2025年大學(xué)《地球物理學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——地球動(dòng)力學(xué)模擬與深部結(jié)構(gòu)研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、1.簡(jiǎn)述道羅定律的主要內(nèi)容及其在地球尺度上的意義。2.科里奧利力是如何影響地球表面運(yùn)動(dòng)物體的？請(qǐng)舉例說(shuō)明。3.地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)劃分的主要依據(jù)是什么？簡(jiǎn)述地幔和地核的主要物理性質(zhì)差異。二、4.比較有限差分法、有限元法和有限體積法在地球動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬中的基本思想、優(yōu)缺點(diǎn)及適用場(chǎng)景。5.簡(jiǎn)述地震波在通過(guò)不同介質(zhì)界面時(shí)發(fā)生反射和折射的基本原理。6.地震層析成像技術(shù)主要解決了什么地球科學(xué)問(wèn)題？其基本工作原理是什么？三、7.解釋重力異常的概念，并說(shuō)明地形起伏、密度異常和結(jié)晶度變化對(duì)重力異常的影響。8.全球定位系統(tǒng)（GPS）在地球動(dòng)力學(xué)研究中有哪些主要應(yīng)用？9.簡(jiǎn)述地幔對(duì)流的幾種主要觀測(cè)證據(jù)，并說(shuō)明其對(duì)板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的可能驅(qū)動(dòng)機(jī)制。10.綜合利用地震學(xué)和重力勘探數(shù)據(jù)，可以推斷出哪些關(guān)于地球深部結(jié)構(gòu)的信息？四、11.假設(shè)在地幔某處進(jìn)行人工震源激發(fā)，觀測(cè)到P波走時(shí)比理論值偏快，請(qǐng)分析可能的原因，并說(shuō)明如何利用這一信息推斷該區(qū)域的地幔性質(zhì)。12.描述地核發(fā)電機(jī)理論的基本過(guò)程，并說(shuō)明其產(chǎn)生的地磁場(chǎng)具有哪些主要特征。13.解釋什么是地殼均衡，并簡(jiǎn)要說(shuō)明普拉特（Pratt）理論和艾克曼（Airy）理論的基本假設(shè)及其差異。14.論述數(shù)值模擬方法在理解超級(jí)地幔柱形成與演化過(guò)程中的作用及其面臨的挑戰(zhàn)。五、15.設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)值模擬方案，用于研究地殼均衡調(diào)整過(guò)程。請(qǐng)說(shuō)明需要考慮的關(guān)鍵物理參數(shù)、邊界條件以及模擬的主要步驟。試卷答案一、1.道羅定律主要內(nèi)容為：地面上某點(diǎn)接收到的來(lái)自距該點(diǎn)同一子午線上不同緯度處地震的P波走時(shí)，與震源到該點(diǎn)的球面大圓距離成正比。意義在于，該定律揭示了地球是一個(gè)整體，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有球?qū)ΨQ性（或均勻介質(zhì)假設(shè)下的對(duì)稱性），是早期推斷地球內(nèi)部均勻性的重要依據(jù)。2.科里奧利力是地球自轉(zhuǎn)引起的慣性力，作用于在地球表面運(yùn)動(dòng)的物體，使其運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。北半球向右偏，南半球向左偏。例如，地球自轉(zhuǎn)導(dǎo)致風(fēng)不沿直線吹，而是偏向風(fēng)向的右側(cè)（北半球），形成氣旋的螺旋結(jié)構(gòu)。3.地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)劃分主要依據(jù)是地震波速度（特別是P波和S波速度）的劇烈變化。