固体地球物理学概论ppt课件.ppt

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1、地球物理与空间信息学院2015.0306,固体地球物理学概论,成绩评定办法及考试方式,按时来课堂上课，无故不得缺席课后认真复习，按时完成作业课后作业：读书报告和随堂作业考核方式：平时作业20，期末考试70，课堂表现10闭卷笔试,参考教材：固体地球物理学概论 滕吉文 地震出版社地球物理学 王家映 中国地质大学出版社固体地球物理学导论 曾融生 北京科学出版社地球物理学基础 傅承义 北京科学出版社地球物理引论 刘光鼎 上海科学技术出版社,课程主要内容,第一章 序言 第二章 地球的起源、运动与结构第三章 地球形状、密度及重力场第四章 地球磁场与地磁学 第五章 地球的电磁感应和电性结构第六章 地球内部的

2、热状态与地热场特征 第七章 地球内部的地震波场第八章 实验与计算地球物理第九章 若干热点问题,课程主要内容,第一章 序言 第二章 地球的起源、运动与结构第三章 地球形状、密度及重力场第四章 地球磁场与地磁学 第五章 地球的电磁感应和电性结构第六章 地球内部的热状态与地热场特征 第七章 地球内部的地震波场第八章 实验与计算地球物理第九章 若干热点问题,第一章,什么是地球物理?地球物理学研究哪些内容?地球物理与其他学科的关系地球物理的发展地球物理对社会发展的贡献,第一章 序言,第一章,地球物理学的定义,地球物理学是以地球为研究对象,研究地球的各种物理现象，以及这些现象与地球运动、地球各层圈结构构造

3、、地球物质的分布及迁移的关系的学科。(Geophysics) 地球物理学最早是物理学的一个分支。广义上说，地球物理学研究的领域涉及天体物理学、地质构造物理学、大地测量学、海洋物理学、大气物理学、空间物理学等。狭义上说，地球物理学指的是固体地球物理学，即以研究固体地球的各种物理特征与地球运动、地球内部结构构造、地球内部物质成分及其分布等关系的学科。 地球物理学是地球科学的重要组成部分，地球物理学、地质学和地球化学被称为地球科学的三大支柱。,第一章,第一章,固体地球物理学的学科分支,重力学 地球的形状、引力场的变化、物质密度的变化与分布，等等地磁学 地磁场的分布和变化、地磁场的起源、地磁场的演变，

4、等等地震学 地震发生机制与震源分布、地震波类型与传播、地震预报，等等地热学 地温场的分布和变化、地热源及其分布，地热的传播，等等地电学 地球电磁感应特征和变化、地电结构，等等,第一章,地球物理学与其它学科,地球物理学是天文学、物理、化学、地质学之间的边缘学科，是一个涉及多学科的、与其它学科相互交叉、相互渗透的学科。 数学、物理学、地质学是研究地球物理学三大基础。 现代仪器技术、电子技术、信息科学、运载工具技术的发展，是推动其发展的关键技术。 地球物理学已经成为人类社会发展的不可缺少的科学。 应用地球物理资源勘察、灾害调查、环境监测、工程检测、军事战略,第一章,地球物理学的发展,地球物理学从19

5、世纪末到20世纪初已形成体系，但对地球物理现象的观察和探讨，从远古就开始了。 公元前六世纪，希腊人从亚那萨哥拉时代已把大地看成球体；公元前三世纪，古希腊的学者亚里士多德曾提出：运动物体的下落时间与其重量成比例；战国时期，我国发明了指南针，并开始应用于指引方向；公元三世纪我国东汉的地震学家张衡成功地进行了地震观测；公元八世纪，我国唐代的天文学家张遂(僧一行)独立得出地球圆周长，其误差约小于20； 公元16世纪以来，作为物理学中热门，地球物理学得到较快的发展。伽利略从大量的实验中总结出：物体坠落的路径与它经历的时间的平方成正比，而与物体自身的重量无关；里舍(在利用摆钟从巴黎到南美进行天文观测时发现

6、重力加速度在各地并非恒值；牛顿的万有引力定律以及他推算的地球扁率；南斯拉大地震学家莫霍洛维奇在1909年研究阿尔卑斯地区的区域地震波震相时发现了地壳与地幔的分界面莫霍(Moho)界断面；,第一章,近20年来，国际上连续组织了四次由50多个国家参加的全球大协作计划，使地球物理学获得了空前的巨大进展。这四次大协作计划是： 19571958年的国际地球物理年(IGY) 19601970年的国际上地幔计划(IUP) 19741980年的国际地球动力学计划(IGP) 19811989年的国际岩石圈计划(ILP) 国际上地幔计划研究内容包括： 1、全球性的地壳断裂系统 2、大陆边缘地带及岛弧的构造 3、地

