1、采礦地球物理學(xué)概論 二、地球物理學(xué)簡介,1. 太陽系 1.1 太陽系 太陽是銀河系中眾多恒星中的一顆，而銀河系外尚有無數(shù)個河外星系，目前用最先進(jìn)的天文望遠(yuǎn)鏡能觀察到100億光年遠(yuǎn)的河外星系。太陽系包括太陽、九個行星和它們的衛(wèi)星、數(shù)以萬計的小行星、數(shù)十億的慧星、無數(shù)的隕石以及巨量的塵埃和氣體。,第一節(jié)地球概述,哥白尼(14731543)以前，地球被認(rèn)為是宇宙的中心。哥白尼提出地球和其它行星圍繞太陽而轉(zhuǎn)動的日心說理論，并且被伽利略(l5641642)的天文觀測所證實(shí)。開普勒(l5711630)發(fā)現(xiàn)了行星運(yùn)動的三個規(guī)律： (1)行星圍繞太陽在一橢圓形軌道(實(shí)際上是接近于正圓形)上運(yùn)行，太陽為橢圓的一

2、個焦點(diǎn)； (2)行星在軌道上運(yùn)行有一定規(guī)律，當(dāng)靠近太陽時，運(yùn)行速度就變快，當(dāng)遠(yuǎn)離太陽時，運(yùn)行速度就變慢； (3)行星的旋轉(zhuǎn)周期取決于行星與太陽的距離，距離太陽越遠(yuǎn)，行星旋轉(zhuǎn)的越慢。,牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律，從理論上證明了開普勒定律，準(zhǔn)確地解釋行星運(yùn)動的規(guī)律。后來發(fā)現(xiàn)觀測的天王星位置與計算的數(shù)據(jù)不符，亞當(dāng)(Adams，18l91892)和李維利厄(Le Verrier，18111877)都認(rèn)為這是由于另一個行星的引力所產(chǎn)生的影響，他們計算了該行星的位置，這就是后來在l846年用望遠(yuǎn)鏡觀測到的海王星。,太陽系,行星，按其與太陽的距離，其順序依次為水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星和

3、冥王星。,此外，行星(主要指大行星)的周圍還有一些衛(wèi)星。衛(wèi)星的運(yùn)轉(zhuǎn)與這些行星圍繞太陽的運(yùn)轉(zhuǎn)一樣。,木星 衛(wèi)星,土星 衛(wèi)星,天王星 衛(wèi)星,海王星 衛(wèi)星,1)軌道的規(guī)律性 行星都以同一方向圍繞太陽旋轉(zhuǎn)。而且在自轉(zhuǎn)方向與太陽致(金星和天王星例外)，通常稱為同向性。 行星的偏心率都很小，運(yùn)行軌道都接近圓形，通常稱為近圓性。行星的軌道均位于大約與太陽的赤道面成6傾斜的同一平面上，通常稱為共面性。,太陽系的規(guī)律,2) 軌道半徑的規(guī)律性 行星軌道半徑遵循一定的規(guī)律，即所謂波特(Bode)定律。如以天文單位表示行星到太陽的距離，則行星軌道半徑為 rn0.4+0.32n 式中，n是行星距太陽的序數(shù)，水星的n為-

4、，金星的n為0，地球的n為l，其余類推。,表2-1 太陽系內(nèi)一些星球的天文數(shù)據(jù),【注釋】 (1)一個天文單位是地球到太陽的平均距離，為149598000km。地球到月球的平均距離為384403km。 (2)黃道面是地球繞日軌道的平面。 (3)地球的質(zhì)量為5.9751027g，記為1.0123單位，用它計算各星體的質(zhì)量。,返回,表2-2 行星軌道半徑值,3) 質(zhì)量和密度的分布規(guī)律性 行星的大小和質(zhì)量分布是兩頭小、中間大，即類地行星和遠(yuǎn)日行星小，巨行星大。內(nèi)行星的平均密度較大，為4.05.5gcm3，其主要成分是鐵、硅、氧、錳、硫、鎳等。外行星的平均密度很小，約為0.71.6 gcm3，所以估計是

5、由輕的氣體元素如氫、氦等組成，并且揮發(fā)物質(zhì)豐富。,4)自轉(zhuǎn)規(guī)律 太陽的自轉(zhuǎn)呈現(xiàn)表面“赤道加速”現(xiàn)象，即自轉(zhuǎn)速度隨緯度增加而遞減，在赤道處自轉(zhuǎn)最快。與其質(zhì)量相比，太陽的自轉(zhuǎn)速度太慢。太陽系中星體的自轉(zhuǎn)規(guī)律也可用角動量(轉(zhuǎn)動慣量角速度)的分配來描述。太陽的質(zhì)量占了整個太陽系質(zhì)量的99.9，但其角動量還不到整個太陽系的2，絕大部分角動量都分配到了行星上。,1.2 太陽系的起源 演化論或一元論；演化論或一元論的太陽系起源模式，是假設(shè)太陽和行星形成于同一塵埃和氣體云星云，行星是恒星形成過程中必然的伴生物，這個形成過程是緩慢且連續(xù)不斷的。 災(zāi)變論或二元論。災(zāi)變論或二元論的模式，則設(shè)想行星形成于太陽之后，是

6、由于第二個或第三個星體(通常是另一個恒星)的卷入而產(chǎn)生的某種災(zāi)變，或者是一些意外事件的結(jié)果。這個第二或第三星體從太陽中將物質(zhì)帶出來，再由這些物質(zhì)形成行星。,A原始狀態(tài)，稀薄的星際物質(zhì)與氣體； B引力使得氣體在云中心會聚； C初始核子反映在云中心產(chǎn)生巨大的熱，太陽出現(xiàn)； D不同地方的星際物質(zhì)在不同地方會聚產(chǎn)生九大行星,太陽系的形成,2地球的年齡 地球上已知最老的巖石（石英巖，一種由石英顆粒組成的沉積巖，后來遭受過溫度、壓力條件變化）出露于澳大利亞西南部，根據(jù)其中所含礦物（鋯石）的形成年齡測定，證明已有4142億年歷史。根據(jù)地質(zhì)學(xué)研究，這種巖石和礦物只能來自地殼的硅鋁質(zhì)部分，而且必需經(jīng)過地表水流的

7、搬運(yùn)、簸選和沉積。所以我們可以據(jù)此作出推論，地球的圈層分異在距今42億年前已經(jīng)完成。,2.1 放射性衰變規(guī)律 研究巖石和礦物的放射性，在地質(zhì)學(xué)和地球物理學(xué)的許多方面是很重要的。 放射性衰變所產(chǎn)生的熱可能是確定地球內(nèi)部熱學(xué)條件最重要的因素； 某些元素的放射性衰變率為測定地質(zhì)事件的年齡，特別是地殼中巖石形成的時代，提供了強(qiáng)有力的手段； 由于所有巖石幾乎都含有微量的放射性元素，因此可以應(yīng)用放射性測量法來勘查放射性礦產(chǎn)資源及解決其它各類地質(zhì)問題。,在自然界，某些元素的原子核能夠在不受外界條件影響下，自發(fā)地變成另種元素的原子核，同時發(fā)射出射線，這種現(xiàn)象叫做放射性衰變。這種不依靠外力而自發(fā)衰變的元素天然放

