地球的物理性质及圈层构造课件.ppt

《地球的物理性质及圈层构造课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《地球的物理性质及圈层构造课件.ppt（75页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第三节 地球的物理性质,地球的重力 地球的密度和压力地球的磁性地热地球的弹塑性,本节涉及到的英文术语,gravity;gravity anomaly;Bouguer gravity anomaly;geomagnetic field;magnetic declination;magnetic inclination;magnetic anomaly;geothermal field;geothermal gradient;geothermal flow;geothermal anomaly;seismic wave;body wave(P wave,S wave);surface wave,提

2、示：,物理性质和圈层结构是互为因果的；它们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。,一、地球的重力,重力：地球对物体产生的引力和该物体随着地球自转而引起的离心力的合力。重力的方向大致指向地心。因为离心力相对地球引力是很微弱的。,地球重力的分布,地球的重力,地球的重力在不同地区，不同深度的部位都不相同；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；在地心处，计算重力的公式与其它部位的计算有所不同。,地球内部的重力变化,在地球半径2885公里以上，重力值在地球半径2885公里以下，重力值,重力

3、场:地球内部及其附近存在重力作用的空间重力场强度:单位质量的物体在重力场中所受的重力。它在数值上(包括方向)等于重力加速度。,重力场,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。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。,重力异常,将实测的重力值减去该点的重力正常值,其差值即为重力异常(gravity anomaly)。,自由空气重力异常,把测点因高出平均海平面而减小的重力值加到实测值中,

4、称为自由空气校正,以gh 表示。自由空气(高度)重力异常:经自由空气校正后的重力值与正常重力值之差,称为自由空气重力异常。gF=(g+gh)-g0 反映了地球表面的地形高程变化,中间层校正,中间层校正 减去平均海平面以上到测点间的物质对物体产生的引力作用,或加上低于平均海平面的部分全部用地壳物质填平所产生的引力作用,称中间层校正,以gm表示。,重力校正,把实测重力值校正到相当于海平面高度时的重力值，这一过程称为重力校正。,重力异常的类型：校正后的实测重力值大于理论值称重力正异常，表示地下物质密度过大；相反为重力负异常，表示地下物质密度小。,二、地球密度和压力,地球质量5.9741021t,体积

5、1.08 1012km3,平均密度为5.516 g/cm3。实测地表岩石的平均密度为2.7-2.8 g/cm3,海水的平均密度为1.028 g/cm3,均小于地球的平均密度,地球内部必定存在密度更大的物质。,若一头大象的质量以平均3t计,则 地球的质量 M=5.94721024t=1.9841024 即约等于2万亿兆头大象,二、地球的质量和密度,地球内部密度分布,布伦(1975)推导结果:地壳表层的密度为2.7 g/cm3,地下33km处为3.32 g/cm3,大约在2990km处密度由5.56 g/cm3突增至9.98 g/cm3,至6371km处,达12.51 g/cm3。,地球内部密度的

6、变化,?!,?!,阿基米德曾说过：给我一个支点，我可以把地球撬起来,三、地球的压力,地球的压力是一个与重力直接相关的地球物理性质。地球某处的压力是由上覆地球物质的重量产生的静压力。静压力的大小与所处的深度、上覆物质的平均密度及重力加速度呈正相关关系。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。,地球的压力,10km处压力为3000大气压;33km处为12000大气压;地心达360万大气压,三、地球的磁场,(一)地磁场和地磁要素(二)地磁异常和磁场变化,地磁场的特征，地磁场的起源和地磁场在地学中的应用，是地球物理学领域中地磁场研究的三个基本问题,三、地球的磁场,