7、幔的物质组成及地球化学过程 4、地壳与地幔的结构及其横向不均匀性 所用的手段包括：地震、地磁、古地磁、重力、海上地球物理测量、地热、地质、深钻等。 其重要成果就是提出了一个“板块构造假说”,第一章,地球物理学对人类社会发展的贡献,大地测量学的诞生与发展，使人类能够得到地球表面的起伏变化，并用于生产建设和规划， 地磁学的研究，使人类了解了地磁场，并用于导航， 地热学的研究，使人类了解如何直接利用能源，. 地震学的研究, 开始“预报”地震灾害，. 基于地球物理学理论的探测技术应用地球物理学，为人类创造财富，为人类“排忧解难”，.,第一章,地球物理学的研究方法,最初，地球物理学研究就是从对地球的观测

8、开始的，所以地球物理学研究是建立在对地球充分观测的基础上进行的。 地球物理学的研究方法可分为以下几个方面： 观测 数据分析与处理 模拟真实对象的理论模型计算与实验 推测真实对象反演计算,第一章,物性差异地球物理场的变化应用物理学和地质学的原理解释地球物理场变异的地质因素Geophysical anomalyPrinciple of physicsInterpretation of geology for geophysical anomalies计算机模拟 Modelling of computer 实验地球物理 Experimental geophysics,第一章,正演：已知地球物理模型，

9、求解地球物理响应（异常） 反演：根据地球物理响应（异常），推断地球物理模型，进 而结合地质学知识，推断地质结构和物质分布 正演过程(正问题)具有唯一性 地质体存在物理性质(物性)差异是地球物理场变异的基础反演过程(反问题)存在不确定性（多解性),第一章,地球物理学的特点,间接性(Indirect-即不是直接研究地质体本身)定量性(Quantitativity-测量的地球物理参量与解释的结果均由定量化结果）多解性(multisolution or Ambiguity),第一章,如何学好本课程,积极主动是学好本课程的关键 阅读参考书籍 听、记、问 掌握基本概念 领会分析问题和解决问题的方法 了解数

10、学方法的应用,第二章,第二章 地球的起源、运动与结构,太阳系及其组成与演化地球的转动与轨迹地球内部的结构 地球内部的物质组成,第二章,太阳系、太阳系的组成,2.1 太阳系、太阳系的组成及起源 2.1.1 太阳系的成员 太阳-恒星，是太阳系的中心，是质量和体积最大的星体。 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 太阳系约有30000多个小行星，最大的小行星叫谷神（Ceres）,直径约730km。 行星的卫星 彗星,第二

11、章,大行星位置排列示意图,第二章,小行星、彗星 大行星卫星图片,月球,彗星,小行星,木星的卫星,第二章,太阳系主要成员的基本特征,2.1.2 太阳系主要成员的基本特征,第二章,轨道的规律性共面性：行星轨道平面几乎平行，且与太阳赤道面平行。同向性：行星公转方向，除金星、天王星和冥王星以外，都与太阳自转方向一致，为逆时针方向。近圆性：行星轨道偏心率小，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 (天文单位：AU） 其中n为行星秩序数，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。,轨道特征,第二章,轨

12、道示意图（一）,第二章,轨道示意图（二）,第二章,轨道示意图（三）,第二章,太阳系天体的自转 行星的自转可分两种情况，类地星自转速率差异较大，金星需244天，火星只需1.03天；巨行星和远日星自转较快，均不到1天。 太阳自转有“赤道加速”现象，即赤道处自转约25.4天，两极附近约35天，其内部旋转速度更快，可能比表面快十几甚至几十倍。,自转及密度特征,第二章,质量与密度分布特征 太阳占了太阳系总质量的99.85%，行星占0.135%，其它占0.015%。若将行星分为三类，即 类地星（水星、金星、地球、火星）、巨行星（木星、土星）和远日星（天王星、海王星），则有 质量分布：类地星巨行星 远日星

13、密度分布：类地星 巨行星 远日星（5）太阳系的年龄 根据同位数测定，地球、月球和陨石的年龄约在45亿年左右，如果太阳系中所有的行星和陨石在同一时期形成，太阳系的年龄也应为45亿年。,第二章,日冕： 太阳大气的最外层稀薄部分,由太阳表面伸展出数百万公里,包含着铁、镍和其他气体的极高度电离的原子,这表明温度有几百万度,日全食时肉眼观看它的外貌像是环绕月亮黑色圆盘的珍珠灰色光环,但在其他时候要用日冕仪才可观测到。,日冕,第二章,太阳内部结构示意图,太阳内部结构示意图,第二章,太阳黑子图片,太阳黑子图片,第二章,水星及其表面图片,水星及其表面图片,第二章,金星图片,金星图片,第二章,地球的卫星摄影图片