8、射性元素，所有原子序數(shù)Z83的元素的同位素(也包括些較輕元素的同位素)均為天然放射性元素。 自然界中的所有元素經(jīng)過人為地用放射性元素照射后，都能顯示出放射性的能力。具有這種放射性能力的元素叫做人工放射性元素，或者叫做人工放射性同位素。,放射性元素的衰變規(guī)律是： 每單位時間所衰變的原子數(shù)目與壓力、溫度等外部條例無關(guān)，僅與當(dāng)時存在的衰變原子的數(shù)目成正比。 設(shè)當(dāng)時的原子數(shù)目為N，則 dNdt-N (2-2) 這個方程式的解為 NN0e-t (2-3) 其中N0是t=0時所存在的原子數(shù)目。系數(shù)稱為衰變常數(shù)，它反映了不同放射性元素的衰變特性。 式(2-3)表明了放射性元素的衰變規(guī)律。在放射性衰變過程中，

9、原子數(shù)目是按指數(shù)規(guī)律減少的，不同的放射性元素具有不同的，其值越大，衰減的越快。,若令放射性元素的平均壽命為T，則 (2-4) 所以衰變常數(shù)等于衰變原子平均壽命的倒數(shù)。常用來表示衰變速率的量是半衰期，其涵義是原子數(shù)衰變到原來數(shù)目的一半所需要的時間，用符號T1/2來表示。由式(2-3)可導(dǎo)出T1/2與之間的關(guān)系 T1/2Ln20.6931 (2-5),上式表明，放射性元素的T1/2越大，其衰變的越慢。 通常認(rèn)為原子數(shù)衰變到原來數(shù)目的千分之一時，放射性衰變就結(jié)束了，這段時間大約為半衰期的十倍。,鈾的放射性同位素U-238和U-235,通過放射性同位素的衰變曲線確定巖石年齡,2.2 巖石的放射性 自然

10、界中，幾乎所有的巖石和礦物均含有一定數(shù)量的放射性元素，各種巖石都有微弱的放射性。 起初把這種放射性完全歸因于微量的鈾和釷以及它們的放射性衰變產(chǎn)物，后來研究表明，鉀的一種同位素(40K)也是放射性的，由于鉀本身在地殼中賦存十分普遍，它對巖石放射性產(chǎn)生極重要的影響。,2.3 地球年齡 在放射性現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)之前，開爾芬(Kelvin)和大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為地球的年齡不過幾千萬年，然而地質(zhì)學(xué)家們相信地球的年齡是幾億年。 如果不是巖石的放射性提供了決定性的答案，關(guān)于地球年齡的爭論也許現(xiàn)在還沒有結(jié)束。,表2-3 一些最古老的巖石年齡,2.3 地球年齡,鈾和釷經(jīng)過衰變只能形成206Pb，207Pb和208Pb，但

11、含鉛礦物中還存在非放射性的鉛同位素204Pb。它與放射性來源的鉛的比值隨著時間而減小，直到某個時期，鉛分離成鉛礦或形成其它不含鈾、釷的礦物時，這些比值就不再變化了。鉛與鈾、釷并存的時間越長，這些比值就越小;反過來，若鉛礦越老，這些比值也越大。實(shí)測的結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。,估算地球年齡的地球初期情況的假設(shè): (1) 在地球形成的初期，各種鉛同位素的比值在各處都是相同的; (2) 從某時起，地球不同區(qū)域的鈾、釷和鉛部各有特征性的比值，這些比值只能隨著放射性元素的衰變而改變; (3) 在以后的某個時期，含鉛礦或其它不含鈾、釷的鉛礦分離出來，鉛同位素的比值就不再變化; (4) 鉛與鈾、釷分離或成礦的時間

12、可以獨(dú)立地測定(例如測定其它附屬礦物的年齡等)。,應(yīng)該指出利用放射性元素衰變測定的地球年齡，是指某系中母體和子體沒有互相進(jìn)出時，即成為封閉系統(tǒng)以后到現(xiàn)在的時間。因此，所測定地球的年齡不是從宇宙塵埃開始集聚算起，而是從地球形成了地核和地慢以后到現(xiàn)在為止的時間。,2.4 地質(zhì)年代的劃分,續(xù)表2-4 地質(zhì)年代表,我們應(yīng)該注意到前寒武紀(jì)的持續(xù)時間很長(大約40億年)，這段時間相當(dāng)于地球年齡的87。 放射性年代學(xué)的重要貢獻(xiàn)之一就是在沒有化石存在的前寒武紀(jì)巖石中測定地質(zhì)事件的年齡。年齡測定的方法提供了這樣的基礎(chǔ)，可以把大陸的前寒武紀(jì)地區(qū)劃分成一些部分，每部分都有自己構(gòu)造活動的特征年齡。,在許多大陸的古老地

13、盾中，發(fā)現(xiàn)不少巖漿巖和沉積巖，其年齡約為2528億年。它表明在這段時間內(nèi)，地殼十分活動。25億年通常作為太古代和元古代的界限。 巖石年齡測定的結(jié)果還說明，在10億年及18億年前，也有全球性的地殼活動存在，它們分別對應(yīng)于中元古代的上下界限。,2.5地殼的演化 巖石放射性同位素的測定還能夠闡明地殼的演化. 由圖2-1可知，不同年代的地幔巖石，其初始鍶同位素比值87Sr086Sr自46億年前的0.699緩慢地增加到現(xiàn)在的0.704。這是由于87Rb逐漸衰變?yōu)?7Sr的結(jié)果。通常地殼中較年青的巖石，其87Sr086Sr比值一般較高，且變化梯度較大。這是由于上地幔在某一年代(如30億年前)經(jīng)歷了變質(zhì)，變

14、質(zhì)后的87Sr086Sr比值與變質(zhì)前不同。87Sr086Sr比值將不按直線A增加。,如果在10億年前，這種礦物又遇到新的變質(zhì)，其87Sr086Sr比值又會改變，它不是按直線B而是按直線C增加。變質(zhì)的情況有所不同，因此會有不同斜率的直線C存在，但是它們都在同一點(diǎn)上與直線B相交。與直線A相交的巖石很可能屬于幔源性質(zhì)，而不與直線A相交的巖石則不是幔源的。,圖2-1 伽-鍶法研究礦物的演化歷史,地質(zhì)歷史時期的生物進(jìn)化,地球的平動在宇宙空間中，地球隨太陽系不停地向前運(yùn)動，稱為地球的平動。 地球的進(jìn)動由于日、月對地球赤道凸出部分的吸引力隨日、月位置而變化，在它們的作用下，地球轉(zhuǎn)動軸在空間的取向發(fā)生變化，稱

15、為地球的進(jìn)動。 地球的章動地球作為一個整體也相當(dāng)于轉(zhuǎn)動軸在擺動，稱為地球的章動。,3. 地球的轉(zhuǎn)動,3.1地球的自轉(zhuǎn) 地球自轉(zhuǎn)是一種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，在赤道上自轉(zhuǎn)線速度為465ms，自轉(zhuǎn)方向是由西向東。地球的自轉(zhuǎn)軸叫做地軸，地軸和地球表面的兩個交點(diǎn)叫做地極，即南極和北極。,地球不但自轉(zhuǎn)，而且繞太陽公轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)的軌道是橢圓的，所以太陽日在一年中不是等長的。取其一年的平均值，就得到一平均太陽日，這就是日常生活中所用的日，每日有86400平均太陽秒。但在天文觀測中仍用恒星時。如果用24h表示太陽日的長度，則恒星日的長度為23h56min，太陽日的長度為24h50min。,3.2 地球的公轉(zhuǎn) 地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌

