2025年大學(xué)《地球物理學(xué)》專業(yè)題庫——地核成構(gòu)處理理學(xué)地球應(yīng)成構(gòu)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在題干后的括號(hào)內(nèi)）1.下列哪項(xiàng)不是目前確定地核邊界的主要依據(jù)？A.地震波速度的突變B.地震波振幅的顯著衰減C.地震射線的不連續(xù)性D.地面重力異常的分布2.在地核成構(gòu)研究中，自由振蕩分析主要提供關(guān)于地球內(nèi)部哪一區(qū)域的信息？A.地殼和上地幔頂部B.下地幔C.外核D.內(nèi)核3.導(dǎo)致S波無法穿過外核的原因最可能是外核具有？A.低于地幔的密度B.低于地幔的聲速C.高于地幔的塑性D.足夠高的導(dǎo)電性4.地球內(nèi)部P波速度隨深度變化的最大區(qū)域通常被認(rèn)為是？A.地殼B.上地幔C.下地幔D.外核5.地核發(fā)電機(jī)理論（DynamoTheory）主要解釋地球哪一現(xiàn)象？A.地球自轉(zhuǎn)的減速B.地球內(nèi)部的熱流C.地球磁場(chǎng)的產(chǎn)生和變化D.地球板塊的運(yùn)動(dòng)6.在地磁學(xué)中，古地磁極移曲線可以用來推斷？A.地球自轉(zhuǎn)速率的變化B.地核內(nèi)部的具體結(jié)構(gòu)C.地球磁場(chǎng)的反轉(zhuǎn)歷史和地殼運(yùn)動(dòng)D.地球外核的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)7.地球自由振蕩中，最低階的振蕩模式（sphericalharmonicsdegreen=2）通常與地球內(nèi)部哪一層密切相關(guān)？A.地殼B.上地幔C.下地幔D.外核8.布格重力異常（FreeAirCorrectedGravityAnomaly）主要用于消除哪部分重力效應(yīng)？A.地球自轉(zhuǎn)引起的離心力B.地球內(nèi)部物質(zhì)密度不均勻的影響C.旁側(cè)地殼和上地幔物質(zhì)的影響D.海洋盆地中的低密度沉積物9.地震波在內(nèi)核邊界（GutenbergDiscontinuity）上發(fā)生反射和折射的主要原因是兩側(cè)介質(zhì)具有顯著不同的？A.密度B.聲速C.導(dǎo)電性D.A和B的組合10.將地震層析成像技術(shù)與地磁大地測(cè)量數(shù)據(jù)相結(jié)合進(jìn)行地核成構(gòu)研究，其主要優(yōu)勢(shì)在于？A.提高地震波走時(shí)測(cè)量的精度B.同時(shí)獲得地殼和地幔的詳細(xì)結(jié)構(gòu)C.更好地約束外核和內(nèi)核的密度與聲速結(jié)構(gòu)D.直接測(cè)量地核內(nèi)部的溫度分布二、填空題（每空1分，共15分。請(qǐng)將答案填在題干橫線上）1.地震學(xué)方法是目前研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的主要手段，其中______波的傳播信息對(duì)于揭示地核結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。2.地核分為液態(tài)的外核和固態(tài)的內(nèi)核，兩者之間的邊界通常被稱為______。3.地球磁場(chǎng)的secularvariation指的是地球磁場(chǎng)矢量隨______發(fā)生的變化。4.地球物理反演的目的是根據(jù)觀測(cè)到的______來推斷地球內(nèi)部的未知結(jié)構(gòu)或參數(shù)。5.在進(jìn)行地核成構(gòu)數(shù)據(jù)處理時(shí)，常需要利用______濾波等技術(shù)來分離不同頻率成分的信息。6.根據(jù)地震波理論，外核的液態(tài)性質(zhì)阻止了______波通過。7.地核-地幔邊界（CMB）是地球內(nèi)部一個(gè)重要的物理界面，其深度大致位于______公里處。8.地磁場(chǎng)的極性反轉(zhuǎn)是指地球磁場(chǎng)的南北極發(fā)生______的現(xiàn)象。