14、,地球的卫星摄影图片,第二章,地球与月球,地球与月球,第二章,航天飞机摄影图片“非洲角”,航天飞机摄影图片“非洲角”,第二章,火星图片,火星图片,第二章,木星图片,木星图片,第二章,土星图片,土星图片,第二章,天王星图片,天王星图片,第二章,海王星图片,海王星图片,第二章,冥王星图片,冥王星图片,第二章,陨石图片,陨石图片,第二章,星云图片,星云图片,第二章,2.1.3 太阳系的起源 自从1775年康德根据牛顿的万有引力定律提出星云说以来，先后出现了几十种假说。归结起来，主要有“灾变说”、“俘获说”、“原始星云说”、“次生星云说”。 灾变说 灾变说认为，太阳是先形成的，由于某个事件，如一个恒星

15、与太阳相撞或距离很近时，从太阳中拉出一部分物质，并赋予巨大的转动角动量，这些物质后来逐渐形成了行星及其卫星。 俘获说（陨石说） 俘获说也是认为太阳是先形成的，但与灾变说不同的是，它认为原始行星物质是来自其它星际，被太阳的引力俘获而来的，如陨石。,太阳系起源的假说（一）,第二章, 原始星云说 原始星云说属于“渐变说”范畴。这种学说认为，太阳系乃由同一原始星云物质形成，行星和卫星是由一度围绕太阳的星云盘物质凝聚而成的，并非某种偶然突变性事件的结果。 1755年，康德根据牛顿的万有引力定律，提出了关于太阳系起源的星云说。他认为形成太阳系的物质基础是星云，即大团的旋转着的气体和尘埃，形成太阳系的动力是

16、自引力，即星云各部分的相互吸引的引力。康德认为处在混沌之中的宇宙初始物质由于引力作用集结起来，更大的和更密集的一些质点开始把周围较小的和比较不密的质点吸引过去，以后较小的物质凝团继续向业已形成的中心体靠近，由于相撞使中心体获得了更大的转动惯量和热量，并产生了巨大的灼热天体太阳。随着旋转速度加大，大量微小尘埃物质在旋转着的原始太阳的赤道上集中起来，形成了扁平的星云盘。之后，在星云盘的边缘部分形成了物质集中的中心，并从这些中心产生了行星和环绕行星的卫星。在41年以后，拉普拉斯提出了和康德相似的“原始星云说”。,太阳系起源的假说（二）,第二章,在20世纪中叶出现的各种星云说中，霍伊尔(FHoyle)

17、的学说较有代表性。霍氏认为，太阳系开始时是一团凝缩的星云，温度不高，转动角速度因逐渐收缩而加快。当初始的太阳星云收缩到现今水星轨道之内不远处，就出现了自转不稳定，星云外部不再收缩，两极渐扁，物质因此而抛出，形成一个环绕“原始太阳”的盘状物，其质量仅为太阳的百分之一。中心的“原始太阳”与圆盘脱离以后，继续收缩，不再分裂，最后形成太阳。圆盘与太阳脱离后，质量不再增加，最后形成行星。 由于继续收缩的太阳具有磁场，而圆盘星云内有电离气体，太阳与圆盘内缘产生一种磁致力矩，使太阳的角动量转移给圆盘，因而由圆盘形成的行星具有较大的角动量。在原始太阳从50倍太阳半径收缩到1倍太阳半径的过程中，表面温度保持为3

18、500度左右，在地球轨道附近地区，沸点低的挥发性物质相继逃逸，而不易挥发的铁，镁、硅等元素则凝聚为尘粒，通过碰撞粘合而形成块状物质，直径小于1米的固体留在类地行星的区域而形成类地行星。在木星、土星轨道附近的地区，沸点低的物质可以保留，因而使得土星、木星的化学成分与原始星云以及太阳相近，H、He最多。在天王星、海王星的空间附近，由于逃逸速度小，H和He大部分逃逸，剩下的多为C、N、O与H2O等物质。,太阳系起源的假说（二） (续）,第二章,太阳系起源的假说示意图,第二章,太阳系起源的假说模拟动画,第二章,太阳系起源的假说模拟动画,第二章,观测事实与星云假说的统一性,1、行星轨道的分析 轨道的同向

19、性、共面性和近圆性。2、行星体积、质量和密度分布的分析 行星大小和质量分布特征是两头小中间大，密度分布特征是类地行星大、巨行星小、远日星居中。3、行星轨道半径的分析 相邻行星轨道半长轴为等比级数形式： an+1 / an= 1.69 0.264、行星定居顺序及数目的分析 尘层的密度随着远离太阳而减小，星子生长率与密度成正比，故可知靠近太阳的行星先形成。5、角动量分布的解释 “沙兹曼机制”。,第二章,2.2 地球的转动与轨迹 在广阔的宇宙空间中，地球作为一个行星在不停地运动。它不仅绕着一条轴线自西向东自转，同时也沿着近似圆形的轨道绕着太阳转动。由于日、月的吸引和地球惯量矩的季节性变化及其它目前还