16、道是個接近正圓的橢圓。軌道全長是939120000km，長半軸a=149600000km，短半軸b149578630km，半焦距c2500000km。地球軌道的扁率(ab)a和扁心率ca分別為l7000和160。地球公轉(zhuǎn)線速度約為30kms，角速度為每日99。 由于太陽位于地球公轉(zhuǎn)軌道的一個焦點(diǎn)上，因此日地距離的變化以一年為周期，如圖2-2所示，每年1月經(jīng)過近日點(diǎn)，7月經(jīng)過遠(yuǎn)日點(diǎn)。,圖2-2 日地距離和公轉(zhuǎn)速度的周年變化（數(shù)字表示月份）,地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道面稱為黃道面(圖2-3)，由于赤道面與黃道面并不平行，它們之間的夾角為23.5，因此地球在黃道上繞太陽公轉(zhuǎn)時太陽光直射地面的位置就會周期性

17、的變化。太陽由南向北通過赤道的時間就是春分，太陽由北向南通過赤道的時間就是秋分。同理，太陽通過北回歸線和南回歸線的時間就是夏至和冬至，此時地球在黃道上的位置就是夏至點(diǎn)和冬至點(diǎn)。,地球繞太陽一周的時間叫做一年。若以恒星為標(biāo)準(zhǔn)，這段時間叫做一恒星年，它有365.25636個平均太陽日，每百年約增加0.01s，這是地球公轉(zhuǎn)的真正周期。若以春分點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)，每百年約減少0.53s。因?yàn)榧竟?jié)變化取決于太陽相對于春分點(diǎn)的位置，所以民用和紀(jì)年一般都采用回歸年。,圖2-3 地球繞太陽運(yùn)動,3.3 地球的平動 太陽除本身的自轉(zhuǎn)外，也帶著它的行星族(包括地球)以約20km/s的速度向織女星方向前進(jìn)。地球隨整個太陽系在

18、宇宙太空中不停地向前運(yùn)動，即所謂平動。 太陽系(包括地球)隨著它周圍的恒星群以大約30km/s的速度繞銀河系的質(zhì)心旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)動周期大約是250000000年，而銀河系本身又正以大約600km/s的速度向長蛇星座運(yùn)動。,3.4 地球的進(jìn)動 由于旋轉(zhuǎn)，地球的形態(tài)象一個扁球體，赤道附近向外凸出，而太陽和月球?qū)Υ送钩霾糠值奈κ沟剌S繞黃軸(黃道面的法線)轉(zhuǎn)動，其方向與自轉(zhuǎn)方向相反，即由東向西(圖2-4)。這種地球在運(yùn)動過程中，地軸方向發(fā)生的運(yùn)動叫做地球的進(jìn)動。,圖2-4 地球的進(jìn)動及其周期 a公元前12900年；b公元0年；c公元12900年,由于地軸的不斷進(jìn)動，所以其指向也在發(fā)生極其微小的變化，現(xiàn)

19、在它指向北極星，公元13600年，它就會指向織女星。如圖2-5所示。地球進(jìn)動的另一后果是赤道平面的位置也會相應(yīng)地發(fā)生變化，其結(jié)果將導(dǎo)致春分、秋分、夏至、冬至四個點(diǎn)的改變，它們在黃道上也以每年50.26的速度向西進(jìn)動著。,圖2-5 北極星的變遷,3.5 地球的章動 太陽每年兩次通過赤道，月球每月兩次通過赤道，因而作用到地球上的引力十分復(fù)雜。由于這個緣故，在地軸長期旋進(jìn)的過程中，又在它平均值的位置上附加了一個短周期的擺動，其主要部分的周期為18.6年，也就是說，地球轉(zhuǎn)動軸在空間的運(yùn)動不能簡單地描述為沿一平滑圓錐面上的轉(zhuǎn)動，地軸以很小的振幅在錐面內(nèi)、外擺動，地球的這種運(yùn)動叫章動。,1地球形狀 到17

20、世紀(jì)才察覺到地球并非正圓，而是扁圓的?，F(xiàn)代大地測量學(xué)上所謂的地球形狀是指一個理論曲面的形狀，這個曲面叫做大地水準(zhǔn)面。它的定義就是平均海洋平面最逼近的那個重力等位面。實(shí)際上，它在海洋上與平均海面重合，但在大陸地區(qū)，它的一部分可能切入地下。 因此從全球看，大地水準(zhǔn)面并不是完全包在地球外面，而在某些地方被假想“海面”所覆蓋。,第二節(jié) 地球的形狀,由力學(xué)知識可知，地球的自引力是造成地球形狀的唯一因素。如果沒有其它外力的影響，地球只能是正球體。但是自轉(zhuǎn)卻使得地球變成一個扁球體，赤道半徑為6378km，極向半徑為6357km。如果沒有其它因素的影響，地球會是一個標(biāo)準(zhǔn)的扁球體，。但地球不是一個回轉(zhuǎn)扁球體，它

21、的緯線(包括赤道)不是嚴(yán)格的正圓，經(jīng)線也不是真正的橢圓。地球的南北半徑并不對稱，其幾何中心并不位于赤道平面。北半球較細(xì)、較長；南半球較粗、較短，如圖2-6所示。,圖2-6 大地水準(zhǔn)面對參考扁球體的偏離,月球表面上看到的地球,2 地球表面形態(tài) 地球表面最大的兩個構(gòu)造單元是大陸和海洋。海平面以上的大陸部分占地表面積的29.2，如果考慮包圍大陸的大陸架，這一比例可增加到35。陸地表面形態(tài)的變化范圍可從最低392m的洼地到最高8848m的山峰，但平均高度不足1000m。 海底地形也不平坦，有高達(dá)幾千米、綿延幾萬公里的峻峭海嶺，也有海底峽谷、高地、平頂山、珊瑚島、深海溝等。海洋的平均深度稍小于3.8km

22、。,大陸與海洋之間的過渡帶可分為活動的與不活動的兩類。不活動的大陸邊緣同海洋擴(kuò)張有關(guān)，大陸邊緣處常有大陸架和大陸坡。 大陸架是由海岸線向海洋中延伸直到200m左右的坡度平緩的地帶，海水下面的地殼性質(zhì)和大陸是相同的，所以大陸架應(yīng)是大陸的一部分。 由大陸架再往深海延伸，海底的坡度突然增加(陡度大于1l0)，在不到50km的寬度內(nèi)就達(dá)到深海，這個地帶稱做大陸坡。,活動的大陸邊緣同海底(如太平洋)擴(kuò)張有關(guān)。在大陸邊緣以外存在著深海溝，海溝與大陸之間則有島弧或邊緣山脈。大陸架在此處很窄或不存在，而島弧所包圍的海域可能很大(如日本海)。深海溝是極重要的一種地表形態(tài)，大多數(shù)在太平洋，其它各洋較少，海溝最深處

