普通地质学02地球的圈层结构.ppt

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1、第二章 地球的圈层结构,第一节 地球的内部圈层,第二节 地球的外部圈层,第一节 地球的内部圈层,三、地球内部圈层划分,二、地球内部的主要物理性质,一、地球内部圈层的划分依据,目前对地球内部的了解主要是借助于地震波研究的成果。地震波主要包括纵波(P波)、横波(S波)和面波，其中对地球内部构造研究有意义的是纵波和横波。质点的振动方向与地震波传播方向一致的波称纵波；质点的振动方向与地震波传播方向垂直的波称横波。地震波从地震的震源激发向四面八方传播，到达地表的各个地震台站后被地震仪所记录下来。根据这些记录，人们可以推断地震波的传播路径、速度变化以及介质的特点，了解地球的内部构造。,一、地球内部圈层的划

2、分依据,地震波的传播如同光波一样，当遇到不同波速介质的突变界面时，地震波射线就会发生反射和折射，这种界面称为波速不连续面。地震波的传播速度总体上是随深度而递增变化的。但其中出现2个明显的一级波速不连续界面、1个明显的低速带和几个次一级的波速不连续面。（1）莫霍洛维奇不连续面(简称莫霍面)出现的深度在大陆之下平均为33km，在大洋之下平均为7km。在该界面附近，纵波的速度从7.0km/s左右突然增加到8.1km/s左右；横的速度也从4.2km/s突然增至4.4km/s。,（2）古登堡不连续面(简称古登堡面)位于地下2885 km的深处，在此不连续面上下，纵波速度由13.64km/s突然降低为7.

3、98km/s，横波速度由7.23 km/s向下突然消失，并且地震波出现极明显的反射、折射现象。低速带(或低速层)出现的深度一般介于60250 km之间，接近地幔的顶部，在低速带内，地震波速度不仅未随深度而增加，反而比上层减小510左右。,地球的内部构造以莫霍面和古登堡面划分为地壳、地幔和地核三个主要圈层。根据次一级界面，还可以把地幔进一步划分为上地幔和下地幔，把地核进一步划分为外地核、过渡层及内地核。在上地幔上部存在着一个软流圈，软流圈以上的上地幔部分与地壳一起构成岩石圈。,以,我,目前对地球内部各圈层物质密度大小与分布的计算，主要是依靠地球的平均密度、地震波传播速度、地球的转动惯量及万有引力

4、等方面的数据与公式综合求解而得出的。密度：计算结果表明，地球内部的密度由表层的2.7-2.8 g/cm3向下逐渐增加到地心处的12.51g/cm3，并且在一些不连续面处有明显的跳跃，其中以古登堡面(核幔界面)处的跳跃幅度最大，从5.56g/cm3剧增到9.98g/cm3；在莫霍面(壳幔界面)处密度从2.9g/cm3左右突然增至3.32g/cm3。,二、地球内部的主要物理性质,地球内部圈层结构及各圈层的主要地球物理数据,重力：地球吸引力和离心力的合力就是重力。地球的离心力相对吸引力来说是非常微弱的，其最大值不超过引力的1/288，因此重力的方向仍大致指向地心。地球周围受重力影响的空间称重力场。重

5、力场的强度用重力加速度来衡量，并简称为重力(单位为伽或毫伽：1Gal=1cm/s2=103mGal)。地球表面各点的重力值因引力与离心力的不同呈现一定的规律性变化。重力值具有随纬度增高而增加的规律，赤道处重力值为978.0318Gal，两极为983.2177Gal，两极比赤道增加5.1859Gal。,地球内部圈层结构及各圈层的主要地球物理数据,地温：温度在地球内部的分布状况称为地温场。通常把地表常温层以下每向下加深100 m所升高的温度称为地热增温率或地温梯度(温度每增加1所增加的深度则称为地热增温级)。根据推算，在莫霍面处的地温大约为400-1000，在岩石圈底部大约为1100，在上、下地幔

6、界面附近(约650km深处)大约为1900，在古登堡面(核幔界面)附近大约为3700，地心处的温度大约为4300-4500。,地球内部圈层结构及各圈层的主要地球物理数据,磁性：地球周围存在着磁场，称地磁场。地磁场近似于一个放置地心的磁棒所产生的磁偶极子磁场，它有两个磁极，S极位于地理北极附近，N极位于地理南极附近。两个磁极与地理两极位置相近，但并不重合，磁轴与地球自转轴的夹角约为15。地磁场的磁场强度是一个具有方向(即磁力线的方向)和大小的矢量，为了确定地球上某点的磁场强度，通常采用磁偏角、磁倾角和磁场强度三个地磁要素。地磁场由基本磁场、变化磁场和磁异常三个部分组成。,地球内部圈层划分(地壳、

