎片，由于重力作用落到地球表面。它提供有关太阳星云和行星体中物质化学成分的直接信息。地球化学研究表明，I型碳质球粒陨石的成分与太阳光球层非常相似，可以视为原始太阳星云的近似代表。进一步的工作表明，I型碳质球粒陨石的高熔点主量元素组成与地球的组成非常相似，但两者之间的微量元素组成存在规律性差异（表3和表4）。
表 3 I 型碳质球粒陨石与地球整体主要元素对比 表 4 I 型碳质球粒陨石与地球微量元素对比 整体地球挥发性元素贫乏，喜氧富集高熔点元素。这不仅反映了原始太阳星云成分的不均匀性（这一点已被现代对氧、镁等同位素的研究所证实），而且反映了吸积过程中，特别是凝结阶段产生的分化。冲击波实验数据还表明，各类球粒陨石和铁陨石的平均原子量（分别为23.4、25.6和55）无法与整个地球的平均原子量拟合（27）。因此，人们结合不同类型的陨石，结合岩石化学和地球内部层状结构，计算出以下五种类型的地球总体成分（表5）： 表5 地球总体成分的不同估计第五种表5中的栏目是根据各组球粒陨石在高熔点元素(Ca、Al)/Si和FeOx/(FeOx+MgO)上的沃森(JT)相关图(图1)、地球与H族和IAB型球粒陨石相似，所提出的方法是通过H族陨石的平均成分来近似的。代表对整个地球组成的估计。地壳的物质组成 地壳位于莫霍面和地表之间。它是迄今为止研究最多、数据最丰富的地球层。大量的研究成果清楚地表明了其横向和纵向的异质性和复杂性。这是因为地壳是地球长期演化过程中分异的历史产物，至今仍在发生变化，包括与深部地幔和外太空的物质交换。
大陆地壳 大陆地壳一般厚35至50公里，由沉积盖层和上、下地壳组成。表 6 的第 1 至第 7 列给出了这些不同部分的组成的估计值。沉积盖层的成分可以通过对暴露地层和钻孔等数据的加权平均处理来估计（表6留学之路，第1栏）；上地壳的成分一般认为是由暴露在大陆盾构区的火成岩、变质岩和沉积岩组成3 大型岩石类型的混合平均值（表6第2栏）或系统抽样分析得到的值典型的大陆地盾（例如加拿大地盾）（表 6 第 3 栏）。两次估算结果相似，表明上地壳的平均成分与花岗闪长岩和英闪长岩相似，这与上地壳的地震波速度观测结果一致。对下地壳的了解要少得多，仍然存在一些不同的观点。有人以地震波速作为判断依据，认为下地壳可视为花岗岩和辉长岩等量的混合物（表6第4栏），或由麻粒岩相变质岩组成（表6第4栏） 5），因为后者的矿物组合反映了与下地壳一致的温度和压力条件。显然，上述观点倾向于认为下地壳是基本统一的，这一观点早已为人们所接受。然而近年来，多学科深入研究的进展，加深了人们的认识。它不仅指出传统上划分所谓“花岗岩层”的上地壳和“玄武岩层”的下地壳的康拉德界面的存在是值得怀疑的，而且揭示了结构和结构的高度复杂性。大陆地壳的成分和下地壳成分的异质性。 。
代表性观点之一是下地壳由花岗岩与正长片麻岩、斜长岩、辉石麻粒岩、角闪岩等小面积互层组成，并与花岗岩、辉长岩互层。岩石侵入体经历变质作用和变形作用。这一观点不仅与地震波速资料一致，而且与一些受构造运动抬升的深层地质剖面（如南阿尔卑斯山伊夫雷亚带）的实验观测基本一致。这也与深部捕虏体的结果一致。研究基本一致，符合地球化学和地热模型的约束。这或许是一种更接近客观现实的认识。至少人们已经认识到，下地壳不能用统一的成分模型来表征。表6 地壳不同成分的化学成分 在世界上一些大陆地壳地区，已发现地壳内存在低速层和高导层。目前对其物质成分的意义缺乏深入研究，但有两种可能的解释。一是大陆地壳部分融化；另一个是大陆地壳内存在不同形式的水。表6第6栏和第7栏所示的大陆地壳平均成分主要是通过上述上、下地壳加上8%的沉积岩平均得到的。这一化学成分表明，大陆地壳大体相当于中性火成岩（安山岩或闪长岩），但在微量元素中，K、Rb、Ba、U、Th等相对中性火成岩较富集。这种差异对于研究壳幔物质的分异和演化历史具有重要意义。洋壳 洋壳一般厚5至15公里，由沉积层（I层）和洋壳（II层和III层）组成。