23、約為1000011000m，位于西太平洋。,3地球內(nèi)部構(gòu)造,地球內(nèi)部：根據(jù)地震波可以將其劃分為：地殼，地幔和地核,3.1 地球內(nèi)部的分層 根據(jù)地震波走時資料，可以計算地球內(nèi)部P波和S波速度隨深度的分布，它們是地球內(nèi)部分層的最主要的依據(jù)。地球內(nèi)部的其它物性參數(shù)大多是利用速度資料推導(dǎo)出來的，這里給出杰弗里斯(Jeffreys，1939)和古登堡(Gutenbery，1957)計算的地球內(nèi)部的速度分布，見圖2-7。,圖2-7 杰弗里斯和古登堡的地球內(nèi)部的速度分布,1963年，布倫(Bullen)根據(jù)不同深度地震波速度的特征，把地球內(nèi)部分為A、B、C、D、E、F、G七層。A層相當(dāng)于地殼；B、C、D三層

24、為地幔；E、F、G三層屬地核。后來他又根據(jù)新的資料把D層分成D和D兩層，見表2-5。這些分界面均位于速度或速度梯度有明顯變化的部位。應(yīng)該指出，上述這種劃分是非常粗略的，現(xiàn)代的地球模型遠(yuǎn)比這詳細(xì)和科學(xué)，但布倫的分層模式一直沿用至今。,表2-5 布倫的地球內(nèi)部分層,返回,3.2 地殼 地殼是1909年莫霍洛維契奇(Mohorovicic)首先發(fā)現(xiàn)的。他在近地震觀測中，發(fā)現(xiàn)地下幾十公里的深處，存在著一個地震波速度的間斷面，P波速度由界面上方的6.2kms增加到8.1kms左右，這個間斷面以后就稱為莫霍面(或M面)。莫霍面以上的介質(zhì)稱為地殼，以下的介質(zhì)稱為地幔。地殼的構(gòu)造很復(fù)雜而且厚度也不均勻，大陸下

25、面的厚度為3050km，最厚可達(dá)70km以上(如我國青藏高原)，而海洋下面的地殼只有58km厚。,莫霍面是一個顯著的全球性間斷面，但在有些地區(qū)，M面不明顯，這個現(xiàn)象和海底擴(kuò)張有關(guān)。在大陸地區(qū)，有些地方在M面之上還有一個間斷面,叫做康拉德面(或C面)。它將地殼分成兩層，上層中的P波速度約為5.96.3km/s，下層中的速度約為6.57.6km/s。,地球內(nèi)部波速圈層厚度，可見一低速區(qū),3.3 地幔 從莫霍面到地下2900km深處這一層被稱之為地幔。地幔又可分為上地幔和下地幔兩個部分。 人們將上部由地殼基底至約400km深度的B層叫做上地幔，而把4001000km間的C層叫做過渡層。在B層上部存在

26、著一個低速層，這個低速層有人把它稱為軟流圈。在低速層的上部是巖石圈，也有人把B層的巖石圈與地殼A層統(tǒng)稱為巖石圈。,軟流圈和巖石圈(即A+B)是產(chǎn)生地質(zhì)構(gòu)造的主要源地，因此某些地質(zhì)學(xué)家把它們合稱為構(gòu)造圈。 下地幔是指10002900km的D層。相對來說下地幔是比較均勻的，但底部約厚200km的D層中，速度梯度接近于零，所以該層的介質(zhì)是不均勻的。,3.4地核 從地幔向下直至地球的中心稱為地核。將29004980km的E層稱為外核。外核與地幔的分界面是另一個速度間斷面古登堡面(或G面)，P波通過該面后，速度從13.6km/s突降到8.1km/s；而S波進(jìn)入外核后卻不復(fù)存在。 F層的深度范圍是4980

27、5120km，是內(nèi)外核的過渡帶。G層也叫內(nèi)核，其速度變化非常小，平均值約為11.2km/s。近代研究表明，在內(nèi)核中又出現(xiàn)S波，根據(jù)在液體中不存在S波這一基本事實(shí)，可知外核是液體，而內(nèi)核是固體。,由于橫波不能通過液體，所以在液態(tài)核心出現(xiàn)一個橫波屏蔽區(qū),4 地球的成分 雖然出露地表的巖石以沉積巖和變質(zhì)巖為主，但地殼的主成分乃是火成巖。陸殼主要由富含二氧化硅和鋁的花崗質(zhì)巖石組成。洋殼主要由富鐵鎂的玄武質(zhì)巖石組成。地殼主要由氧、硅、鋁、鐵、鈣、鎂、鈉、鉀等8種元素組成，它們占整個地殼重量的98，見表2-6。,表2-6 地球的平均成分,地球具有厚1040km由富硅的硅酸鹽巖石組成的地殼，其密度約為2.8

28、g/cm3。地幔被認(rèn)為是類似于橄欖巖(超鎂鐵巖)的富鎂鐵硅酸鹽所組成。在地幔之下是地核，主要由鐵組成。 地殼僅占地球體積的0.8左右，地幔約占83，地核約占16。然而地核密度大，其質(zhì)量約占地球質(zhì)量的31，地幔為68.5左右，地殼僅約0.5。,原始的地球被一層濃厚的氣體(主要是氫、氦)包圍著。由于隕石物質(zhì)的沖擊、放射性物質(zhì)的衰變生熱及原始地球的重力收縮使得地球的溫度升高，加上來自太陽的輻射能量，氣體分子的動力增大，地球的引力不足以吸引它們。因此，這些質(zhì)輕的氣體分子很快地逃離地球的引力場，散逸到宇宙空間去了。所以地球的幼年時代，它的表面是光禿禿的，沒有山脈也沒有海洋，這個時期持續(xù)了約十億年。地質(zhì)學(xué)

29、家把地球的這次脫氣稱為第一次脫氣。,5 地球的演化,由于地球溫度升高，致使物質(zhì)發(fā)生熔化，熔化后的物質(zhì)呈液態(tài)，易于對流。在地球重力的作用下，密度大的鐵鎳物質(zhì)下沉形成地核，密度小的硅酸鹽物質(zhì)上升成為地表。早期形成的放射性元素，使得地球內(nèi)部的溫度越來越高，靠近地核的固態(tài)物質(zhì)熔解為液體，這樣地球就有了一個液態(tài)核。,由于硅酸鹽的熔點(diǎn)高于鐵鎳的熔點(diǎn)，而硅酸鹽的密度又低于鐵鎳的密度，所以當(dāng)?shù)厍騼?nèi)部的溫度足以使鐵鎳熔化時，硅酸鹽仍為固體，它們浮到液態(tài)核的上面形成地幔。隨后，地幔和地殼分化，以鎂鐵為主的硅酸鹽構(gòu)成地幔，以鋁鐵為主的硅酸鹽構(gòu)成地殼。 當(dāng)?shù)蒯＋@得足夠的熱量后，開始發(fā)生對流。初始的海底擴(kuò)張使地內(nèi)的散熱

