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1、固体地球物理学概论,地空学院,固体地球物理系,张胜业,2014,年,2,月,武汉,?,教材与参考书,?,1,、刘远生、毛春长等编：地球物理学,简明教程；,?,2,、王家映编：地球物理学；,?,3,、张少泉编著：地球物理学概论；,?,4,、张胜业、潘玉玲主编：应用地球物,理学原理，,2004,年；,课,程,主,要,内,容,?,一、引言,?,二、地球的起源（天文学、行星学）,?,三、地球的转动和形状,?,四、地球的重力场（重力学、大地测量学）,?,五、地震学与地球的速度结构（地震学）,?,六、地球磁场（地磁学）,?,七、地球电与电磁效应（地电学）,?,八、地球的温度场（地热学）,第一章,引,言,一
2、、什么是地球物理学？,定义：地球物理学是以地球为研究对象的一,门应用物理学。,从上可知,：,地球物理学的,研究对象,地球。,地球物理学的,理论基础,物理学,。,?,地球物理学的,研究内容,：,?,利用,物理学,的,电学、磁学、热学、运,动学和动力学,等方面的原理和方法,?,研究地球各部分的,物理条件、物理性,质、物理状态,?,从,空间和时间,两个方面找出以上各方,面的发展和联系，以寻求其变化规律。,?,这门学科自,20,世纪之初就已成体系。,到,60,年代以后，发展极为迅速。,?,它包含了许多分支学科，涉及,海、,陆、空三个领域，,?,是天文、物理、化学、地质学之间,的一门边缘科学。,?,地球
3、物理学和地质学、地球化学,一,样在地球科学中占重要地位。,?,地球物理学,研究的范围,包括从,最深,部的地核直至大气圈边界的整个地,球。,?,地球物理学，若从,广义上,理解，除,固体部分，还包括研究地面形状的,大地测量学,，研究海洋运动规律的,海洋物理学,，以及研究高空和星际,空间物理学,。,?,不过，一般谈地球物理学是指固体,地球部分。故称为,固体地球物理学,。,?,在实际应用中，人们已经部分地接受,了这种方法，甚至,默认地球物理学是,指研究“固体地球”,这部分的物理学,这一狭义的定义。,二、地球物理学组成及研究内容,?,固体地球物理学可分为两个大的方,面：研究大尺度和一般原理的，叫,理论地
4、球物理学（或普通地球物理,学）；,?,勘察石油、金属、非金属矿或解决,其它地质问题的，叫,应用地球物理,学（或勘探地球物理学）。,?,理论地球物理学,着眼于基础理论方面的研究，,研究的主要内容有：,?,（,1,）研究地球形状与重力分布的重力学；,?,（,2,）研究地震及弹性波在地球内部传播规,律的地震学；,?,（,3,）研究地球磁现象的地磁学；,?,（,4,）研究地球电性质的地电学；,?,（,5,）研究地球内部热过程和热状态的地热,?,学；,?,（,6,）深部探测和地球动力学等。,?,前,5,项为传统分支，后一项为新的十分活,跃的分支。,?,图,1-1,给出了地球物理学的形成和发,展，其中，还
5、重点给出了地球物理,学与邻近学科的关系。,图,1-1,地球物理学的形成和发展,天文学,物理学,地质学,地,球,空间物理学,大气物理学,固体地球物理学,大地测量学,海洋物理学,应用地,球物理,理论地,球物理,重力学,地磁学,地电学,地热学,地震学,地球起源,地球年龄,地球自转,地球形状,地球动力,?,应用地球物理学的发展远远超过理,论地球物理学,?,在地球物理学迅速发展的今天，应,用地球物理学采用新技术、新方法,和新理论的程度，远远超过理论地,球物理学。,?,地球物理学向深部和向海洋发展,?,本世纪来，地面上容易找到的矿藏,除未开发的地区，均已探测清楚，,迫使人们向深部和向海洋寻找新资,源。,?