9.地震面波分裂現(xiàn)象在地核研究中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在分析______的各向異性。10.“理學(xué)地球應(yīng)成構(gòu)”強(qiáng)調(diào)將地核結(jié)構(gòu)與地球的整體______場(chǎng)聯(lián)系起來進(jìn)行綜合研究。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述利用地震P波走時(shí)差分法推斷地核半徑的基本原理。2.簡要說明地核發(fā)電機(jī)產(chǎn)生地球磁場(chǎng)的兩個(gè)基本條件。3.簡述重力異常數(shù)據(jù)處理中，自由空氣改正和布格改正的主要目的。4.簡述地震內(nèi)轉(zhuǎn)換波在地核成構(gòu)研究中的作用。四、計(jì)算題（每題10分，共20分）1.假設(shè)地震波從地表某點(diǎn)出發(fā)，以30°入射角穿過地幔到達(dá)外核邊界，然后以15°入射角折射進(jìn)入外核，再以10°入射角到達(dá)內(nèi)核邊界，最后垂直射回地表。已知P波在地幔中的速度為8km/s，請(qǐng)估算該地震波從出發(fā)到返回的總走時(shí)（忽略內(nèi)核中的傳播時(shí)間，并假設(shè)地幔、外核、內(nèi)核的厚度分別為2900km,2250km,1220km，僅作近似估算）。2.某地區(qū)測(cè)得布格重力異常為-50mGal。假設(shè)該區(qū)域地殼平均密度為2.8g/cm3，上地幔頂部密度為3.3g/cm3，地幔密度為3.3g/cm3，海平面平均密度為1.03g/cm3，試估算該區(qū)域地殼的平均厚度（提示：可以使用簡單的密度梯度和幾何模型進(jìn)行估算，不計(jì)地形起伏和密度隨深度的復(fù)雜變化）。五、論述題（共25分）1.試論述地震學(xué)方法在地核成構(gòu)研究中的主要貢獻(xiàn)、面臨的主要挑戰(zhàn)以及當(dāng)前的研究進(jìn)展。在論述中，請(qǐng)至少提及兩種不同的地震學(xué)探測(cè)技術(shù)（如地震走時(shí)、地震層析成像、面波分裂等），并簡要說明它們?nèi)绾螏椭覀兝斫獾睾说慕Y(jié)構(gòu)和性質(zhì)。試卷答案一、選擇題1.D*解析：地震波速度突變、振幅衰減、射線不連續(xù)是確定地核邊界（特別是Gutenberg界面）的關(guān)鍵物理現(xiàn)象。地面重力異常主要反映地殼和上地幔的密度分布，對(duì)確定地核邊界的作用相對(duì)間接。2.C*解析：自由振蕩是地球整體彈性模型的振蕩模式，其周期與地球內(nèi)部不同圈層的尺寸和質(zhì)量分布密切相關(guān)，因此主要提供地核等深部圈層信息。3.B*解析：S波是橫波，依賴于介質(zhì)彈性模量，而外核被推斷為液態(tài)，液體不能傳播橫波。4.C*解析：地震波速度隨深度變化曲線在過渡帶和下地幔底部存在顯著轉(zhuǎn)折，表明這些區(qū)域內(nèi)部結(jié)構(gòu)或物質(zhì)狀態(tài)發(fā)生重大改變，是研究下地幔結(jié)構(gòu)和成分的關(guān)鍵區(qū)域。5.C*解析：地核發(fā)電機(jī)理論解釋了液態(tài)外核的對(duì)流運(yùn)動(dòng)如何通過動(dòng)量傳輸驅(qū)動(dòng)地球自轉(zhuǎn)，并發(fā)電產(chǎn)生地磁場(chǎng)。6.C*解析：古地磁極移曲線記錄了巖石圈板塊運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的古磁極位置相對(duì)于地核磁極的移動(dòng)軌跡，是研究板塊構(gòu)造和地殼演化的直接證據(jù)。7.D*解析：n=2的振蕩模式對(duì)應(yīng)于地球內(nèi)部球諧函數(shù)的切向分量不為零，主要反映外核和內(nèi)核的運(yùn)動(dòng)，是研究地核狀態(tài)（如大小、形狀、旋轉(zhuǎn)）的重要工具。