7、地幔、地核),三、地球内部圈层划分,地壳是莫霍面以上的地球表层。其厚度变化在570 km之间。其中大陆地区厚度较大，平均约为33km；大洋地区厚度较小，平均约7 km；总体的平均厚度约16km，约占地球半径的1/400，占地球总体积的1.55，占地球总质量的0.8。地壳物质的密度一般为2.62.9g/cm3，其上部密度较小，向下部密度增大。地壳为固态岩石所组成，包括沉积岩、岩浆岩和变质岩三大岩类。,地幔是地球的莫霍面以下、古登堡面(深2 885 km)以上的中间部分。其厚度约2850km，占地球总体积的82.3，占地球总质量的67.8，是地球的主体部分。从整个地幔可以通过地震波横波的事实看，它

8、主要由固态物质组成。根据地震波的次级不连续面，以650km 深处为界，可将地幔分为上地幔和下地幔两个次级圈层。,地核是地球内部古登堡面至地心的部分，其体积占地球总体积的16.2，质量却占地球总质量的31.3，地核的密度达9.9812.5g/cm3。根据地震波的传播特点可将地核进一步分为三层：外核(深度28854170 km)、过渡层(41705155 km)和内核(5155 km至地心)。在外核中，根据横波不能通过，纵波发生大幅度衰减的事实推测其为液态；在内核中，横波又重新出现，说明其又变为固态；过渡层则为液体固体的过渡状态。,地球内部各圈层之间的界面（包括相变界面），其实都不是一个截然的界面

9、，而是一个过渡带的特点，在这个薄带内，具有上、下部物质混杂的特征。整个固态地幔的温度在10003500之间，其地温梯度仅为0.088100，相当于地壳内平均地温梯度的33这种较低增温幅度在硅酸盐岩石内的热传导是很微弱的。,研究认为，地幔内存在由深部到浅部的热对流，即可能由少量（约百分之几）氢、氮、碳、氧化物或硫化物以流体的形式在晶体间隙、矿物颗粒间或岩石缝隙中流动，以保持地幔从下到上温度变化较小。另外，地幔内部并不是均质的，某些部分积聚的热量较多，可能成为热流向上运移的部位，称为地幔羽或地幔柱；较冷的地幔热流体向下运动，这样就形成地幔内的热对流。地幔热对流既有全地幔大对流，又有分层对流。,第二

10、节 地球的外部圈层,一、大气圈,二、水圈,三、生物圈,（四）、大气的运动,一、大气圈,（一）、大气的组成,（二）、大气圈的结构,（三）、大气的热状况,大气圈(atmosphere)是因地球引力而聚集在地表周围的气体圈层。大气是人类和生物赖以生存必不可少的物质条件，也是使地表保持恒温和水分的保护层，同时也是促进地表形态变化的重要动力和媒介。,大气圈的总质量约51018kg，其中绝大部分分布在大气圈的下层。自然状态下的大气是多种气体的混合物，主要由氮、氧、二氧化碳、水及一些微量惰性气体组成。但是随着人类活动的日益增强和工业化的发展，大气中的有毒、有害物质和悬浮颗粒也明显增多。就大气的组成成分而言，

11、可分为恒定组分、可变组分和不定组分3种。,（一）、大气的组成,成分的分类及其特点：,（1）、恒定组分：氮、氧、氩,（2）、可变组分：二氧化碳、臭氧、水蒸汽,（3）、不定组分：粉尘、硫氧化物、氮氧化物,注意：我们现在讲的都是现阶段的大气组成，而且是低层大气的组分（70km以下）。高层大气以氮、氧、氢等的原子、离子为主。地质历史时期的大气组分与现今也是不一样的。,氮，78.09氧，20.94氩，0.93%其他，0.04,恒定组分主要成分,按体积计算,按质量计算,氮，75.51氧，23.15氩，1.28其他，0.06,大气圈的下界通常是指地表，但在地面以下的松散堆积物及某些岩石中也含有少量空气，它们

12、是大气圈的地下部分，其深度一般小于3km；其上界并无明确的界限，一般认为在20003000 km的高空向行星际尘埃的密度过渡。大气圈在垂直方向上的物理性质有显著的差异，根据温度、成分、电荷等物理性质，以及大气的运动特点，可将大气圈自地面向上依次分为对流层、平流层、中间层、暖层及散逸层。,（二）、大气圈的结构,大气圈分层的主要依据：,(1)、物质组成(2)、大气温度变化(3)、电荷(4)、大气运动,大气圈的垂直分层,对流层,厚度：平均1113km，赤道1718km，两极89km。,气温：从下向上是降温的，大气降温率是6.50C/km，对流层顶约-830C。,大气运动：强烈的对流。,成分：含水蒸气