7、(一)地磁场和地磁要素,地磁场(geomagnetic field):地球周围环境存在着磁场。据磁力线的特征，地球外磁场类似于偶极子磁场，即无限小基本磁铁的特征（书中图1-12）。地磁极:偶极子磁轴与地面的交点。,磁场要素(3个),磁场强度 总磁场强度(T):地球上某一点磁力的大小 水平磁场强度(H)：总磁场强度的水平分量,指向磁北方向，在两磁极处为零。垂直磁场强度(Z)：总磁场强度的垂直分量,向下为+,向上为-。在磁赤道处为零，在磁赤道以北大于零，在磁赤道以南小于零。,磁场要素(3个),磁偏角(D):磁子午面与地理子午面间的夹角,磁北自地理北向东偏为+,西偏为-磁子午面：通过水平磁场强度(H

8、)方向的铅直平面地理子午面：,磁场要素(3个),磁倾角(I):总磁场强度与水平面的 交角，当 T下倾时，I为+，反之为-。其大小随纬度增加。,磁场要素,（二）地磁异常和磁场的变化,地磁场的组成（据来源和变化规律）主要来源于地球内部的稳定磁场Ts主要来源于地球外部的变化磁场T,地球稳定磁场,地球稳定磁场的组成地球基本磁场中心偶极子磁场（T0)，代表了地磁场空间分布的主要特征非偶极子磁场(Tm),指实际的地磁场与地球中心偶极子磁场的偏离部分地磁异常:叠加在地球基本磁场之上，由地壳内的岩石矿物及地质体的磁性差异而引起的磁场,地磁异常的应用,地磁异常：实测地磁要素的数据与正常值(地球基本磁场)有显著的

9、差别磁法勘探若地壳中存在磁性岩体和矿体，如磁铁矿、镍矿、超基性岩等，出现正异常 若地壳中存在金矿、盐矿、石油、花岗岩等低磁或反磁性的矿物和岩体，则出现负异常,磁场的变化,长期变化：以数千年时间为周期的变化。如现在地球磁场的强度约为81025csc（高斯）电磁单位，这一磁矩每100年约减少5%。按这种趋势，在2000a后，地球的磁矩将变为0。地磁极向西漂移也是长期变化。短期变化：昼夜变化等，主要是固体地球外部的各种电流体系引起的。,地磁场的变化的特点,偶极子场的变化对长期变化的贡献少,而长期变化与非偶极子场的变化密切相关。地球磁场向西漂移：如伦敦的磁偏角在1600-1700年的100年间自90E

10、一直向西偏移到40W，共向西漂移了130，磁倾角约增大20。1700-1800年间，继续向西漂移，但磁倾角减小。地球磁矩的衰减变化，是地球磁极倒转的征兆。,磁极漂移与磁性倒转事件,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。速率可以达到约每年0.18，绕地球一圈大致需要1800年。此外，地磁场还有时间尺度更短的昼夜变化。地磁极不仅曾发生过漂移，还出现过“反转”即南、北极互相颠倒的现象。在距今大约100万年前的第四纪，地磁场的方向和现在完全相同。与之相应，这一时期称作地磁场的正向期。但比第四纪更早的时代，通过对岩石磁法研究的结果，其磁化方向多数与

11、现代地磁场的方向相反，因此也称其为反向期。正向期和反向期在地球历史上交替出现，表明地史时期中曾有过多次地磁场反转事件。,四、地热,(一)地球的热源 1.放射性元素生热 2.地球的重力热 3.其他热源,四、地热,(二)地温场和地球的温度 地温场:(Geothermal field)(或地热场):是指地球内部各层中温度的分布状态,是地球内部空间各点在某一瞬间的温度值的总和。地温梯度:(Geothermal gradient）沿等温面的法线朝向地球中心方向上单位距离内温度所增加的数值,又称地热增温率,其倒数称地热增温级。地热增温率约为2-30C/100m。,四、地热,(二)地温场和地球的温度 地壳浅

