固体地球物理学导论.ppt

固体地球物理学概论,地球物理与空间信息学院,第一章,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 地球的磁场 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 地球内部介质的各向异性与地震层析成像 第九章 实验与计算地球物理 第十章 若干热点问题,第一章,什么是地球物理? 地球物理学研究那些内容? 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、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、气象学、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，即以研究地球的各种物理特征与与地球运动、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,固体地球物理学的学科分支,重力学 地球的形状、重力场的变化、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，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、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世纪末到20本世纪初已形成体系，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,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，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开始的，所以地球物理学研究是建立在对地球充分地观测基础进行的。 地球物理学研究方法可分为以下几个方面： 观测方法研究 数据分析与处理方法研究 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,如何学好本课程,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 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。 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、冥王星），则有 质量分布：类地星巨行星 远日星 密度分布：类地星 巨行星 远日星,自转及密度特征,第二章,行星自转示意图,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,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”和“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旋转惯量和热量，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)的学说较有代表性。霍氏认为，太附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3500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,2.2 地球的转动与轨迹 在广阔的宇宙空间中，地球做为一个行星在不停地运动。它不仅绕着一条轴线自四向东自转，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。地球的赤道面与天球的交线为天赤道，地球绕太阳公转轨道叫黄道，月球绕地球公转轨道叫白道。,地球的转动,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运动着的。由于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； 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(3606060 /5.26”) 25786(年)。这是一种极为缓慢的运动。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。但实际上，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,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，义带着它的行星族(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、下地幔和内、外地核几个大的圈层，这些层圈之间都存在一个物性分界面，自外向内可为： 壳幔界面 上下地幔之间的过渡层 幔核界面 内外核边界,地球内部圈层结构,第二章,地球内部结构示意图,第二章,地球内部圈层示意图,第二章,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 在地壳下面30-60km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，这个界面是南斯拉大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，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。,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 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。 岩石圈地慢中的最重要的矿物是镁硅酸盐和铝硅鞍盐两大类，局部可能有氧化物或硫化矿物聚集，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 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，大洋下已观测到的橄榄石，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面减小。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。是固相超铁镁质和铁镁质岩石，也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 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 下地幔