6、,在狭义的地球物理的辖域内，我们,将对它们作一个简单的介绍。,?,“,地震学”,（,Seismology,）就是一门研究,地震的科学，研究,地震的产生，地震波,在地球的传播以及地球的速度结构,等问,题的科学。,?,“大地测量和重力测量学”,（,Ceodesy,and,Gravimetry,）：是一门研究,地球形,状，重力场的观测与解释，潮汐以及地,球密度结构等,问题的科学。,?,“,地磁学和地电学”,（,Geomagnetism,and Geoelectricity,）：是一门研究,地磁,场的起因、地磁场和地电场的特征及其,在研究地球的电学和磁学性质中的作用,的科学。,?,近年发展起来的,“古
7、地磁学”,，是地球,物理学的一个重要分支，它研究,地球磁,场的历史及其在地质学特别是板块构造,学说中的应用。,?,“,地热学”（,Geothermicity,）,：是一门研,究,地球热场的测量、分布、起因和利用,的新兴学科。,有的科学家认为，地球物,理学今后的面貌，必然和地球的热状态,联系在一起。,?,因此近年来人们大力开展了,地热场、火,山、地球的放射性以及地球化学热,等问,题的广泛研究。,?,“,大地构造物理学”（,Tectonophysics,）：,我们知道，在地球内部存在的应力和应,变，引起了地球表层极其巨大的位移，,这种现象叫大地构造运动。,?,研究地球,内部这种应力的产生和作用，,
8、区域构造和全球构造的物理特性,的科学,叫大地构造物理学。,?,“地球年代学”（,Geochronology,）,：是,一门用,物理的方法研究地球历史事件的,年代测定的科学。,三、地球物理学的发展史,?,地球物理学虽然在,19,世纪末，,20,世纪初,已成体系。,但对地球物理现象的观测和,探讨，从,远古,就开始了。,?,我国,东汉的张衡,是一位从事,地震观测研,究的地球物理学家。唐代的张遂（僧一,行）,是一位从事,大地测量研究的地球物,理学家。,1,、,公元十四世纪以前的情况,?,地球物理这门学科,是由于人们要,确定地,球的形状大小,而发展起来的。,?,公元前六世纪，希腊人从亚那萨哥拉时,代已把
9、大地看成,球体。,?,公元前四世,纪，,阿里士多德,（,Artistotle,）,就明确指出,大地是球形，,并且估计了地,球的圆周值（请不要误解为圆周率。,圆,周值上是指纬度变化,1,所对应的地面长,度）。,?,公元前八世纪，我国唐代的天文学家张,遂（僧一行）独立得出圆周值，其误差,约小于,20%,。,2,、牛顿时代欧洲的工作,?,与希腊、中国和阿拉伯相比，欧洲人的,地球物理工作开始较迟，大概在环球航,行证实,大地是球形,以后开始的。,?,公元,1527,年，菲涅尔（,Fernel,）在巴黎通,过计算四轮马车车轮的旋转计算,圆周值。,?,1617,年，斯涅尔（,Snell,）提出三角测量,的概
10、念。,?,1637,年，诺伍德（,Nolwcod,）步测了从伦,敦到约克的距离，以确定圆周值。,?,1669,年，法国人比卡（,Picard,）用望远,镜测量角度，所得圆周值的误差达到,0.1%,。,?,在此阶段，,地球扁率和地球旋转的效应，,在随着大地测量精度的提高开始表现出,来。,?,在此应着重谈谈,牛顿的杰出贡献。,在牛顿以前，对地球的研究基本上,是静态的三角几何问题。,?,牛顿提出的,运动和万有引力定律，,给地球形状和构造的动力学研究，,奠定了理论基础,。,(1),牛顿的第一大贡献,?,牛顿第一个估计了地球质量。,根据,万有引力定律，可得出在一级近似,情况下的公式,g=GM/R,2,?
