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1、地球的物理性质与圈层结构第1页，本讲稿共44页提示：提示：物理性质和圈层结构是互为因物理性质和圈层结构是互为因果的；果的；它们对地球的运动和演化有决它们对地球的运动和演化有决定性的制约作用；定性的制约作用；研究物理性质的历史中产生过许多研究物理性质的历史中产生过许多优美的科学传奇，从中可以领略地学优美的科学传奇，从中可以领略地学家是如何巧妙地揭开地球内部奥秘的。家是如何巧妙地揭开地球内部奥秘的。第2页，本讲稿共44页密度密度=质量质量体积体积第3页，本讲稿共44页 若一头大象的质量以平均若一头大象的质量以平均3t3t计计,则则 地球的质量地球的质量 M=5.947210 M=5.9472102
2、424t=1.98410t=1.984102424 即约等即约等于于2 2万亿兆头大象万亿兆头大象第4页，本讲稿共44页怎怎样判断地球是球体判断地球是球体 第5页，本讲稿共44页1地球非地球非严格的旋格的旋转椭球体球体2地球内部物地球内部物质分布是不均匀的分布是不均匀的 第6页，本讲稿共44页密度密度=质量质量体积体积 质量质量=体积体积密度密度 牛牛顿定律：定律：F=mg;G=fmM/r2 M=gr2/f 如何求得地球半径呢如何求得地球半径呢几何学常几何学常识+天文学天文学测量量一段圆弧的长度与其对应的圆心角成比例一段圆弧的长度与其对应的圆心角成比例 弧弧AB对应的圆心角正是对应的圆心角正是
3、AB两点对应的天顶角两点对应的天顶角 AB第7页，本讲稿共44页附加引力法附加引力法第8页，本讲稿共44页根据体积和引力常数，计算出地球的平均根据体积和引力常数，计算出地球的平均密度为密度为5.516g/cm3 但实际测量却发现，地表常见沉积岩的平均但实际测量却发现，地表常见沉积岩的平均密度只有密度只有 2.60g/cm3地表出露的花岗岩的密度为地表出露的花岗岩的密度为 2.85 g/cm3第9页，本讲稿共44页原理原理地震波通过不同密度介质时的波速不地震波通过不同密度介质时的波速不同，在越过两种不同介质时还会发生折射现象同，在越过两种不同介质时还会发生折射现象 ANB第10页，本讲稿共44页
4、经验公式与结论：经验公式与结论：=0.27Vp+1.07 地地内密度内密度测测量有三量有三处处突突变变，反映了密，反映了密度（和物度（和物质质）的不）的不连续连续；由由地表到地心，密度依次地表到地心，密度依次递递增；增；由由横波不能通横波不能通过过外核，推断出外核是外核，推断出外核是液液态态的。的。第11页，本讲稿共44页 弹性弹性变形与受力成正比；变形与受力成正比；塑性塑性外力消失后部分变形不能恢复；外力消失后部分变形不能恢复；粘性粘性外力消失后变形还可能继续外力消失后变形还可能继续 地球的地球的弹塑塑粘性粘性同一物体在不同的受力同一物体在不同的受力-变变形条件下形条件下,可以分别表现出可以
5、分别表现出不同的物性不同的物性.第12页，本讲稿共44页 海海洋潮汐：日洋潮汐：日月引力的月引力的结果果 固固体潮：体潮：同同样样的原因作用于固体地球的的原因作用于固体地球的结结果果 岩岩石褶石褶皱皱：地壳的塑性：地壳的塑性变变形表形表现现 地地球的球的弹塑性及其塑性及其转动趋势：月：月地靠地靠拢 地地球的粘性：斯堪底那球的粘性：斯堪底那维亚维亚冰后期的抬升冰后期的抬升第13页，本讲稿共44页涨涨缩缩振振荡荡扭扭转转振振荡荡第14页，本讲稿共44页 地球的重力在不同地区，不同深度的部位都不地球的重力在不同地区，不同深度的部位都不相同；相同；在地球内部，不同深度部位上的重力会受到不同在地球内部，
