1、2015.0306,固體地球物理學(xué)概論,1,學(xué)習(xí)交流PPT,成績(jī)?cè)u(píng)定辦法及考試方式,按時(shí)來(lái)課堂上課，無(wú)故不得缺席 課后認(rèn)真復(fù)習(xí)，按時(shí)完成作業(yè) 課后作業(yè)：讀書(shū)報(bào)告和隨堂作業(yè) 考核方式：平時(shí)作業(yè)20，期末考試70，課堂表現(xiàn)10 閉卷筆試,2,學(xué)習(xí)交流PPT,參考教材： 固體地球物理學(xué)概論 滕吉文 地震出版社 地球物理學(xué) 王家映 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社 固體地球物理學(xué)導(dǎo)論 曾融生 北京科學(xué)出版社 地球物理學(xué)基礎(chǔ) 傅承義 北京科學(xué)出版社 地球物理引論 劉光鼎 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,3,學(xué)習(xí)交流PPT,課程主要內(nèi)容,第一章 序言 第二章 地球的起源、運(yùn)動(dòng)與結(jié)構(gòu) 第三章 地球形狀、密度及重力場(chǎng) 第四章 地球磁場(chǎng)

2、與地磁學(xué) 第五章 地球的電磁感應(yīng)和電性結(jié)構(gòu) 第六章 地球內(nèi)部的熱狀態(tài)與地?zé)釄?chǎng)特征 第七章 地球內(nèi)部的地震波場(chǎng) 第八章 實(shí)驗(yàn)與計(jì)算地球物理 第九章 若干熱點(diǎn)問(wèn)題,4,學(xué)習(xí)交流PPT,課程主要內(nèi)容,第一章 序言 第二章 地球的起源、運(yùn)動(dòng)與結(jié)構(gòu) 第三章 地球形狀、密度及重力場(chǎng) 第四章 地球磁場(chǎng)與地磁學(xué) 第五章 地球的電磁感應(yīng)和電性結(jié)構(gòu) 第六章 地球內(nèi)部的熱狀態(tài)與地?zé)釄?chǎng)特征 第七章 地球內(nèi)部的地震波場(chǎng) 第八章 實(shí)驗(yàn)與計(jì)算地球物理 第九章 若干熱點(diǎn)問(wèn)題,5,學(xué)習(xí)交流PPT,什么是地球物理? 地球物理學(xué)研究哪些內(nèi)容? 地球物理與其他學(xué)科的關(guān)系 地球物理的發(fā)展 地球物理對(duì)社會(huì)發(fā)展的貢獻(xiàn),第一章 序言,6,學(xué)

3、習(xí)交流PPT,地球物理學(xué)的定義,地球物理學(xué)是以地球?yàn)檠芯繉?duì)象,研究地球的各種物理現(xiàn)象，以及這些現(xiàn)象與地球運(yùn)動(dòng)、地球各層圈結(jié)構(gòu)構(gòu)造、地球物質(zhì)的分布及遷移的關(guān)系的學(xué)科。(Geophysics) 地球物理學(xué)最早是物理學(xué)的一個(gè)分支。廣義上說(shuō)，地球物理學(xué)研究的領(lǐng)域涉及天體物理學(xué)、地質(zhì)構(gòu)造物理學(xué)、大地測(cè)量學(xué)、海洋物理學(xué)、大氣物理學(xué)、空間物理學(xué)等。狹義上說(shuō)，地球物理學(xué)指的是固體地球物理學(xué)，即以研究固體地球的各種物理特征與地球運(yùn)動(dòng)、地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)造、地球內(nèi)部物質(zhì)成分及其分布等關(guān)系的學(xué)科。 地球物理學(xué)是地球科學(xué)的重要組成部分，地球物理學(xué)、地質(zhì)學(xué)和地球化學(xué)被稱(chēng)為地球科學(xué)的三大支柱。,7,學(xué)習(xí)交流PPT,8,學(xué)習(xí)交

4、流PPT,固體地球物理學(xué)的學(xué)科分支,重力學(xué) 地球的形狀、引力場(chǎng)的變化、物質(zhì)密度的變化與分布，等等 地磁學(xué) 地磁場(chǎng)的分布和變化、地磁場(chǎng)的起源、地磁場(chǎng)的演變，等等 地震學(xué) 地震發(fā)生機(jī)制與震源分布、地震波類(lèi)型與傳播、地震預(yù)報(bào)，等等 地?zé)釋W(xué) 地溫場(chǎng)的分布和變化、地?zé)嵩醇捌浞植迹責(zé)岬膫鞑?，等?地電學(xué) 地球電磁感應(yīng)特征和變化、地電結(jié)構(gòu)，等等,9,學(xué)習(xí)交流PPT,地球物理學(xué)與其它學(xué)科,地球物理學(xué)是天文學(xué)、物理、化學(xué)、地質(zhì)學(xué)之間的邊緣學(xué)科，是一個(gè)涉及多學(xué)科的、與其它學(xué)科相互交叉、相互滲透的學(xué)科。 數(shù)學(xué)、物理學(xué)、地質(zhì)學(xué)是研究地球物理學(xué)三大基礎(chǔ)。 現(xiàn)代儀器技術(shù)、電子技術(shù)、信息科學(xué)、運(yùn)載工具技術(shù)的發(fā)展，是推動(dòng)其

5、發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。 地球物理學(xué)已經(jīng)成為人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的不可缺少的科學(xué)。 應(yīng)用地球物理資源勘察、災(zāi)害調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測(cè)、工程檢測(cè)、軍事戰(zhàn)略,10,學(xué)習(xí)交流PPT,地球物理學(xué)的發(fā)展,地球物理學(xué)從19世紀(jì)末到20世紀(jì)初已形成體系，但對(duì)地球物理現(xiàn)象的觀察和探討，從遠(yuǎn)古就開(kāi)始了。 公元前六世紀(jì)，希臘人從亞那薩哥拉時(shí)代已把大地看成球體；公元前三世紀(jì)，古希臘的學(xué)者亞里士多德曾提出：運(yùn)動(dòng)物體的下落時(shí)間與其重量成比例；戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，我國(guó)發(fā)明了指南針，并開(kāi)始應(yīng)用于指引方向；公元三世紀(jì)我國(guó)東漢的地震學(xué)家張衡成功地進(jìn)行了地震觀測(cè)；公元八世紀(jì)，我國(guó)唐代的天文學(xué)家張遂(僧一行)獨(dú)立得出地球圓周長(zhǎng)，其誤差約小于20； 公元16世紀(jì)以來(lái)

6、，作為物理學(xué)中熱門(mén)，地球物理學(xué)得到較快的發(fā)展。伽利略從大量的實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出：物體墜落的路徑與它經(jīng)歷的時(shí)間的平方成正比，而與物體自身的重量無(wú)關(guān)；里舍(在利用擺鐘從巴黎到南美進(jìn)行天文觀測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)重力加速度在各地并非恒值；牛頓的萬(wàn)有引力定律以及他推算的地球扁率；南斯拉大地震學(xué)家莫霍洛維奇在1909年研究阿爾卑斯地區(qū)的區(qū)域地震波震相時(shí)發(fā)現(xiàn)了地殼與地幔的分界面莫霍(Moho)界斷面；,11,學(xué)習(xí)交流PPT,近20年來(lái)，國(guó)際上連續(xù)組織了四次由50多個(gè)國(guó)家參加的全球大協(xié)作計(jì)劃，使地球物理學(xué)獲得了空前的巨大進(jìn)展。這四次大協(xié)作計(jì)劃是： 19571958年的國(guó)際地球物理年(IGY) 19601970年的國(guó)際上地幔計(jì)劃

7、(IUP) 19741980年的國(guó)際地球動(dòng)力學(xué)計(jì)劃(IGP) 19811989年的國(guó)際巖石圈計(jì)劃(ILP) 國(guó)際上地幔計(jì)劃研究?jī)?nèi)容包括： 1、全球性的地殼斷裂系統(tǒng) 2、大陸邊緣地帶及島弧的構(gòu)造 3、地幔的物質(zhì)組成及地球化學(xué)過(guò)程 4、地殼與地幔的結(jié)構(gòu)及其橫向不均勻性 所用的手段包括：地震、地磁、古地磁、重力、海上地球物理測(cè)量、地?zé)?、地質(zhì)、深鉆等。 其重要成果就是提出了一個(gè)“板塊構(gòu)造假說(shuō)”,12,學(xué)習(xí)交流PPT,地球物理學(xué)對(duì)人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的貢獻(xiàn),大地測(cè)量學(xué)的誕生與發(fā)展，使人類(lèi)能夠得到地球表面的起伏變化，并用于生產(chǎn)建設(shè)和規(guī)劃， 地磁學(xué)的研究，使人類(lèi)了解了地磁場(chǎng)，并用于導(dǎo)航， 地?zé)釋W(xué)的研究，使人類(lèi)了解如

