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1、1,第一章 地球概况,地球在太阳系中的位置：,太阳,水星,金星,地球,木星,火星,第一节 地球的形状和大小一 地球的形状从人造地球卫星拍摄的地球照片上看到的地球形状是一个球状体。二 地球的大小。1975年第16届国际大地测量和地球物理联合会(IUGG)建议采用的地球形状的主要参数有：,赤道半径(a)6378140km两极半径(c)6356755km平均半径R二(a2c)13 6371004km长短半径差(ac)21.385km扁率(ac)a 1298253表面积4丌R2 510064472 km2体积43丌R2 10832X 108km3,北极比旋转椭球体凸出约10m，南极凹进约30m，中纬度
2、在北半球稍凹进，而在南半球稍凸出(不到10m),根据人造卫星轨道参数分析测算所得出的地球真实形状，,据此可以推论：第一，地球极近似于旋转椭球体，这是地球自转所 致，表明它具有弹塑性；第二，地球不是严格的旋转椭球体，表明其内部物质分布不均匀。,第二节 地球的外部圈层结构地球的外部圈层包括：大气圈、水圈和生物圈一、大气圈 大气圈是由包围着固体地球的大气层构成的。水中、土壤中及一些岩石中也含有少量空气，但其深度一般不超过4km。大气圈没有明显的上界，在赤道上空40000km以上仍有大气存在的踪迹。大气圈的总质量约为5136x 1015t，占地球总质量的千万分之九。大气圈质量的97聚集在从地表到29k
3、m高度范围内，其中的34又集中到地面以上lOkm范围内。因此，越接近地面大气的密度越大。大气圈的物质成分以氮和氧为主，其中氮占大气圈总质量的755，氧占231；其次有氩占128，二氧化碳占 005。,根据大气温度、密度等物理特征，一般把大气圈自下而上分为5层。,扩散层电离层中层平流层对流层,中层,对流层,平流层,对流层的特点对流层：位于大气圈底部，在赤道地区厚约16一18km，两极地区厚约7一10km，冬季较薄，夏季较厚。本层大气的温度主要来自地面的红外辐射，即由太阳光照射地面再辐射出来的热。贴近地面的大气受热后体积膨胀，密度减小，产生上升运动；上层大气则因冷却而密度增大，产生下降运动，于是形
4、成了热空气与冷空气的对流运动。地面水体受热汽化产生的水蒸气自然也参与大气的对流运动。所以，风、云、雨、雪、雹、雷、电等变化多端的天气现象，都发生在对流层中。对流层大气的流动，不仅是一种重要的地质营力，同时又是推动水圈循环的重要因素。,二、水圈地球表面以上的面积被海洋、冰层、湖泊、沼泽、河流中的水体覆盖。地面以下的土壤和岩石缝隙中也充填有大量的地下水，它们共同构成一个连续而不规则的圈层，称为水圈。,水圈中的水，主要在太阳热能和重力的作用下不停地运动着。陆地上的地表水、地下水和冰层总的说都可自高处向低处运动，其中绝大部分流入海洋。地表水和海洋水通过蒸发(或植物的蒸腾)，一部分水成为水蒸气而进入大气
