海洋地球物理与海底构造学(12)

1、三、地球质量和平均密度 根据万有引力定律，地球的近似质量根据万有引力定律，地球的近似质量M=grM=gr2 2/G5.97/G5.9710102727克。克。地球的平均密度为地球的平均密度为5.525.52克厘米克厘米3 3。一般情况下，地球内部的密度一般情况下，地球内部的密度随深度而逐渐增加。根据地震波速变化和某些假设，可推导地球内随深度而逐渐增加。根据地震波速变化和某些假设，可推导地球内部密度。部密度。 例如，布伦密度分布模式例如，布伦密度分布模式(K(KE EBullenBullen，1970)1970)假设：假设： 地球近似由同心地球近似由同心球层组成，平均地壳厚度球层组成，平均地壳厚

2、度1515公里；地幔顶部密度公里；地幔顶部密度3.313.31克厘米克厘米3 3；设地心的；设地心的密度为密度为1313克厘米克厘米3 3；取地球转动惯量为；取地球转动惯量为0.3309Mr0.3309Mr2 2。采用各种经验关系式和其。采用各种经验关系式和其他有关数据，他得出：他有关数据，他得出：地球内部密度分布地球内部密度分布0-15(2.0-2.84) 15-350(3.31-3.52) 350-850(3.56-4.44) 0-15(2.0-2.84) 15-350(3.31-3.52) 350-850(3.56-4.44) 850-2878(4.44-5.62) 2878-4711(

3、9.89-12.26) 5161-637l(12.7-13.0)850-2878(4.44-5.62) 2878-4711(9.89-12.26) 5161-637l(12.7-13.0)1.1 地球的基本知识 2.地球表面特征和物理性质四、地球的重力四、地球的重力 地球上的任何质点，都受到地球引力和地球自转所地球上的任何质点，都受到地球引力和地球自转所产生的惯性离心力的作用，这两种力的合力就是重力。产生的惯性离心力的作用，这两种力的合力就是重力。重力场强度在厘米重力场强度在厘米克克秒制中，单位为达因克，即秒制中，单位为达因克，即厘米秒厘米秒2。重力场强度就是重力加速度。重力场强度就是重力加速

4、度。1.1 地球的基本知识 2.地球表面特征和物理性质 ( (一一) ) 纬度和高度对重力的影响纬度和高度对重力的影响1.地面重力随纬度改变而不同：地面重力随纬度改变而不同：引力与质量成正比，与地心距离的平引力与质量成正比，与地心距离的平方成反比。赤道半径比极半径长方成反比。赤道半径比极半径长21.385公里，所以赤道上的引力是公里，所以赤道上的引力是981.4伽，伽，两极的引力为两极的引力为983.2伽，二者差伽，二者差1.8伽。某处的离心力与该处地球自转线速度伽。某处的离心力与该处地球自转线速度的平方成正比：赤道上离心力最大，为的平方成正比：赤道上离心力最大，为3.4伽，在两极为零。重力加

5、速度由伽，在两极为零。重力加速度由地面引力减去离心力得到，在赤道处为地面引力减去离心力得到，在赤道处为978.0318伽，两极处仍为伽，两极处仍为983.2177伽。由此可见，在相同高度的情况下，由纬度变化而引起的重力差异不超过伽。由此可见，在相同高度的情况下，由纬度变化而引起的重力差异不超过5.2伽。赤道和两极的重力之比约为伽。赤道和两极的重力之比约为189/190，即一个物体在赤道上是，即一个物体在赤道上是189公公斤，它在两极处将是斤，它在两极处将是190公斤。公斤。2.在地面以上，重力值随高度增加而减小：在地面以上，重力值随高度增加而减小：大约升高大约升高1公里降低公里降低0.3086

6、毫伽。毫伽。 ( (二二) ) 地球内部重力分布地球内部重力分布 地球表面最大的离心力只有地球表面最大的离心力只有3.4伽，为引力的伽，为引力的1288。地面。地面以下，离心力更弱。因此，地球内部重力场可以简单地看作是以下，离心力更弱。因此，地球内部重力场可以简单地看作是地球的引力场。地球的引力场。 一般认为，从地面到地下一般认为，从地面到地下2900公里深处，重力值大致随公里深处，重力值大致随深度的增加而增加。在地下深度的增加而增加。在地下2900公里处达到极大值，约为公里处达到极大值，约为1080伽。从伽。从2900公里到地球质心，因地核物质密度很大，致使质量公里到地球质心，因地核物质密度

7、很大，致使质量减小的影响远大于距离减小的影响，重力急剧减小。地心处整减小的影响远大于距离减小的影响，重力急剧减小。地心处整个地球对于质心的引力完全互相抵消，重力值为零。个地球对于质心的引力完全互相抵消，重力值为零。地球内部重力的垂直分布地球内部重力的垂直分布( (布伦布伦) ) 深度(公里) 重力加速度(厘米秒2) 0 982.2 15 983.2 60 984.7 350 994.3 650 998.1 850 996.1 2700 1050 2878 1080 4561 630 4711 590 5161 430 6371 0五、地球内部的压力五、地球内部的压力 地面上的物体受到大气的压力

