地球的物理性质和圈层结构.ppt

第三章,地球的物理性质与圈层结构,教学要求：1.本章介绍地球的几种重要物理性质，包括地球的密度和质量，弹性、塑性与粘性，重力场、压力、磁场、能量；地球的圈层划分、内部圈层结构及圈层耦合。2.学生应该理解地球的几种重要物理性质。掌握地球的内部圈层结构；理解圈层耦合。理解地球的物理性质和圈层结构之间互为因果的关系。,并且可以看到、听到，研究物理性质的历史中产生过许多优美的科学传奇，从中可以帮助领略地学家是如何巧妙地揭开地球内部奥秘的这一精神。,主要内容：1.地球的密度与弹性1.1 地球的密度和质量1.2 地球的弹性、塑性与粘性1.3地球的振荡与摆动 2.地球的重力场2.1 地球的重力2.2 重力均衡 2.3 地球的压力,3.地球的磁场3.1 地磁场的特征3.2 地磁场的起源3.3 大陆漂移和地磁场反转3.4 地磁场在地学中的应用4.地球内部的能量4.1 地球内部的能量4.2 地幔部分熔融,5.地球内部圈层的结构与圈层耦合5.1 地球的圈层结构5.2 内核差异旋转5.3 圈层耦合5.4 地球系统的自然驱动力,提示：,地球的物理性质和圈层结构是互为因果的；地球的物理性质和圈层结构对地球的运动和演化有决定性的制约作用；研究物理性质的历史中产生过许多优美的科学传奇，从中可以领略地学家是如何巧妙地揭开地球内部奥秘的。,1.地球的密度与弹性,1.1 地球的质量和密度,密度=质量体积,地球的质量 M=5.94721024t，若一头大象的质量以平均3t计,相当于1.98241024t 即约等于2万亿兆头大象的质量。,怎样判断地球是球体？,据遥感卫星影像观测：地球北极凸出10米，南极凹进约30米；北半球的中纬度区稍稍凹进，南半球稍稍凸出。地球非严格的旋转椭球体。,密度=质量体积 质量=体积密度 牛顿定律：F=mg,G=fm/r2 M=gr2/f 如何求得地球半径呢？几何学常识+天文学测量一段圆弧的长度与其对应的圆心角成比例 弧AB对应的圆心角正是AB两点对应的天顶角,地球的质量及其计算,求地球的引力常数,附加引力法,密度=质量体积，则计算出地球的平均密度为5.516g/cm3。,但实际测量却发现，地表常见沉积岩的平均密度只有 2.60g/cm3。地表的花岗岩的密度为 2.85g/cm3。,地震时，在地球内部出现的弹性波，称为地震波，主要包括纵波（P波）和横波（S波）。原理地震波通过不同密度介质时的波速不同，在越过两种不同介质时还会发生反射、折射现象。,地球内部密度的确定地震波,经验公式与结论：介质密度（）,=0.27Vp+1.07,地内密度测量有三处突变，反映了密度（和物质）的不连续:在上、下地幔分界（670km）处：3.994.39g/cm3。在地幔与地核分界处（2891km）:5.57 9.90g/cm3 在内核与外核分界处（5150km）:12.1712.75g/cm3,由地表到地心，密度依次递增；由横波不能通过外核，推断出外核是液态的。,结论：地球内部物质分布是不均匀的。,1.2 地球的弹性、塑性与粘性,弹性变形与受力成正比。海洋潮汐：日月引力作用引起的海面周期性升降现象。固体潮：日月引力作用引起地球的固体表层周期性升降现象。陆地表面的升降幅度可达7-15厘米。即是地球在日月引力作用下发生的弹性变形。说明固体地球有一定的弹性。,塑性外力消失后部分变形不能恢复。如岩石褶皱：地壳的塑性变形表现。地球的弹性、塑性及其转动趋势：月地靠拢。,地球的弹性、塑性都是相对的，在不同的受力、变形条件下，表现不同。例：P.63。,粘性外力消失后变形还可能继续。如：斯堪底纳维亚半岛冰后期（因冰盖消失）的地形回升。,1.3 地球的振荡与摆动1.3.1 地球的振荡涨缩振荡,扭转振荡,1.3.2 地球的摆动钱德勒摆动定义：地球围绕其自转轴的摆动，叫地球的自由章动（也叫钱德勒摆动，在1891年以它的发现者美国业余天文学家S.C.钱德勒命名）。摆动呈周期性变化，周期约430-435天。,激发机制：被认为是一种综合作用,部分是固体地球与大气相互作用的结果,部分则有可能与大地震引起的地幔物质重新分布相关。,2.地球的重力场地球重力作用的空间，称为重力场。