6、不同深度部位上的重力会受到不同因素的因素的综综合影响；合影响；在地心在地心处处，计计算重力的公式与其它部位的算重力的公式与其它部位的计计算有所算有所不同。不同。第15页，本讲稿共44页由于离心力只有重力的约由于离心力只有重力的约1/3001/300，故在一般情况下，多，故在一般情况下，多以重力近似代替引力以重力近似代替引力第16页，本讲稿共44页地表的重力分布地表的重力分布:G地表地表=fmM/r2 G地表：地表：离地心越远越小离地心越远越小 地下的重力分布：地下的重力分布：G地下地下=fmM/r2 G地下：地下：大小看大小看M，r2 谁占主导谁占主导 地心的重力地心的重力计计算：算：第17页
7、，本讲稿共44页重力均衡原理重力均衡原理：单位截面上的任一垂直柱体中的岩石总质量为单位截面上的任一垂直柱体中的岩石总质量为常数且该柱体以一个特殊的补偿面为基底，补常数且该柱体以一个特殊的补偿面为基底，补偿面以下的物质处于均质状态偿面以下的物质处于均质状态 第18页，本讲稿共44页第19页，本讲稿共44页地球的地球的压力力 地地球球某某处的的压力力是是由由上上覆覆地地球球物物质的重量的重量产生的静生的静压力。力。在在地地球球表表层、地地壳壳和和接接近近地地心心附附近近时压力力增增长较平平稳，在在下下地地幔幔和和外外核核部部分分增增长得得较快。快。利利用用密密度度分分布布的的规律律来来估估算算地地
8、球球内内部部的的压力力状状况况，以以截截面面为1cm1cm2 2的的岩岩石石柱柱作作为压力力的的计算表示法，可得到算表示法，可得到 第20页，本讲稿共44页 地磁地磁场场的特征，地磁的特征，地磁场场的起源和地磁的起源和地磁场场在地学中的在地学中的应应用，是地球物理学用，是地球物理学领领域中域中的三个基本的三个基本问题问题第21页，本讲稿共44页第22页，本讲稿共44页地磁地磁场的双的双轴发电机模型机模型 当两个圆盘在弱的外部磁当两个圆盘在弱的外部磁场中旋转时，与轴和外缘场中旋转时，与轴和外缘相交的两根导线的回路中相交的两根导线的回路中产生方向相反的两种电流。产生方向相反的两种电流。这两种电流形
9、成磁场而极这两种电流形成磁场而极性相反。圆盘旋转频率的性相反。圆盘旋转频率的差异造成具有一种极性的差异造成具有一种极性的场占优势；当频率比值改场占优势；当频率比值改变时，便出现磁场反转变时，便出现磁场反转 第23页，本讲稿共44页双双轴发电机由何机由何组成成？外核外核对流及其理由流及其理由 居里点的限制；磁场变化的时间尺度 由由固固体体（岩岩石石）运运动形形成成的的磁磁场不不能能有有以以天天，年年，百百年年等等为时间尺尺度度的的变化化，可可以以确确定定地地球球磁磁场不不会会与与固固体体圈圈层有有关关。因因此此只能是外核的运只能是外核的运动造成的。造成的。第24页，本讲稿共44页 磁磁场的存在会
10、的存在会导致岩石致岩石发生磁化，而磁生磁化，而磁场的的变化会在磁化的岩化会在磁化的岩石中留下石中留下记录。由于具有不同的剩磁特征，岩石成。由于具有不同的剩磁特征，岩石成为研究古磁研究古磁场的的特殊特殊“化石化石”。从。从对岩石的磁性、特岩石的磁性、特别是是对它它们剩磁方向的研究，剩磁方向的研究，可以弄清楚岩石磁化可以弄清楚岩石磁化时在地球上的位置。在地球上的位置。古地磁研究在板古地磁研究在板块块构造理构造理论论的的兴兴起和确定起和确定过过程中起了十分关程中起了十分关键键的佐的佐证证作用。在地磁极与地球自作用。在地磁极与地球自转转极性一致的前提下，某地的磁极性一致的前提下，某地的磁倾倾角角I I