11、,其中,g,为重力测量值，,G,为万有引力,常数，,M,为地球质量，,R,为地球半径。,因为,g,和,R,的数值可得，所以,由此式,可得,GM,值。,?,牛顿为分别取得,G,和,M,值，提出许多,实验原则和途径,.,?,当时，他做出了以下著名推测：,“地球的整个质量，比假定它全是,由水组成的地球要大得五至六倍。”,（,2,）,牛顿的第二大贡献,?,牛顿第一个估计了地球的扁率,的数,值。,?,为了归算成数学模式，他把地球看,成密度恒定的旋转流体，由此推导,出,=,（,a-b,）,/a=1/230,，,a,、,b,分别为,地球的赤道长轴和极短轴。,?,同时，牛顿还认识到地球密度不是,恒定的，所得,
12、值应该进行修正。他,认为，,所得,1/230,是,的下限值。,?,但应该指出，牛顿在论证中犯了一,个错误。,他所得数值不是下限，而,应是上限。,?,无论如何，牛顿所得地球是扁球的,推论是正确的。,?,牛顿关于地球是扁球的推论，后来,被法国天文学所证实。,?,他们发现：能在巴黎给出准确时间,的摆钟，放在赤道附近的卡宴，却,慢了,2.5s,，这与地球形状的赤道凸有,关。,?,在牛顿计算地球扁率之后几年，,惠,更斯（,Huygens,）,在不知道牛顿这一,推论的情况下，,采用另一个不同的,密度模式，得到,值为,1/577,。,?,当时，人们试图从理论上和观测上,解释牛顿所得,为,1/230,与惠更斯
13、所得,为,1/577,之间的差异。但没有结果。,然而，,他们所给的两个数值，可作,为真实,值的上下限。,3,、,十八世纪的工作,?,在牛顿,1727,年去世以后的一个相当,长的时间内，,绝大多数的地球物理,研究者为英国人和法国人。,?,在英法之间展开了巨大的竞争，结,果使这两个国家的地球物理工作获,得极其光辉的成就，从而使地球知,识大大跃进一步。,?,在英国方面，约翰,米歇尔（,John,Michell,）设计了一套仪器，可以测,定实验室内两个物体之间的引力，,从而确定常数,G,。,?,确定,GM,的数值，是牛顿发现的。现,在有了,G,，则可以确定,M,的数值。,?,他的学生卡文迪什（,Cav
14、endish,）接,替进行实验，,于,1798,年对,G,进行了很,成功的测定，从而得到准确的,M,值。,?,再由公式,=M/V,（,V,为地球体积）,，,算出,地球平均密度（,）为,5.5g/cm,3,由此证实了牛顿定律的早期推断。,?,在法国方面，大约,1736,年对拉普拉,兰和秘鲁进行了一次成功的探测，,参加的包括克莱罗（,Clairaut,）和布,格（,Bouguer,）这样的著名人士。,?,由于两地相隔纬度,60,，通过测量,足以得出地球是扁球的证据。,?,布格开创了,重力测量学，,从而奠定,现代大地测量学,的基础。,?,在理论方面。克莱罗提出重力加速,度,g,与扁度,有关的重要公式
15、，导出,一个地球内部密度随扁度,而改变的,二阶微分方程。,?,在那以后的一个半世纪里，许多地,球物理问题是在牛顿和克莱罗的工,作基础上展开的。,?,在那个时期几乎所有法国大数学家,都写过有关固体地球物理学的论文。,其中包括达朗倍尔（,dAlembert,）、,库伦（,Couloomb,）、拉格朗日,（,Lagrange,）、拉普拉斯,（,Laplace,）、勒让德（,Legendre,）、,泊松（,Poission,）、和勾犀（,Cauchy,）,等。,他们把数学与物理结合起来解,释地球现象，从而使这门学科建立,在严格的数理基础上。,4,、十九世纪的工作,?,到十九世纪初，引力理论已经以精,练
