地球的物理性質(zhì)

1、第二章 地球的物理性質(zhì)第一節(jié) 地球的重力一、 地球重力場(chǎng)的一般特征地球的重力主要指地球?qū)Φ乇砀浇偷貎?nèi)物質(zhì)的吸引力。重力。1F GP由于地球不是正球體，并有自轉(zhuǎn)，所以地表的的重力除主要受地球質(zhì)量的影響外，還受自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力和各點(diǎn)與地心距離的影響，因此，實(shí)測(cè)的重力實(shí)際是地心吸引力與離心力的合力。赤道的重力為978.0318伽(厘米/秒2）重力（g）標(biāo)準(zhǔn)值隨緯度（）的變化規(guī)律為：g=978.0318( l十0.0053024 sin2-0.0000059 sin22)2二、重力異常重力理論值-按公式g =978.0318( l十0.0053024 sin2-0.0000059 sin22) 求得

2、的重力值，實(shí)際是在海平面（海拔為0米）高度的，即相當(dāng)于地球?yàn)槔硐氲男D(zhuǎn)橢球體，并且內(nèi)部密度無(wú)橫向變化時(shí)的理論重力值，也叫重力標(biāo)準(zhǔn)值。3 重力異常-在具體地區(qū)實(shí)際測(cè)量時(shí)，由于地形高度、周圍地形以及地下局部巖石密度差異，都使實(shí)測(cè)重力值偏離正常理論值(標(biāo)準(zhǔn)值)，形成區(qū)域或局部的重力異常。為了比較各測(cè)站的的重力，必須進(jìn)行一些校正，計(jì)算出各測(cè)站在海平面上的校正值，這種校正后的實(shí)測(cè)值與該測(cè)站的標(biāo)準(zhǔn)值往往也有差值，這種現(xiàn)象稱之為重力異常（gravity anomaly）。正異常-實(shí)測(cè)值大于標(biāo)準(zhǔn)值為正異常（positive anomaly）負(fù)異常-實(shí)測(cè)值小于標(biāo)準(zhǔn)值為負(fù)異常（negative anomaly）。

3、4根據(jù)重力異常的范圍大小又可分為：區(qū)域重力異常（regional gravity anomaly）（范圍大于等于幾千平方公里）局部重力異常（local gravity anomaly）（范圍小于等于幾百平方公里）。5 地表地形對(duì)實(shí)測(cè)重力值的影響包括兩方面： 第一、測(cè)點(diǎn)高度 因其直接影響測(cè)點(diǎn)與地心距離，高差每增減 l米，重力差為0.3083 毫枷。可根據(jù)測(cè)點(diǎn)海拔計(jì)算予以消除，一律校正至海平面高度，經(jīng)這樣校正后的重力值與理論重力值之差，稱為自由空氣異常。 第二，測(cè)點(diǎn)周圍地形的側(cè)向影響 測(cè)點(diǎn)周圍高于海平面的山體的質(zhì)量對(duì)測(cè)點(diǎn)有引力，其垂直分量影響重力值；低于海平面則產(chǎn)生引力虧損。必須根據(jù)實(shí)際周圍地形及

4、巖石密度 (一般地表附近取平均植2.67克厘米3)計(jì)算扣除。自由空氣異常經(jīng)這樣校正后得出的異常稱為布格重力異常。6第二節(jié) 地球的磁性一、地磁場(chǎng)和地磁要素地球是一個(gè)均勻磁化球體，分布特征和棒形磁鐵的磁場(chǎng)相似，形成一個(gè)偶極子磁場(chǎng)。偶極子磁軸與地面的交點(diǎn)稱為地磁極(geomagnetic pole)。地磁場(chǎng)的南北兩極和地理南北兩極并不在一處，而且相距頗遠(yuǎn)，而且磁軸也不通過(guò)地心。地磁軸和地球自轉(zhuǎn)軸不相重合，交角約 11。地磁極與地理極之間的相對(duì)位置也在不斷改變；地磁極的遷移可能是地內(nèi)深部物質(zhì)運(yùn)動(dòng)引起的。7地磁子午線-地磁場(chǎng)也有無(wú)數(shù)磁力線在地球表面上通過(guò)兩地磁極，每一條這樣的磁力線叫地磁子午線( geo