30、作用加速，地幔固結(jié)了，但外核仍為液態(tài)。外核的對流是產(chǎn)生現(xiàn)今地球磁場的原因。,地球內(nèi)部的氣體，在高溫高壓的作用下，被擠壓到上層有空隙或是密度小的地方，從地殼的裂隙處噴出，這就是地球的二次脫氣。在距今30億年前，地球上出現(xiàn)了大規(guī)模的火山噴發(fā)，使得大量氣體隨火山巖漿噴出地面，從而形成了大氣圈和水圈。,原始大氣圈的成分與現(xiàn)代大氣圈不同，其主要成分是水蒸汽與含有強(qiáng)還原的化合物如氫、甲烷和氨。在大氣圈的上部，太陽紫外線輻射使水分解成氧和氫，氫逸散到太空中，氧常用于氧化地面巖石或與其它氣體結(jié)合。氨分解成氮和氫，其中氫逸散；甲烷分解成碳和氫，碳與氧結(jié)合成二氧化碳，大多數(shù)二氧化碳溶于海水或結(jié)合到植物與動物的組織

31、中。,大氣圈上部水蒸汽的分解所產(chǎn)生的氧不足以形成今天的富氧大氣圈，現(xiàn)在的富氧大氣圈是植物的光合作用造成的。植物的光合作用發(fā)生在約20億年前，到前寒武紀(jì)末期(約6億年前)，氧的含量為今天的1100；到志留紀(jì)末期，氧的含量達(dá)到今天的110。 水圈也有它自己的形成和演化過程。早期的海水是大氣圈中水蒸汽的凝結(jié)物，因此，原始的水圈基本上是淡水。但是由于大氣圈中富含二氧化碳而使海水具有較大的酸性。從原始的淡海水變成今天的咸海水，有一個逐漸的咸化過程。,1.地震 地震學(xué)的研究范圍包括各種類型的大地運(yùn)動，從大的天然地震到微小的地震脈動。地震學(xué)是地球物理學(xué)中發(fā)展最快、研究程度最高的一個分支學(xué)科。 按照地震波源可

32、將地震學(xué)分為兩大類：天然地震學(xué)和爆炸地震學(xué)。前者是研究天然地震波，并利用它推斷地球內(nèi)部的物理性質(zhì)和結(jié)構(gòu)等。,第三節(jié) 地球的物理場,后者是研究人工激發(fā)的地震波，以獲取區(qū)域構(gòu)造和局部構(gòu)造的信息，達(dá)到勘探和找礦的目的。二十世紀(jì)20年代后，爆炸地震學(xué)作為石油勘探的手段取得了巨大的成功，觀測方法、儀器設(shè)備、處理及解釋技術(shù)均發(fā)生了徹底的變化。,按震源深度地震一般可分為三類, 即淺源地震, 中源地震和深源地震。破壞性巨大的淺源地震往往發(fā)生于板塊內(nèi)部, 特別是發(fā)生在陸殼板塊的內(nèi)部, 被認(rèn)為是各種斷層突發(fā)性活動的產(chǎn)物。 中國境內(nèi)發(fā)生的多數(shù)地震屬于前者。而后兩種多被認(rèn)為主要只與板塊作用過程有關(guān), 尤其是與板塊邊緣

33、的俯沖、碰撞過程密不可分。,巖石圈板塊的運(yùn)動有兩種類型，一種是陸-陸碰撞，即碰撞發(fā)生于兩個大陸板塊之間；另一種是洋-陸俯沖，即在大陸板塊和大洋板塊之間進(jìn)行。在陸-陸碰撞的情況下，地震主要沿著碰撞板塊的結(jié)合帶邊緣分布，發(fā)生于碰撞形成的斷層帶內(nèi)（圖2-8a）。由此引發(fā)的地震多數(shù)為淺源地震，也可有少量的中源地震發(fā)生。,圖2-8 巖石圈板塊運(yùn)動類型：a陸-陸碰撞，b洋-陸碰撞,圖2-9 有斷層閉鎖段的地震斷裂示意圖,地震的彈性回跳假說 (1) 地層受到剪切作用而開始剪切變形； (2)除閉鎖段（由虛線橢圓圍限部分）外，斷層其他部分均以發(fā)生顯著滑移； (3)斷層閉鎖段被徹底剪斷而發(fā)生瞬時滑移，地震因斷層閉

34、鎖段的彈性回跳而產(chǎn)生，閉鎖段也隨之消失 但要真正做到準(zhǔn)確地預(yù)報地震，在相當(dāng)長的時期內(nèi)仍將是一件任重而道遠(yuǎn)的事。,1.1 地震波 在地球內(nèi)部，由人工激發(fā)或天然原因產(chǎn)生的地震，其能量以波動形式向周圍傳播，這就是地震波。在討論地震波的傳播問題時，需要應(yīng)用彈性力學(xué)的原理。彈性力學(xué)中，通常將介質(zhì)視為均勻、各向同性及完全彈性的連續(xù)介質(zhì)。盡管這些假設(shè)具有很大的近似性，但使許多基本理論問題的討論簡單化了。 我們所討論的地震波，其波長一般大于數(shù)百米甚至數(shù)千米。因此，從宏觀上看，完全可以將地球視為均勻和連續(xù)的介質(zhì)。,地震波理論中，將地球介質(zhì)當(dāng)作均勻、各向同性和完全彈性介質(zhì)來處理，只是一種簡化的假定。實(shí)踐證明，這種

35、假定可以簡化分析過程，而且在多數(shù)情況下可以得到與觀測數(shù)據(jù)近似的結(jié)果。嚴(yán)格地說，實(shí)際地層并不是完全彈性體，而是粘彈體。但這并不影響我們引用彈性力學(xué)的基本理論。 地震波主要有兩種類型：一類是能在整個地球介質(zhì)內(nèi)傳播的體波；另一類是只能沿地球表面或分界面?zhèn)鞑サ拿娌ā?(1) 體波 彈性波的傳播，實(shí)際上是彈性介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)間應(yīng)變的傳遞。彈性介質(zhì)中只有兩種基本的應(yīng)變體應(yīng)變和切應(yīng)變。與體應(yīng)變相對應(yīng)的稱縱波(P波)，與切應(yīng)變 相對應(yīng)的稱橫波(S波)。 縱波是在脹縮力的作用下，周圍介質(zhì)只產(chǎn)生體積變化而無旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，質(zhì)點(diǎn)交替發(fā)生膨脹和壓縮，質(zhì)點(diǎn)的振動方向與波的傳播方向一致，見圖2-10a。,圖2-10 地震縱波和橫波引

36、起的質(zhì)點(diǎn)振動,橫波是在旋轉(zhuǎn)力的作用下，周圍介質(zhì)只產(chǎn)生轉(zhuǎn)動而體積不發(fā)生任何變化，質(zhì)點(diǎn)間依次發(fā)生橫向位移，質(zhì)點(diǎn)的振動方向與波的傳播方向垂直，見圖2-10b。只有在固體中才能傳播橫波。 在各向同性介質(zhì)中，地震波的傳播速度僅與本身的物性有關(guān),(2-6) (2-7) 式中vp、vs分別為縱、橫波的傳播速度，E為楊氏模量，為泊松比，為介質(zhì)密度。 由式(2-6)與(2-7)可求縱、橫波的速度比 (2-8) 對于大多數(shù)巖石來說，0.25，vp1.73vs，可見P波比S波的傳播速度要快得多。,(2) 面波 面波是體波在地球表面或界面因干涉而產(chǎn)生的，常見的面波有瑞利(Rayleigh)波和拉夫(Love)波兩種。