8、何直接利用能源，. 地震學(xué)的研究, 開(kāi)始“預(yù)報(bào)”地震災(zāi)害，. 基于地球物理學(xué)理論的探測(cè)技術(shù)應(yīng)用地球物理學(xué)，為人類(lèi)創(chuàng)造財(cái)富，為人類(lèi)“排憂(yōu)解難”，.,13,學(xué)習(xí)交流PPT,地球物理學(xué)的研究方法,最初，地球物理學(xué)研究就是從對(duì)地球的觀測(cè)開(kāi)始的，所以地球物理學(xué)研究是建立在對(duì)地球充分觀測(cè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。 地球物理學(xué)的研究方法可分為以下幾個(gè)方面： 觀測(cè) 數(shù)據(jù)分析與處理 模擬真實(shí)對(duì)象的理論模型計(jì)算與實(shí)驗(yàn) 推測(cè)真實(shí)對(duì)象反演計(jì)算,14,學(xué)習(xí)交流PPT,物性差異地球物理場(chǎng)的變化 應(yīng)用物理學(xué)和地質(zhì)學(xué)的原理 解釋地球物理場(chǎng)變異的地質(zhì)因素 Geophysical anomalyPrinciple of physics I

9、nterpretation of geology for geophysical anomalies 計(jì)算機(jī)模擬 Modelling of computer 實(shí)驗(yàn)地球物理 Experimental geophysics,15,學(xué)習(xí)交流PPT,正演：已知地球物理模型，求解地球物理響應(yīng)（異常） 反演：根據(jù)地球物理響應(yīng)（異常），推斷地球物理模型，進(jìn) 而結(jié)合地質(zhì)學(xué)知識(shí)，推斷地質(zhì)結(jié)構(gòu)和物質(zhì)分布 正演過(guò)程(正問(wèn)題)具有唯一性 地質(zhì)體存在物理性質(zhì)(物性)差異是地球物理場(chǎng)變異的基礎(chǔ) 反演過(guò)程(反問(wèn)題)存在不確定性（多解性),16,學(xué)習(xí)交流PPT,地球物理學(xué)的特點(diǎn),間接性(Indirect-即不是直接研究地質(zhì)體

10、本身) 定量性(Quantitativity-測(cè)量的地球物理參量與解釋的結(jié)果均由定量化結(jié)果） 多解性(multisolution or Ambiguity),17,學(xué)習(xí)交流PPT,如何學(xué)好本課程,積極主動(dòng)是學(xué)好本課程的關(guān)鍵 閱讀參考書(shū)籍 聽(tīng)、記、問(wèn) 掌握基本概念 領(lǐng)會(huì)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的方法 了解數(shù)學(xué)方法的應(yīng)用,18,學(xué)習(xí)交流PPT,第二章 地球的起源、運(yùn)動(dòng)與結(jié)構(gòu),太陽(yáng)系及其組成與演化 地球的轉(zhuǎn)動(dòng)與軌跡 地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu) 地球內(nèi)部的物質(zhì)組成,19,學(xué)習(xí)交流PPT,太陽(yáng)系、太陽(yáng)系的組成,2.1 太陽(yáng)系、太陽(yáng)系的組成及起源 2.1.1 太陽(yáng)系的成員 太陽(yáng)-恒星，是太陽(yáng)系的中心，是質(zhì)量和體積最大的星體

11、。 大行星 水星（Mercury)、金星（Venus）、地球（Earth）、 火星（Mars）、木星（Jupiter）、土星（Saturn）、 天王星(Uranus)、海王星(Neptune)、冥王星(Pluto) 小行星 太陽(yáng)系約有30000多個(gè)小行星，最大的小行星叫谷神（Ceres）,直徑約730km。 行星的衛(wèi)星 彗星,20,學(xué)習(xí)交流PPT,大行星位置排列示意圖,21,學(xué)習(xí)交流PPT,小行星、彗星 大行星衛(wèi)星圖片,月球,彗星,小行星,木星的衛(wèi)星,22,學(xué)習(xí)交流PPT,太陽(yáng)系主要成員的基本特征,2.1.2 太陽(yáng)系主要成員的基本特征,23,學(xué)習(xí)交流PPT,軌道的規(guī)律性 共面性：行星軌道平面幾

12、乎平行，且與太陽(yáng)赤道面平行。 同向性：行星公轉(zhuǎn)方向，除金星、天王星和冥王星以外，都與太陽(yáng)自轉(zhuǎn)方向一致，為逆時(shí)針?lè)较颉?近圓性：行星軌道偏心率小，除水星（0.206）和冥王星（0.248）以外，均小于0.1。 日距分布特征Bode定律 rn = 0.4 + 0.3 2n (天文單位：AU） 其中n為行星秩序數(shù)，水星取，金星取0，地球取1，火星取2，小行星取3，冥王星取8。,軌道特征,24,學(xué)習(xí)交流PPT,軌道示意圖（一）,25,學(xué)習(xí)交流PPT,軌道示意圖（二）,26,學(xué)習(xí)交流PPT,軌道示意圖（三）,27,學(xué)習(xí)交流PPT,太陽(yáng)系天體的自轉(zhuǎn) 行星的自轉(zhuǎn)可分兩種情況，類(lèi)地星自轉(zhuǎn)速率差異較大，金星需2

13、44天，火星只需1.03天；巨行星和遠(yuǎn)日星自轉(zhuǎn)較快，均不到1天。 太陽(yáng)自轉(zhuǎn)有“赤道加速”現(xiàn)象，即赤道處自轉(zhuǎn)約25.4天，兩極附近約35天，其內(nèi)部旋轉(zhuǎn)速度更快，可能比表面快十幾甚至幾十倍。,自轉(zhuǎn)及密度特征,28,學(xué)習(xí)交流PPT,質(zhì)量與密度分布特征 太陽(yáng)占了太陽(yáng)系總質(zhì)量的99.85%，行星占0.135%，其它占0.015%。若將行星分為三類(lèi)，即 類(lèi)地星（水星、金星、地球、火星）、巨行星（木星、土星）和遠(yuǎn)日星（天王星、海王星），則有 質(zhì)量分布：類(lèi)地星巨行星 遠(yuǎn)日星 密度分布：類(lèi)地星 巨行星 遠(yuǎn)日星 （5）太陽(yáng)系的年齡 根據(jù)同位數(shù)測(cè)定，地球、月球和隕石的年齡約在45億年左右，如果太陽(yáng)系中所有的行星和隕

14、石在同一時(shí)期形成，太陽(yáng)系的年齡也應(yīng)為45億年。,29,學(xué)習(xí)交流PPT,日冕： 太陽(yáng)大氣的最外層稀薄部分,由太陽(yáng)表面伸展出數(shù)百萬(wàn)公里,包含著鐵、鎳和其他氣體的極高度電離的原子,這表明溫度有幾百萬(wàn)度,日全食時(shí)肉眼觀看它的外貌像是環(huán)繞月亮黑色圓盤(pán)的珍珠灰色光環(huán),但在其他時(shí)候要用日冕儀才可觀測(cè)到。,日冕,30,學(xué)習(xí)交流PPT,太陽(yáng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖,太陽(yáng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖,31,學(xué)習(xí)交流PPT,太陽(yáng)黑子圖片,太陽(yáng)黑子圖片,32,學(xué)習(xí)交流PPT,水星及其表面圖片,水星及其表面圖片,33,學(xué)習(xí)交流PPT,金星圖片,金星圖片,34,學(xué)習(xí)交流PPT,地球的衛(wèi)星攝影圖片,地球的衛(wèi)星攝影圖片,35,學(xué)習(xí)交流PPT,地球與