,地球的重力构成,由于离心力（P）只有重力的约1/300，故在一般情况下，多以引力（F）近似代替重力（G）。,地表的重力分布:G地表=fm/r2 G地表：离地心越远越小。,故：在不同地区，不同深度部位的重力都不相同。,2.1 地球的重力分布,故：在地球内部，不同深度部位上的重力会受到不同因素的综合影响。,地下的重力分布：G地下=fm/r2 G地下：大小看m、r2 谁占主导。,地心的重力计算：故：在地心处，计算重力的公式与其它部位的计算有所不同。,G地心(因地心处的r=0),G=fm/r2,重力异常：将地球视作一个圆滑的均匀球体，计算得出的重力值称作理论重力值。地球的地面起伏甚大，内部的物质密度分布也极不均匀，在结构上还存在着显著差异（即往往与地质构造和矿体的存在相联系）。这些都使得实测的重力值与理论值之间有明显的偏离，在地学上称之为重力异常。利用这一原理，可以通过发现各地的局部重力异常来进行找矿和勘查地下地质构造。,重力勘探,地球上重力场分布与地球的构造特别是地壳及上地幔的构造有着密切的关系。地壳均衡补偿理论是从19世纪发展起来的关于地壳和上地幔结构学说。在高原或者在高山旁边的重力场是地球重力场与高原或高山的重力场之和，这就改变了重力场的大小和方向，变化的大小与高原或高山岩石的密度有关。,2.2 重力均衡,2.2.1 重力均衡模式1740年法国人布格（Bouguer）在南美的基多（Quito）高原上测量秒摆的长度时，发现高原岩石的密度仿佛特别小。以后他又在一座山旁测量垂线偏差，所得的结果也比预期的小得多，即山的密度只有地球的1/6或1/7。当时这种现象未引起人们的特别注意。,直到1854年印度人普拉特（F.Pratt）在整理喜马拉雅山附近的垂线偏差测量记录时，这种现象才开始受到重视。例如，在某一个观测点上，普拉特根据地形计算，预计应有28角秒的垂线偏差，但实际观测结果只有5角秒。这表明地下存在某种补偿作用，在一定程度上抵消了高山的影响。为了解释这种现象，普拉特在次年（1885年）提出一个假设普拉特均衡模式（密度补偿模式）。,普拉特认为山脉是由于地下物质从某个补偿深度起，向上膨胀而形成的。山愈高，密度愈小，但补偿深度以上的每一个截面积相等的岩石柱体的总质量都相等。同年（1855年），英国天文学家艾利（A.Airy）又提出另一个假设艾利均衡模式（深度补偿模式）：艾利认为山脉是较轻的岩石巨块浮在较重的介质上。山越高，它的下部伸入介质的深度也越深，即所谓山有“根”。,2.2.2 重力均衡原理 重力均衡原理：在单位截面上，任一垂直柱体中的岩石总质量为常数。且该柱体以一个特殊的补偿面为基底，补偿面以下的物质处于均质状态。,地球某处的压力是由上覆地球物质的重量产生的静压力。在地球表层、地壳和接近地心附近时压力增长较平稳，在下地幔和外核部分增长得较快。,2.3 地球的压力,利用密度分布的规律来估算地球内部的压力状况，以截面为1cm2的岩石柱作为压力的计算表示法，可得到经验公式：,3.地球的磁场,3.1 地磁场的基本特征和地磁要素 3.2 地磁场的成因3.3 地磁场反转与大陆漂移,3.1.1 地磁场的基本特征（1）磁轴与地球自转轴不重合：偏离11.5（2）地磁极的位置不固定，逐年发生一定变化。（3）地磁极为偶极（地磁南极、地磁北极）。（4）磁力线是闭合的。,3.1 地磁场的基本特征和地磁要素,3.2.2 地磁要素（P.75 图3-14b）（1）磁场强度（F）：是一个总强度矢量，可分为水平分量为H、垂直分量为Z。（2）磁偏角（D）：水平强度矢量H 偏离地理北极方向的角度称为磁偏角。（3）磁倾角（I）：总强度矢量F 偏离水平面的角度称为磁倾角。应用：地磁异常与磁法勘探,3.2 地磁场的成因大约在40-50年代，人们开始抛弃基于旋转理论的各种地磁场成因的假说。各种旋转理论通常包括实验室里观测到的旋转物质的磁极化（即磁极效应），或包括地球内部孤立电荷的旋转效应。前者因比实际值小几个量级而归于失败，后者也因没有观测到所需的电场而不成立。,因为人们对地球内部结构和物质成分的认识日愈深入，尤其是认识到地球液体外核的铁镍成分具有的高导性能，为运动与磁场的相互作用创造条件，即是承认地球内部存在电流，而电流产生感应磁场，形成地球磁场。