12、层的温度分布从地表向下大致可分为三层：变温层、恒温层、增温层。,四、地热,地壳深处的温度推算(普雷斯，1974）100km（上地幔局部熔融开始）1000-12000C400km(上地幔橄榄石尖晶石相变带)15000C700km(上下地幔界面)19000C2900km(地幔地核分界面)37000C5100km（内、外核分界面）43000C6371km(地心)45000C,地球内部温度变化,地 热,（三）地热流及地热异常 地热流是指单位时间内通过地球表面单位面积所散失的热流量。也称大地热流密度。,地球内部的能量,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

13、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的热能。cm3花岗岩中释放的热来烧开一杯水大约需要亿年时间。但是从全球规模上看，如果地球中的放射性元素含量和它们在地壳中的含量相当，那么地球所释

14、放的热量不仅足够使整个地球熔化，而且能够使它全部被气化且蒸发掉,四、地 热,（三）地热流及地热异常全球热流值分布的显著特征 大陆平均热流值和海洋平均热流值非常接近或近乎相等 无论在大陆还是在海洋不同的观测点的观测值往往有很大差别,五、地球的弹塑性,弹性表现:地震波能在地球内部传播;固体潮塑性表现:旋转椭球体;褶皱变形地震波的分类体波:纵波(P wave)和横波(S wave)面波 传播速度:纵波横波面波,地震波的类型,第四节 地球内部的圈层结构,掌握：一、地球内部圈层及其划分依据二、地球内部圈层的基本特征了解三、地壳的物质组成,本节涉及的英文术语,陨石（meteorite）古登堡面（Guten

15、berg discontinuity）莫霍面（Moho discontinuity）地壳（crust）地幔（mantle）地核（core）岩石圈（lithosphere）软流圈（asthenosphere）元素（element）矿物（mineral）岩石（rock）岩浆岩（magmatite）沉积岩（sedimentary rock）变质岩（metamorphic rock）,地球内部圈层的划分课外阅读,阅读提纲地球的弹性和塑性划分依据：宇宙地质学，地质学，地球物理学划分方案。思考题你认为这些依据中存在问题么？如果有，是哪些问题？为什么？地震波的变化是如何应用在圈层划分中的？各个划分方案之间是

16、怎么样一种对应关系？作业提交方式和截止时间报告，下周二上课前，字数2000,一、地球内部圈层及其划分依据,宇宙地质的依据实验证明宇宙物质具有内在的统一性。铁陨石：主要由铁镍组成，相对密度8.0-8.5 或更大。石陨石：主要由橄榄石、辉石等铁镁硅酸盐 矿物组成，相对密度为3-3.5或更大。铁石陨石：为上述两种的过渡类型。meteorite,一、地球内部圈层及其划分依据,地质学依据 通过研究深源岩石及其形成时的温压条件来了解地球内部圈层的信息。,一、地球内部圈层及其划分依据,地球物理依据据地震波波速在地内的变化将地球内部划分成若干圈层结合宇宙地质和地表地质资料对比分析，推断各圈层的物质成分,二、地

17、球内部圈层划分方案,地球的内部圈层,地壳:大陆地壳-33km 莫霍面（1909）地球 地幔:60-250km 软流圈-2900km 古登堡面（1914）地核:内核和外核 5000km,非梨亦非球“鸡蛋”？,地壳,地幔,地核,蛋壳,蛋白,蛋黄,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,地球的圈层结构,二、地球内部圈层基本

18、特征,岩石圈岩石圈的三层结构地壳（大陆地壳，大洋地壳）上地幔顶部（B层）软流圈地幔圈地核,(一)岩石圈(lithosphere):,软流圈之上的固体地球部分,由上地幔盖层和地壳组成的圈层,平均厚度60km,由固态岩石组成。岩石圈的厚度在不同地区变化很大。大洋岩石圈厚度一般为60km左右，最厚不超过100km；大陆部分大部分岩石圈均超过100km，平均为120km。整个岩石圈平均厚度为100km。,岩石圈的结构,地壳,地壳是地球的最外部圈层，与人类的生存活动关系最密切，人们对它的研究和了解也比较深入。地壳是岩石圈上部的次级圈层;地表以下,莫霍面以上由固态岩石组成的圈层。莫霍面:地壳下界面,地震波