沉积物层的成分（参见表 6 第 8 栏）是通过直接采样测量计算得出的。通过深海取样、钻探以及与蛇绿岩对比研究，普遍认为第二层为拉斑玄武岩，可能有少量蚀变、变质沉积物。地震波速数据和深海磁异常带的存在支持了这一观点。表6第9栏为沉积物与拉斑玄武岩等量混合的计算结果。目前对海洋下地壳（即第三层）组成的认识并不一致。可能是岩浆结晶形成的辉长岩和堆积岩；也可能是角闪石辉长岩、辉绿岩和蛇纹石化超镁铁岩。表6第10栏是假设该层由角闪石辉长岩组成，成分为洋脊拉斑玄武岩的计算结果。同时根据上面第二层和第三层的成分，推导出整个洋壳的成分。由于沉积物只占很小的比例（约5%），这一结果显然反映了大部分洋壳的拉斑斑玄武岩成分。总体地壳估计和对地壳不同部分组成的实际观测为估计总体地壳组成提供了可能性。表7列出了地壳中分布的不同类型岩石和矿物的体积百分比。这一数据表明，花岗质片麻岩和镁铁质岩或麻粒岩是地壳中的主要岩石类型，而沉积岩只占很小的比例。表8第1列和第2列是根据表6相应列计算出的地壳总体成分，分别对应于下地壳成分的两种不同假设。第 3 至 5 列是中性火成岩的三个平均估计值。计算表明，总体地壳成分与大陆地壳相似，即与安山岩和闪长岩相似。
这反映了大陆地壳的体积优势。表 7 地壳中岩石类型和矿物类型的体积百分比分布 表 8 地壳总体成分及与中性火成岩成分的比较 地幔的物质成分 地幔可分为上地幔、过渡带和下地幔（见结构和结构）地球内部性质的物理学）。地幔的化学成分 在地球形成后的历史过程中，部分地幔演化为地壳物质，两者之间的物质交换不断进行。近年来，许多地区发现地幔顶部的物质具有各向异性特征，因此严格来说，地幔的化学成分会随着时间和空间的变化而变化。然而，科学界仍然对近似地幔的整体化学成分感兴趣。表9列出了历年对地幔化学成分的估计，包括（AE）的“地幔岩石”模型、德国Yaguz（H.）提出的原始地幔捕虏体的平均化学成分以及澳大利亚孙贤树提出的原始地幔捕虏体的平均化学成分.基于部分熔化计算的数据。从表9可以看出，虽然估算角度不同，但在主要要素上非常接近。表9 地幔整体化学成分估算 ①“地幔岩石”模型由于1962年、1975年和1977年提出。地表尤其是洋底存在大量喷发的玄武岩，已证实起源于上地幔，代表地幔中的低熔点物质。因此，未分化的地幔物质的化学成分应该能够在地表产生各种类型的玄武质岩浆。然而，地幔捕虏体和超镁铁质岩石中的大多数橄榄岩已经枯竭。它们所含的不相容元素，如K、U、Th、Ba、Rb、La、Ti和P等含量太低且部分熔化。玄武质岩浆无法产生。