这就是发电机学说。,磁场反向的事实，又丰富了发电机学说的内容，由稳态液核发电机模式发展成非稳态液核发电机模式。地核内流体运动起圆盘发电机转盘的作用。,较重要的三种假说：（1）铁磁体假说（2）热电假说（3）双圆盘发电机假说,目前，地磁场的成因 至今尚无定论。,当两个圆盘在弱的外部磁场中旋转时，与轴和外缘相交的两根导线的回路中产生方向相反的两种电流。这两种电流形成磁场而极性相反。圆盘旋转频率的差异造成具有一种极性的场占优势；当频率比值改变时，便出现磁场反转。,双圆盘发电机模型,3.3 地磁场反转与大陆漂移 3.3.1古地磁与大陆漂移磁场的存在会导致岩石发生磁化，而磁场的变化会在磁化的岩石中留下记录。由于具有不同的剩磁特征，岩石成为研究古磁场的特殊“化石”。从对岩石的磁性、特别是对它们剩磁方向的研究，可以弄清楚岩石磁化时在地球上的位置。,古地磁研究在板块构造理论的兴起和确定过程中起了十分关键的佐证作用。在地磁极与地球自转极性一致的前提下，某地的磁倾角I可以由该点的纬度角来确定。两者之间的关系为,如果大陆是固定不动的，从各大陆的古地磁学资料中就可以确定地球自转极随着时间流逝而发生的移动。理论上自转极移动曲线只可能有一条，因此无论在哪个大陆上所确定的地球自转极移动的曲线都应该一致。但实际上，不仅每个现代大陆计算的结果大不相同，同一大陆内部的不同地区也有明显的差异，这只能是因为各大陆曾发生过不同程度、不同方向的聚散和漂移（第五章学习）所致。,磁偏角在几十到几百年的时间内，大致沿着纬线方向平稳地向西移动，这一性质被称作地磁场的向西漂移。漂移速率约每年为0.18.此外，地磁场还有时间尺度更短的昼夜变化。一天磁极所发生的位移平均100km。,3.3.2 磁极漂移与磁性倒转事件,地磁极还出现过“反转”，即南、北极互相颠倒的现象。在距今大约100万年前，地磁场的方向和现在完全相同。这一时期称作地磁场的正向期。但在更早的时代，通过对岩石磁法研究的结果，其磁化方向多数与现代地磁场的方向相反，称其为反向期。,四百万年来的磁性倒转事件,地球从太阳吸收的能量每年大约为4.21024 焦耳，超过地球上全部煤炭储量完全燃烧后所能够获得的热能的300倍。其中1/3左右的能量被大气圈和地球表面反射掉，并直接分散到宇宙空间中去。剩下的2/3被地球表层系统吸收，再以各种方式转化为地球演化所需的能源。,地球能量有外部和内部两个来源,4.地球内部的能量,4.1 地球内部的能量 地球内部热能的来源问题尚无定论。一般认为，由岩石中放射性元素衰变释放的热是地热的主要来源。这种热能据估算可以达到每年2.141021焦耳。其次，因地球本身的重力作用过程也可以转化出大量热能，其总热量可能十分接近于放射性热能。此外，地球自转的动能和地球物质不断进行的化学作用等都可以产生大量热能。,4.2 地幔部分熔融,地幔部分熔融指地幔上部的部分岩石因受到复杂的地质作用而发生部分熔解，显示为高度可塑甚至液态的现象。动态模拟发现岩石流动应力为20-10MPa这大大降低了对地幔物质的运动限制,为地壳运动的动力学提供了实验证据。,小结：地球的物理性质,地球的质量与密度 半径测量与引力常数计算 地球的弹塑性与振动 固体潮.椭球体与塑性变形地球的重力场 重力均衡 地表 深部 地心 地球的磁场 古地磁学 特征 起源 演化 地球的能量 物理性质的应用重力勘探、磁法勘探,5.地球内部圈层的 结构与圈层耦合,5.1 地球内部的圈层结构5.1.1 地球内部的圈层划分,划分依据：地球物质学家根据地震波在地球内部不同深度传播特征的变化情况（P.68图3-9a），结合岩石学的测试资料，发现了不同的波速与密度界面。以此为基础推断地球,内部的密度分布状况（P.61图3-2，P.68图3-9b）：在上、下地幔分界处（670km）：3.994.39g/cm3。在地幔与地核分界处（2891km）:5.57 9.90g/cm3 在内核与外核分界处（5150km）:12.1712.75g/cm3,进而分析地球内部的物理结构和物质分布的基本特征。划分方案：20世纪70年代后期，国际地球物理联合会提出了一个初步地球参考模型，具体划分了地球内部三种级别的圈层：P.68.表3-1。