15、月球,地球與月球,36,學(xué)習(xí)交流PPT,航天飛機(jī)攝影圖片“非洲角”,航天飛機(jī)攝影圖片“非洲角”,37,學(xué)習(xí)交流PPT,火星圖片,火星圖片,38,學(xué)習(xí)交流PPT,木星圖片,木星圖片,39,學(xué)習(xí)交流PPT,土星圖片,土星圖片,40,學(xué)習(xí)交流PPT,天王星圖片,天王星圖片,41,學(xué)習(xí)交流PPT,海王星圖片,海王星圖片,42,學(xué)習(xí)交流PPT,冥王星圖片,冥王星圖片,43,學(xué)習(xí)交流PPT,隕石圖片,隕石圖片,44,學(xué)習(xí)交流PPT,星云圖片,星云圖片,45,學(xué)習(xí)交流PPT,2.1.3 太陽(yáng)系的起源 自從1775年康德根據(jù)牛頓的萬(wàn)有引力定律提出星云說(shuō)以來(lái)，先后出現(xiàn)了幾十種假說(shuō)。歸結(jié)起來(lái)，主要有“災(zāi)變說(shuō)”、“

16、俘獲說(shuō)”、“原始星云說(shuō)”、“次生星云說(shuō)”。 災(zāi)變說(shuō) 災(zāi)變說(shuō)認(rèn)為，太陽(yáng)是先形成的，由于某個(gè)事件，如一個(gè)恒星與太陽(yáng)相撞或距離很近時(shí)，從太陽(yáng)中拉出一部分物質(zhì)，并賦予巨大的轉(zhuǎn)動(dòng)角動(dòng)量，這些物質(zhì)后來(lái)逐漸形成了行星及其衛(wèi)星。 俘獲說(shuō)（隕石說(shuō)） 俘獲說(shuō)也是認(rèn)為太陽(yáng)是先形成的，但與災(zāi)變說(shuō)不同的是，它認(rèn)為原始行星物質(zhì)是來(lái)自其它星際，被太陽(yáng)的引力俘獲而來(lái)的，如隕石。,太陽(yáng)系起源的假說(shuō)（一）,46,學(xué)習(xí)交流PPT, 原始星云說(shuō) 原始星云說(shuō)屬于“漸變說(shuō)”范疇。這種學(xué)說(shuō)認(rèn)為，太陽(yáng)系乃由同一原始星云物質(zhì)形成，行星和衛(wèi)星是由一度圍繞太陽(yáng)的星云盤(pán)物質(zhì)凝聚而成的，并非某種偶然突變性事件的結(jié)果。 1755年，康德根據(jù)牛頓的萬(wàn)有引

17、力定律，提出了關(guān)于太陽(yáng)系起源的星云說(shuō)。他認(rèn)為形成太陽(yáng)系的物質(zhì)基礎(chǔ)是星云，即大團(tuán)的旋轉(zhuǎn)著的氣體和塵埃，形成太陽(yáng)系的動(dòng)力是自引力，即星云各部分的相互吸引的引力?？档抡J(rèn)為處在混沌之中的宇宙初始物質(zhì)由于引力作用集結(jié)起來(lái)，更大的和更密集的一些質(zhì)點(diǎn)開(kāi)始把周?chē)^小的和比較不密的質(zhì)點(diǎn)吸引過(guò)去，以后較小的物質(zhì)凝團(tuán)繼續(xù)向業(yè)已形成的中心體靠近，由于相撞使中心體獲得了更大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和熱量，并產(chǎn)生了巨大的灼熱天體太陽(yáng)。隨著旋轉(zhuǎn)速度加大，大量微小塵埃物質(zhì)在旋轉(zhuǎn)著的原始太陽(yáng)的赤道上集中起來(lái)，形成了扁平的星云盤(pán)。之后，在星云盤(pán)的邊緣部分形成了物質(zhì)集中的中心，并從這些中心產(chǎn)生了行星和環(huán)繞行星的衛(wèi)星。在41年以后，拉普拉斯提出了

18、和康德相似的“原始星云說(shuō)”。,太陽(yáng)系起源的假說(shuō)（二）,47,學(xué)習(xí)交流PPT,在20世紀(jì)中葉出現(xiàn)的各種星云說(shuō)中，霍伊爾(FHoyle)的學(xué)說(shuō)較有代表性?；羰险J(rèn)為，太陽(yáng)系開(kāi)始時(shí)是一團(tuán)凝縮的星云，溫度不高，轉(zhuǎn)動(dòng)角速度因逐漸收縮而加快。當(dāng)初始的太陽(yáng)星云收縮到現(xiàn)今水星軌道之內(nèi)不遠(yuǎn)處，就出現(xiàn)了自轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，星云外部不再收縮，兩極漸扁，物質(zhì)因此而拋出，形成一個(gè)環(huán)繞“原始太陽(yáng)”的盤(pán)狀物，其質(zhì)量?jī)H為太陽(yáng)的百分之一。中心的“原始太陽(yáng)”與圓盤(pán)脫離以后，繼續(xù)收縮，不再分裂，最后形成太陽(yáng)。圓盤(pán)與太陽(yáng)脫離后，質(zhì)量不再增加，最后形成行星。 由于繼續(xù)收縮的太陽(yáng)具有磁場(chǎng)，而圓盤(pán)星云內(nèi)有電離氣體，太陽(yáng)與圓盤(pán)內(nèi)緣產(chǎn)生一種磁致力矩，使

19、太陽(yáng)的角動(dòng)量轉(zhuǎn)移給圓盤(pán)，因而由圓盤(pán)形成的行星具有較大的角動(dòng)量。在原始太陽(yáng)從50倍太陽(yáng)半徑收縮到1倍太陽(yáng)半徑的過(guò)程中，表面溫度保持為3500度左右，在地球軌道附近地區(qū)，沸點(diǎn)低的揮發(fā)性物質(zhì)相繼逃逸，而不易揮發(fā)的鐵，鎂、硅等元素則凝聚為塵粒，通過(guò)碰撞粘合而形成塊狀物質(zhì)，直徑小于1米的固體留在類(lèi)地行星的區(qū)域而形成類(lèi)地行星。在木星、土星軌道附近的地區(qū)，沸點(diǎn)低的物質(zhì)可以保留，因而使得土星、木星的化學(xué)成分與原始星云以及太陽(yáng)相近，H、He最多。在天王星、海王星的空間附近，由于逃逸速度小，H和He大部分逃逸，剩下的多為C、N、O與H2O等物質(zhì)。,太陽(yáng)系起源的假說(shuō)（二） (續(xù)）,48,學(xué)習(xí)交流PPT,太陽(yáng)系起源的

20、假說(shuō)示意圖,49,學(xué)習(xí)交流PPT,太陽(yáng)系起源的假說(shuō)模擬動(dòng)畫(huà),50,學(xué)習(xí)交流PPT,太陽(yáng)系起源的假說(shuō)模擬動(dòng)畫(huà),51,學(xué)習(xí)交流PPT,觀測(cè)事實(shí)與星云假說(shuō)的統(tǒng)一性,1、行星軌道的分析 軌道的同向性、共面性和近圓性。 2、行星體積、質(zhì)量和密度分布的分析 行星大小和質(zhì)量分布特征是兩頭小中間大，密度分布特征是類(lèi)地行星大、巨行星小、遠(yuǎn)日星居中。 3、行星軌道半徑的分析 相鄰行星軌道半長(zhǎng)軸為等比級(jí)數(shù)形式： an+1 / an= 1.69 0.26 4、行星定居順序及數(shù)目的分析 塵層的密度隨著遠(yuǎn)離太陽(yáng)而減小，星子生長(zhǎng)率與密度成正比，故可知靠近太陽(yáng)的行星先形成。 5、角動(dòng)量分布的解釋 “沙茲曼機(jī)制”。,52,學(xué)習(xí)

21、交流PPT,2.2 地球的轉(zhuǎn)動(dòng)與軌跡 在廣闊的宇宙空間中，地球作為一個(gè)行星在不停地運(yùn)動(dòng)。它不僅繞著一條軸線(xiàn)自西向東自轉(zhuǎn)，同時(shí)也沿著近似圓形的軌道繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)。由于日、月的吸引和地球慣量矩的季節(jié)性變化及其它目前還不甚清楚的原因，故地球的轉(zhuǎn)動(dòng)速度是不均勻的。研究地球的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)際上就是研究地球轉(zhuǎn)動(dòng)的不均勻性。,地球的轉(zhuǎn)動(dòng),53,學(xué)習(xí)交流PPT,地球旋轉(zhuǎn)軸叫地軸。地軸同地球表面的交點(diǎn)就是南北極。地軸的無(wú)限延長(zhǎng)就是天軸。如果以地心為球心，以無(wú)限大為半徑構(gòu)成的球面叫天球，則天軸和天球的交點(diǎn)叫天極。,54,學(xué)習(xí)交流PPT,天球赤道: 將地球的赤道平面向外延伸，與天球相割所成的天球大圓就叫做天球赤道，也稱(chēng)天赤道