8.C*解析：布格重力異常是經(jīng)過地形、地殼密度等修正后的重力異常，旨在消除旁側(cè)地殼和上地幔物質(zhì)對(duì)測(cè)點(diǎn)重力的影響，更真實(shí)地反映下地幔及更深部結(jié)構(gòu)的密度變化。9.D*解析：地震波在介質(zhì)邊界發(fā)生反射和折射的根本原因是兩側(cè)介質(zhì)的物理性質(zhì)（密度和波速）存在顯著差異，這些差異改變了波的傳播路徑和能量分配。10.C*解析：地震層析成像可提供地殼、地幔的精細(xì)結(jié)構(gòu)信息；地磁大地測(cè)量可提供關(guān)于核心外邊界及內(nèi)部狀態(tài)的信息。兩者結(jié)合可以更全面、更準(zhǔn)確地約束地核（外核和內(nèi)核）的密度和聲速結(jié)構(gòu)。二、填空題1.S*解析：S波不能穿過液態(tài)外核，這一事實(shí)是確定外核液態(tài)性質(zhì)和推斷內(nèi)核存在的關(guān)鍵依據(jù)。2.地核-地幔邊界(GutenbergDiscontinuity)*解析：Gutenberg界面是地震波速度發(fā)生顯著變化的界面，標(biāo)志著地幔與液態(tài)外核的分界。3.時(shí)間*解析：地磁場(chǎng)的secularvariation指的是地球磁場(chǎng)的矢量（方向和強(qiáng)度）隨時(shí)間緩慢變化的現(xiàn)象。4.地球物理觀測(cè)數(shù)據(jù)(GeophysicalObservationalData)*解析：反演的出發(fā)點(diǎn)是利用實(shí)際測(cè)量得到的地表或近地表的地球物理場(chǎng)數(shù)據(jù)。5.速度(Frequency-domain)*解析：在頻域進(jìn)行處理，利用不同頻率成分對(duì)應(yīng)不同深度信息的原理，是地震數(shù)據(jù)處理中常用的方法。6.S*解析：與P波不同，S波的傳播依賴于介質(zhì)的剪切模量，而液體沒有剪切模量，因此S波無法在液態(tài)外核中傳播。7.6371*解析：地核-地幔邊界（CMB）大致位于半徑為6371公里的地球中心處，即地下約2900公里深處。8.位置互換*解析：地磁場(chǎng)極性反轉(zhuǎn)是指地理北極和南極變成地磁南極和北極的現(xiàn)象。9.外核*解析：面波在通過外核時(shí)會(huì)發(fā)生分裂，快波和慢波的速度差異反映了外核的各向異性（通常認(rèn)為與內(nèi)核自轉(zhuǎn)有關(guān)）。10.物理(或磁/電)*解析：“理學(xué)地球應(yīng)成構(gòu)”強(qiáng)調(diào)將地核結(jié)構(gòu)與地球的整體物理場(chǎng)（主要是磁場(chǎng)，有時(shí)也包括重力場(chǎng)）聯(lián)系起來。三、簡答題1.解析：利用地震P波走時(shí)差分法推斷地核半徑的基本原理是：首先，通過分析大量地震事件中P波從震源到接收站，穿過地核的走時(shí)數(shù)據(jù)，繪制走時(shí)-深度曲線。由于外核是液態(tài)，P波在其中傳播會(huì)發(fā)生彎曲（類似于光線通過透鏡）。當(dāng)震源和接收站位于地球兩側(cè)（大圓弧路徑）時(shí)，對(duì)于給定的地心角，存在兩條不同的路徑穿過外核，對(duì)應(yīng)不同的走時(shí)。這兩條路徑的走時(shí)之差（差分走時(shí)）與地核半徑有關(guān)。通過分析不同地心角下的差分走時(shí)，可以反演出地核的半徑。特別是當(dāng)震源和接收站非?？拷睾藰O點(diǎn)時(shí)，差分走時(shí)達(dá)到最大值，此時(shí)可以精確測(cè)定地核極徑。2.解析：地核發(fā)電機(jī)產(chǎn)生地球磁場(chǎng)的兩個(gè)基本條件是：1）液態(tài)外核：需要一個(gè)導(dǎo)電的、處于液態(tài)的介質(zhì)，以便存在可以流動(dòng)的對(duì)流電流。2）動(dòng)量傳輸（或科里奧利力）：地球自轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生科里奧利力，它作用于液態(tài)外核中的電離粒子，使對(duì)流運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)螺旋狀（dynamo效應(yīng)），從而驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生磁場(chǎng)。