13、、尘埃。,气象现象：风、霜、雨、雪、雹、雾等。,质量：约占大气圈质量的75。,大气圈的垂直分层,平流层,高度：从对流层顶到55km。,质量：占大气圈质量的25。,气温：从下向上是升温的，到平流层的顶温度升到00C。,大气运动：水平运动。,成分：几乎不含水蒸气、尘埃，存在数层臭氧层。,无天气现象。,大气圈的垂直分层,中间层,高度：从平流层顶到8090km。,气温：从下向上是降温的，到中间层的顶温度降到-800C。,大气运动：对流运动。,存在电离层（D），反射无线电波,大气圈的垂直分层,暖层,高度：从中间层顶到800km。,气温：从下向上迅速升温，到300km高空，温度达10000C。,存在多层的

14、电离层（E、F、G），也称电离层。,大气圈的垂直分层,散逸层,高度：从暖层顶到外层空间。,物质：多以原子、离子状态存在。,是地球物质向宇宙空间扩散的部位。,大气圈的垂直分层,大气的热量分布状况是产生各种大气现象和过程的根本原因。炽热的太阳以电磁波的形式源源不断地向宇宙空间放射能量称为太阳辐射。太阳辐射的能量主要集中在波长较短的可见光部分，所以人们把太阳辐射称为短波辐射。太阳辐射是地球表面最主要的能量来源。平流层中的臭氧能强烈地吸收波长较短的紫外线；对流层中的水汽和二氧化碳等主要吸收波长较长的红外线；但能量最多的可见光却很少被大气吸收,能够穿透大气射到地面上来。大气直接吸收的太阳辐射能量是很少的

15、(约为19%)。,（三）、大气的热状况,气温是指大气的温度。在同一地点，由于地球的自转使太阳辐射强度发生昼夜更替，从而导致气温日变化。一天之中，最低气温出现在日出前后，直至午后2点 左右达到最高，以后开始逐渐降低。同一地点的气温因地球公转引起的季节变换而发生气温年变化。气温的年变化通常用多年来各月平均气温的变化来表示。就北半球来说，大陆上最高月平均气温出现在7月(海洋上为8月)；大陆上最低气温出现在1月(海洋上为2月)。一年中最高月平均气温与最低月平均气温之差反映出一地在一年中气温变化的幅度，是划分气候类型的重要依据。,大气运动的产生及形式取决于气压的作用。一个地方的气压随高度增加而降低，影响

16、气压随高度变化的原因主要是该地上空大气柱的高度和密度；在水平方向上，由于气温差异也会引起该方向上的大气密度的变化，并产生气压的水平变化。由于大气在垂直或水平方向上存在气压差，从而产生了气压梯度力，它的方向是沿着垂直于等压面方向由高压区指向低压区，其大小为这个方向上单位距离内气压的改变量。气压梯度力可分为水平气压梯度力和垂直气压梯度力。真正造成大气水平运动的力是水平梯度力。此外，运动的大气还会受到地转偏向力、惯性离心力及摩擦力的作用。,（四）、大气的运动,（二）、水圈的循环,二、水 圈,（一）、水圈的组成,水圈(hydrosphere)是指由地球表层水体所构成的连续圈层。水是一切生物生存必不可少

17、的物质条件，对地球表层环境的形成和改造起到重要的作用。,自然界的水以气态、固态和液态三种形式存在于大气圈、生物圈、海洋与大陆表层之中。地球水体的总质量1.51018t，体积约1.41018m3，其中，海洋水约占 97.212，大陆表面水约占2.167，地下水为0.619，大气水占0.001。如果设想将地球表面全部削平，水圈的水体足以覆盖整个地球达2700多m厚。按天然水所处的环境不同可分为：海水、大气水和陆地水3类。,（一）水圈的组成,海水的基本特性,最主要的盐类：氯化钠、碳酸钙、硫酸镁等,最主要的元素：氯、钠、镁、钙、硫、钾等,盐度：一千克海水中溶解的全部盐类物质。,1、海水,2、陆地水,（

18、1）地面流水 地面流水是指沿陆地表面流动的水体，其水源主要有大气降水、冰雪融水、地下水和湖泊等。地面流水根据水源补给特点可分为常年性流水(河流)和暂时性流水(片流、洪流)。,（2）地下水,埋藏在地表以下，岩石或堆积物孔隙或裂隙中的水。,地下水可分为：包气带水、潜水、承压水。,湖泊是陆地上较大的集水洼地,全世界湖泊总面积:27105km2，占陆地面积1.8%泄水湖:有出口流泄的湖 不泄水湖:无出口的湖。淡水湖：含盐量低于0.3 半咸水湖：含盐量为0.324.7 咸水湖：含盐量1.0 24.7 盐湖：含盐量高于24.7。潮湿气候区的泄水湖通常为淡水湖，干旱气候区的不泄水湖则常为咸水湖。,（3）湖泊