22、， 黃道: 將地球繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的軌道面無(wú)限延伸，與天球相割而成的天球大圓叫做黃道。 白道：將月球繞地球公轉(zhuǎn)軌道面無(wú)限延伸，與天球相割而成的天球大圓叫做白道。 天極: 將地球的極軸延長(zhǎng)，交于天球上的兩點(diǎn)N、S，這兩點(diǎn)就叫天極，即天球赤道的兩極點(diǎn)，分別位于北天和南天的中心，稱(chēng)為天北極和天南極。,55,學(xué)習(xí)交流PPT,春分和秋分點(diǎn)、夏至和冬至點(diǎn) 黃道與天球赤道相交的V、A兩個(gè)點(diǎn)，分別叫做春分點(diǎn)和秋分點(diǎn)， 即太陽(yáng)由南向北通過(guò)天球赤道面的點(diǎn)叫春分點(diǎn) (約在3月21日)，這是空間位置的一個(gè)重要參考點(diǎn) (或參考方向)。 黃道與天球赤道相距最遠(yuǎn)的兩個(gè)點(diǎn)即與點(diǎn)V、A相距900的L、 M兩個(gè)點(diǎn)，分別叫做夏至點(diǎn)和冬至

23、點(diǎn)。,56,學(xué)習(xí)交流PPT,57,學(xué)習(xí)交流PPT,2.2.1 地球的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn) 地球的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)，是地球諸多運(yùn)動(dòng)中最顯著的運(yùn)動(dòng)，這是一個(gè)天文學(xué)問(wèn)題，也是一個(gè)地球物理學(xué)問(wèn)題。在天文學(xué)中是將地球作為一顆行星，在太陽(yáng)系的形成過(guò)程中，地球獲得的角動(dòng)量主要分配于地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)、地一月轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)和地球的自轉(zhuǎn)中。 地球的自轉(zhuǎn) 地球自轉(zhuǎn)一周是一日。在天文學(xué)上日的定義有三種，即恒星日，太陽(yáng)日和太陰日。恒星日是以恒星為參考點(diǎn)，太陽(yáng)日和太陰日則是分別以太陽(yáng)和月亮為參考點(diǎn)計(jì)算的一天的長(zhǎng)度。如果把地球中心和一個(gè)遙遠(yuǎn)的恒星連成一線(xiàn)，那么地球自轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中，這條直線(xiàn)要先后同地球的每一經(jīng)線(xiàn)相割。兩次相割同一經(jīng)線(xiàn)所需的時(shí)間，叫

24、恒星日，如果這一直線(xiàn)是連結(jié)地球中心和太陽(yáng)中心，那么，這一段時(shí)間就叫太陽(yáng)日，如果這一直線(xiàn)是連結(jié)的地球中心和月球中心，這段時(shí)間就是太陰日。,地球的自轉(zhuǎn),58,學(xué)習(xí)交流PPT,恒星日是地球自轉(zhuǎn)的真正周期。因?yàn)楹阈堑奈恢迷谔烨蛏鲜枪潭ǖ摹６?yáng)日和太陰日則不然，它們不是地球自轉(zhuǎn)的真正周期，因?yàn)樘?yáng)和月球相對(duì)地球是運(yùn)動(dòng)著的。太陽(yáng)在天球上的運(yùn)動(dòng)是地球繞日公轉(zhuǎn)的反映。月球在天球上的運(yùn)動(dòng)是月球繞地公轉(zhuǎn)的反映。 如果用24時(shí)00分表示一個(gè)恒星日的長(zhǎng)度，那么太陽(yáng)日的長(zhǎng)度就是24時(shí)04分，太陰日的長(zhǎng)度是24時(shí)54分。,地球的自轉(zhuǎn)（續(xù)）,59,學(xué)習(xí)交流PPT,地球公轉(zhuǎn)的軌跡 地球在不停地自轉(zhuǎn)過(guò)程中帶著自己的衛(wèi)星月球繞

25、太陽(yáng)公轉(zhuǎn)。嚴(yán)格地說(shuō)來(lái)，地球所圍繞的并不是太陽(yáng)或太陽(yáng)中心，而是太陽(yáng)和地球的共同質(zhì)量中心。據(jù)計(jì)算，這個(gè)共同的質(zhì)心距太陽(yáng)的質(zhì)心僅450km。因此，可以把地球公轉(zhuǎn)說(shuō)成地球繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)。地球公轉(zhuǎn)軌道是一個(gè)橢圓，其半長(zhǎng)軸a=149.6106km,半短軸b=149.579106km，半焦距c=2.5106km非常接近正圓。 由于太陽(yáng)位于地球公轉(zhuǎn)軌道的一個(gè)焦點(diǎn)上，因此地日距離的變化以一年為周期。十分明顯，參考點(diǎn)不同，一年的長(zhǎng)度也不一樣。若把太陽(yáng)中心和一個(gè)位于地球公轉(zhuǎn)軌道平面的恒星連成一直線(xiàn)，那么，地球兩度經(jīng)過(guò)這一直線(xiàn)的時(shí)間就是一恒星年。恒星年是地球公轉(zhuǎn)的真正周期。,地球公轉(zhuǎn)及軌跡,60,學(xué)習(xí)交流PPT,除恒星

26、年以外，在天文學(xué)上還有回歸年、近點(diǎn)年和食年等不同的定義。如以春分點(diǎn)，近日點(diǎn)和黃白交點(diǎn)(黃道和白道在天球上的交點(diǎn))為參考點(diǎn)，即得回歸年、近點(diǎn)年和食年。由于春分點(diǎn)、近點(diǎn)和黃白交點(diǎn)在天球上不是固定的，因此，以這些點(diǎn)為參考點(diǎn)所測(cè)得的年也不是地球公轉(zhuǎn)的真正周期。據(jù)測(cè)定 恒星年: 365日6時(shí)9分10秒； 回歸年: 365日5時(shí)48分46秒； 近點(diǎn)年: 365日6時(shí)12分53秒； 食 年: 346日14時(shí)52分53秒。,地球公轉(zhuǎn)及軌跡 （續(xù)）,61,學(xué)習(xí)交流PPT,地球的公轉(zhuǎn)與四季變化,62,學(xué)習(xí)交流PPT,地軸的進(jìn)動(dòng),2.2.2 地軸的進(jìn)動(dòng)與章動(dòng) 地軸的進(jìn)動(dòng) 月球軌道平面比較接近地球軌道平面，而黃平面和

27、赤道面又有較大的交角。因此太陽(yáng)和月球時(shí)而在地球赤道平面這邊，時(shí)而又在赤道平面那邊出現(xiàn)，這種對(duì)地球赤道隆起部分施加的不平衡的吸引力，特使地球以黃軸為軸作周期性的圓錐形運(yùn)動(dòng)，即所謂進(jìn)動(dòng)。 由于地球自轉(zhuǎn)的方向是由西向東，因此地軸的進(jìn)動(dòng)的方向是由東向西。地軸進(jìn)動(dòng)的速度是每年50.26，故地軸旋進(jìn)的周期為(360 6060 /50.26) 25,786(年)。這是一種極為緩慢的運(yùn)動(dòng)。由于地軸在不斷進(jìn)動(dòng)，所以其指向也在發(fā)生極其微小的變化，現(xiàn)在它指向北極星附近，公元13600年，它就會(huì)指向織女星。 由于地軸在不斷進(jìn)動(dòng)，因而赤道平面的位置也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化。其結(jié)果將導(dǎo)致春分、秋分、夏至和冬至四個(gè)點(diǎn)的改變，它們