37、 瑞利波是一種沿空氣與介質(zhì)分界面(即地球表面或自由界面)傳播的波。見圖2-11，其質(zhì)點(diǎn)振動有水平和垂直兩個方向，運(yùn)動軌跡為一個逆進(jìn)橢圓，橢圓軌道的長軸垂直于地面，短軸與波的前進(jìn)方向一致，長軸大致為短軸的一倍半。瑞利波的能量主要集中地表，瑞利波的傳播速度vR較低，約為同一介質(zhì)中橫波速度vs的0.92倍。,圖2-11 瑞利波的傳播方向和質(zhì)點(diǎn)振動方向,它的傳播速度隨頻率升高而降低，即 vRvR (1+af) (2-9) 式中a為隨頻率而改變的常數(shù)，vR為頻率趨于無窮大時的速度。這種速度隨頻率而異的現(xiàn)象叫做頻散。,拉夫波是在低速層(橫波速度為vs1)覆蓋于波速較高的半無限空間(橫波速度為vs2)情況下

38、產(chǎn)生的。見圖2-12，拉夫波沿界面?zhèn)鞑r，其質(zhì)點(diǎn)的振動方向與波的傳播方向垂直；而振動平面與界面平行。所以，拉夫波本質(zhì)上是一種SH波。同瑞利波一樣，拉夫波也存在頻散現(xiàn)象，它的傳播速度vL介于vs1和vs2之間。,圖2-12 拉夫波的傳播方向和質(zhì)點(diǎn)振動方向,在爆炸地震學(xué)中(主要是進(jìn)行地質(zhì)普查和勘探)，P波是最重要的波，S波的作用也在提高。在天然地震學(xué)中，P波和S波對于研究地球的內(nèi)部都很重要。近來，面波波散的研究在了解地球表層及內(nèi)部的速度結(jié)構(gòu)方面，已成為一種有效的手段。,1.2 天然地震 地震是一種自然現(xiàn)象，就其成因可分為構(gòu)造地震、火山地震和崩塌地震三類。無論從規(guī)模還是數(shù)量上講，構(gòu)造地震都占了地震的

39、絕大多數(shù)。 地下發(fā)生地震的地點(diǎn)叫做震源，震源在地面上的投影叫做震中。震源其實(shí)不是一個點(diǎn)，而是一個區(qū)域，所以震中也不是一個點(diǎn)而是一個區(qū)域，叫做震中區(qū)。按照震源深度h的不同，地震可以分為淺震(h300km)。破壞性最大的一般是深震。,地震多的地區(qū)叫做地震區(qū)，地震區(qū)的震中常呈帶狀分布，所以也叫做地震帶。全球性的地震帶有三個：環(huán)太平洋地震帶、海嶺地震帶和歐亞地震帶。 環(huán)太平洋地震帶環(huán)繞太平洋周圍，是地球上地震活動最強(qiáng)烈的地帶。它集中了全球80以上的淺震和幾乎所有的深震，所釋放的地震能量約占全部能量的80，但其面積僅占世界地震區(qū)總面積的一半。,海嶺地震帶分布在環(huán)球海嶺的軸部和兩海嶺之間的破碎帶上，加利福

40、尼亞和東非地震帶可能是海嶺地震帶的延伸，海嶺地震帶的特點(diǎn)是寬度很小，一般只有數(shù)十公里。海嶺地震的強(qiáng)度不大，且皆為淺震。 歐亞地震帶包括地中海、土耳其、伊朗以及喜馬拉雅弧的地震帶，它與第三紀(jì)阿爾卑斯褶皺帶基本一致，所以也稱阿爾卑斯地震帶。歐亞地震帶的地震活動性僅次于環(huán)太平洋地震帶，常造成很大的災(zāi)害，釋放的地震能量約占全部能量的15。,我國也是地震多發(fā)區(qū)，破壞性地震大都聚集在一些狹窄地帶內(nèi)，而且地震發(fā)生的時間、強(qiáng)度和空間分布也都有一定的規(guī)律，并與地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)。按照地震活動性和地質(zhì)構(gòu)造特征，可把我國分成23個地震活動帶，見圖2-13。,圖2-13 我國的地震活動帶,返回,表示地震的強(qiáng)弱有兩種方法，一

41、種是表示地震本身的大小，它的量度叫做震級；另一種是表示地震影響或破壞的大小，它的量度叫做烈度。震級和烈度都是表示地震的強(qiáng)弱的。 震級是地震固有的屬性。它僅與地震釋放的能量有關(guān)，而與觀測點(diǎn)的遠(yuǎn)近或地面土質(zhì)情況無關(guān)，可利用地震波的最大振幅、平均周期和震中距來計算震級。震級即可以用體波也可以用面波來計算，但對同一地震，計算出的體波震級和面波震級是不同的。,不同震級的地震所釋放的能量見表2-7。,表2-7 地震釋放的能量,地震烈度是地面某點(diǎn)觀測的地震效應(yīng)的量度，它不但與地震的震級有關(guān)，而且與震中距離、震區(qū)地質(zhì)條件、建筑物的類型等都有關(guān)系。人們根據(jù)地震所產(chǎn)生的自然現(xiàn)象、對建筑物的破壞及人的感覺將地震烈度

42、分為十二個等級。烈度主要是反映地震所造成的破壞情況，對于采取抗震措施是很有用的。,1.3 震源機(jī)制 全世界90以上的地震屬于構(gòu)造地震，關(guān)于構(gòu)造地震的成因有各種學(xué)說，其中斷層學(xué)說已經(jīng)成為一種被普遍接受的學(xué)說，與斷層成因相應(yīng)的機(jī)制理論成為彈性回跳理論。其基本觀點(diǎn)是：當(dāng)?shù)貧ぷ冃螘r，能量以彈性應(yīng)變能的形式儲存在巖石中，直到某一點(diǎn)積累的形變超過了極限，巖石就發(fā)生破裂，或者說產(chǎn)生了斷層。,斷層兩盤回跳到平衡位置，儲存在巖石中的應(yīng)變能便釋放出來。一部分應(yīng)變能轉(zhuǎn)化為熱，一部分用于使巖石破碎，還有一部分轉(zhuǎn)化為使大地震動的彈性波能量。這個理論是雷德(Reid)在1906年舊金山地震后分析了震前和震后觀測到的中加利

43、福尼亞跨圣安德烈斯斷層兩側(cè)的三角測量網(wǎng)的變化后于1910年提出的。在斷裂前，斷層附近的剪切應(yīng)變?nèi)鐖D2-14a、b、c所示，經(jīng)歷了正常狀態(tài)、應(yīng)力集中、巖層破裂等階段，地震時巖層發(fā)生彈性回跳恢復(fù)正常，見圖2-14d。,圖2-14 彈性回跳理論示意圖,返回,2. 地磁場 2.1地球磁場的基本特征和地磁要素 固體地球是一個磁性球體，有自身的磁場。根據(jù)地磁力線的特征來看，地球外磁場類似于偶極子磁場,即無限小基本磁鐵的特征。但其磁軸與地球自轉(zhuǎn)軸并不重合，而是呈11.5的偏離。地磁極的位置也不是固定的，它逐年發(fā)生一定的變化。例如磁北極的位置，1961年在7454N，101W，位于北格陵蘭附近地區(qū)，1975年