5、圈，由大气环流带到各处，以雨、雪等形式返回地面。这样就构成了水圈的循环，并同时对岩石圈、大气圈与生物圈产生影响。,表1-1 各种水体的储量表,水体类型 水体水量(1012m3)百分数()I 海洋水 1338000 96.538 大气水 12.9 0.001 陆地水 47971.7 3.4611冰层 24064.1 1.7362永冻土底冰 300 0.0223地下水 23400 1.6884，湖沼水 187.9 0.01355土壤水 16.5 0.00126江河水 2.1 0.00027生物水 1.1 0.0001总 计 1385984.6 100.0(据联合国水文会议文件，1977),三、生物
6、圈生物生存的范围可从海平面以上10km高空到岩石圈表面以下数公里深处的岩石中(几乎包括了整个水圈)。生物圈中生物及有机体总质量约1148X1012t。地球上生命物质的出现约在3500Ma以前。在南非距今3200Ma的层状岩石中发现了原核生物化石。一些学者认为，在地球发展的早期阶段，大气中的C02甚多，而O2比现在少得多。由于植物的大发展，植物的光合作用消耗了大部分C02使C在地层中富集，释放出大量的O2，才使大气的成分达到现代的状况。,第三节、固体地球的主要物理性质固体地球的主要物理性质包括:密度 压力 重力 磁性 弹性和塑性 温度,一、地球的质量和密度 根据牛顿万有引力定律计算出地球的质量为
7、5.9472X1024kg(据IUGG，1975)，地球的平均密度为5.516gcm3。但在地表出露的岩石中，测得砂岩、页岩和石灰岩等沉积岩的平均密度为2.6gcm3，花岗岩的密度为2.67gcm3，玄武岩的密度为2.85gcm3，都远小于地球的平均密度。因而推论，地球内部大部分物质的密度，应大于地球的平均密度。,1,目前世界上最深的钻井仅达12km多，地球内部更深处的密度无法直接测量。,根据地震波在地球内部不同深度的传播速度并结合实验岩石学的资料提出地球内部结构模型，推算了其密度分布状况，,二、地球的重力地球上某处的重力是该处所受地心引力与地球自转离心力(垂直地面分力)的合力。1 地球表面的
8、重力随纬度值的增大而增大。据计算和实测:在赤道海平面上重力加速度为978.0318cm/s2，在两极海平面上为983.2177cms2，后者比前者增加 0.53。重力加速度还随海拔高度的增高而减小，每升高1km重力加速度值减少31cms2。2 在地球内部，重力加速度随深度的增加而缓慢增大(图13)。,到2891km深处，重力加速度 达到极大值1068cms2。2891km以下重力加速度急剧减小，地心的重力加速度为零值。,如果把地球当作一个圆滑的均质体，以大地水准面为基准计算出的重力值称为理论值，它只与地理纬度有关。但实际上，由于地面起伏甚大，加上地球物质密度不均匀以及结构的差异等原因，实测的重
9、力值常与理论值不符，这种现象称为重力异常。对研究区的实测重力值，通过高程及地形校正以后，再减去该区的理论重力值，如为正值，称正异常；如为负值，则称负异常。前者反映地下物质密度偏大，后者反映地下物质密度偏小。地球物理勘探中的重力勘探，就是利用这一原理，通过发现岩石圈中局部重力异常，来进行找矿和勘查地下的地质构造。,三、地球的压力是指由上覆地球物质的重量所产生的静压力。静压力的大小与所处的深度、上覆物质的平均密度及平均重力加速度成正相关。由于物质的密度随深度的增加并非均匀增加，因而压力与深度的关系在图13上不呈直线，而呈一条曲线。,在正常情况下，从地表到地下24km，压力从1105Pa增加到约0.