28、在黃道上也以每年50.26的速度向西進(jìn)動(dòng)著。,63,學(xué)習(xí)交流PPT,地軸的進(jìn)動(dòng)軌跡示意圖,64,學(xué)習(xí)交流PPT,地軸的章動(dòng),地軸的章動(dòng) 研究表明，地軸這種象陀螺一樣以25786年為周期的旋進(jìn)運(yùn)動(dòng)(或稱(chēng)歲差)的主要原因是月球?qū)Φ厍虺嗟缆∑鸩糠炙┘拥奈Α?實(shí)際上，太陽(yáng)、月球和地球的位置是在不斷發(fā)生變化的。太陽(yáng)每年兩次通過(guò)赤道，月亮每月兩次通過(guò)赤道，因而作用到地球上的引力十分復(fù)雜。由于這個(gè)緣故，在地軸長(zhǎng)期的旋進(jìn)過(guò)程中，又在它原有位置上附加了一個(gè)短周期的擺動(dòng)，這個(gè)擺動(dòng)叫做章動(dòng)。 章動(dòng)的周期為18.6年,也就是說(shuō)，地軸的進(jìn)動(dòng)不是一個(gè)簡(jiǎn)單的錐面，地軸沿錐面里外擺動(dòng)，使錐面帶上一個(gè)荷花式的花邊，其擺動(dòng)

29、的振幅最大只不過(guò)9.206。,65,學(xué)習(xí)交流PPT,地軸的進(jìn)動(dòng)與章動(dòng)合成軌跡示意圖,地軸,黃軸,66,學(xué)習(xí)交流PPT,地球的平動(dòng),2.2.3 地球的平動(dòng) 地球一面不停地自轉(zhuǎn)，一面又帶著月球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)。而太陽(yáng)本身除自轉(zhuǎn)外，又帶著它的行星族(包括地球)以每秒約20km的速度向織女星方向奔馳。地球隨整個(gè)太陽(yáng)系在宇宙太空個(gè)不停地向前運(yùn)動(dòng)，即所謂平動(dòng)。 從相對(duì)論的觀點(diǎn)來(lái)看,地球在宇宙太空中的運(yùn)動(dòng)并沒(méi)有到此為止。太陽(yáng)系(包括地球)隨著它周?chē)暮阈侨阂源蠹s每秒300km的速度繞銀河系的質(zhì)心旋轉(zhuǎn)，太陽(yáng)系繞銀中心轉(zhuǎn)動(dòng)一周大約2億5千萬(wàn)年。而銀河系本身又正以每秒600km的速度向長(zhǎng)蛇星座運(yùn)動(dòng)。,67,學(xué)習(xí)交流PP

30、T,2.3 地球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu) 多年來(lái)對(duì)地球內(nèi)部的研究，在全球范圍內(nèi)已積累了豐富的資料，根據(jù)地震波速度的變異，地球內(nèi)部可概略地分為地殼、上地幔、下地幔和內(nèi)核、外核幾個(gè)大的圈層，這些層圈之間都存在一個(gè)物性分界面，自外向內(nèi)可為： 地殼 -殼幔界面 上地幔 =上、下地幔之間的過(guò)渡層 下地幔 -幔核界面 外核 -內(nèi)外核邊界 內(nèi)核,地球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu),68,學(xué)習(xí)交流PPT,地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖,69,學(xué)習(xí)交流PPT,地震資料揭示地球圈層結(jié)構(gòu),70,學(xué)習(xí)交流PPT,地震資料揭示地球圈層結(jié)構(gòu),71,學(xué)習(xí)交流PPT,地震資料揭示地球圈層結(jié)構(gòu),72,學(xué)習(xí)交流PPT,地球圈層特征,(1)殼幔邊界 在地表下面5-60km

31、深度處，P波速度從6-7km/s，跳到8km/s以上，它是地殼與地幔的分界面，這個(gè)界面是克羅地亞地震學(xué)家莫霍洛維奇(Mohorovicic)在1909年研究阿爾卑斯地區(qū)的區(qū)域地震P波震相時(shí)發(fā)現(xiàn)的，因此，這個(gè)界面又稱(chēng)為莫霍間斷面(通常用Moho或M表示)。 (2)上、下地幔的過(guò)渡層 從1956年開(kāi)始澳大利亞地震學(xué)家布倫(Bullen)對(duì)地幔做了進(jìn)一步地分層的研究，地幔中在400km和670km深處存在兩個(gè)不連續(xù)面，認(rèn)為地幔由上地幔、過(guò)渡層（速度變化不均勻）和下地幔(速度變化均勻)組成。 一般認(rèn)為，巖石圈是地表至上地幔頂部，平均厚度約為100km，其下部為厚度不等軟流圈（或低速帶），而過(guò)渡帶位于3

32、50670km深度之間，之下為下地幔。,73,學(xué)習(xí)交流PPT,地球圈層特征 （續(xù)一）,(3)幔核邊界 在地幔內(nèi)部，速度隨深度而增加，在大約2900km處，P波速度突然從13km/s下降到8km/s左右，在地球內(nèi)部出現(xiàn)第二大間斷面。這是美國(guó)的地震學(xué)家古登堡(Gutenberg)于1914年通過(guò)大量天然地震震相分析首先提出的，該界面又稱(chēng)為古登堡界面。 (4)內(nèi)、外核邊界 從2900km以下進(jìn)入地核，P波速度逐漸回升，S波速度因不能通過(guò)而恒為零，直到大約5300km深處S波才出現(xiàn)，P波速度也呈現(xiàn)明顯跳躍，成為地球內(nèi)部的第三大間斷面。從而可見(jiàn)，外核物質(zhì)為液態(tài)，內(nèi)核物質(zhì)則為固態(tài)。這是丹麥地震學(xué)家萊曼(L

33、ehmann)女士在1936年首先發(fā)現(xiàn)的，并記為L(zhǎng)面。,74,學(xué)習(xí)交流PPT,地球圈層特征 （續(xù)二）,上述地球分層，即主要簡(jiǎn)單的劃分，從本世紀(jì)開(kāi)始至50年代已大體確定，而且習(xí)慣上采用A-G字母廣以命名：A(地殼)，B(上地幔)，C(過(guò)渡層)，D(下地幔)，E(外核)，F(xiàn)間斷面，G(內(nèi)核)。 最近30年來(lái)，對(duì)地球結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)逐步深入，目前在橫向變化、非彈性和各向異性諸方面的研究不斷深化，使地球模型逐漸發(fā)展和完善。在地球分層模型的發(fā)展過(guò)程中，曾先后出現(xiàn)佐普列茲蓋格模型、杰弗里斯模型、古登堡(Gutenberg)模型、布倫(Bullen)模型、安德森哈特模型以及初步地球參考模型(PREM)。這些模型彼

34、此有聯(lián)系，也有一些區(qū)別，其中布倫模型和初步地球參考模型使用較廣。,75,學(xué)習(xí)交流PPT,地球圈層模型參數(shù),76,學(xué)習(xí)交流PPT,地球內(nèi)部物質(zhì)組成,2.4 地球內(nèi)部物質(zhì)組成 目前，許多學(xué)者都是借助于宇宙的豐度和已知的觀測(cè)事實(shí)，以及地球物理資料來(lái)構(gòu)筑地球物質(zhì)模型，主要考慮以下四個(gè)方面： 地球作為宇宙天體的一個(gè)成員并由宇宙物質(zhì)演化而來(lái)，地球的元素豐度應(yīng)與宇宙的元素豐度大致相同，因此可以根據(jù)宇宙豐度構(gòu)成地球基本成分的簡(jiǎn)單模型； 地球基本成分及其分布必須符合深部地震資料所反映的物質(zhì)密度、波速等物理參數(shù)； 地球成分分布必須與地球總的質(zhì)量和慣性矩相協(xié)調(diào)； 地球元素分布必須符合地球內(nèi)部溫度、壓力分布的狀況。,

35、77,學(xué)習(xí)交流PPT,地殼物質(zhì)組成,2.4.1 地殼物質(zhì)組成 硅鋁質(zhì)、鎂鐵質(zhì)巖石 根據(jù)礦物學(xué)研究，長(zhǎng)石(鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石)是地殼中最豐富的礦物，其次是石英和含結(jié)晶水的礦物。地殼平均密度約為2.7-2.8g/cm3，基于較富集礦物的速度和Vs/Vp比值的差異，故利用地震波的速度便可以有效地進(jìn)行判別。由于蛇紋石化作用，橄欖石的波速可降低，在下地殼中蛇紋石化的超鎂鐵巖是一種不穩(wěn)定因素，有一些地區(qū)的Moho界面可能不在玄武巖層的底部，而是在上地幔頂部的蛇紋石化帶底部。 海洋和大陸地殼成分有所不同。大陸地殼含石英和長(zhǎng)石較豐富，故大陸地殼內(nèi)部密度一般小于海洋地殼。若Moho界面是巖石學(xué)界面，即為硅鋁質(zhì)的或鎂