19、与沼泽,沼泽是陆地上潮湿积水、喜湿性植物大量生长并有泥炭堆积的地方。沼泽主要分布在湿润气候区，不论热带、温带和寒带都可产生。世界上沼泽总面积达35105km2，占陆地面积的2.3。,冰川是指由积雪形成的、并能运动的冰体。它是陆地上以固体形式存在的水。冰川主要分布于地球两极及高山地区，覆盖陆地面积的10，集中了全球85的淡水据估计，如果全球的冰川融化注入海洋，可使全世界海平面上升66 m。气候寒冷是冰川形成的必要条件，另外要有丰富降雪量和合适冰雪堆积的场所。雪线是指终年积雪区的下部界限。,（4）冰川,大气水是指存在于大气圈中的水，它以汽态的形式存在。据估算，大气中水的总量约为1.31013m3，

20、而绝大多数分布于大气圈的对流层中。常用湿度来表示大气中的水含量。大气的湿度可分为相对湿度和绝对湿度。相对湿度是指空气实际水汽压与当时同温度下饱和水汽压的百分比；绝对湿度是指一定量空气中的水汽质量体积之比(g/m3)。相对湿度会随气温而变化，如果当水汽压不变时，气温升高，饱和水汽压增大，相对湿度会减小；反之，则增大。所以在一天之内，在清晨相对湿度最高，中午相对湿度最低。,3、大气水,水的循环是自然水体运动的最基本特征，它还可分为大循环和小循环。海洋表层水体经蒸发作用，一部分水进入大气圈，并运动到陆地的上空，当气温降低时，水蒸汽又凝结成雨、雪降到陆地。降落到陆地上的水一部分进入地下成为地下水，另一

21、部分又蒸发回到大气圈，其余部分则以地面流水的形式又回到海洋。这样水就从海洋到陆地再回到海洋完成一个完整的水循环过程，这称为水圈的大循环。水圈的小循环是指陆地内部或海洋内部的水循环，当然水圈的小循环还可以进一步划分为更次一级的水循环。,（二）、水圈的循环,水循环：是指在一定的时间内，水作既无起点也无终点的永不停息的水体运动系统。,水循环有：海洋与大陆间的循环,地表与地下间的循环,生物体与周围空间的循环,水圈与大气圈间的循环,水循环的动力：太阳能、重力,各种水体的替换时间,水体替换时间,水体和水,极地冰川、常年雪盖、地下水,近10000年,2500年,1600年,世界大洋,高山冰川,17年,湖泊,

22、5年,沼泽,1年,土壤水,16日,河水,8日,大气水,几小时,生物水,（二）、生物圈的组成,三、生物圈,（一）、生物圈的概念,生物圈(biosphere)是指地球表层由生物及其生命活动的地带所构成的连续圈层，是地球上所有生物及其生存环境的总称。,（一）、生物圈的概念,从地表以下3 km到地表以上10多km的高空以及深海的海底都属于生物圈的范围，但是生物圈中的90以上的生物都活动在地表到200 m高空以及从水面到水下200 m的水域空间内，所以这部分是生物圈的主体。生物圈中的生物分布极不平衡，受气候、地形、地质、大气环境、水环境等因素的影响，例如，在沙漠、两极地区的生物数量、种类都很少，而在气候

23、炎热、湿润的热带和亚热带地区，不仅生物种类繁多，而且生物量也很大。,构成生物圈的生物种类极其繁多，现今已被发现和鉴别、定名的就达200万种，其中动物150万种、植物50万种。在生物的分类中，最大的一级单位是界，其次是门，门以下依次是纲、目、科、属、种。其中，种是生物分类的基本单位，是生物发展过程中在一定阶段客观存在的生物类别。目前对种的定义是具有共同的起源、相同的形态特征、能相互交配繁殖后代的一类生物群体。,（二）、生物圈的组成,生物按其性状特征可分为四类，即原核生物界、真菌界、植物界和动物界；依据与营养物之间的关系，可分为自养生物与异养生物。植物是依靠光合作用制造食物，不需要运动器官，称为自养生物。而动物是吞食者，以植物或猎物为食，它们需要通过运动寻找并大量消耗食物，称为异养生物。,（1）原核生物界：没有细胞核生物，4千余种，单细胞生物，5万种以上。,（2）真菌界：真核细胞生物，没有叶绿素，8万多种。,（3）植物界：多细胞生物，有叶绿素，27万种以上。,（4）动物界：多细胞生物，150万种以上。,