5、magnetic meridian)。磁偏角-由于地磁極和地理極不相吻合，因此，在大多數(shù)地方，地磁子午線與地理子午線之間也就有交角，這個(gè)交角叫磁偏角(magnetic declination)。我們用羅盤(Com pass)測(cè)方位時(shí)應(yīng)加以校正才能得到地理方位。磁傾角-磁針與水平面之間的夾角叫磁傾角8磁場(chǎng)-磁力線分布的空間叫磁場(chǎng)(magnetic field)磁場(chǎng)強(qiáng)度-磁場(chǎng)內(nèi)有磁力作用存在，磁力的大小叫磁場(chǎng)強(qiáng)度(magnetic intensity)。地磁要素( magnetic elements)-總磁場(chǎng)強(qiáng)度 F、水平分量 H、豎向分量Z、北向分量X、東向分量Y、磁偏角 D和磁傾角 I，共七個(gè)

6、量。無(wú)論根據(jù)哪三個(gè)分量都可確定該點(diǎn)地磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小和方向9二、地磁場(chǎng)的變化和地磁異常 地磁場(chǎng)的變化具體表現(xiàn)為地磁要素的變化，有短期變化和長(zhǎng)期變化兩種。短期變化 由地球外部原因引起。 例如每天都有輕微而有規(guī)則的日變化，每年也有同樣輕微的年變化。日-地相對(duì)位置和地軸傾斜所引起的。 還有一種突然性的比較劇烈的變化叫磁暴(magnetic storm)，平均每年發(fā)生10次左右，每次時(shí)間幾小時(shí)到幾天。與太陽(yáng)活動(dòng)時(shí)放出大量電磁輻射使地球大氣強(qiáng)烈電離有關(guān)。10長(zhǎng)期變化 起因于地球內(nèi)部。 把地磁要素的短期變化消去，就得到基本地磁場(chǎng)(main magnetic field)的本來(lái)面目。人們發(fā)現(xiàn)，基本地磁場(chǎng)也有長(zhǎng)

7、期的緩慢變化。自16世紀(jì)以來(lái)人們不斷觀察，發(fā)現(xiàn)磁偏角、磁傾角和磁場(chǎng)強(qiáng)度都在非常緩慢地全球性地變化。這種現(xiàn)象叫長(zhǎng)期變化。 最重要的長(zhǎng)期變化是地磁場(chǎng)有“向西遷移”(westward drift)現(xiàn)象。11地磁異常(magnetic anomaly) 利用多個(gè)磁測(cè)站、航空磁測(cè)和衛(wèi)星磁測(cè)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行地面磁測(cè)校訂和計(jì)算獲得的全球基本地磁場(chǎng)的數(shù)值，叫正常值。 在實(shí)際工作中如果發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)地磁要素?cái)?shù)值與正常值不一致，便說(shuō)明在正常磁場(chǎng)里有一個(gè)局部異常磁場(chǎng)存在，使地磁要素產(chǎn)生偏差，這個(gè)現(xiàn)象叫地磁異常(magnetic anomaly)正異常-異常值大于正常值；負(fù)異常-異常值小于正常值。磁法勘探-利用地磁異?？碧接?/p>

8、用礦物的方法12三、古地磁剩磁和古地磁的概念 地殼的巖石是在地磁場(chǎng)中形成的，所以一開(kāi)始都具有磁性，但其受到高溫會(huì)消磁，在冷卻過(guò)程中受到地磁場(chǎng)影響又具磁性，完全冷卻后這種磁性就保留下來(lái)，以后地磁場(chǎng)變化了，這個(gè)磁性仍然保留，叫剩磁(remanent magnetization)。包括熱剩磁和沉積剩磁。 剩磁可以指示當(dāng)時(shí)的地磁場(chǎng)方向，所以叫古地磁( paleomagnetism)。13熱剩磁 火山巖或熔巖常保留有剩磁，稱為熱剩磁(thermoremanent magnetization)。14沉積剩磁 含有多量磁性礦物的沉積巖也常有剩磁，已磁化的顆粒(例如含剩磁的熔巖碎屑)，下沉到海底時(shí)，便順著地磁