19、波速在此突然加大。,地壳的类型,据地壳的演化历史和结构可分为大陆型地壳和大洋型地壳。大陆型地壳指大陆及大陆架部分的地壳,具有上部硅铝层(花岗质层)和下部硅镁层(玄武质)层的双层结构,以康德拉面为分界；大洋型地壳往往缺失硅铝层,仅发育硅镁层,不具双层结构。,大陆地壳和大洋地壳的区别,大洋地壳的年龄图,2亿年,50万年,大陆地壳硅铝层和硅镁层的区别,大陆地壳和大洋地壳,沉积岩仅占地壳总体积的5%，但由于它广泛分布于陆地表面及海洋盆地中，因而它占据了地表面积的75%。变质岩约占地壳总体积的四分之一(27.4%)。岩浆岩约占地壳总体的 67.6%。,地壳的岩石类型,岩石圈地幔硅镁层,在莫霍面之下软流圈

20、之上的固体圈层,由于地壳的厚度变化较大，因此莫霍面是起伏不平的，该层的厚度变化也较大。在大洋区厚度约50km,而大陆区约80km,平均65km。平均密度3.33g/cm3,物质成分与石陨石相当，一般认为是含铁镁较多的硅酸盐矿物组成的超基性岩。,岩石圈的三层结构,硅铝层-康拉德面Conrad 岩石圈 硅镁层-莫霍面Moho 地幔硅镁层 康拉德面和莫霍面标志着岩石圈内部物质在化学成分和及晶体结构方面的变化，而不是物质从硬到软的一种突然转变。,（二）软流圈,软流圈概念：又称低速带，是指地下60-250km之间地震波速度减低的地带特性：全球范围内普遍存在，厚度厚薄不一。平均密度3.5g/cm2，物质成

21、分与石陨石相当，由于温度接近于岩石的熔点，岩石又并未熔化，而其塑性和活动性增强作用：大规模岩浆活动的策源地，全球性洋底扩张，不断向地表喷出巨量熔岩形成岩石圈，岩石圈的物质又不断回到软流圈中。,软流圈和地壳物质的循环,大陆根示意图,（三）地幔圈,概念：特指软流圈之下至古登堡Gutenberg面的部分，厚度2650km。分两层：上层：厚度750km，密度增至4.1g/cm2，物质成分与石陨石相当，主要由铁镁硅酸盐组成下层：厚度1900km，平均密度5.1g/cm2，物质结构无变化，铁含量增加，相当于石铁陨石。,（四）地核,概念：自地下2898km至地心的部分，厚度3500km特征：以雷曼Leman

22、n界面为界，可分为外核和内核外核：厚1742km，平均密度10.4g/cm2，P波速度急剧下降，S波不能通过，说明物质呈液态内核：厚1200km，平均密度12.9g/cm2，S、P波均能通过，表明物质呈固态过渡层：515km，层内波速复杂，能测到坡速不大的横波，表明液态已开始向固态转化地核的物质成分相当于铁陨石，而外核还有一些轻元素如硫或硅。,今天涉及到的英文术语,gravity;gravity anomaly;Bouguer gravity anomaly;geomagnetic field;magnetic declination;magnetic inclination;magnetic

23、 anomaly;geothermal field;geothermal gradient;geothermal flow;geothermal anomaly;seismic wave;body wave(P wave,S wave);surface wave,今天涉及的英文术语,陨石（meteorite）古登堡面（Gutenberg discontinuity）莫霍面（Moho discontinuity）地壳（crust）地幔（mantle）地核（core）岩石圈（lithosphere）软流圈（asthenosphere）元素（element）矿物（mineral）岩石（rock）岩浆岩（magmatite）沉积岩（sedimentary rock）变质岩（metamorphic rock）,