地幔相對(duì)于地殼，P波和S波速度均顯著增加；地核相對(duì)于地幔，P波速度急劇下降（通過(guò)古登堡面），S波完全消失（通過(guò)古登堡面）。地幔主要表現(xiàn)為固態(tài)，但具有可塑性，允許大尺度對(duì)流。地核分為外核（液態(tài)，允許P波傳播但速度較低，S波無(wú)法傳播）和內(nèi)核（固態(tài)，P波和S波速度均很高）。二、4.有限差分法通過(guò)將連續(xù)的偏微分方程離散化到網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上，用差商近似導(dǎo)數(shù)，形成代數(shù)方程組進(jìn)行求解。優(yōu)點(diǎn)是概念簡(jiǎn)單，易于編程實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)是精度受網(wǎng)格尺寸限制，邊界條件處理相對(duì)復(fù)雜。有限元法將求解區(qū)域劃分為有限個(gè)單元，在每個(gè)單元內(nèi)用簡(jiǎn)單函數(shù)近似復(fù)雜場(chǎng)量，整體上滿足連續(xù)性要求，形成代數(shù)方程組求解。優(yōu)點(diǎn)是能適應(yīng)復(fù)雜幾何邊界，對(duì)不規(guī)則區(qū)域適應(yīng)性好，計(jì)算精度高；缺點(diǎn)是理論基礎(chǔ)較復(fù)雜，編程實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜。有限體積法基于控制體積（網(wǎng)格單元）上的物理量守恒原理（如質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒）建立離散方程。優(yōu)點(diǎn)是嚴(yán)格滿足物理守恒律，易于處理復(fù)雜網(wǎng)格和邊界條件，在流體力學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛；缺點(diǎn)是可能需要特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如交錯(cuò)網(wǎng)格），單元內(nèi)插值形式不靈活。選擇方法取決于問(wèn)題幾何形狀、邊界條件復(fù)雜性、對(duì)計(jì)算精度和效率的要求。5.地震波在傳播過(guò)程中遇到不同介質(zhì)分界面時(shí)，部分能量會(huì)返回到原介質(zhì)，形成反射波；剩余能量會(huì)進(jìn)入另一介質(zhì)，并改變傳播方向，形成折射波。反射和折射現(xiàn)象的發(fā)生基于斯涅爾定律（反射定律和折射定律），該定律描述了入射角、反射角和折射角之間的關(guān)系，這些角度都與相應(yīng)界面的法線有關(guān)。波的類型（P波或S波）和介質(zhì)的物理性質(zhì)（密度、波速）是決定反射和折射系數(shù)的關(guān)鍵因素。6.地震層析成像技術(shù)主要解決了利用地震波走時(shí)（或振幅、頻率）數(shù)據(jù)反演地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)（波速、密度等）的不確定性問(wèn)題。其基本原理是將地球內(nèi)部劃分為規(guī)則的或不規(guī)則的網(wǎng)格（體元），建立地震射線在這些體元中傳播的走時(shí)（或振幅、頻率）模型。通過(guò)將觀測(cè)到的走時(shí)（或振幅、頻率）與模型預(yù)測(cè)的走時(shí)（或振幅、頻率）進(jìn)行對(duì)比，利用迭代算法（如聯(lián)合反演、正則化反演）不斷修正模型參數(shù)，使得模型預(yù)測(cè)值與觀測(cè)值盡可能一致，最終得到反映地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的層析圖像。