,地壳 莫霍面 软流圈地幔古登堡面,地核,地球内部波速圈层厚度，可见一低速区,根据地震波可以将其划分为：地壳，地幔和地核,5.1.2 地球内部圈层的形成 最初的时候，原始地球因重力分异和放射性元素蜕变而增加温度，地球内部的原始物质达到熔融状态，熔离出重金属铁和镍，镍下沉形成地核。铁镍熔离出去后，以橄榄石、辉石为主残留的物质形成地幔岩，组成现代的地幔（是地球体积和质量最大的一个圈层，具有相当复杂的成分：下章再学习）。,地幔上部有一层软流圈是熔融态（或液态，流态），其余部分主要是固态。地幔物质的分异作用仍然在进行：地质学家对地幔的压力和温度变化的分析结果表明，地幔上部层内还在发生玄武岩（硅镁）的熔离作用，这个熔离带成为软流圈的主要组成部分。,玄武岩是由软流圈中的地幔岩分熔出来的。巨大的熔融状岩流上升到地壳中并溢出地表，成为地壳的重要组成部分。,故：地球内部加热、原始物质分异与分层是圈层形成的原因。,非梨亦非球“鸡蛋”？,地壳,地幔,地核,蛋壳,蛋白,蛋黄,地球就是地球，是独一无二，具有圈层结构的地球。,鸡蛋（cm）长轴/短轴=5.5/4=1.375 扁平率=(长-短)/长轴=0.273 蛋壳：0.051/100 蛋清：21/2.5 蛋黄：2.71/1.7,地球(km)长轴/短轴=6378/6356=1.003 扁平率=(长-短)/长轴=0.003 地壳：331/200 地幔：30001/2弱 地核：33001/2强,地球与鸡蛋的比较,内核中地震波传播在沿自转轴方向的波速要大于其它方向。内核中地震波速的传播是 轴（叫内核快轴）对称各向异性的；内核快轴与地球自转轴不重合，且两者夹角在不断变化。内核快轴对于内核自身，在短期内不应有明显的变化，故应该是地核与整体地球之间存在着旋转速度的差异。苏维加等(1996)和宋晓东等(1996)分别估算出内核差异旋转速率约在1.1-3.2/年之间。,5.2内核差异旋转,大陆边缘的地理轮廓可以拼合大陆漂移 洋脊两侧的地磁条带基本对称海底扩张 地幔对流：传送带模式,岩石圈板块运动两个证据引出了一个模型 P.81图3-17b,圈层耦合：是地球圈层在物质和运动的耦合过程。它是当今地球科学中一个热点话题。圈层耦合的方式有多种不同的观点。,5.3 圈层耦合,板 物理气候系统 太 块 阳 驱 驱 动 动 过 生命系统 过程 程,地球化学循环系统,5.4 地球系统的自然驱动力生命系统的概念模型,思考题名词解释：重力异常；地磁异常；地磁场反转地球有哪些物理性质？地球内部重力分布有什么特征？地球内部的圈层如何划分？其划分依据是什么？,举例说明地球的圈层耦合？地球磁场的基本要素有哪些？地球内部的温度是怎样分布的？地球是怎样获得能量的？,进一步阅读书目史诃编著.地球物理学基础，2002，4.恽玲玲等编.地球物理学原理及应用，1987.张少泉编著.地球物理学概论，1986.,观看VCD：壮志骄洋生命的海洋（40分钟）了解潮汐、海浪、海洋生物演化、只有一个大海等，增强保护海洋的意识。,思考题,1.地球有哪些基本的物理性质?2.怎么确定地球的密度?3.哪些证据可以说明地球具有弹性塑性和粘性?4.地球的振荡和地球的摆动有何异同?5.简述地球内部重力的分布特征.6.何谓重力均衡?地学家是如何解释重力均衡现象的?,7.试简述地球内部圈层的划分依据和划分方案.8.举例说明圈层耦合.9.地磁场有哪些基本特征和起源假说.10.地球内部的温度是怎样分布的?11.地球是怎样获得能量的?12.断层弹性回跳模型是怎样解释地震发生过程的?,4 思考题,1.人们只能直接观测地球表层岩石圈的物质组成,而地下深部的样品目前还没有能力取得,我们怎样推测地球深部的物质组成呢?2.组成地壳的主量元素有哪些?它与矿物岩石组成有什么关系?3.什么是矿物?可以分为哪些大类?4.组成岩石圈的岩石有哪几大类?5.什么是岩浆岩?主要有哪几类?它们和化学成分及矿物成分有什么关系?,6.请列出相同岩浆形成的侵入岩和火山岩的对应关系.7.什么是沉积岩?它是怎样形成的?沉积岩有哪些类别?8.变质岩与岩浆岩在形成机制上有哪些异同?9.主要是哪些元素构成可供人类利用的矿质资源?这些资源是不是取之不尽的?10.在岩石圈内部元素的活化迁移和沉淀受哪些因素制约?,