地球物理学简介课件.ppt
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1、采矿地球物理理论与技术,第一章 地球物理学简介,采矿地球物理理论与技术第一章 地球物理学简介,1.1 地球科学与地球物理学,一 、地球物理学简介,地球物理学,是一门以地球为研究对象的应用物理学。其中,对固体地球的研究,在本世纪六十年代以来,获得极大发展。它已成为地学,即地球科学的重要组成部分,并且渗透到地学中的许多分支。采矿地球物理学是采矿科学中的一个新的分支,是利用岩体中自然的或人工激发的物理场来监测岩体的动态变化和揭露已有的地质构造的一门学科。采矿地球物理学的最大特点是在更深层次上认识地下岩层的特点及运动规律。,1.1 地球科学与地球物理学 一 、地球物理学简介地球物理,表1 地球科学的学
2、科分类体系,一 、地球物理学简介,表1 地球科学的学科分类体系一 、地球物理学简介,1.1 地球科学与地球物理学,一 、地球物理学简介,地球物理学的研究范围涉及从地球最深部的地核到大气圈的边界。它是由众多基础科学组成。图1为地球物理学的形成和发展示意图。,1.1 地球科学与地球物理学一 、地球物理学简介地球物,1.1 地球科学与地球物理学,一 、地球物理学简介,图1 地球物理学的形成和发展示意图,1.1 地球科学与地球物理学一 、地球物理学简介图1 地,一 、地球物理学简介,20世纪30年代,由于成功地把地球物理学方法用于矿产资源勘探当中,使它得以迅猛发展。现在,地球物理学已经成为国内、外研究
3、进展十分迅速的学科之一。地球物理学发展的总趋势有两种:一是多学科的综合,二是科学的国际合作。第1个国际间的协作计划是l9571958年的地球物理年。60年代初,近50个国家参加了上地幔计划。 建立了“板块大地构造假说”。,1.1 地球科学与地球物理学,一 、地球物理学简介 1.1,一 、地球物理学简介,地球物理学的研究方向,从总体上说,不是朝着对个别事件和单学科的观测与研究发展,而是朝着全球性多学科的综合探测与研究发展;人类认识自然现象不受国界限制;各国间的资料相互利用;按照统一规划和统一的工作方法进行工作。,1.1 地球科学与地球物理学,一 、地球物理学简介地球物理学的研究方向,从总体上说,
4、不是朝,一 、地球物理学简介,地球从诞生到今天已有46亿年,有其自身的演化过程。 地球的幼年时代,表面没有山脉、海洋,这个时期持续了约十亿年。地质学家把地球的这次脱气称为第一次脱气。 由于地球温度升高,致使物质发生熔化,熔化后的物质呈液态,易于对流。随后,地幔和地壳分化,以镁铁为主的硅酸盐构成地幔,以铝铁为主的硅酸盐构成地壳。 当地幔获得足够的热量后,开始发生对流。初始的海底扩张使散热作用加速,地幔固结了,但外核仍为液态。外核的对流是产生现今地球磁场的原因。,1.2 地球物理场,1.2.1 地球的演化,一 、地球物理学简介 地球从诞生到今天已有46,一 、地球物理学简介,地球内部的气体,在高温
5、高压的作用下,被挤压到上层有空隙或是密度小的地方,从地壳的裂隙处喷出,这就是地球的二次脱气。 原始大气圈的成分与现代大气圈不同,其主要成分是水蒸汽与含有强还原的化合物如氢、甲烷和氨。大气圈上部水蒸汽的分解所产生的氧不足以形成今天的富氧大气圈,现在的富氧大气圈是植物的光合作用造成的。 水圈也有它自己的形成和演化过程。从原始的淡海水变成今天的咸海水,有一个逐渐的咸化过程。,一 、地球物理学简介 地球内部的气体,在高温高压的作,一 、地球物理学简介,地震是地球内部具有能量的最直接的证据。地球内部能量于瞬间释放时引起的地球快速颤动,从而引发大小不等、形式多样的地震活动。 按照震源深度h的不同,地震可以