36、鐵質(zhì)的陸殼巖石與超鐵鎂巖的地幔巖石之間的邊界。若Moho界面是化學(xué)分界面，地殼最大厚度可能出現(xiàn)在玄武榴輝巖的邊界處，由此，可以把一個(gè)相位間斷面(玄武一榴輝巖)轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)間斷面(玄武一橄欖巖) 。,78,學(xué)習(xí)交流PPT,地幔物質(zhì)組成,2.4.2 地幔物質(zhì)組成 地幔的最上部也由堅(jiān)硬的硅酸鹽巖石組成，它們和地殼一起構(gòu)成了地球的巖石圈。目前人類(lèi)還不能取回深度超過(guò)13km的任何物質(zhì)樣品。除了幔源巖漿及其所攜帶的少量地幔巖石（可給地球科學(xué)家提供最深達(dá)約200km深處的物質(zhì)）樣品外，直接研究地幔(及其以下部分)的愿望并未實(shí)現(xiàn)。 巖石圈地幔中的最重要的礦物是鎂硅酸鹽和鋁硅酸鹽兩大類(lèi)，局部可能有氧化物或硫化礦物

37、聚集，正常地幔中基本無(wú)含水礦物。其中，鎂硅酸鹽礦物的結(jié)構(gòu)變化能反映地幔不同部位的壓力條件。,79,學(xué)習(xí)交流PPT,地幔物質(zhì)組成 （續(xù)一）,(1)上地幔 固相超鐵鎂質(zhì)和鐵鎂質(zhì)巖石，堿性玄武巖巖漿 根據(jù)地球物理資料和高溫高壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果，巖石圈地幔的硅酸鹽礦物應(yīng)為橄欖石，大洋下已觀測(cè)到橄欖石；在上地幔的溫度壓力條件下，橄欖石、斜方輝石和單斜輝石是穩(wěn)定的，因而，認(rèn)為上地幔頂部可以看成是橄欖石和輝石的集合體。 巖石圈地幔底界變化于60220km深處，其下有一個(gè)地震波的低速層，無(wú)疑是高熱梯度區(qū)。在高溫條件下壓力效應(yīng)將被忽略，導(dǎo)致波速隨深度增加而減小。較多學(xué)者用部分熔融或斷層來(lái)解釋低速帶的成因，認(rèn)為它可能是大

38、部分拉斑玄武巖聚集區(qū)，對(duì)于上覆巖石圈構(gòu)造演化有重要影響。220400km深度的上地幔下部物質(zhì)又變得致密、剛性，溫度也回歸正常增長(zhǎng)范圍。既有可能是固相超鐵鎂質(zhì)和鐵鎂質(zhì)巖石，也有可能是大量堿性玄武巖巖漿的形成區(qū)。,80,學(xué)習(xí)交流PPT,地幔物質(zhì)組成 （續(xù)二）,(2)過(guò)渡層 高密度橄欖石和氧化物 地幔中在400km和670km深處存在兩個(gè)不連續(xù)面，其間稱(chēng)為地幔過(guò)渡層。在400km深度的溫度和壓力條件下，斜方晶系的橄欖石變成等軸晶系的尖晶石，密度增加約60。至600km處，尖晶石分解成更重的氧化物，如方鎂石(MgO)、方鐵礦(FeO)和斯石英(一種比重達(dá)到4.28的高密石英)。 (3)下地幔 高密度橄

39、欖石和氧化物，氧化鐵含量小幅度增高 下地幔中物質(zhì)結(jié)構(gòu)不再變化，地震波速度的平緩增加也可用物質(zhì)結(jié)構(gòu)已經(jīng)壓縮成較致密來(lái)解釋。硅酸鹽礦物已轉(zhuǎn)變成氧化物或具鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的硅酸鹽，隨深度增大唯一的成分變化表現(xiàn)為FeO含量的小幅度增高。 下地幔的主要成分可能是MgO和SiO2, 其次是CaO和Al2O3,CaO和Al2O3在下地幔中的平均含量雖較低，但它們可能有一些富集區(qū)。下地幔底部200km范圍內(nèi)物質(zhì)較上覆地幔致密。,81,學(xué)習(xí)交流PPT,地核物質(zhì)組成,2.4.3 地核物質(zhì)組成 外地核由液態(tài)鐵組成，并有少量較輕的元素； 內(nèi)地核結(jié)晶的固體鐵鎳合金組成。 根據(jù)推測(cè)，地核中的主要的元素成分是Fe和Ni，所以地核

40、常被稱(chēng)為鐵鎳核，但純鐵鎳核與地核已知的地球物理資料不一致，它有太高的密度和太低的地震波速，因此地核中可能含有較輕的元素。目前一般推斷外地核可能由液態(tài)鐵組成，其中鎳含量可能達(dá)10，并有大約5-15較輕的元素，如Si,O,K,H等。內(nèi)地核應(yīng)為剛性很高的，在極高壓下結(jié)晶的固體鐵鎳合金組成。因地核尺度太小，很難精確測(cè)定其密度值，對(duì)地核成分的確定僅依據(jù)波速簡(jiǎn)單地將內(nèi)核看成是外核的凝結(jié)變相體。,82,學(xué)習(xí)交流PPT,第二章 內(nèi)容提要,太陽(yáng)系及其組成與演化 太陽(yáng)系的成員(太陽(yáng)、大行星、小行星、行星的衛(wèi)星、彗星) 軌道的規(guī)律性(共面性、同向性、共圓性) 質(zhì)量與密度分布特征 太陽(yáng)系天體的自轉(zhuǎn)（行星的自轉(zhuǎn)、太陽(yáng)自

41、轉(zhuǎn)） 地球的轉(zhuǎn)動(dòng)與軌跡 基本參照（天軸、天球、天極、天赤道、黃道、黃極） 地球自轉(zhuǎn)（周期、恒星日、太陽(yáng)日與太陰日） 地球公轉(zhuǎn)（周期、恒星年、春分點(diǎn)、秋分點(diǎn)、夏至點(diǎn)、冬至點(diǎn)、南北回歸線(xiàn) ） 地軸進(jìn)動(dòng)、章動(dòng)與地球平動(dòng),83,學(xué)習(xí)交流PPT,第二章 內(nèi)容提要（續(xù)）,地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu) 地殼、上地幔、過(guò)渡帶、下地幔、外核、內(nèi)核 地球內(nèi)部的物質(zhì)組成 地殼硅鋁質(zhì)、鎂鐵質(zhì)巖石 上地幔固相超鐵鎂質(zhì)和鐵鎂質(zhì)巖石，堿性玄武巖巖漿 過(guò)渡帶高密度橄欖石和氧化物 下地幔高密度橄欖石和氧化物，氧化鐵含量小幅度增高 外地核由液態(tài)鐵組成，其中鎳含量可能達(dá)10，并有少量較輕的元素 內(nèi)地核結(jié)晶的固體鐵鎳合金組成,84,學(xué)習(xí)交流PPT

42、,思考題,太陽(yáng)系的成員有哪些？它們的軌道、質(zhì)量與密度分布有哪些規(guī)律和特征？ 地球有哪些形式的運(yùn)動(dòng)？運(yùn)動(dòng)周期如何？ 3. 黃道、春分點(diǎn)、秋分點(diǎn)、夏至點(diǎn)、冬至點(diǎn)是什么？ 4. 地球內(nèi)部主要有哪些圈層？它們的物質(zhì)組成是什么？,85,學(xué)習(xí)交流PPT,第三章 地球重力與地球形狀,地球重力 大地水準(zhǔn)面與地球形狀 正常重力場(chǎng)與重力異常 地殼均衡與重力均衡異常 潮汐作用與固體潮,86,學(xué)習(xí)交流PPT,3.1 地球重力場(chǎng) 地球重力由兩部分組成，地球上任何一個(gè)物體，都同時(shí)受到地球的引力F和因隨地球自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的慣性離心力C的作用。 由牛頓萬(wàn)有引力定律，有物體m所受萬(wàn)有引力為 物體所受的慣性離心力為 兩者的矢量合為重