10、6109Pa；到670km，压力增大到约24109Pa；到2891km，压力增大到约136109Pa；到6371km(地心)，压力约为364 109pa。,四、地球的磁性固体地球好像是一个磁化球体，其磁力线特征类似于偶极场的特征,地磁轴与地球自转轴并不重合，二者约成11.50的交角。而且地磁极的位置是不固定的，它逐年发生一定变化。,例如:磁北极的位置，1961年在74054N，1010W；1965年在75050N，100050W；1970年在760N，1010W；1975年在76006N，1000W。,磁力线分布的空间称为磁场。磁力线的分布情况可由磁针的理想空间状态表现出来。由磁针指示的磁南北
11、，为磁子午线方向，其与地理子午线间的夹角称磁偏角。磁针在地磁赤道上呈水平状态，由此向南或向北磁针都会倾斜，其与水平面的夹角称磁倾角。到磁南极或北极，磁针则竖直起来。磁力作用的强弱称为磁场强度(F)，其单位为Am。它是矢量，可分解为水平分量(H)和竖向分量(Z)。,磁场的特征可用磁场强度(F)磁偏角(D)磁倾角(I)这三个要素来确定。,在世界范围内选择若干个地磁测站，测量该处的地磁要素数据，然后推算出世界各地的基本地磁场数据，作为地磁场的正常值。但在实际工作中，会发现某地区实测地磁要素数据据与正常值显著不一致，这种现象称地磁异常。地磁正异常一般是由地下赋存高磁性矿物或岩石造成的，如磁铁矿、镍矿石
12、和超基性岩等。地磁负异常多是由地下赋存的石油、盐矿、铜矿、花岗岩等低磁性或反磁性矿物或岩石引起的。利用地磁异常来寻找地下矿产,了解地质构造情况的方法，称为磁法勘探。这种方法不仅可在地面上进行，也可以利用飞行器在高空进行。,五、地球内部的温度火山喷发、温泉和矿井随深度而增温等现象,表明地球内部储有很大的热能，可以说地球是一个巨大的热库。通过大量的调查研究发现，自地面向地下深处，地热增温现象是不均匀的。地面以下按温度状况可分为三层：1外热层(变温层)2常温层 3增温层,1外热层(变温层)该层地温主要受太阳光辐射热的影响，其温度随季节、昼夜的变化而变化，故又称变温层。日变化影响深度较小，一般仅11.
13、5m,年变化影响深度可达2030m。2常温层 该层地温与当地年平均温度大致相当，且常年保持不变，其深度大致为2040m,一般情况下,中纬度较深，两极和赤道较浅；内陆地区较深，滨海地区较浅。3增温层 常温层之下，地温随深度增大而逐渐增加。在大陆地区常温层以下至30km深处，大致每加深30m，地温增高10。大洋底至15km深处，大致每加深15m，地温增高1。深度每增加lOOm所升高的温度，称地温梯度，其单位是0ClOOm。地温梯度在各地是有差异的，例如在我国华北平原的地温梯度为230ClOOm，在安徽庐江则为40ClOOm。,在地下深处，由于受压力和密度等因素的影响，地温的增加趋于缓慢。通过多种间
14、接方法测算，地下lOOkm的温度约13000C；1000km处的温度约20000C；2900km处的温度约27000C；地心的温度高于32000C，有的学者推测，地心温度可能为400050000C(图13)。,地球内部热能的来源问题尚无完善的结论。一般认为:由岩石中放射性元素的衰变释放出热是地热的主要热源。地球本身的重力作用也可以转化出大量热能，有人认为其总热量接近于放射热能。地球自转动能和地球物质不断进行的化学作用等都可以产生大量热能。地球自转动能和地球物质不断进行的化学作用等都可以产生大量热能。,六、地球的弹性和塑性众所周知，海水在日月引力的作用下发生潮汐现象。实际上这种现象也会出现在固体