9、場(chǎng)方向停積下來(lái)，以后變?yōu)槌练e巖也就保留有古地磁。這種剩磁叫沉積剩磁15第三節(jié) 地 熱一、地球內(nèi)部溫度及其變化根據(jù)地內(nèi)溫度分布狀況可以分三個(gè)層：外熱層、常溫層、內(nèi)熱層。 1外熱層(solar warming layer) 是地球表層，吸收太陽(yáng)輻射熱，其中絕大部分又輻射回空中，只有極少一部分透入地下以增高巖石溫度。外熱層的溫度是向下減低的。2常溫層(homothermal layer)是外熱層最下界，溫度常年保持不變，等于當(dāng)?shù)啬昶骄鶞囟取?63內(nèi)熱層(interior warming layer) 在常溫層下，溫度隨深度而逐漸增加。 計(jì)量這種增溫的大小通常有兩種表示方法：(1) 地溫梯度(geot

10、hermal gradient，或地?zé)嵩鰷芈?，即深度每增加100米時(shí)所升高的溫度。(2)地溫深度(geothermal depth，或地?zé)嵩鰷丶?jí))，即溫度每升高1C所增加的深度。 地球上不同地區(qū)的地溫梯度并不相同，與熱源和巖石的熱導(dǎo)率有關(guān)，在同一熱源的情況下，熱導(dǎo)率小的地區(qū)地溫梯度較高。17二、地表熱流和地?zé)岙惓５責(zé)崃?地球內(nèi)部的熱總是不斷地傳出地面，傳播方式可以是傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射，其中以熱傳導(dǎo)方式由地球內(nèi)部傳到地表的熱稱為地?zé)崃?heat flow) 。地?zé)崃髦饕幸韵聝牲c(diǎn)規(guī)律： 1、地球表層活動(dòng)帶（括年青的山脈、大陸裂谷、洋脊、海溝陸側(cè)的島弧或海岸山脈以及某些深大斷裂）一般地?zé)彷^高。 2

11、、大陸與海底的地?zé)崃髌骄祷鞠嗟取?8地?zé)岙惓^(qū)和地?zé)峥碧?熱流值較大的地區(qū)(如熱泉，火山等地區(qū))叫地?zé)岙惓^(qū)(thermal anomaly area)這些地區(qū)經(jīng)過(guò)地?zé)峥碧?geothermal prospecting)，用鉆孔把地下熱水開(kāi)發(fā)出來(lái)，用于發(fā)電(地?zé)犭娬?、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、生活飲用和提取稀有元素等。地?zé)崾侵饕烊粍?dòng)力資源之一。19三、地?zé)岬某梢蚍派湫栽氐耐懽儫?一般巖石多少都含有一定數(shù)量的放射性元素。主要是U、Th、K40基本上可以補(bǔ)償?shù)厍蛳蛲獍l(fā)散的熱量。地球本身的重力能 重力能對(duì)地球早期或起始溫度具有重要意義。重力分異使重物質(zhì)下沉，輕物質(zhì)上浮，結(jié)果使地球核部具有更大的

12、質(zhì)量，同時(shí)放出位能。釋放的位能主要將轉(zhuǎn)為熱能。還有潮汐磨擦，地球自轉(zhuǎn)變慢等都可使部分能量轉(zhuǎn)為熱能。20第四節(jié) 地球的彈性和塑性一、固體地球的彈性和塑性地球具有彈性 表現(xiàn)在能傳播地震波，因?yàn)榈卣鸩ㄊ菑椥圆āＳ镁軆x器可觀測(cè)到地球固體表層在日月引力下有潮汐現(xiàn)象，可以引起地殼升降7.15厘米，叫固體潮(Earth tide)，說(shuō)明固體地球具有彈性。固體地球在一定條件下還表現(xiàn)為塑性體 很多巖體發(fā)生劇烈而復(fù)雜的彎曲卻沒(méi)有斷裂開(kāi)，是巖體的塑性表現(xiàn)。21地球彈性和塑性，在不同條件下可以轉(zhuǎn)化 在作用速度快、持續(xù)時(shí)間短的力(如地震波、潮汐力)的作用下，地球表現(xiàn)為彈性體； 在作用緩慢、持續(xù)時(shí)向長(zhǎng)的力(如地球旋轉(zhuǎn)力