16、的数学形式出现，并且成功的应,用于旋转地球的大量问题。,?,这时求得,地球质量的精度已在,1%,以,内，地表的扁率测定，已精确在百,分之几以内。,?,这个世纪，十分重要的成就是运用,数学工具，把地球质量、地球半径、,地表,g,值和关于岁差的天文数据，巧,妙地结合在一起，,得到地球的转动,惯量（或惯性矩）,I,。,?,1855,年法国人勒道（,Radau,）引进,特殊函数，使得确定转动惯量,I,成为,可能。,?,通过计算给出,=1/297,，,I=Y,MR,2,，,Y=0.3335,。对于一个常数密度的球,体而言，,Y=0.4,。既然所得,Y,值,（,0.3335,）比,0.4,小，,表明地球内
17、部,一定存在一个可观的高密度中心。,?,我们从卡文迪什实验得知，地球的,平均密度为,5.5g/cm,3,，,而地表岩石密,度仅,2.0g/cm,3,，,因此地球深处的密度,必定为地表岩石密度的若干倍。,?,这样，从转动惯量,I,和密度,同时得,出地球内部密度有或质量集中的结,论，这为研究地球内部的密度分布,提供了一个重要的边界值。,?,在当时提出两个地球内部密度分布,数学模式，一个是勒让德,-,拉普斯模,式，另一个是罗歇（,Roche,）模式。,这两个模式所给的密度值变动范围,为：,地表处约为,3g/cm,3,，地心处约,为,11g/cm,3,。,?,十九世纪为探索地球内部密度分布,花费了极大
18、的精力，但尚未达到成,熟可信的程度。,直到后一个世纪，,地震学研究得到地球内部的分层结,构，才从根本上解决了地球内部的,密度分布问题。,5,、二十世纪的工作,?,二十世纪地震学得到广泛应用，地,球内部的力学性质才被揭示。,?,地震是人们早已觉察的现象。中国有世,界瞩目的长达两千多年的地震记载。,?,在地震观测方面，,远在东汉，文学家和,科学家南阳人张衡，曾制造出世界上第,一架地震仪,候风地动仪。,?,1906,年，奥尔德姆从地震图上得到,地球有一个致密的液态地核的证据。,这个证据对于长久以来地球内部有,高密度或质量集中的假说，是一个,有力支持。,?,1909,年，,南斯拉夫地震学家莫霍洛,维奇
19、契（,A.Mohorovicic,）,发现，在,巴尔干地表数十公里处的,P,波和,S,波,速度急剧增加。这个速度急剧变化,的界面，,称为莫氏面。,?,后来许多人做了大量工作，表明这,个面是,全球性的。这个面就是地壳,与地幔的分界面。,?,1914,年,，,德,国,人,古,登,堡,（,B.Gutenberg,）,在确定地壳和地核,之间存在地幔的前提下，公布了一,个著名的计算结果，他得出幔核界,面的深度为,2900km,。,?,1936,年，丹麦的,莱曼（,L.Lehmann,）,女士,根据两个新西兰地震的欧洲记,录指出，地球的核有明显的外部与,内部之分。现在分别称为,内核与外,核。,?,1946
20、,1950,年，澳大利亚的布伦,（,K.E.Bullen,）根据地震学分析,得,出,内核固态的结论。,后来，这个结,论又得到热力学和理论物理学的支,持。,?,第二次大战以后，由于军事需要（如地,下核爆炸的侦察、人造地球卫星轨道的,控制）和经济建设的发展（如地下资源,和海底资源开发、核电站的其它大型工,程设施的场地条件），,向地球物理学提,出许多新的要求，在客观上为地球物理,学的发展提供十分有利的人力和物力条,件。,?,在地震学方面，增加了许多新的观,测资料其中地震台阵记录、长周期,地震面波和地球振荡记录、长剖面,地震记录等，进一步,完善了地球的,分层模型，并且发现地球结构的横,向变化。,?,在