20、不甚清楚的原因，故地球的转动速度是不均匀的。研究地球的转动实际上就是研究地球转动的不均匀性。,地球的转动,第二章,地球旋转轴叫地轴。地轴同地球表面的交点就是南北极。地轴的无限延长就是天轴。如果以地心为球心，以无限大为半径构成的球面叫天球，则天轴和天球的交点叫天极。,第二章,天球赤道: 将地球的赤道平面向外延伸，与天球相割所成的天球大圆就叫做天球赤道，也称天赤道，黄道: 将地球绕太阳运转的轨道面无限延伸，与天球相割而成的天球大圆叫做黄道。白道：将月球绕地球公转轨道面无限延伸，与天球相割而成的天球大圆叫做白道。天极: 将地球的极轴延长，交于天球上的两点N、S，这两点就叫天极，即天球赤道的两极点，分

21、别位于北天和南天的中心，称为天北极和天南极。,第二章,春分和秋分点、夏至和冬至点黄道与天球赤道相交的V、A两个点，分别叫做春分点和秋分点，即太阳由南向北通过天球赤道面的点叫春分点 (约在3月21日)，这是空间位置的一个重要参考点 (或参考方向)。黄道与天球赤道相距最远的两个点即与点V、A相距900的L、 M两个点，分别叫做夏至点和冬至点。,第二章,第二章,2.2.1 地球的自转与公转 地球的自转与公转，是地球诸多运动中最显著的运动，这是一个天文学问题，也是一个地球物理学问题。在天文学中是将地球作为一颗行星，在太阳系的形成过程中，地球获得的角动量主要分配于地球绕太阳公转、地一月转动系统和地球的自

22、转中。 地球的自转 地球自转一周是一日。在天文学上日的定义有三种，即恒星日，太阳日和太阴日。恒星日是以恒星为参考点，太阳日和太阴日则是分别以太阳和月亮为参考点计算的一天的长度。如果把地球中心和一个遥远的恒星连成一线，那么地球自转一周的过程中，这条直线要先后同地球的每一经线相割。两次相割同一经线所需的时间，叫恒星日，如果这一直线是连结地球中心和太阳中心，那么，这一段时间就叫太阳日，如果这一直线是连结的地球中心和月球中心，这段时间就是太阴日。,地球的自转,第二章,恒星日是地球自转的真正周期。因为恒星的位置在天球上是固定的。而太阳日和太阴日则不然，它们不是地球自转的真正周期，因为太阳和月球相对地球是

23、运动着的。太阳在天球上的运动是地球绕日公转的反映。月球在天球上的运动是月球绕地公转的反映。 如果用24时00分表示一个恒星日的长度，那么太阳日的长度就是24时04分，太阴日的长度是24时54分。,地球的自转（续）,第二章,地球公转的轨迹 地球在不停地自转过程中带着自己的卫星月球绕太阳公转。严格地说来，地球所围绕的并不是太阳或太阳中心，而是太阳和地球的共同质量中心。据计算，这个共同的质心距太阳的质心仅450km。因此，可以把地球公转说成地球绕太阳的运动。地球公转轨道是一个椭圆，其半长轴a=149.6106km,半短轴b=149.579106km，半焦距c=2.5106km非常接近正圆。 由于太阳

24、位于地球公转轨道的一个焦点上，因此地日距离的变化以一年为周期。十分明显，参考点不同，一年的长度也不一样。若把太阳中心和一个位于地球公转轨道平面的恒星连成一直线，那么，地球两度经过这一直线的时间就是一恒星年。恒星年是地球公转的真正周期。,地球公转及轨迹,第二章,除恒星年以外，在天文学上还有回归年、近点年和食年等不同的定义。如以春分点，近日点和黄白交点(黄道和白道在天球上的交点)为参考点，即得回归年、近点年和食年。由于春分点、近点和黄白交点在天球上不是固定的，因此，以这些点为参考点所测得的年也不是地球公转的真正周期。据测定 恒星年: 365日6时9分10秒； 回归年: 365日5时48分46秒；

25、近点年: 365日6时12分53秒； 食 年: 346日14时52分53秒。,地球公转及轨迹 （续）,第二章,地球的公转与四季变化,第二章,地轴的进动,2.2.2 地轴的进动与章动 地轴的进动 月球轨道平面比较接近地球轨道平面，而黄平面和赤道面又有较大的交角。因此太阳和月球时而在地球赤道平面这边，时而又在赤道平面那边出现，这种对地球赤道隆起部分施加的不平衡的吸引力，特使地球以黄轴为轴作周期性的圆锥形运动，即所谓进动。 由于地球自转的方向是由西向东，因此地轴的进动的方向是由东向西。地轴进动的速度是每年50.26，故地轴旋进的周期为(360 6060 /50.26) 25,786(年)。这是一种极