13、、重力)的條件下則表現(xiàn)為塑性體。 這種條件是相對(duì)的，與地球物質(zhì)的松弛時(shí)間有關(guān)。22二、地震波的性質(zhì)地球內(nèi)部的彈性狀況是通過(guò)地震波在地球內(nèi)部傳播速度來(lái)確定的。地震波有體波、面波和自由振蕩三種，都是彈性波。體波(body wave)又分為縱波和橫波兩種。它們的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)都是直線運(yùn)動(dòng)。都在介質(zhì)體中傳播，所以叫體波?？v波-質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與地震波傳播方向平行的叫縱波(P wave)，橫波-質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與地震波傳播方向垂直的叫橫波(S wave)。23面波(surface wive)-當(dāng)體波傳播到介質(zhì)表面或兩介質(zhì)間的界面時(shí)就會(huì)反射或折射，同時(shí)有一部分轉(zhuǎn)化為沿界面或表面?zhèn)鞑?，便是面波，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)比較復(fù)雜，傳播速度

14、慢，只有橫波速度的34。自由振蕩(free oscillation)-是由極大地震所激發(fā)的整個(gè)地球的彈性振動(dòng)。24物體彈性特征通常用兩種基本彈性系數(shù)來(lái)表示：體積彈性模量或叫體變模量 體變摸量是物體在圍壓下體積能縮小的程度，體變模量值愈大的物體其體積愈難縮小。剛性模量或叫切變模量 切變模量是物體在定向壓力下形狀能改變的程度，液體沒(méi)有反抗變形的能力，所以切變模量為零。25地震波速的快慢與物體的密度和彈性有關(guān)， 它們的關(guān)系是： Vp2 = (K+4/3)/ Vs2 =/ 公式中 Vp 為縱波速度， Vs 為橫波速度，為物體密度，K為物體體變摸量， 為切變模量。 P波速度較S波快 波速與密度成反比，與

15、彈性模量成正比 在固體中縱波和橫波都可傳播，而在液體中，因切變模量等于零，故橫波不能通過(guò)液體。26第五節(jié) 地球的其它物理性質(zhì)一、地球的放射性1、放射性物質(zhì)在地球內(nèi)部的分布 地表巖石、水、大氣、生物中都有放射性元素存在，地球內(nèi)部深處也有，它們存在于各種巖石中，但主要集中在地殼，特別集中在酸性巖漿巖中。 最具有地質(zhì)意義的是壽命長(zhǎng)的放射性元素鈾、釷、鉀，它們的半衰期長(zhǎng)，可與地球年齡相比，能夠用它們來(lái)測(cè)定地質(zhì)年齡，也在蛻變過(guò)程中釋放熱量，是地球內(nèi)部主要熱源之一。272、放射性的表現(xiàn)和放射性異常 放射性異常區(qū)-放射性強(qiáng)度局部增高的地段，叫做放射性異常區(qū)( anomaly area of radioactivity)。 放射性勘探-使用一些專門儀器來(lái)探測(cè)和進(jìn)一步研究、查明放射性礦床，叫放射性勘探(radioactivity pros pecting)。28二、地球的電性1、地電的來(lái)源和在地內(nèi)的分布 地球內(nèi)部的電性主要視地內(nèi)物質(zhì)的電導(dǎo)率而定。電導(dǎo)率則變化大，地殼的電導(dǎo)率與溫度、巖石成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、物態(tài)、空隙度，空隙水的礦化度等有關(guān)。2、地電場(chǎng)的變化和地電異常 大地電流的強(qiáng)度和方向均有變化，這是因?yàn)榇蟮仉?/p>