圖像的“亮度”或“密度”通常代表該區(qū)域某種地球物理參數(shù)（如P波速度）的相對(duì)高低。三、7.重力異常是指觀測(cè)到的實(shí)際重力值與理論重力值之間的差值。理論重力值是基于球諧函數(shù)展開(kāi)的全球平均重力場(chǎng)，考慮了地球的形狀（扁率）、質(zhì)量分布（均質(zhì)地球模型）和地形起伏等因素。重力異常主要反映了除了地形起伏之外的局部密度異常，即地殼、地幔中密度不同于周圍環(huán)境的區(qū)域。地形起伏會(huì)因質(zhì)量遷移（如高山、深海）產(chǎn)生附加重力效應(yīng)，但其影響通?？梢酝ㄟ^(guò)地形校正進(jìn)行估算。密度異常是重力異常的主要來(lái)源，高密度物質(zhì)（如基巖、地幔柱）會(huì)產(chǎn)生正異常，低密度物質(zhì)（如沉積盆地、玄武巖臺(tái)地）會(huì)產(chǎn)生負(fù)異常。結(jié)晶度變化（如玄武巖部分熔融形成花崗巖）也會(huì)改變巖石密度，進(jìn)而影響重力異常。8.GPS在地球動(dòng)力學(xué)研究中有多種重要應(yīng)用：①精確測(cè)定地殼運(yùn)動(dòng)速率和方向，繪制地殼運(yùn)動(dòng)速度圖，研究板塊構(gòu)造的變形和相互作用；②監(jiān)測(cè)地殼形變，如地震前后的形變、火山活動(dòng)引起的隆升或沉降、大型工程（大壩、隧道）引起的應(yīng)力調(diào)整；③精確測(cè)定地球自轉(zhuǎn)參數(shù)（自轉(zhuǎn)速率、極移）及其長(zhǎng)期變化；④構(gòu)建高精度的全球參考框架；⑤通過(guò)分析GPS接收機(jī)鐘差和大氣延遲，研究大氣圈和離子層的動(dòng)態(tài)變化；⑥在區(qū)域性地殼變形監(jiān)測(cè)、資源勘探（如地下水、油藏）等領(lǐng)域也有應(yīng)用。9.地幔對(duì)流的觀測(cè)證據(jù)主要包括：①地震學(xué)證據(jù)，如慢波（S波低速區(qū)）的存在、地震走時(shí)異常、地幔柱地震成像等，指示了地幔內(nèi)部存在低速、高導(dǎo)的流體或部分熔融區(qū)域；②大地測(cè)量學(xué)證據(jù)，如地殼形變、地球自轉(zhuǎn)變化、重力異常場(chǎng)與地幔密度分布的不一致性，這些變化可以用地幔對(duì)流模型進(jìn)行解釋；③地球化學(xué)證據(jù)，如巖漿成分的同位素和微量元素記錄，反映了巖漿源區(qū)的深度、熔融過(guò)程以及可能的地幔深部物質(zhì)循環(huán)；④地球物理觀測(cè)，如地球自由振蕩和正常模式分析，也提供了關(guān)于地幔內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)狀態(tài)的信息。地幔對(duì)流假說(shuō)認(rèn)為，地幔物質(zhì)在浮力驅(qū)動(dòng)下發(fā)生熱對(duì)流，形成上升的羽流（可能對(duì)應(yīng)地幔柱）和下降的冷物質(zhì)。這種對(duì)流被認(rèn)為是驅(qū)動(dòng)板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿C(jī)制，因?yàn)榈蒯?duì)流可以傳遞應(yīng)力，推動(dòng)俯沖板塊向下運(yùn)動(dòng)，并驅(qū)動(dòng)其他板塊的相互作用。10.綜合利用地震學(xué)和重力勘探數(shù)據(jù)可以推斷出關(guān)于地球深部結(jié)構(gòu)的多方面信息：①地震學(xué)數(shù)據(jù)（走時(shí)、震相、波速結(jié)構(gòu)）主要用于確定地球內(nèi)部的波速界面（莫霍面、古登堡面）、識(shí)別不同的地球圈層（地殼、地幔、地核）及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)（如地幔低速帶、地核邊界、內(nèi)核精細(xì)結(jié)構(gòu)），并反演地殼和上地幔的密度結(jié)構(gòu)。