44、已漂移到了76.06N，100W的位置。,地磁力線分布的空間稱作地磁場，由磁針指示的磁南、北極，為磁子午線方向，其與地理子午線之間的夾角稱磁偏角（D）。 磁針在地磁赤道上呈水平狀態(tài)，由此向南或向北移動時，磁針都會發(fā)生傾斜，其與水平面之間的夾角稱作磁傾角（I）。磁傾角的大小隨緯度增加，到磁南極和磁北極時，磁針都會豎立起來。 地磁場以代號F表示，它的強(qiáng)度單位為（A/m）。地磁場強(qiáng)度是一個矢量，可以分解為水平分量H和垂直分量Z。地磁場的狀態(tài)則可用磁場強(qiáng)度F，磁偏角D和磁傾角I這三個要素來確定。,圖2-16 地磁正異常對埋藏的礦床和深部地質(zhì)構(gòu)造的指示,圖2-17 地球的磁場,在世界范圍內(nèi)選擇若干個地磁

45、測站，測量該處的地磁要素數(shù)據(jù)，然后推算出世界各地的基本地磁場數(shù)據(jù)，并以此作為地磁場的正常理論值。在實(shí)際工作中，會發(fā)現(xiàn)某地區(qū)實(shí)測地磁場要素的數(shù)據(jù)與正常值有顯著的差別，這種現(xiàn)象稱作地磁異常。,和重力異常類似，如果差值為正，稱正異常；差值為負(fù)時稱負(fù)異常。一般情況下，正異常多是由于地下賦存著高磁場性的礦物或巖石，如磁鐵礦，鎳鐵礦和超基性巖類等。負(fù)異常則多由地下賦存的石油，鹽礦，銅礦和花崗巖等低磁性或反磁性礦物或巖石引起。根據(jù)這種認(rèn)識，利用地磁異常來尋找地下礦產(chǎn)和了解深部地質(zhì)構(gòu)造等情況的方法，稱為磁法勘探。這種方法不僅可以在地面上操作，還可以利用飛機(jī)和衛(wèi)星等各種不同的飛行器在高空進(jìn)行。,2.2地磁場起源

46、的成因假說 地球磁場的成因至今還沒有最終的定論。在地球科學(xué)上，產(chǎn)生過各種猜測和假說，其中較重要的有三種： 鐵磁體假說 熱電假說 雙圓盤發(fā)電機(jī)假說。,圖2-18 熱電假說模型,2.3地磁場反轉(zhuǎn)與大陸漂移 現(xiàn)在地球磁場的強(qiáng)度約為M=81025cgs電磁單位。 這一磁矩的大小每100年間約減少5%。按此趨勢，在2000年后，地球的磁矩應(yīng)變?yōu)榱?。在地球的磁場中，象這樣存在著以數(shù)千年時間為周期的變化稱為長期變化。磁場的存在會導(dǎo)致巖石發(fā)生磁化，而磁場的變化會在磁化的巖石中留下記錄。巖石磁化的方式則隨巖漿巖、變質(zhì)巖和沉積巖等巖石類型的不同而異。,比如，熔巖從地下噴出時的溫度是在磁性物質(zhì)的居里點(diǎn)以上，然后在熔

47、巖冷卻的過程中，磁性礦物沿著當(dāng)時當(dāng)?shù)氐拇艌龇较虮淮呕＿@種當(dāng)巖石冷卻時所獲得的磁性稱為熱剩磁。一般情況熱剩磁是穩(wěn)定的，在此后即使巖石所在地的外部磁場發(fā)生變化，也不會使熱剩磁發(fā)生變化。,由于具有不同的剩磁特征，巖石成為研究古磁場的特殊“化石”。從對巖石的磁性、特別是對它們剩磁方向的研究，可以弄清楚巖石磁化時在地球上的位置。所以將依據(jù)巖石磁性來研究地史時期地磁場的狀態(tài)、磁極變化和大陸漂移的學(xué)科稱為古地磁學(xué)。,圖2-19 巖石中保留了地球磁極記錄,古地磁研究在板塊構(gòu)造理論的興起了十分關(guān)鍵的佐證作用。在地磁極與地球自轉(zhuǎn)極性一致的前提下，某地的磁傾角I可以由該點(diǎn)的緯度角來確定。兩者之間的關(guān)系為 tgI=

48、2tg （2-16） 如果大陸是固定不動的，從各大陸的古地磁學(xué)資料中就可以確定地球自轉(zhuǎn)極隨著時間流逝而發(fā)生的移動。理論上自轉(zhuǎn)極移動曲線只可能有一條，因此無論在哪個大陸上所確定的地球自轉(zhuǎn)極移動的曲線都應(yīng)該一致。但實(shí)際上，不僅每個現(xiàn)代大陸計算的結(jié)果大不相同，同一大陸內(nèi)部的不同地區(qū)也有明顯的差異，這只能是因?yàn)楦鞔箨懺l(fā)生過不同程度、不同方向的聚散和漂移所致。,地磁極不僅曾發(fā)生過漂移，還出現(xiàn)過反轉(zhuǎn)即 南、北極互相顛倒的現(xiàn)象。對從距今8000萬年以來的古地磁學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，地磁場的反轉(zhuǎn)大約平均每40萬年就要發(fā)生一次，當(dāng)然并不存在嚴(yán)格的固定周期。,研究結(jié)果表明，在2000年前的古地磁場強(qiáng)度約為現(xiàn)代的1.5倍，

49、此后磁場強(qiáng)度以每100年5%的比率單調(diào)地減小，圖2-20距今700萬年以來的磁場變化并且還將在今后一段時間內(nèi)持續(xù)下去。,圖2-20 距今7000萬年以來的地磁年表,3.密度重力場 地球是一個橢球體。根據(jù)大地測量的結(jié)果，地球的赤道半徑為6378km，極向半徑為6357km，扁率為1298.3，平均半徑6371km，體積為1.0831021m3。 地球的質(zhì)量可以根據(jù)萬有引力定律及牛頓第二定律求得。牛頓第二定律指出，物體的重力加速度與作用于物體的力F成正比，與其質(zhì)量m成反比： aFm (2-17) 就自由落體來說，a是由于重力g而產(chǎn)生的重力加速度，從而 Fmg (2-18),與萬有引力定律合并，得出

50、 Fmg=G(mMR2) (2-19) 消項(xiàng)并改寫得出 MgR2G (2-20) 式中，M代表地球的質(zhì)量，g為重力加速度(9.8m/s2)，及為地球的平均半徑R，G6.6710-14m-3(kgs2)為引力常數(shù)。據(jù)上式得出地球的質(zhì)量為5.975l024kg，除以地球體積后，所獲得地球的平均密度為5.52103kgm3。 地球的平均密度遠(yuǎn)高于地殼的平均密度，因此地球內(nèi)部物質(zhì)的密度必定比地表物質(zhì)大得多。,圖2-21 地球密度分布圖,3.1地球上的重力 地球上某處的重力是該處所受到的地心引力與地球自轉(zhuǎn)離心力的合力。,圖2-22 兩物體間的引力公式,根據(jù)牛頓定律G=fM/r2，重力加速度與地球的質(zhì)量成