3.解析：自由空氣改正的主要目的是消除由觀測(cè)點(diǎn)與震源之間地形起伏（特別是海拔高度變化）引起的那部分重力異常，它假設(shè)地形上方為真空。布格改正的主要目的是消除從地表到指定深度（通常是地殼底部或某個(gè)模型定義的界面）之間所有物質(zhì)的質(zhì)量影響，它基于球諧級(jí)數(shù)展開，將地形、地殼及其以下物質(zhì)對(duì)重力的影響進(jìn)行綜合修正，旨在獲得反映下地幔及更深層結(jié)構(gòu)密度分布的異常。4.解析：地震內(nèi)轉(zhuǎn)換波是指地震P波在遇到介質(zhì)邊界（特別是從固體到液體界面）時(shí)，能量的一部分轉(zhuǎn)化為S波的能量，然后該S波在下一界面又轉(zhuǎn)化為P波的現(xiàn)象。在地核成構(gòu)研究中，內(nèi)轉(zhuǎn)換波具有重要的探測(cè)作用：首先，它們的存在是證明外核液態(tài)性質(zhì)的有力證據(jù)（因?yàn)橹挥泄腆w可以產(chǎn)生S波，該S波再轉(zhuǎn)換為P波進(jìn)入外核）；其次，內(nèi)轉(zhuǎn)換波對(duì)地核邊界（CMB）的形態(tài)和位置非常敏感，其走時(shí)和振幅變化可以精確反映CMB的起伏和傾斜；最后，通過分析內(nèi)轉(zhuǎn)換波的振幅衰減，可以研究外核的透明度及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。四、計(jì)算題1.解析：*路徑1（震源A->CMB1->CMB2->地表B）：入射角30°，折射角<30°，走時(shí)t1=L1/v1(L1為路徑長度，v1=8km/s)。路徑長度L1≈2*R*arcsin(θ/2)≈2*6371km*arcsin(30°/2)≈2*6371km*0.25≈3195km。走時(shí)t1≈3195km/8km/s=399s。*路徑2（震源A->CMB1->CMB2'->地表B'）：入射角15°，折射角<15°，走時(shí)t2=L2/v1(L2為路徑長度)。路徑長度L2≈2*R*arcsin(θ/2)≈2*6371km*arcsin(15°/2)≈2*6371km*0.125≈1600km。走時(shí)t2≈1600km/8km/s=200s。*總走時(shí)估算：T≈t1+t2≈399s+200s=599s。**注：此為簡化估算，未考慮Snell定律確定的精確折射角和更復(fù)雜的路徑幾何。*2.解析：*布格異常Δg_B=Δg-Free-Δg-Rho*Δh*Δg-Free≈-2*g*Δh_surface(g為重力加速度，Δh_surface為地形起伏近似為0，此項(xiàng)忽略)*Δg_Rho≈4πG*Δρ*h(G為萬有引力常數(shù)，Δρ為密度差，h為厚度)*布格異常主要反映地殼以下物質(zhì)：Δg_B≈-Δg_Rho≈-4πG*Δρ*h*h≈-Δg_B/(4πG*Δρ)*假設(shè)：g≈9.8m/s2,G≈6.674×10?11N·m2/kg2,Δρ=(3.3-1.03)g/cm3=2.27g/cm3=2270kg/m3*h≈-(-50mGal)/(4π*6.674×10?11N·m2/kg2*2270kg/m3*(100cm/m)3)*h≈50*10??m/s2/(4π*6.674×10?11*2270*103kg/m3)*h≈50*10??/(8.98×10?*6.674*10?11*2270)*h≈50*10??/(1.38×10??)*h≈36250m≈36.25km**注：此為非常粗略的估算，忽略了地殼密度隨深度變化、地形起伏修正、布格改正的精確公式等復(fù)雜因素。實(shí)際地殼厚度估算方法更復(fù)雜。*五、論述題1.解析：地震學(xué)方法在地核成構(gòu)研究中的貢獻(xiàn)是基礎(chǔ)性的和革命性的。首先，通過分析地震波（特別是P波和S波）的走時(shí)、振幅、偏振態(tài)等在地核附近的傳播特征，科學(xué)家們確定了外核的存在及其液態(tài)性質(zhì)（