②重力數(shù)據(jù)（異常、梯度）主要用于探測(cè)密度異常體，如地幔密度異常（對(duì)應(yīng)地幔對(duì)流、地幔柱、俯沖板塊）、地殼密度不均勻體、大型礦體等。通過(guò)聯(lián)合反演地震和重力數(shù)據(jù)，可以更準(zhǔn)確地確定界面深度和性質(zhì)，估計(jì)地幔密度分布，解釋復(fù)雜的地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并建立更符合物理實(shí)際的地球模型。例如，地震學(xué)確定莫霍面深度，重力異常可以指示下方地幔是否存在密度虧損或富集。四、11.P波走時(shí)偏快，可能的原因有：①激發(fā)源與觀測(cè)點(diǎn)之間路徑上存在地殼或上地幔的波速異常，即實(shí)際介質(zhì)比標(biāo)準(zhǔn)地球模型（如PREM）更致密或波速更高，導(dǎo)致P波傳播更快。這可能是由于存在高密度巖石圈根、地幔柱頭部、部分熔融區(qū)上方的高阻異常體，或者地殼/上地幔存在粘滯增強(qiáng)區(qū)域。②地震源本身深度較淺，相對(duì)于較深的理論模型路徑，導(dǎo)致總走時(shí)縮短。③觀測(cè)或數(shù)據(jù)處理中存在誤差。為推斷該區(qū)域的地幔性質(zhì)，需要結(jié)合該區(qū)域的其他地球物理數(shù)據(jù)（如重力、地震反射/折射、大地測(cè)量數(shù)據(jù)）進(jìn)行綜合解釋。例如，如果同時(shí)存在重力高異常，可能指向地幔密度增高的區(qū)域。結(jié)合走時(shí)變化趨勢(shì)和幅度，可以推斷地幔波速結(jié)構(gòu)、密度結(jié)構(gòu)和可能的流變學(xué)狀態(tài)。12.地核發(fā)電機(jī)理論（或發(fā)電機(jī)假說(shuō)）是解釋地磁場(chǎng)起源的理論。其基本過(guò)程認(rèn)為：①地球內(nèi)部液態(tài)外核由于地幔對(duì)流和自轉(zhuǎn)的剪切作用，發(fā)生旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生“發(fā)電機(jī)效應(yīng)”。②外核中的液態(tài)鐵鎳合金在高溫高壓下具有良好導(dǎo)電性。③在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于離子擴(kuò)散和熱電效應(yīng)（如阿爾芬電流），電子在垂直于剪切力方向上積累，形成電流。④這些大規(guī)模電流在地核內(nèi)部流動(dòng)，按照洛倫茲力規(guī)律產(chǎn)生磁場(chǎng)。⑤產(chǎn)生的磁場(chǎng)向外擴(kuò)散到固態(tài)地幔和地殼，形成我們觀測(cè)到的全球地磁場(chǎng)。地磁場(chǎng)的主要特征包括：①具有近似偶極場(chǎng)結(jié)構(gòu)，但存在非偶極項(xiàng)（quadrupoleandhigherterms），表明外核內(nèi)部存在非均勻的電流分布或物質(zhì)分布。②地磁場(chǎng)強(qiáng)度隨時(shí)間變化，包括長(zhǎng)期緩慢的衰變和極性反轉(zhuǎn)，以及短期波動(dòng)（秒級(jí)到年級(jí)），反映了外核發(fā)電機(jī)狀態(tài)的不穩(wěn)定性。③地磁場(chǎng)的矢量方向隨地點(diǎn)和時(shí)間的不同而變化。13.地殼均衡是指地殼在重力作用下達(dá)到的一種力學(xué)平衡狀態(tài)，即地殼上部的隆起和沉降現(xiàn)象，主要是由地殼下部的物質(zhì)密度變化來(lái)補(bǔ)償?shù)?。普拉特（Pratt）理論和艾克曼（Airy）理論是解釋地殼均衡的兩種經(jīng)典理論。普拉特理論假設(shè)：①地殼均衡調(diào)整是通過(guò)上下地殼之間密度的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)的。②上地殼（沉積層和變質(zhì)巖系）的密度（ρ?）是恒定的，等于海平面附近的平均地殼密度。