26、为缓慢的运动。由于地轴在不断进动，所以其指向也在发生极其微小的变化，现在它指向北极星附近，公元13600年，它就会指向织女星。 由于地轴在不断进动，因而赤道平面的位置也会相应地发生变化。其结果将导致春分、秋分、夏至和冬至四个点的改变，它们在黄道上也以每年50.26的速度向西进动着。,第二章,地轴的进动轨迹示意图,第二章,地轴的章动,地轴的章动 研究表明，地轴这种象陀螺一样以25786年为周期的旋进运动(或称岁差)的主要原因是月球对地球赤道隆起部分所施加的吸引力。 实际上，太阳、月球和地球的位置是在不断发生变化的。太阳每年两次通过赤道，月亮每月两次通过赤道，因而作用到地球上的引力十分复杂。由于这

27、个缘故，在地轴长期的旋进过程中，又在它原有位置上附加了一个短周期的摆动，这个摆动叫做章动。 章动的周期为18.6年,也就是说，地轴的进动不是一个简单的锥面，地轴沿锥面里外摆动，使锥面带上一个荷花式的花边，其摆动的振幅最大只不过9.206。,第二章,地轴的进动与章动合成轨迹示意图,地轴,黄轴,第二章,地球的平动,2.2.3 地球的平动 地球一面不停地自转，一面又带着月球绕太阳公转。而太阳本身除自转外，又带着它的行星族(包括地球)以每秒约20km的速度向织女星方向奔驰。地球随整个太阳系在宇宙太空个不停地向前运动，即所谓平动。 从相对论的观点来看,地球在宇宙太空中的运动并没有到此为止。太阳系(包括地

28、球)随着它周围的恒星群以大约每秒300km的速度绕银河系的质心旋转，太阳系绕银中心转动一周大约2亿5千万年。而银河系本身又正以每秒600km的速度向长蛇星座运动。,第二章,2.3 地球内部圈层结构 多年来对地球内部的研究，在全球范围内已积累了丰富的资料，根据地震波速度的变异，地球内部可概略地分为地壳、上地幔、下地幔和内核、外核几个大的圈层，这些层圈之间都存在一个物性分界面，自外向内可为： 地壳-壳幔界面上地幔 =上、下地幔之间的过渡层 下地幔-幔核界面 外核-内外核边界 内核,地球内部圈层结构,第二章,地球内部结构示意图,第二章,地震资料揭示地球圈层结构,第二章,地震资料揭示地球圈层结构,第二

29、章,地震资料揭示地球圈层结构,第二章,地球圈层特征,(1)壳幔边界 在地表下面5-60km深度处，P波速度从6-7km/s，跳到8km/s以上，它是地壳与地幔的分界面，这个界面是克罗地亚地震学家莫霍洛维奇(Mohorovicic)在1909年研究阿尔卑斯地区的区域地震P波震相时发现的，因此，这个界面又称为莫霍间断面(通常用Moho或M表示)。 (2)上、下地幔的过渡层 从1956年开始澳大利亚地震学家布伦(Bullen)对地幔做了进一步地分层的研究，地幔中在400km和670km深处存在两个不连续面，认为地幔由上地幔、过渡层（速度变化不均匀）和下地幔(速度变化均匀)组成。 一般认为，岩石圈是地

30、表至上地幔顶部，平均厚度约为100km，其下部为厚度不等软流圈（或低速带），而过渡带位于350670km深度之间，之下为下地幔。,第二章,地球圈层特征 （续一）,(3)幔核边界 在地幔内部，速度随深度而增加，在大约2900km处，P波速度突然从13km/s下降到8km/s左右，在地球内部出现第二大间断面。这是美国的地震学家古登堡(Gutenberg)于1914年通过大量天然地震震相分析首先提出的，该界面又称为古登堡界面。 (4)内、外核边界 从2900km以下进入地核，P波速度逐渐回升，S波速度因不能通过而恒为零，直到大约5300km深处S波才出现，P波速度也呈现明显跳跃，成为地球内部的第三大

31、间断面。从而可见，外核物质为液态，内核物质则为固态。这是丹麦地震学家莱曼(Lehmann)女士在1936年首先发现的，并记为L面。,第二章,地球圈层特征 （续二）,上述地球分层，即主要简单的划分，从本世纪开始至50年代已大体确定，而且习惯上采用A-G字母广以命名：A(地壳)，B(上地幔)，C(过渡层)，D(下地幔)，E(外核)，F间断面，G(内核)。 最近30年来，对地球结构的认识逐步深入，目前在横向变化、非弹性和各向异性诸方面的研究不断深化，使地球模型逐渐发展和完善。在地球分层模型的发展过程中，曾先后出现佐普列兹盖格模型、杰弗里斯模型、古登堡(Gutenberg)模型、布伦(Bullen)模

32、型、安德森哈特模型以及初步地球参考模型(PREM)。这些模型彼此有联系，也有一些区别，其中布伦模型和初步地球参考模型使用较广。,第二章,地球圈层模型参数,第二章,地球内部物质组成,2.4 地球内部物质组成 目前，许多学者都是借助于宇宙的丰度和已知的观测事实，以及地球物理资料来构筑地球物质模型，主要考虑以下四个方面： 地球作为宇宙天体的一个成员并由宇宙物质演化而来，地球的元素丰度应与宇宙的元素丰度大致相同，因此可以根据宇宙丰度构成地球基本成分的简单模型； 地球基本成分及其分布必须符合深部地震资料所反映的物质密度、波速等物理参数； 地球成分分布必须与地球总的质量和惯性矩相协调； 地球元素分布必须符