大部分地幔橄榄岩可以看作是玄武质岩浆被提取后剩余的耐火物质。林伍德等人由此得出结论，地幔顶部的橄榄岩并不是玄武质岩浆的母岩，而是玄武质岩浆的补充物质。在这种补充物质之下，有未分化的地幔物质（图2），其中玄武质岩浆尚未融化。他们称这种物质为“地幔岩石”。最初的“地幔岩石”模型由大约 3 部分高山橄榄岩和 1 部分玄武岩组成。后来，选择了更合适的玄武岩成分，“地幔岩”模型不断修改。但主要元素的组成基本保持不变。 ②原始地幔捕虏体的化学成分。绝大多数地幔捕虏体是地幔难熔物质，缺乏多种元素，不适合代表地幔的化学成分。 1979 年，亚古兹等人。收集并研究了来自世界各地的地幔捕虏体，并鉴定了六个“原始地幔捕虏体”样本。他们利用现代分析方法测量了主量元素、微量元素和微量元素，并用它们的平均值代表了地幔的整体化学成分。他们提供的数据在常量元素方面与林伍德的“地幔岩”模型非常一致，但在微量元素方面存在显着差异。 ③按“部分熔化”计算的数据。 1981年，Sun Hyun-shu同时研究了太古代科马提岩和现代洋底玄武岩的化学成分，并根据地幔部分熔融过程中岩浆中化学元素含量的变化进行了研究。理论计算公式可用于推导未分化地幔的化学成分。他用这种方法得到的数据无论是主量元素还是微量元素都与 1979年的数据非常接近。
关于地幔的矿物成分，需要根据地幔内层研究温度和压力变化的影响，研究它们的物质状态和矿物性质。一般认为上地幔的物质成分与上地幔顶部的矿物成分相同。由于海洋与大陆莫霍界面上的地震波速度为8.0～8.3公里/秒。有人曾经假设莫霍界面是一个相变表面，这意味着地幔顶部的物质和地壳下部的玄武岩具有相同的化学成分。但由于温度、压力条件不同，它们表现出不同的矿物性质，成为榴辉岩。岩石。但实验结果表明，海洋莫霍界面距离地表不是很深，不可能是相变表面。根据矿物样品的波速测量和地幔捕虏体岩石学和地球化学的考虑，上地幔的矿物成分主要是橄榄岩。假设上地幔的物质主要是橄榄岩，则可以从实验岩石学数据中得到相应温度和压力条件下存在的稳定矿物成分。由此获得不同深度的矿物成分，使其速度和密度与地球物理观测数据一致。一般来说，上地幔浅层主要为斜长橄榄岩，随着深度的增加，尖晶石橄榄岩和石榴石橄榄岩将成为主要岩石。地幔岩层（圈）下方存在上地幔低速区，地震波速度强烈减弱。该区域对应的深度可能相当于石榴石橄榄岩层的范围，但它们并不完全是刚性材料。假设其中0.2%至2%部分熔化，则可以解释地震波速降低的现象。
一般认为，低速区在板块运动中起着重要作用，提供了一个粘度较低的区域，岩层（圈）板块可以在其上滑动。过渡区 过渡区上下界面的速度变化可以用矿物的相变来解释。上地幔主要矿物成分为橄榄石(Mg、Fe)2SiO4、辉石(Mg、Fe)SiO3和石榴石(Mg、Fe)。其中橄榄石含量最多，其次是辉石。它们的相变对于解释过渡区的速度和密度来说是最重要的。以镁橄榄石为例，随着压力的增加，其相变顺序为：矿物上方的数字为计算的密度值，百分比为一种矿物相转变为另一种矿物时密度的增加率。 。在过渡带的上限，约350～450公里的深度范围内，镁橄榄石转变为β相，使密度增加约8%，这与地球物理数据相当一致。随着压力继续增大，β相转变为尖晶石，密度增加约2%，可以用来解释部分地区500～550公里的速度梯度区。在650公里深度处，尖晶石分解为钙钛矿相晶体结构和方镁石，密度值增加约11%，这也与地球物理数据一致。在过渡带中，辉石和石榴石的相变不可忽视。它们可以转变为石英SiO2（超级石英）的高压相、钛铁矿相和钙钛矿相。下地幔从700公里深度到幔核界面的速度和密度变化比过渡带小得多。在900公里和其他深度，仍然存在一些小跳跃，这也可以用相位变化来解释。