③下地殼的密度（ρ?）是恒定的。根據(jù)均衡條件，地表高聳地區(qū)（如山脈）下方必須有密度更大的下地殼或地幔物質(zhì)向下補(bǔ)償，以保持整體平衡；地表低洼地區(qū)（如海盆）下方則應(yīng)有密度更小的物質(zhì)（如下地幔物質(zhì)）向上補(bǔ)償。艾克曼理論假設(shè)：①地殼均衡調(diào)整是通過(guò)地幔物質(zhì)的垂直運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。②地幔物質(zhì)像一個(gè)粘性流體，在地殼負(fù)荷的重力作用下發(fā)生對(duì)流，向上涌起支撐山根，或向下沉降填補(bǔ)海盆。③地幔的密度是變化的，山脈下方地幔密度增大，海盆下方地幔密度減小。兩種理論都試圖解釋山脈的隆起和海盆的沉降，但機(jī)制不同。普拉特理論側(cè)重于上下地殼密度的不同；艾克曼理論側(cè)重于地幔物質(zhì)的垂直對(duì)流?，F(xiàn)代觀點(diǎn)認(rèn)為，地殼均衡可能同時(shí)包含了普拉特機(jī)制和艾克曼機(jī)制，具體表現(xiàn)形式取決于地殼的剛性、地幔的流變學(xué)性質(zhì)以及構(gòu)造環(huán)境。14.數(shù)值模擬方法在理解超級(jí)地幔柱形成與演化過(guò)程中起著關(guān)鍵作用，但也面臨諸多挑戰(zhàn)。作用體現(xiàn)在：①模擬地幔深部物理過(guò)程：可以模擬高溫高壓下地幔流體的粘度、擴(kuò)散率、相變等性質(zhì)，以及地幔柱頭部形成的深部熔融過(guò)程。②模擬地幔柱的上升過(guò)程：研究地幔柱從地幔深部（如D''層）形成后，在浮力驅(qū)動(dòng)下穿過(guò)地幔的上升路徑、速度和形態(tài)變化。③模擬地幔柱與地殼的相互作用：研究地幔柱對(duì)地殼的加熱、熔融、抬升和變質(zhì)作用，以及地殼物質(zhì)對(duì)地幔柱的改造。④模擬地幔柱的演化與衰亡：研究地幔柱在不同地質(zhì)時(shí)期的行為變化，以及其對(duì)地表環(huán)境（如火山活動(dòng)、構(gòu)造變形）的影響。⑤模擬觀測(cè)證據(jù)：將模擬結(jié)果與地球物理觀測(cè)（如地震成像、大地測(cè)量、火山巖地球化學(xué)）進(jìn)行對(duì)比，檢驗(yàn)和約束地幔柱模型。挑戰(zhàn)包括：①模型簡(jiǎn)化：需要簡(jiǎn)化許多復(fù)雜的物理過(guò)程（如相變、化學(xué)反應(yīng)、多相流），以適應(yīng)計(jì)算資源限制。②參數(shù)不確定性：地幔物質(zhì)的物理性質(zhì)（如粘度、熱導(dǎo)率、擴(kuò)散率）本身存在很大不確定性，難以精確確定。③計(jì)算成本高：模擬地幔柱需要高分辨率網(wǎng)格和長(zhǎng)時(shí)間步長(zhǎng)，對(duì)計(jì)算資源要求很高。④輸入邊界條件：地幔柱形成的初始條件和邊界條件（如地幔深部環(huán)境、地表板塊配置）難以精確知道。⑤多尺度問(wèn)題：地幔柱涉及從地球內(nèi)部深部到地表的多種尺度過(guò)程，難以在單一模型中完全統(tǒng)一考慮。五、15.設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)值模擬方案用于研究地殼均衡調(diào)整過(guò)程：①模型選擇：采用基于普拉特理論的二維或三維模型。②關(guān)鍵物理參數(shù)：需要考慮的主要參數(shù)包括：地殼上地幔的密度（ρ?，ρ?），地幔的密度（ρ_m），重力加速度（g），以及可能的地殼厚度。③邊界條件：頂邊界為地表，施加地形負(fù)荷（如山脈、盆地的高度分布）。底邊界為地幔與地核的界面（或上地幔底部），通常設(shè)為無(wú)滑移邊界或自由邊界，并考慮熱邊界條件（如地幔熱流）。側(cè)邊界可以是周期性邊界或固定邊界，取決于研究區(qū)域的大小和對(duì)稱性假設(shè)。④模擬步驟：a.初始化：設(shè)定一個(gè)初始的地殼和上地幔密度分布，以及一個(gè)初始的地形