33、合地球内部温度、压力分布的状况。,第二章,地壳物质组成,2.4.1 地壳物质组成 硅铝质、镁铁质岩石 根据矿物学研究，长石(钾长石、斜长石)是地壳中最丰富的矿物，其次是石英和含结晶水的矿物。地壳平均密度约为2.7-2.8g/cm3，基于较富集矿物的速度和Vs/Vp比值的差异，故利用地震波的速度便可以有效地进行判别。由于蛇纹石化作用，橄榄石的波速可降低，在下地壳中蛇纹石化的超镁铁岩是一种不稳定因素，有一些地区的Moho界面可能不在玄武岩层的底部，而是在上地幔顶部的蛇纹石化带底部。 海洋和大陆地壳成分有所不同。大陆地壳含石英和长石较丰富，故大陆地壳内部密度一般小于海洋地壳。若Moho界面是岩石学界

34、面，即为硅铝质的或镁铁质的陆壳岩石与超铁镁岩的地幔岩石之间的边界。若Moho界面是化学分界面，地壳最大厚度可能出现在玄武榴辉岩的边界处，由此，可以把一个相位间断面(玄武一榴辉岩)转变为化学间断面(玄武一橄榄岩) 。,第二章,地幔物质组成,2.4.2 地幔物质组成 地幔的最上部也由坚硬的硅酸盐岩石组成，它们和地壳一起构成了地球的岩石圈。目前人类还不能取回深度超过13km的任何物质样品。除了幔源岩浆及其所携带的少量地幔岩石（可给地球科学家提供最深达约200km深处的物质）样品外，直接研究地幔(及其以下部分)的愿望并未实现。 岩石圈地幔中的最重要的矿物是镁硅酸盐和铝硅酸盐两大类，局部可能有氧化物或硫

35、化矿物聚集，正常地幔中基本无含水矿物。其中，镁硅酸盐矿物的结构变化能反映地幔不同部位的压力条件。,第二章,地幔物质组成 （续一）,(1)上地幔 固相超铁镁质和铁镁质岩石，碱性玄武岩岩浆 根据地球物理资料和高温高压实验结果，岩石圈地幔的硅酸盐矿物应为橄榄石，大洋下已观测到橄榄石；在上地幔的温度压力条件下，橄榄石、斜方辉石和单斜辉石是稳定的，因而，认为上地幔顶部可以看成是橄榄石和辉石的集合体。 岩石圈地幔底界变化于60220km深处，其下有一个地震波的低速层，无疑是高热梯度区。在高温条件下压力效应将被忽略，导致波速随深度增加而减小。较多学者用部分熔融或断层来解释低速带的成因，认为它可能是大部分拉斑

36、玄武岩聚集区，对于上覆岩石圈构造演化有重要影响。220400km深度的上地幔下部物质又变得致密、刚性，温度也回归正常增长范围。既有可能是固相超铁镁质和铁镁质岩石，也有可能是大量碱性玄武岩岩浆的形成区。,第二章,地幔物质组成 （续二）,(2)过渡层 高密度橄榄石和氧化物 地幔中在400km和670km深处存在两个不连续面，其间称为地幔过渡层。在400km深度的温度和压力条件下，斜方晶系的橄榄石变成等轴晶系的尖晶石，密度增加约60。至600km处，尖晶石分解成更重的氧化物，如方镁石(MgO)、方铁矿(FeO)和斯石英(一种比重达到4.28的高密石英)。 (3)下地幔 高密度橄榄石和氧化物，氧化铁含

37、量小幅度增高 下地幔中物质结构不再变化，地震波速度的平缓增加也可用物质结构已经压缩成较致密来解释。硅酸盐矿物已转变成氧化物或具钙钛矿结构的硅酸盐，随深度增大唯一的成分变化表现为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虽较低，但它们可能有一些富集区。下地幔底部200km范围内物质较上覆地幔致密。,第二章,地核物质组成,2.4.3 地核物质组成 外地核由液态铁组成，并有少量较轻的元素； 内地核结晶的固体铁镍合金组成。 根据推测，地核中的主要的元素成分是Fe和Ni，所以地核常被称为铁镍核，但纯铁镍核与地核已知

38、的地球物理资料不一致，它有太高的密度和太低的地震波速，因此地核中可能含有较轻的元素。目前一般推断外地核可能由液态铁组成，其中镍含量可能达10，并有大约5-15较轻的元素，如Si,O,K,H等。内地核应为刚性很高的，在极高压下结晶的固体铁镍合金组成。因地核尺度太小，很难精确测定其密度值，对地核成分的确定仅依据波速简单地将内核看成是外核的凝结变相体。,第二章,第二章 内容提要,太阳系及其组成与演化太阳系的成员(太阳、大行星、小行星、行星的卫星、彗星)轨道的规律性(共面性、同向性、共圆性)质量与密度分布特征太阳系天体的自转（行星的自转、太阳自转）地球的转动与轨迹基本参照（天轴、天球、天极、天赤道、黄