6、分为:浅源地震(h300km)。 岩石圈板块的运动有两种类型 :一种是陆陆碰撞,即碰撞发生于两个大陆板块之间;一种是洋陆俯冲,即在大陆板块和大洋板块之间进行。,1.2.2 地震,一 、地球物理学简介 地震是地球内部具有能量的,一 、地球物理学简介,在陆陆碰撞的情况下,地震主要沿着碰撞板块的结合带边缘分布,发生于碰撞形成的断层带内(图2-1a)。由此引发的地震多数为浅源地震,也可有少量的中源地震发生。 在洋陆俯冲的情况下,洋壳板块沿着海沟带往大陆板块下部俯冲,并一直下插到地幔深度。在俯冲板块的不同部位,应力分布的状态是不相同的:俯冲板块的后缘处于相对拉张的构造环境,中、前部则受到强烈的挤压。在这
7、种情况中,前部则受到强烈的挤压。在这种情况下全部三种震源深度的地震都有可能发生(图2-1b)。,1.2.2 地震,一 、地球物理学简介 在陆陆碰撞的情,一 、地球物理学简介,图2-1a 陆-陆碰撞,1.2.2 地震,一 、地球物理学简介图2-1a 陆-陆碰撞1.2.2 地,一 、地球物理学简介,图2-1 b 洋-陆碰撞,1.2.2 地震,一 、地球物理学简介图2-1 b 洋-陆碰撞1.2.2 地,一 、地球物理学简介,此外,无论是陆陆碰撞还是洋陆俯冲,在陆壳内部都会因为构造应力的局部集中而产生板内地震,这类地震为浅源型。 由断层活动诱发地震发生的具体过程可以用断层的弹性模型来解释。 由于断层在
8、孕育过程中积累了大量能量,一旦断层发生整体断裂和滑移,被积累的能量就因为断层的运动和变形而迅速释放,从而导致地震。 但后来的研究发现,地震并非在整个断层的所有段落上都是同时发生的。因此有人提出了断层闭锁段的概念 ,认,1.2.2 地震,一 、地球物理学简介 此外,无论是陆陆,一 、地球物理学简介,1.2.2 地震,图2-2 有断层闭锁段的地震断裂示意图,为在断层内部往往存在着一到多处闭锁段,它(们)在断 层开始作整体变形和运移时,只发生剪切应变而不发生宏 观滑移,即处于闭锁状态(图2-2)。,一 、地球物理学简介1.2.2 地震图2-2 有断层闭锁,一 、地球物理学简介,地震的弹性回跳假说:(
9、1) 地层受到剪切作用而开始剪切变形;(2) 除闭锁段(由虚线椭圆围限部分)外,断层其他部分均以发生显著滑移;(3) 断层闭锁段被彻底剪断而发生瞬时滑移,地震因断层闭锁段的弹性回跳而产生,闭锁段也随之消失。 从图2-2中,我们可以看到,断层闭锁段大致上呈一椭圆形区域,其范围随着断层的活动演化而变化。 在开始阶段,由于断层在整体上还没有发生宏观滑移,断层闭锁段的范围也不明显(图2-2a)。,1.2.2 地震,一 、地球物理学简介 地震的弹性回跳假说:1.2,一 、地球物理学简介,此后,随着断层整体滑移量的增加,断层闭锁段的椭圆形区域也随之增大(图2-2b)。 但当断层内剪切应力的积聚超过了闭锁段
10、的强度极限后,断层闭锁段即因其自身发生了宏观尺度的快速滑移而消失(图2-2c)。 在地球内部,由人工激发或天然原因产生的地震,其能量以波动形式向周围传播,这就是地震波。我们所讨论的地震波,其波长一般大于数百米甚至数千米。因此,从宏观上看,完全可以将地球视为均匀和连续的介质。物体受外力作用后,其体积和形状将产生变化,统称为形变。,1.2.2 地震,1.2.2.1 地震波,一 、地球物理学简介,一 、地球物理学简介,完全弹性体、塑性体 各向同性、各向异性 在地震波理论中,将地球介质当作均匀、各向同性和完全弹性介质来处理,只是一种简化的假定。但这并不影响我们引用弹性力学的基本理论。,1.2.2.1
11、地震波,一 、地球物理学简介 完全弹性体、塑性体1.2,一 、地球物理学简介,1.2.2.1 地震波,图 2-3 地震纵波和横波引起的质点振动,一 、地球物理学简介1.2.2.1 地震波图,一 、地球物理学简介,在各向同性介质中,地震波的传播速度仅与本身的物理性质有关 (2-1) (2-2) 式中vp、vs分别为纵、横波的传播速度,E为杨氏模量,为泊松比,为介质密度。 由式(2-1)与(2-2)可求纵、横波的速度比 (2-3) 对于大多数岩石来说,0.25,vp1.73vs,可见P波比S波的传播速度要快得多。,1.2.2.1 地震波,一 、地球物理学简介 在各向同性,一 、地球物理学简介,1.