11、可以由可以由该该点的点的纬纬度角度角 来确定。两者之来确定。两者之间间的关系的关系为为 古地磁与大古地磁与大陆陆漂移漂移 第25页，本讲稿共44页 如果大如果大陆陆是固定不是固定不动动的，从各大的，从各大陆陆的古地磁的古地磁学学资资料中就可以确定地球自料中就可以确定地球自转转极随着极随着时间时间流逝而流逝而发发生的移生的移动动。理。理论论上自上自转转极移极移动动曲曲线线只可能有一只可能有一条，因此无条，因此无论论在哪个大在哪个大陆陆上所确定的地球自上所确定的地球自转转极极移移动动的曲的曲线线都都应该应该一致。但一致。但实际实际上，不上，不仅仅每个每个现现代大代大陆计陆计算的算的结结果大不相同，
12、同一大果大不相同，同一大陆陆内部的不内部的不同地区也有明同地区也有明显显的差异，的差异，这这只能是因只能是因为为各大各大陆陆曾曾发发生生过过不同程度、不同方向的聚散和漂移所致。不同程度、不同方向的聚散和漂移所致。第26页，本讲稿共44页磁极漂移与磁性倒磁极漂移与磁性倒转事件事件 磁磁偏偏角角在在几几十十到到几几百百年年的的时间内内，大大致致沿沿着着纬线方方向向平平稳地地向向西西移移动，这一一性性质被被称称作作地地磁磁场的的向向西西漂漂移移。此此外地磁外地磁场还有有时间尺度更短的昼夜尺度更短的昼夜变化。化。地地磁磁极极还出出现过 “反反转”即即南南、北北极极互互相相颠倒倒的的现象象。在在距距今今
13、大大约100100万万年年前前，地地磁磁场的的方方向向和和现在在完完全全相相同同。这一一时期期称称作作地地磁磁场的的正正向向期期。但但在在更更早早的的时代代，通通过对岩岩石石磁磁法法研研究究的的结果果，其其磁磁化化方方向向多多数数与与现代代地地磁磁场的的方方向向相相反反，称称其其为反反向期。向期。第27页，本讲稿共44页四四百百万万年年来来的的磁磁性性倒倒转事事件件 第28页，本讲稿共44页 地地球球从从太太阳阳吸吸收收的的能能量量每每年年大大约约为为4.2104.2102424 焦焦耳耳，超超过过地地球球上上全全部部煤煤炭炭储储量量完完全全燃燃烧烧后后所所能能够够获获得得的的热热能能的的30
14、0300倍倍。其其中中1/31/3左左右右的的能能量量被被大大气气圈圈和和地地球球表表面面反反射射掉掉，并并直直接接分分散散到到宇宇宙宙空空间间中中去去。剩剩下下的的2/32/3被被地地球球表表层层系系统统吸吸收收，再再以以各各种种方方式式转转化化为为地地球球演演化化所需的能源。所需的能源。地球能量有外部和内部两个来源第29页，本讲稿共44页地球内部的能量 地地球球内内部部热热能能的的来来源源问问题题尚尚无无定定论论。一一般般认认为为，由由岩岩石石中中放放射射性性元元素素衰衰变变释释放放的的热热是是地地热热的的主主要要来来源源。这这种种热热能能据据估估算算可可以以达达到到每每年年2.14102
15、.14102121焦焦耳耳。其其次次，因因地地球球本本身身的的重重力力作作用用过过程程也也可可以以转转化化出出大大量量热热能能，其其总总热热量量可可能能十十分分接接近近于于放放射射性性热热能能。此此外外，地地球球自自转转的的动动能能和和地地球球物物质质不不断断进进行行的的化化学学作作用用等等都都可可以以产产生大量热能。生大量热能。第30页，本讲稿共44页楔子：楔子：地球物理性地球物理性质的的应用用 重重力力异异常常：将将地地球球视视作作一一个个圆圆滑滑的的均均匀匀球球体体，计计算算得得出出的的重重力力值值称称作作理理论论重重力力值值。地地球球的的地地面面起起伏伏甚甚大大，内内部部的的物物质质密