过去对于下地幔中 FeO/(FeO+MgO) 是否增加存在争议。如果认为下地幔是由 MgO+FeO+SiO2（超级石英）组成，那么从“地幔岩石”获得的速度将略低于实际观测值，因此假设下地幔中的 Fe 成分似乎是合理的。下地幔增加。然而，实验结果表明，下地幔尖晶石可以直接转化为钙钛矿和方镁石。其密度比超级石英还要高。因此，下地幔的Fe成分并没有增加，地球物理数据可以解释。图3可以综合表征上述地幔层的物质组成。根据橄榄石、辉石、石榴石等主要地幔矿物随深度的相变实验数据（表10），可以划分出若干个地幔矿物相带。划分。表10 根据相变实验分类的地幔矿物相带近年来，通过对幔源岩石微量元素和同位素系统的研究，推导了多种新的地幔成层模型，并提出了深部成分的重要地球化学意义。约束条件，并为研究壳幔物质交换和历史演化提供了新的途径，对于加深人们对地幔物质组成的认识具有重要意义。地心物质的化学成分 早期，人们认为铁陨石和石陨石都是由一个母体产生的，因为它们很可能代表了分化后物质内部和外部的成分。因此，在1940年代之前，大多数地球物理学家认为石陨石材料类似于地幔，铁陨石材料类似于地核。地核由铁和镍组成。地核中地震波的速度和密度都非常大，这让人们更加确信这一点。后来，拉姆齐（WH）提出了不同的假设。
他认为核心物质可能是地幔物质的高压相。虽然这个理论仍然得到一些人的支持，但现代的实验和测量数据足以证明地核主要由铁和镍组成，还包括一些较轻的元素。证明这一点最可靠的方法是用冲击波测量铁、镁等金属以及硅化物在高压下的密度，然后与观测到的密度进行比较。某些金属和岩石在高压下的密度值已使用冲击波法测定。观测到的外核密度为 9.5 g/cm3，而纯橄榄石在 240 万巴压力下的密度为 6.8 g/cm3。因此，外核材料不可能与地幔材料相似。冲击波测量结果还表明，外核材料中必定存在少量的轻物质。纯铁在地核-地幔边界压力和2000℃时的密度为11.2g/cm3，地心的密度为13g/cm3。即使考虑到熔化时密度的降低，它仍然比观测到的外核密度高出约 15%。核心还含有镍，因此差异会更大。在高温零压力下，地核的声速约为5.05公里/秒，而冲击波测得的铁镍的声速仅为3.1至3.7公里/秒。上述结果表明，外核的实际密度小于Fe-Ni，但声速大于Fe-Ni。为了解决这一矛盾，外核必须含有约5%~15%的轻元素，这样可以降低密度固体地球物理学家，提高声速值。关于地核中轻元素的化学成分有许多假设。
Si或S最有可能是地核中的轻元素。林伍德假设地幔的镁铁成分与“地幔岩石”相同，因此(Fe+Mg)/Si>1；而整个地球的成分与球粒陨石相似，所以（Mg+Fe）/Si<1.65。计算结果是，地核的硅含量应为 11%。但如果地核中含有Si，那么地幔中的Fe++、Fe+++与地核中的Si之间就会出现化学不平衡，这是无法解释的。根据冲击波实验结果，如果在铁镍核中添加14%的S固体地球物理学家，就能充分降低外核的密度。因此，地球上大约有 4.5% 的硫。现在遇到的困难是如何解释地球上缺乏许多比S更易挥发的物质，而易挥发的S却能保持不挥发。 等人还强调，外核的铁液中可以存在一些FeO。随着温度升高，FeO在铁液中的溶解度迅速增大。由于地幔中存在大量 FeO，因此可以合理地假设外核中的液态铁含有一定量的 FeO。有人认为地核中也可能存在一定量的K。地球的K/U比低于普通球粒陨石；球粒陨石的K/U比约为8×104，而地球的K/U比仅为1×104。地球的 K/Si 比也低于球粒陨石。因此，有人认为地球中的部分K可能集中在地核中。由于K是放射性同位素，它会对地球的热历史和当前的热状态产生较大的影响。 [1]