12、2.2.1 地震波,图2-4 瑞利波的传播方向和质点振动方向,一 、地球物理学简介1.2.2.1 地震波图2,一 、地球物理学简介,1.2.2.1 地震波,图2-5 拉夫波的传播方向和质点振动方向,一 、地球物理学简介1.2.2.1 地震波图2,一 、地球物理学简介,在爆炸地震学中(主要是进行地质普查和勘探),P波是最重要的波,S波的作用也在提高。在天然地震学中,P波和S波对于研究地球的内部都很重要。近来,面波波散的研究在了解地球表层及内部的速度结构方面,已成为一种有效的手段。,1.2.2.1 地震波,一 、地球物理学简介 在爆炸地震学中(主要,一 、地球物理学简介,地震是一种自然现象,按成因
13、分为构造地震火山地震崩塌地震 全球性的地震带有:环太平洋地震带海岭地震带欧亚地震带 我国也是地震多发区,破坏性地震大都聚集在一些狭窄 地带内。按照地震活动性和地质构造特征,可把我国分成23个地震活动带,见图2-6,1.2.2.2 天然地震,一 、地球物理学简介 地震是一种,一 、地球物理学简介,1.2.2.2 天然地震,图2-6 我国的地震活动带,一 、地球物理学简介1.2.2.2 天然地震,一 、地球物理学简介,震级是地震固有的属性,它仅与地震释放的能量有关,而与观测点的远近或地面土质情况无关,所以可利用地震波的最大振幅、平均周期和震中距来计算震级。震级即可以用体波也可以用面波来计算,但对同
14、一地震,计算出的体波震级和面波震级是不同的。 地震烈度是地面某点观测的地震效应的量度,它不但与地震的震级有关,而且与震中距离、震区地质条件、建筑物的类型等都有关系。人们根据地震所产生的自然现象、对建筑物的破坏及人的感觉将地震烈度分为十二个等级。,1.2.2.2 天然地震,一 、地球物理学简介 震级是地震固有的属性,一 、地球物理学简介,全世界90以上的地震属于构造地震,关于构造地震成因的断层学说的基本观点是: 当地壳变形时,能量以弹性应变能的形式储存在岩石中,直到某一点积累的形变超过了极限,岩石就发生破裂,或者说产生了断层。断层两盘回跳到平衡位置,储存在岩石中的应变能便释放出来。 一部分应变能
15、转化为热,一部分用于使岩石破碎,还有一部分转化为使大地震动的弹性波能量。在断裂前,断层附近的剪切应变如图2-7a、b、c所示,经历了正常状态、应力集中、岩层破裂等阶段,地震时岩层发生弹性回跳恢复正常,见图2-7d。,1.2.2.3 震源机制,一 、地球物理学简介 全世界,一 、地球物理学简介,1.2.2.3 震源机制,图2-7 弹性回跳理论示意图,一 、地球物理学简介1.2.2.3 震源机制图,一 、地球物理学简介,(1)震源模型 图2-8a为单力偶模型,力偶在XOY平面内沿Y轴作用, YOZ平面相当于直立的震源断层面。见图2-8b,当P波到 达时,箭头前方介质受到压缩,而后方介质受到拉伸,位
16、 移的垂直分量分别是向上和向下(常用“+”号和“”号表示) 。震源周围的空间被两个互相正交的平面(称节面)分隔成 初动压缩和膨胀交替排列的四个区域。随后,两节面扩展 后与地面的交线(称节线)把P波初动符号分成正负相间的四个象限。,1.2.2.3 震源机制,一 、地球物理学简介1.2.2.3 震源机,一 、地球物理学简介,图2-8 震源力学模型,一 、地球物理学简介图2-8 震源力学模型,一 、地球物理学简介,双力偶模型 双力偶模型所引起的P波初动符号分布与单力偶模型相同,并且两个模型均等效于图2-8c中的主压应力P和主张应力T,即由两个模型模拟产生的地震波相当于由上述主应力释放产生的地震波。理
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