39、道、黄极）地球自转（周期、恒星日、太阳日与太阴日）地球公转（周期、恒星年、春分点、秋分点、夏至点、冬至点、南北回归线 ）地轴进动、章动与地球平动,第二章,第二章 内容提要（续）,地球内部的结构地壳、上地幔、过渡带、下地幔、外核、内核地球内部的物质组成地壳硅铝质、镁铁质岩石上地幔固相超铁镁质和铁镁质岩石，碱性玄武岩岩浆过渡带高密度橄榄石和氧化物下地幔高密度橄榄石和氧化物，氧化铁含量小幅度增高外地核由液态铁组成，其中镍含量可能达10，并有少量较轻的元素内地核结晶的固体铁镍合金组成,第二章,思考题,太阳系的成员有哪些？它们的轨道、质量与密度分布有哪些规律和特征？地球有哪些形式的运动？运动周期如何？3

40、. 黄道、春分点、秋分点、夏至点、冬至点是什么？ 4. 地球内部主要有哪些圈层？它们的物质组成是什么？,第三章,第三章 地球重力与地球形状,地球重力大地水准面与地球形状正常重力场与重力异常 地壳均衡与重力均衡异常潮汐作用与固体潮,第三章,3.1 地球重力场 地球重力由两部分组成，地球上任何一个物体，都同时受到地球的引力F和因随地球自转而产生的惯性离心力C的作用。 由牛顿万有引力定律，有物体m所受万有引力为物体所受的惯性离心力为两者的矢量合为重力，即( G=6.67210-11m3/(kgs2) ),地球重力,第三章,将物体质量去除其所受重力，可得单位质量所受到的重力重力场，其中 在地球物理学中

41、所称的重力就是指重力场强度，重力场强度实际上就是重力加速度。 衡量重力大小的单位有两个系统，一个是高斯制（CGSM)，另一个是国际制（SI）。CGSM: Gal (伽）， mGal（毫伽），Gal（微伽） SI: m/s2 g.u.(10-6 m/s2 ) 目前，最好的重力仪测量精度可达到微伽级。,地球重力场与单位,第三章,3.1.1 地球重力的积分表达 设笛卡儿坐标系统的原点位于地球球心，Z轴为地轴，点质量元A坐标为(,)，计算点p坐标为(x, y, z)，两点之间的距离为，如图所示。,地球重力的积分表达,第三章,惯性离心力可写成即重力为,地球引力可写成万有引力积分形式，即,地球重力的积分表

42、达 （续）,第三章,3.1.2 地球外部重力的球谐函数表达 设球坐标系统的原点位于地球球心，Z轴为地轴，地球半径R,为计算点p坐标为(r, )，两点之间的距离为，如图所示。,地球外部重力的球谐函数表达,第三章,地球重力（位）在地球外部空间的重力满足拉普拉斯方程，因此，可求解球坐标中的拉普拉斯方程，得到地球外部空间重力表达式。,地球外部重力的球谐函数表达（续）,第三章,3.1.3 地球重力变化及主要原因 显然，由于惯性离心力的作用，地球形状、内部密度等原因，地球重力是变化的，且总体有随纬度变化的特征。两极处最大，赤道处最小，重力并不总指向地心。 引起地球表面重力变化的主要原因：地球的形状扁椭球体

43、引力，最大变化达1800mGal；地球自转惯性离心力，最大变化达3400mGal；地球内部物质密度分布不均匀；地球表面起伏不平，最大变化达1000mGal以上；太阳与月球的引力，最大变化达0.3mGal。,重力的变化,第三章,3.2大地水准面与地球形状 3.2.1 地球重力位 重力位是一个标量函数，可由重力各分量沿着力的方向积分得到，即由重力位函数可导出重力在各个方向上的分量，即n为W(x,y,z)函数内法线方向上的单位矢量。重力为沿重力位函数内法线方向上的偏导数就等于该处的重力值。,地球重力位,第三章,3.2.2 重力等位面 在地球重力场空间内，我们总能找到一个常数C，使得 可以证明，上面的

44、方程为一个空间曲面方程。所以，它所代表的曲面就是一个等位面。由于C的任意性，因此，地球重力位有无穷多个等位面，且彼此不相交。 等位面上所有点的重力位相等，但重力值不一定相等。等位面上任意一点的内法线（场强度增大法线方向）为该处重力方向。 重力等位面在生活中的体现：任意一个平静的水面水准面，即为重力等位面。,重力等位面,第三章,3.2.3 参考椭球面地球基本形状 由于地球是一个两极压扁的椭球体，斯托克斯在理论上证明:若地球表面重力已知，可以推导出地球表面理论公式，即与地球表面最接近的重力等位面方程参考椭球面。 由克雷罗给出的二级近似公式其中f 为J2 为与地球形状和转动惯量有关参数，m赤道离心力