43、力，即 ( G=6.67210-11m3/(kgs2) ),地球重力,87,學(xué)習(xí)交流PPT,將物體質(zhì)量去除其所受重力，可得單位質(zhì)量所受到的重力重力場(chǎng)，其中 在地球物理學(xué)中所稱(chēng)的重力就是指重力場(chǎng)強(qiáng)度，重力場(chǎng)強(qiáng)度實(shí)際上就是重力加速度。 衡量重力大小的單位有兩個(gè)系統(tǒng)，一個(gè)是高斯制（CGSM)，另一個(gè)是國(guó)際制（SI）。 CGSM: Gal (伽）， mGal（毫伽），Gal（微伽） SI: m/s2 g.u.(10-6 m/s2 ) 目前，最好的重力儀測(cè)量精度可達(dá)到微伽級(jí)。,地球重力場(chǎng)與單位,88,學(xué)習(xí)交流PPT,3.1.1 地球重力的積分表達(dá) 設(shè)笛卡兒坐標(biāo)系統(tǒng)的原點(diǎn)位于地球球心，Z軸為地軸，點(diǎn)質(zhì)量元

44、A坐標(biāo)為(,)，計(jì)算點(diǎn)p坐標(biāo)為(x, y, z)，兩點(diǎn)之間的距離為，如圖所示。,地球重力的積分表達(dá),89,學(xué)習(xí)交流PPT,慣性離心力可寫(xiě)成 即重力為,地球引力可寫(xiě)成萬(wàn)有引力積分形式，即,地球重力的積分表達(dá) （續(xù)）,90,學(xué)習(xí)交流PPT,3.1.2 地球外部重力的球諧函數(shù)表達(dá) 設(shè)球坐標(biāo)系統(tǒng)的原點(diǎn)位于地球球心，Z軸為地軸，地球半徑R,為計(jì)算點(diǎn)p坐標(biāo)為(r, )，兩點(diǎn)之間的距離為，如圖所示。,地球外部重力的球諧函數(shù)表達(dá),91,學(xué)習(xí)交流PPT,地球重力（位）在地球外部空間的重力滿(mǎn)足拉普拉斯方程，因此，可求解球坐標(biāo)中的拉普拉斯方程，得到地球外部空間重力表達(dá)式。,地球外部重力的球諧函數(shù)表達(dá)（續(xù)）,92,學(xué)

45、習(xí)交流PPT,3.1.3 地球重力變化及主要原因 顯然，由于慣性離心力的作用，地球形狀、內(nèi)部密度等原因，地球重力是變化的，且總體有隨緯度變化的特征。兩極處最大，赤道處最小，重力并不總指向地心。 引起地球表面重力變化的主要原因： 地球的形狀扁橢球體引力，最大變化達(dá)1800mGal； 地球自轉(zhuǎn)慣性離心力，最大變化達(dá)3400mGal； 地球內(nèi)部物質(zhì)密度分布不均勻； 地球表面起伏不平，最大變化達(dá)1000mGal以上； 太陽(yáng)與月球的引力，最大變化達(dá)0.3mGal。,重力的變化,93,學(xué)習(xí)交流PPT,3.2大地水準(zhǔn)面與地球形狀 3.2.1 地球重力位 重力位是一個(gè)標(biāo)量函數(shù)，可由重力各分量沿著力的方向積分得

46、到，即 由重力位函數(shù)可導(dǎo)出重力在各個(gè)方向上的分量，即 n為W(x,y,z)函數(shù)內(nèi)法線(xiàn)方向上的單位矢量。重力為沿重力位函數(shù)內(nèi)法線(xiàn)方向上的偏導(dǎo)數(shù)就等于該處的重力值。,地球重力位,94,學(xué)習(xí)交流PPT,3.2.2 重力等位面 在地球重力場(chǎng)空間內(nèi)，我們總能找到一個(gè)常數(shù)C，使得 可以證明，上面的方程為一個(gè)空間曲面方程。所以，它所代表的曲面就是一個(gè)等位面。由于C的任意性，因此，地球重力位有無(wú)窮多個(gè)等位面，且彼此不相交。 等位面上所有點(diǎn)的重力位相等，但重力值不一定相等。等位面上任意一點(diǎn)的內(nèi)法線(xiàn)（場(chǎng)強(qiáng)度增大法線(xiàn)方向）為該處重力方向。 重力等位面在生活中的體現(xiàn)：任意一個(gè)平靜的水面水準(zhǔn)面，即為重力等位面。,重力等

47、位面,95,學(xué)習(xí)交流PPT,3.2.3 參考橢球面地球基本形狀 由于地球是一個(gè)兩極壓扁的橢球體，斯托克斯在理論上證明:若地球表面重力已知，可以推導(dǎo)出地球表面理論公式，即與地球表面最接近的重力等位面方程參考橢球面。 由克雷羅給出的二級(jí)近似公式 其中f 為 J2 為與地球形狀和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量有關(guān)參數(shù)，m赤道離心力與引力之比值。 根據(jù)參考橢球面，可以建立經(jīng)緯度系統(tǒng)，以致地球上任何一點(diǎn)的位置可以用經(jīng)緯度來(lái)描述。 經(jīng)度線(xiàn)：與地軸重合的平面與參考橢球面之交線(xiàn)。 緯度線(xiàn)：垂直地軸的平面與參考橢球面之交線(xiàn)。,參考橢球面,96,學(xué)習(xí)交流PPT,緯度的不同定義： 地理緯度： 地面任意一點(diǎn)上參考橢球面法線(xiàn)與赤道面之夾角。

48、 地心緯度： 地面任意一點(diǎn)與地心連線(xiàn)與赤道面之夾角。 天文緯度： 地面任意一點(diǎn)上鉛垂線(xiàn)（大地水準(zhǔn)面法線(xiàn)）與赤道面之夾角。,緯度的定義,97,學(xué)習(xí)交流PPT,3.2.4 大地水準(zhǔn)面及其形狀 大地水準(zhǔn)面是指與”平均”海平面重合的水準(zhǔn)面或重力等位面，其延伸到陸地之下所形成的一個(gè)封閉曲面。 確定大地水準(zhǔn)面的形狀可分兩步進(jìn)行：第一步是確定地球的基本形狀，第二步是確定大地水準(zhǔn)面與基本形狀或參考橢球面的偏差，即大地水準(zhǔn)面的高度N高程異常。斯托克斯首先證明：大地水準(zhǔn)面與參考橢球面的偏差可以由重力的分布計(jì)算出來(lái)。其基本思想如下： 假設(shè)實(shí)測(cè)重力位W與參考面上重力位W0之差為 這里T稱(chēng)為重力干擾位。由布容斯公式可計(jì)

49、算出大地水準(zhǔn)面的高度N，即 其中g(shù)0為參考橢球面上的（正常）重力值。,大地水準(zhǔn)面的形狀,98,學(xué)習(xí)交流PPT,3.2.5 垂線(xiàn)偏差與高程異常 大地水準(zhǔn)面與參考橢球面的差異，反映在法線(xiàn)方向上的差異稱(chēng)為垂線(xiàn)偏差，反映在垂向距離的差異稱(chēng)為高程異常。 大地水準(zhǔn)面與參考橢球面差異的分布是不均勻的，最大的差異可達(dá) 117 m，它與地球表面地形以及地下物質(zhì)分布有關(guān)。 由于大多數(shù)地區(qū)大地水準(zhǔn)面與參考橢球面差異不大，因此在很多情況下，可將兩者視為相同，這時(shí)，天文緯度近似等于地理緯度。,垂線(xiàn)偏差與高程異常,99,學(xué)習(xí)交流PPT,全球高程異常圖,100,學(xué)習(xí)交流PPT,全球高程異常（最新）三維效果圖,101,學(xué)習(xí)交

50、流PPT,3.3 正常重力與重力異常 3.3.1 正常重力 由于地球內(nèi)部物質(zhì)存在不均勻，地球表面也不光滑，準(zhǔn)確地計(jì)算地球的引力是不可能的。若把地球內(nèi)部物質(zhì)分布和表面形狀理想化，即假設(shè) 地球是一個(gè)兩極壓扁的旋轉(zhuǎn)橢球體且表面光滑； 地球內(nèi)部物質(zhì)密度呈層狀均勻（層面共焦點(diǎn)，層內(nèi)均勻）； 地球是一個(gè)剛性球體，內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)位置不變； 地球的質(zhì)量、自轉(zhuǎn)角速度不變。 利用實(shí)際觀測(cè)結(jié)果，可以導(dǎo)出一個(gè)近似公式，稱(chēng)為參考橢球面（大地水準(zhǔn)面）上正常重力公式，即,正常重力,102,學(xué)習(xí)交流PPT,式中g(shù)0為正常重力值，其隨緯度 變化；ge，gp 分別稱(chēng)為赤道處和兩極處重力平均值； 稱(chēng)為地球重力扁度(gpge)/ge；