16、密度度分分布布也也极极不不均均匀匀，在在结结构构上上还还存存在在着着显显著著差差异异。这这些些都都使使得得实实测测的的重重力力值值与与理理论论值值之之间间有有明明显显的的偏偏离离，在在地地学学上上称称之之为为重重力力异异常常。利利用用这这一一原原理理，可可以以通通过过发发现现各各地地的的局局部部重重力力异异常常来来进进行行找找矿矿和和勘勘查查地地下下地地质质构造。构造。第31页，本讲稿共44页 地球的物理性地球的物理性质 地地球球的的质质量量与与密密度度 半径测量与引力计算 地地球球的的弹弹塑塑性性与与振振动动 固体潮.椭球体与塑性变形 地地球球的的重重力力场场 重重力力均均衡衡 地表 深部
17、地心 地地球球的的磁磁场场 古古地地磁磁学学 特征 起源 演化 地地球球的的能能量量 物物理理性性质质的的应应用用第32页，本讲稿共44页5.地球内部圈地球内部圈层的的结构与圈构与圈层耦合耦合第33页，本讲稿共44页地壳地壳 莫霍面莫霍面 软流圈软流圈地幔地幔古登堡面古登堡面 地核地核水圈水圈 生物圈生物圈大气圈大气圈加加加加热热，分异与分，分异与分，分异与分，分异与分层层是是是是圈圈圈圈层层形成的原因形成的原因形成的原因形成的原因第34页，本讲稿共44页非梨亦非球非梨亦非球“鸡蛋蛋”？地壳地壳 地幔地幔 地核地核 蛋壳蛋壳 蛋白蛋白 蛋黄蛋黄 第35页，本讲稿共44页地球就是地球，是独一无二
18、，具有圈层结构的地球地球就是地球，是独一无二，具有圈层结构的地球鸡蛋（鸡蛋（cmcm）长轴/短短轴=5.5/4=1.375 扁平率扁平率=(长-短短)/长轴 =0.273 蛋壳：蛋壳：0.051/100 蛋清：蛋清：21/2.5 蛋黄：蛋黄：2.71/1.7地球地球(km)(km)长轴/短短轴=6378/6356=1.003 扁平率扁平率=(长-短短)/长轴 =0.003 地壳：地壳：331/200 地幔：地幔：30001/2弱弱 地核：地核：33001/2强地球与鸡蛋的比较地球与鸡蛋的比较 第36页，本讲稿共44页第37页，本讲稿共44页内核差异旋内核差异旋转转 内核中地震波传播在沿自转轴方
19、向的波速要大于内核中地震波传播在沿自转轴方向的波速要大于其它方向。其它方向。内核中地震波速的传播是轴对称各向异性的；内核中地震波速的传播是轴对称各向异性的；该快轴与地球自转轴不重合，且两者夹角在不断变化。该快轴与地球自转轴不重合，且两者夹角在不断变化。快轴对于内核自身在短期快轴对于内核自身在短期内不应有明显的变化，故应该内不应有明显的变化，故应该是地核与整体地球之间存在着是地核与整体地球之间存在着旋转速度的差异。旋转速度的差异。第38页，本讲稿共44页地幔部分熔融地幔部分熔融 地地幔幔部部分分熔熔融融指指地地幔幔上上部部的的部部分分岩岩石石因因受受到到复复杂杂的的地地质质作作用用而而发发生生部
20、部分分熔熔解解，显显示示为为高高度度可可塑塑甚甚至至液液态态的的现现象象。动动态态模模拟拟发发现现岩岩石石流流动动应应力力为为2020100MPa100MPa这这大大大大降降低低了了对对地地幔幔物物质质的的运运动动限限制制,为为地地壳壳运运动动的的动动力力学学提提供供了了实验证据。实验证据。第39页，本讲稿共44页第40页，本讲稿共44页 圈层耦合是当今地球科学中一个圈层耦合是当今地球科学中一个热点话题；热点话题；对圈层耦合的方式有多种不同的对圈层耦合的方式有多种不同的观点；观点；第41页，本讲稿共44页第42页，本讲稿共44页板 物理气候系统 太 块 阳 驱 驱 动 生命系统 动 过 过 程 地球化学循环 程第43页，本讲稿共44页第44页，本讲稿共44页