45、与引力之比值。 根据参考椭球面，可以建立经纬度系统，以致地球上任何一点的位置可以用经纬度来描述。 经度线：与地轴重合的平面与参考椭球面之交线。 纬度线：垂直地轴的平面与参考椭球面之交线。,参考椭球面,第三章,纬度的不同定义： 地理纬度： 地面任意一点上参考椭球面法线与赤道面之夹角。 地心纬度： 地面任意一点与地心连线与赤道面之夹角。 天文纬度： 地面任意一点上铅垂线（大地水准面法线）与赤道面之夹角。,纬度的定义,第三章,3.2.4 大地水准面及其形状 大地水准面是指与”平均”海平面重合的水准面或重力等位面，其延伸到陆地之下所形成的一个封闭曲面。 确定大地水准面的形状可分两步进行：第一步是确定地

46、球的基本形状，第二步是确定大地水准面与基本形状或参考椭球面的偏差，即大地水准面的高度N高程异常。斯托克斯首先证明：大地水准面与参考椭球面的偏差可以由重力的分布计算出来。其基本思想如下： 假设实测重力位W与参考面上重力位W0之差为这里T称为重力干扰位。由布容斯公式可计算出大地水准面的高度N，即其中g0为参考椭球面上的（正常）重力值。,大地水准面的形状,第三章,3.2.5 垂线偏差与高程异常 大地水准面与参考椭球面的差异，反映在法线方向上的差异称为垂线偏差，反映在垂向距离的差异称为高程异常。 大地水准面与参考椭球面差异的分布是不均匀的，最大的差异可达 117 m，它与地球表面地形以及地下物质分布有

47、关。 由于大多数地区大地水准面与参考椭球面差异不大，因此在很多情况下，可将两者视为相同，这时，天文纬度近似等于地理纬度。,垂线偏差与高程异常,第三章,全球高程异常图,第三章,全球高程异常（最新）三维效果图,第三章,3.3 正常重力与重力异常 3.3.1 正常重力 由于地球内部物质存在不均匀，地球表面也不光滑，准确地计算地球的引力是不可能的。若把地球内部物质分布和表面形状理想化，即假设 地球是一个两极压扁的旋转椭球体且表面光滑； 地球内部物质密度呈层状均匀（层面共焦点，层内均匀）； 地球是一个刚性球体，内部各质点位置不变； 地球的质量、自转角速度不变。 利用实际观测结果，可以导出一个近似公式，称

48、为参考椭球面（大地水准面）上正常重力公式，即,正常重力,第三章,式中g0为正常重力值，其随纬度 变化；ge，gp 分别称为赤道处和两极处重力平均值； 称为地球重力扁度(gpge)/ge； 为地球几何扁度。,正常重力 （续一）,第三章,赫尔默特1919公式：卡西尼1930公式： 1979年国际地球物理和大地测量联合会颁布的公式：,正常重力公式,第三章,3.3.2 重力异常 在这里，我们所指的重力值不包括重力随时间变化的那部分。一般意义上重力异常是指在地面上观测到的重力值与正常重力值相比较后的差值。 这样的重力异常往往意义不明确，因为造成重力异常的原因有两个方面，一是地形起伏，二是地下物质分布不均

49、。为了使重力异常具有明确的物理意义，根据不同的目的，可对异常进行不同的校正，可得出不同物理意义的重力异常。,重力异常,第三章,自由空间重力异常 自由空间重力异常是对一般意义下的重力异常进行一项自由空间校正，也称为高度校正，即 gh=0.3086h (h为测点高程，单位 m) mGal 自由空间校正系数是正常重力在大地水准面附近垂向梯度的近似值。自由空间(Free Air)异常为 g f = g测 g0 + gh 自由空间校正的物理意义在于弥补大地水准面或标准椭球面上的正常重力值与测点高程处正常重力值的差异，校正后的结果仍然为测点处的异常。 自由空间校正只是将高程的影响去掉，自由空间异常物理意义

50、在于：反映地表物质质量和地下物质密度差异的引力效应。 自由空间异常是研究大地水准面地球形状的重要资料。,自由空间重力异常,第三章,布格重力异常 如果在自由空间校正的基础上，把地形引起的引力效应也去掉，得到单纯反映地下物质密度分布的重力异常，这个异常叫布格重力异常。为得到布格异常，必须再进行消除地形影响的两项校正。 布格校正： gB = -2Gh = -0.0419 h mGal (h为海拔高程，单位m, 为地表物质平均密度，单位 g/cm3)地形校正（TC）：计算出测点周围地形相对平板层的起伏物质所引起的引力效应. 布格校正和地形校正的物理意义在于把大地水准面以上的物质（用地表或上地壳物质平均