15、地球表层。用精密仪器可以观测到固体地球表层的潮汐现象，地面升降幅度可达7 15cm，这就是固体潮。固体潮表明，固体地球具有弹性。地球能传播地震波(弹性波)也表明地球具有弹性。地球在其自转的作用下成为一个旋转椭球体，也表明地球并不是完全的刚体。在长期应力的作用下坚硬的岩石也会产生一定的塑性变形。岩层受构造运动形成褶皱，就是典型的塑性变形现象。,固体地球的弹性和塑性特点都是相对的，在不同的条件下有不同的表现，在施力速度快、作用时间短的条件下，地球表现为弹性体，类似刚性体，岩层会产生弹性变形或破裂；在施力缓慢持续作用时间漫长的条件下，地球则可表现出明显的塑性特征，如形成复杂的褶皱。,第四节 地球的内
16、部圈层结构,一 地球内部圈层的划分依据到目前为止，人们尚不能直接观察地球内部的情况。目前世界上最深的钻孔也只不过达到约12km的深度，这个深度仅为地球平均半径6371km的1530。因此，对地球内部物质和结构的认识主要依靠各种间接的依据，例如，通过对大量陨石的成分和结构的鉴定与对比分析；通过研究重力、地磁、地电、地热及地震波的传播所得的信息进行分析等。其中通过地震方法所获得的信息最为丰富。,地震波是一种弹性波，可分为体波、面波和自由振动等类型。体波有纵波(P)和横波(S)之分。纵波可在固态、液态和气态的介质中传播；横波仅能在固态介质中传播，其波速较小，仅相当于纵波在同一介质中传播速度的47。地
17、震波速的大小与介质的密度和弹性有关，它们的关系式为：Vp2k+4/3,p式中Vp为纵波速度；Vs为横波速度；P为介质密度；K为介质的体变模量；为切变模量。地震发生之后，设置在各地的地震台将先后接收到地震纵波、横波及它们的转化波或衍射波。经过复杂的计算，可得出地下不同深度的波速，进而分析出相关的物质状态。,从地震纵波与横波波速的变化特征发现，在地下12km(大洋区)与33km(大陆区)、670km、2891km及 5150km等四处，波速发生显著的跃变。由此可以推论，在这几个深度上下的物质成分、物质状态有明显的变化，形成几个大的结构面(表12)。33km处的界面是南斯拉夫地震学家莫霍诺维奇于19
18、09年首先发现的，因而以他的名字命名，简称莫霍面(M)。该面上、下Vp由68kms陡升至81kms；Vs由39kms，升至45kms。现代研究认为，岩石成分由角闪岩、麻粒岩、玄武岩等突变为橄榄岩。2891km处的界面是由美国地震学家古登堡于1912年发现的。该面上、下Vp由137kms陡降至80kms；Vs从73kms到突然消失。这种现象表明该面之上为固态岩石，该面以下为液态物质。1981年，国际地震及地内物理学协会通过了“初步参考地球模型”(PBEM)，建议地学界使用。该模型是由泽旺斯基和安德森综合天文测量、大地测量、自由振荡和面波、体波等资料提出的。表12反映了上述模型的主要数据。,二、地
19、球内部圈层的特征(一)地壳 莫霍面以上是由固体岩石组成的地球最外部圈层，称为地壳。地壳的平均厚度约 18km，平均密度为28gcm3，质量约235x1022kg，占地球质量的039。地壳底部的平均压力约为6043x108Pa，温度约为400700。地壳的厚度变化很大，且在大洋地区与大陆地区的地壳结构有明显的区别。大洋地区地壳(洋壳)很薄，平均7km，且较为均匀。大洋地区(约5km深)的海水之下，普遍堆积有05km厚的沉积层。再下便是58km厚的玄武岩和辉长岩层。一般简称为硅镁层，其密度为29gcm3。大陆地区地壳(陆壳)厚度2080km，平均33km。地壳中部较普遍存在一个次级界面(称为康拉德
20、面)，据此面将地壳分为上地壳和下地壳(图17)。,上地壳平均厚约 15km，平均密度约27gcm3，由沉积岩、变质岩和岩浆岩等多种成分的物质组成。其P波速度可与花岗闪长岩类比，一般简称为硅铝层或花岗质岩壳 下地壳平均厚约18km，平均密度29gcm3，其P波速度可与大洋底下的玄武岩层对比，因而称为硅镁层或玄武质岩壳。现代研究认为，下地壳可能主要由闪岩和麻粒岩组成，仍属中酸性岩类。随着研究的深入，发现上、下地壳之间存在多层结构和混合岩带，不少学者主张划分出中地壳来，其厚度0一lOkm，Vp为60-63kms。,(二)地幔莫霍面以下至古登堡面的圈层称为地幔。地幔的厚度约2870km，物质密度由顶层