51、為地球幾何扁度。,正常重力 （續(xù)一）,103,學(xué)習(xí)交流PPT,赫爾默特1919公式： 卡西尼1930公式： 1979年國(guó)際地球物理和大地測(cè)量聯(lián)合會(huì)頒布的公式：,正常重力公式,104,學(xué)習(xí)交流PPT,3.3.2 重力異常 在這里，我們所指的重力值不包括重力隨時(shí)間變化的那部分。一般意義上重力異常是指在地面上觀測(cè)到的重力值與正常重力值相比較后的差值。 這樣的重力異常往往意義不明確，因?yàn)樵斐芍亓Ξ惓５脑蛴袃蓚€(gè)方面，一是地形起伏，二是地下物質(zhì)分布不均。為了使重力異常具有明確的物理意義，根據(jù)不同的目的，可對(duì)異常進(jìn)行不同的校正，可得出不同物理意義的重力異常。,重力異常,105,學(xué)習(xí)交流PPT,自由空間重力

52、異常 自由空間重力異常是對(duì)一般意義下的重力異常進(jìn)行一項(xiàng)自由空間校正，也稱(chēng)為高度校正，即 gh=0.3086h (h為測(cè)點(diǎn)高程，單位 m) mGal 自由空間校正系數(shù)是正常重力在大地水準(zhǔn)面附近垂向梯度的近似值。自由空間(Free Air)異常為 g f = g測(cè) g0 + gh 自由空間校正的物理意義在于彌補(bǔ)大地水準(zhǔn)面或標(biāo)準(zhǔn)橢球面上的正常重力值與測(cè)點(diǎn)高程處正常重力值的差異，校正后的結(jié)果仍然為測(cè)點(diǎn)處的異常。 自由空間校正只是將高程的影響去掉，自由空間異常物理意義在于：反映地表物質(zhì)質(zhì)量和地下物質(zhì)密度差異的引力效應(yīng)。 自由空間異常是研究大地水準(zhǔn)面地球形狀的重要資料。,自由空間重力異常,106,學(xué)習(xí)交流

53、PPT,布格重力異常 如果在自由空間校正的基礎(chǔ)上，把地形引起的引力效應(yīng)也去掉，得到單純反映地下物質(zhì)密度分布的重力異常，這個(gè)異常叫布格重力異常。 為得到布格異常，必須再進(jìn)行消除地形影響的兩項(xiàng)校正。 布格校正： gB = -2Gh = -0.0419 h mGal (h為海拔高程，單位m, 為地表物質(zhì)平均密度，單位 g/cm3) 地形校正（TC）：計(jì)算出測(cè)點(diǎn)周?chē)匦蜗鄬?duì)平板層的起伏物質(zhì)所引起的引力效應(yīng). 布格校正和地形校正的物理意義在于把大地水準(zhǔn)面以上的物質(zhì)（用地表或上地殼物質(zhì)平均密度）在測(cè)點(diǎn)處產(chǎn)生的引力之鉛錘分量，從觀測(cè)值中去掉。,布格重力異常,107,學(xué)習(xí)交流PPT,布格重力異常： gB =

54、g測(cè) g0 + gh + gB + gTC 布格重力異常的物理意義： 單純反映地面以下物質(zhì)密度不均勻在地面測(cè)點(diǎn)處所引起的引力變化量沿鉛錘方向（重力方向）的投影或分量。 在地面以下與大地水準(zhǔn)面以上空間中，物質(zhì)密度偏離校正密度的物質(zhì)以及大地水準(zhǔn)面以下物質(zhì)密度偏離層圈平均密度的物質(zhì)所引起的引力效應(yīng)都體現(xiàn)在布格異常中。,布格重力異常,108,學(xué)習(xí)交流PPT,3.3.3 布格重力異常與地球內(nèi)部構(gòu)造 布格重力異常在地質(zhì)構(gòu)造上的反映,布格重力異常與地球內(nèi)部構(gòu)造,109,學(xué)習(xí)交流PPT,布格重力異常與地形的關(guān)系,布格重力異常與地形的關(guān)系,110,學(xué)習(xí)交流PPT,中國(guó)布格重力異常概略圖,111,學(xué)習(xí)交流PPT,

55、中國(guó)Moho面深度圖,112,學(xué)習(xí)交流PPT,3.4 地殼均衡與重力均衡異常 3.4.1 地殼均衡概念的由來(lái) 1854年，英國(guó)人普拉特（J. H. Pratt)在尼泊爾喜瑪拉雅山附近進(jìn)行大地測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)，喜瑪拉雅山的物質(zhì)不能抵消巨大的垂向偏差，由此推測(cè)喜瑪拉雅山底下有巨大的低密度物質(zhì)存在。,地殼均衡與重力均衡異常,113,學(xué)習(xí)交流PPT,3.4.2 艾里假說(shuō),艾里假說(shuō),114,學(xué)習(xí)交流PPT,2.4.3 普拉特假說(shuō),普拉特假說(shuō),115,學(xué)習(xí)交流PPT,艾里假說(shuō)是根據(jù)阿基米德原理，假設(shè)單位面積地殼的質(zhì)量應(yīng)等于 同等面積排開(kāi)巖漿的質(zhì)量，即有等式 （T0+ h + t）0 = （T0 + t） 式中T

56、0、t 分別為地殼正常厚度和插入巖漿的厚度，0 、 分別為地殼正常密度和地幔巖漿密度，h為海拔高程。,地殼均衡原理,116,學(xué)習(xí)交流PPT,因此有 由于T0總是不變的，故有 對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，艾里解釋說(shuō)：在陸地，任意單位面積內(nèi)伸入到巖漿里的物質(zhì)所要補(bǔ)償?shù)馁|(zhì)量等于海平面以上物質(zhì)的質(zhì)量。 若地殼平均密度為2.67，巖漿平均密度為3.27，則有 t = 4.45 h 海洋地區(qū)，同理有 h（01.03）= t （0），則 t = 2.73 h 這里t和 h 分別為正常地殼厚度減小量和海水深度。在艾里假說(shuō)中，t 或 t 被稱(chēng)為補(bǔ)償深度。,地殼均衡原理 （續(xù)一）,117,學(xué)習(xí)交流PPT,普拉特海福特假說(shuō)是基于

57、地殼密度變化，單位面積地殼物質(zhì)密度為 海洋地區(qū)有 無(wú)論是普拉特假說(shuō)還是艾里假說(shuō)，都認(rèn)為有一個(gè)等壓力面存在，即地殼存在著均衡現(xiàn)象。盡管地殼均衡這個(gè)概念不是由他們提出的，但是仍然被譽(yù)為地殼均衡現(xiàn)象的首次解釋者。正是由于地殼均衡問(wèn)題的提出，引發(fā)了人們對(duì)地球內(nèi)部構(gòu)造的研究。,地殼均衡原理 （續(xù)二）,118,學(xué)習(xí)交流PPT,3.4.4 均衡異常 若把地殼視為均衡的，按照均衡理論，根據(jù)高程和海水深度變化，將均衡地殼物質(zhì)密度或厚度按正常地殼進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算補(bǔ)償物質(zhì)產(chǎn)生的引力效應(yīng)，作為均衡校正，把它從自由空間重力異常中減去，即可以得到均衡異常。 均衡正異常 地殼物質(zhì)盈余。 均衡負(fù)異常 地殼物質(zhì)虧缺。 均衡異常是研

58、究地震和地殼運(yùn)動(dòng)的重要資料。,均衡異常,119,學(xué)習(xí)交流PPT,3.5 潮汐作用與固體潮 3.5.1 潮汐現(xiàn)象及其實(shí)質(zhì) 潮汐類(lèi)型 Half-day tide two periods of rise-fall in a lunar day(太陰日24小時(shí)54分) Whole-day tide one period of rise-fall in a lunar day(太陰日24小時(shí)54分) Mixture tide in a month, the two types of tides alternatively occur. 起潮力,潮汐類(lèi)型,120,學(xué)習(xí)交流PPT,起潮力 We can de

59、compose the gravity from the moon into two components. One is along the radius r and another is take the direction perpendicular to r. For the position A on the surface they can be written in gAr=GMmcos/R2 gA= -GMmsin/R2 For the center of the earth O, we similarly have gOr=GMmcos/R2 gO= -GMmsin/R2,起潮力,121,學(xué)習(xí)交流PPT,起潮