51、正比，而與半徑的平方成反比。因此地表的重力隨著緯度值的增大而增加。測量的結(jié)果也表明，在赤道海平面上的重力加速度為9.780318m/s2，在兩極地區(qū)的海平面上為9.832177m/s2。后者比前者確實(shí)增加了0.53%。同理，地表的重力加速度還隨著海拔高度的增大而減小，兩者之間呈反比關(guān)系。海拔高程每升高1km，重力加速度就減少0.31m/s2。而在地球內(nèi)部，由于要同時考慮質(zhì)量（密度）和半徑兩方面的變化，情況與地表相比不盡一致。,一方面，深度增加使半徑減小，使重力加速度增大；另一方面，隨著深度增加，地球內(nèi)的質(zhì)量也在減少（因?yàn)樯喜课镔|(zhì)產(chǎn)生的附加引力向上）,這導(dǎo)致重力加速度隨之變小。因此在地球內(nèi)部，重

52、力究竟是變大或變小，取決于誰的影響占主導(dǎo)地位。在地球的上部層位，由于地球物質(zhì)的密度較小，引起的質(zhì)量變化要小于半徑變化造成的影響，故重力隨著深度的增加而緩慢增大，到2891km即古登堡面附近達(dá)到極大值10.68m/s2；在越過2891km界面后，地球物質(zhì)的密度變化造成的影響開始大于半徑引起的變化，地球的重力也隨之急劇減?。?最后，根據(jù)球體公式V=4r3/3和密度公式=M/V，通過簡單的數(shù)學(xué)變換，可以將由牛頓定律所求出的地心處重力表示為 （2-21） 從式中可以看出：因?yàn)榈匦奶幍陌霃絩=0，所以盡管在地心處的物質(zhì)密度增加到最大值，地心處的重力仍遞變?yōu)榱恪?進(jìn)行重力研究時，將地球視作一個圓滑的均勻球

53、體，以其大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)，計算得出的重力值稱作理論重力值。,實(shí)際上，不僅地球的地面起伏甚大，內(nèi)部的物質(zhì)密度分布也極不均勻，在結(jié)構(gòu)上還存在著顯著差異。這些都使得實(shí)測的重力值與理論值之間有明顯的偏離，在地學(xué)上稱之為重力異常。對某地的實(shí)測重力值，通過高程及地形校正后，再減去理論重力值，差值稱作重力異常值。如為正值，稱正異常；如為負(fù)值，則稱為負(fù)異常。前者反映該區(qū)地下的物質(zhì)密度偏大，后者則說明該區(qū)地下物質(zhì)密度偏小。 地球物理勘探中的重力勘探方法，就是利用這一原理，通過發(fā)現(xiàn)各地的局部重力異常來進(jìn)行找礦和勘查地下地質(zhì)構(gòu)造的。,圖2-23 重力正異常,圖2-24 重力負(fù)異常,圖2-25 重力異常在找礦中的應(yīng)用

54、,3.2重力均衡 地殼均衡補(bǔ)償理論，按照重力均衡原理，在單位截面上，任一個垂直柱體中（無論其高低）的巖石總質(zhì)量應(yīng)該是一個常數(shù)。這個柱體以一個特殊的“補(bǔ)償”面為基底，補(bǔ)償面以下的物質(zhì)處于均質(zhì)狀態(tài)。這樣地殼的高度變化將以流體靜力平衡的方式支撐著。,普拉特認(rèn)為，地殼較高部分是由于它們具有較低的密度而受到抬升的結(jié)果。換言之，在補(bǔ)償面以上各地的巖石密度是不同的。這種補(bǔ)償方式為基礎(chǔ)的普拉特模型可以稱作密度補(bǔ)償模型。 艾利認(rèn)為地球表層各處的物質(zhì)組成是相同的，地殼和其下伏地幔的關(guān)系如同木塊浮在水面上的關(guān)系那樣：如果地表某處的高程比其它地區(qū)高出越多，它往下插的深度就會比其它地區(qū)大得越多；如果某個地區(qū)的巖石塊體顯

55、示出較高的地表高程，其地下的“根” 也會比其它塊體要向下扎得更深一些。這種補(bǔ)償模式因此被稱作深部補(bǔ)償模式。,深部補(bǔ)償模式預(yù)言的結(jié)果與許多地區(qū)的地震測深結(jié)果是一致的，即大陸地殼與大洋地殼的下插深度相比，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大陸與洋底之間的高程差。但現(xiàn)代研究表明，實(shí)際地殼均衡補(bǔ)償過程比這兩種理想模型都要復(fù)雜，應(yīng)該是這兩者按一定比例結(jié)合的結(jié)果。這意味著地殼確實(shí)存在著（如普拉特模型所指出的）橫向物質(zhì)分布的不均一性，但地表顯示的陸洋地形高差，則部分是由密度補(bǔ)償（約占37 %）、部分是由深部補(bǔ)償（約占63）的結(jié)果。,圖2-26 重力均衡的深部補(bǔ)償模式,3.3 地球的壓力 地球的壓力是一個與重力直接相關(guān)的地球物理性質(zhì)

56、。地球某處的壓力是由上覆地球物質(zhì)的重量產(chǎn)生的靜壓力。靜壓力的大小與所處的深度、上覆物質(zhì)的平均密度及重力加速度呈正相關(guān)關(guān)系。但由于物質(zhì)的密度隨深度的增加是一種非線性遞增的關(guān)系，壓力-深度圖也不是一條直線而是一條曲線，在地球表層、地殼和接近地心附近時壓力增長較平穩(wěn)，在下地幔和外核部分增長得較快。,利用密度分布的規(guī)律來估算地球內(nèi)部的壓力狀況，以截面為1cm2 的巖石柱作為壓力的計算表示法，可得到 P=h/100 （2-22） （p壓力；h深度；密度） 利用此式，可以算出從地表到地下24km內(nèi)，壓力從1105pa增加到0.6109pa；到670km處，壓力增大到24109pa；到2891km時，壓力增

57、大到約136109pa；最后在6371km即地心處，壓力會上升到最大值364109pa。,4.溫度場 4.1 地球內(nèi)部的溫度 火山噴發(fā)、溫泉以及礦井隨深度而增溫的現(xiàn)象表明地球內(nèi)部儲存有很大的熱能，可以說地球是一個巨大的熱庫。但從地面向地下深處，地?zé)嵩鰷氐默F(xiàn)象隨著深度的改變是不均勻的。地面以下按溫度變化的特征可以劃分為三層：,圖2-27 地球內(nèi)部的溫度，壓力分布,外熱層（變溫層） 該層地溫主要是受太陽光幅射熱的影響，其溫度隨季節(jié)、晝夜的變化而變化，故也稱作變溫層。日變化造成的影響深度較小，一般僅11.5m，年變化影響較大，其影響的范圍可達(dá)地下2030m。 常溫層 該層地溫與當(dāng)?shù)氐哪昶骄鶞囟却笾孪喈?dāng)，且常年基本保持不變，其深度大約為2040m。一般情況下在中緯度地區(qū)較深，在兩極和赤道地區(qū)