21、的 331gcm3增至555gcm3，平均约45gcm3，质量约403 x 1024kg，占地球质量的 676。根据地幔上部与下部物质成分和温度、压力的差异性，加上670km深处地震波速度间断面甚为显著，因而将此间断面作为上、下地幔的分界面。,1.上地幔 通过地震纵波和横波提供的大量信息，上地幔还可进一步分为盖层、低速层、均匀层和过渡层。盖层 深度为20一80km，是地幔的顶部层位。其密度为337gcm3，物质成分推测为橄榄岩，为固态，其速度结构类似于地壳，内部可出现若干高速或低速夹层，横向变化较大。盖层下界压力约25X109Pa，温度约10000C。低速层 深度为80220km，大陆区顶面较
22、深，大洋区顶面较浅，底界的差异不大。低速层密度为336gcm3，但纵波速度降至8Okms，横波在局部地S不能通过，产明低速层的部分物质可能呈熔融态，因而此层也被称为软流层。其物质一般认为由橄榄岩与榴辉岩组成。其底层压力约68X109Pa。均匀层 深度为220400km。这一层波速均匀，表明物质成分变化不大。底层压力已加大到14X109Pa，物质密度平均为348gcm3。实验岩石学证明，其岩石成分仍属超基性，主要矿物为辉石和橄榄石。但在超高压条件下，矿物晶体的原子结构将由疏堆结构转变为密堆积结构 过渡层 深度为400670km。此层，密度372399gcm3，底层压力约22x109Pa；Vp从9
23、1kms增加到103kms，速度梯度大。岩石应属密堆集结构，其成分应为超基性。,2下地幔 深度6702891km的圈层为下地幔，其厚度达2221km，密度由473增至555gcm3，平均密度51gcm3。压力由22x109Pa增至150X109Pa。除底层外，下地幔绝大部分的波速增加缓慢，可以认为是压力巨大条件下物质成分均匀的缘故。据实验岩石学分析，由呈紧密堆积结构的氧化物矿物，如MSO、FeO和Si02组成，其中Si02占50，Mg0占32，FeO占18。也有人认为下地幔的成分接近于陨石中的铁陨石。,(三)地核 古登堡面以下直至地心的部分称为地核。它是一个半径为3480km的球体，其体积占地
24、球的162，质量约占地球的32，平均密度为1083scm3。根据地震波速资料，在地核内存在两个明显界面，界面上、下地震波特征有显著差异，因而将地核划分为外核、过渡层和内核。外核为深2891至4771km的部分。Vp从80增至100kms，Vs为0，表明物质刚性模量为零，所以呈液态。密度由990增至1187gcm3。过渡层为深471lkm至 5150km的圈层。其1s仍为0，表明物质仍呈液态平均密度增至1206gcm。内核为深 5150km至地心的部分。Vp达110113kms，Vs重新出现，波速达5557kms，说明其物质为固态。其密度为1277130gcm3。推测地心的压力达37XlO11P
25、a。地核的物质，一般认为主要是铁，特别是内核，可能基本由纯铁组成。由于铁陨石中常含少量的镍，所以一些学者推测地核的成分也应含少量的镍。液态的外核，由于密度较内核小，实验表明，除铁、镍外，还应有少量轻元素存在。推测轻元素可能是硫、硅，而铁陨石的成分中，FeS有一定含量，硅的含量甚微。,(四)岩石圈地壳与上地幔的顶部，都是由固态岩石组成的，因而称为岩石圈。上地幔顶部和地壳在地球物理性质方面有许多相似之处，但与下面的呈塑性的软流圈(低速层)比较，则有重大差异。岩石圈平均厚度约80km，平均密度为325scm3，其体积占地球体积的 372，质量占地球的219。据地震波探测的资料，大洋地区岩石圈 厚3090km，大陆地区岩石圈 厚60150km，表明岩石圈在水平方向也是很不均匀的。,复习思考题1为什么地球不是严格的旋转椭球体?2地球表面的水圈是怎样循环的?3为什么各处地温梯度值有高有低?4地球内部有哪些重要的分界面?5地壳与岩石圈有什么差别?,