21、最近的几十年，国际上连续组织四次,大协作，使地球物理学获得巨大进展，,在地球物理研究的广度和深度上远远超,过以往的年代。这四次大协作是：,?,1957,年,1958,年,的,国,际,地,球,物,理,年,（,International,Geophysical,Year,，简称,IGY,）；,?,1960,年,1970,年,的,国,际,上,地,幔,计,划,（,International,Upper,Mantle,Program,，,简称,IUP,）；,?,1974,1980,年,的,国,际,地,球,动,力,学,计,划,（,International,Geodynamic,Program,，,简称,
22、IGP,）；,?,1981,1989,年的国际岩石层（圈）计划,（,International,Lithosphere,Program,，,简称,ILP,）。,?,在近十多年，还开展了国际大陆科学钻,探,计,划,（,ICDP,）,和,地,壳,动,力,学,计,划,（,CDP,）等。,?,这几次协作计划的实施，在地球物理学,以至整个地学界产生了深刻影响。,?,第一次协作完成后，,在全球范围建立了,规范化的、布局合理的地震、重力、地,磁、地热等观测台网，为在规模研究提,供了资料基础。,?,第二次协作完成后，提出了“板块构造,学说”这是一次地球表层动态概念上的,革命,?,第三次数协作完成后，对板块运动
23、的驱动,力问题，从多方面进行了探讨。,?,第四次协作的中心课题是：岩石层（圈）,的现状、形成、演化和动力过程。,重点研,究大陆板内的地球物理现象，其中，板内,地震居于重要地位。,?,当前，研究主要集中在地球动力学这个,问题上。,?,地球动力学，在当前的国际合作中，系,指板块的动力学研究。,但此词并不限于,此，也包括,地球内部的物理过程和地球,的空间运动。,?,所以，除地球表层的运动学之外，还应,有天文方面的地球运动问题，以及下地,幔和地核的动力学问题。,?,广义地讲，地球动力学几乎涉及到全部,的固体地球物理学,四、地球物理方法的基本特点,?,1,、入地的窗口,?,可以根据地面或空中的资料和信息
24、，了,解地球深部情况；,?,2,、地球物理方法反演的多解性,?,正演问题,?,反演问题,?,精度问题,?,3,、地球物理方法的间接性问题,?,4,、建模与简化,?,地球模型或某种地球现象的模型，就是,以数学公式或数值形式表征的地球某种,基本性质或基本规律，它是对复杂研究,客体的合理抽象和高度简化。,?,经过这样的数学抽象和物理简化，应该,更能反映客体的内在本质。,?,5,、地球物理学初值和边值的约束作,用,?,地球物理现象的时间和空间尺度变化很,大，可以跨几个数量级。,?,任何地球内部构造或地球演化假说，都,必须使所得的结论与现在所见到的地球,的情况一致。,即现在的地球为地球演化,提供了一个作
25、为初值（终值）的时间条,件，而地面观测又为地球内部的物理过,程提供了一个边界条件。,?,6,、对地球物理学结论的可靠性估计,?,地球物理学是一门内涵和外延不断变化的,学科。它的结论，实际上是推论。,?,（,1,）可靠性高的：,牛顿万有引力定律，,球谐分析理论、地球形状、地球自转周期；,?,（,2,）可靠性较高：,GPS,、地球的速度分,层结构；,?,（,3,）可靠性具中的：,地球的年龄、地球,的分层结构（由速度导出的密度、压力,等）；,?,（,4,）可靠性差的：,大陆漂移和板块构造、,地球内部的温度分布、地震预报；,（,5,）可靠性最差的：,地幔对流假说、地球起源假说、地磁场起,源假说,?,思考题：,?,地球物理学与地质学的比较？,