8、，地下的物体不但受到大气压力，地面上的物体受到大气的压力，地下的物体不但受到大气压力，而且受到岩层的压力。地球内部压力而且受到岩层的压力。地球内部压力P的大小，取决于深度的大小，取决于深度h（岩层（岩层厚度），平均密度厚度），平均密度和平均重力和平均重力g三个因素，即：三个因素，即：P = = g h 在离地面不太深的地方，深度每增加在离地面不太深的地方，深度每增加1公里，地下压力约增加公里，地下压力约增加270个大气压（取岩石密度个大气压（取岩石密度2.7克厘米克厘米2，g980伽）。地心处的伽）。地心处的压力，可能为压力，可能为350万大气压。尽管地心处物体没有重量，但是由于万大气压。尽管

9、地心处物体没有重量，但是由于该处要承受自地面到地心该处要承受自地面到地心6371公里的岩石柱全部压力，所以是全球公里的岩石柱全部压力，所以是全球压力最大的地方。压力最大的地方。1.1 地球的基本知识 2.地球表面特征和物理性质六、地球内部的温度六、地球内部的温度( (一一) ) 垂向温度分布垂向温度分布 地球内部，深度愈大，温度愈高。地表以下地球内部，深度愈大，温度愈高。地表以下40-50公里，每公里，每公里增温公里增温20-30。再向下，增温减慢。研究表明，在地球的表。再向下，增温减慢。研究表明，在地球的表层即地壳部分，温度升高很快，进入地幔以后温度升高的速度降层即地壳部分，温度升高很快，进

10、入地幔以后温度升高的速度降低，到了地核，温度虽有升高，但速度更为缓慢，直至地心达到低，到了地核，温度虽有升高，但速度更为缓慢，直至地心达到最高温度。估计，核幔边界的温度在最高温度。估计，核幔边界的温度在2480以上，地心的温度以上，地心的温度不超过不超过3000。1.1 地球的基本知识 2.地球表面特征和物理性质 ( (二二) ) 大地热流大地热流大地热流大地热流 单位时间内自地球内部高温处向地球表面低温处单位时间内自地球内部高温处向地球表面低温处在单位面积上流过的热量叫作大地热流。据研究，地表热流平在单位面积上流过的热量叫作大地热流。据研究，地表热流平均值约为均值约为60-70mW/m2，现

11、在每年流出地面的热流约为，现在每年流出地面的热流约为2.41020卡，相当于卡，相当于300多亿吨煤燃烧放出的热量。多亿吨煤燃烧放出的热量。热流值的分布热流值的分布 无论在大陆或海洋都随具体的地质环境（如无论在大陆或海洋都随具体的地质环境（如地质构造及地质年龄的新老等）而改变，在前寒武纪地盾和海地质构造及地质年龄的新老等）而改变，在前寒武纪地盾和海沟区热流值最低，海岭、弧后盆地和大陆裂谷区的热流值最高。沟区热流值最低，海岭、弧后盆地和大陆裂谷区的热流值最高。( (三三) ) 地球内部的热源地球内部的热源 研究表明，岩石中放射性元素含量最多的是酸性岩。研究表明，岩石中放射性元素含量最多的是酸性岩

12、。1吨花岗岩吨花岗岩(含铀含铀18.5克和钾克和钾337900克克)，每年可产生，每年可产生8.2卡的卡的热能。由此推算，地球内部只要有热能。由此推算，地球内部只要有20公里厚的花岗岩层，就公里厚的花岗岩层，就能弥补每年通过地表向外流失的热量。但酸性岩密度较低，能弥补每年通过地表向外流失的热量。但酸性岩密度较低，仅集中在地球的上层仅集中在地球的上层地壳中，它们之中所含放射性元素产地壳中，它们之中所含放射性元素产生的热能只能影响地球的上部。生的热能只能影响地球的上部。地球深部的热源问题，近年地球深部的热源问题，近年来正在研究。来正在研究。地球内部的温度、压力、重力、密度示意图地球内部的温度、压力

13、、重力、密度示意图七、地球的磁场七、地球的磁场 地球是一个磁化球体，磁针在地球表面上由于受到磁力的地球是一个磁化球体，磁针在地球表面上由于受到磁力的作用而指向南北方向。地球的磁北极吸引着磁针的南极，而磁作用而指向南北方向。地球的磁北极吸引着磁针的南极，而磁南极吸引着磁针的北极。据人造地南极吸引着磁针的北极。据人造地球卫星球卫星高空测量计算，现在高空测量计算，现在地磁北极的位置为北纬地磁北极的位置为北纬78.50，西经，西经690。地磁北极和地磁南极。地磁北极和地磁南极的连线叫地磁轴。地磁轴与地球自转轴的交角为的连线叫地磁轴。地磁轴与地球自转轴的交角为11.50。两个。两个磁极中间，有一根与地理

14、赤道很相近的圈线，即磁倾角为零的磁极中间，有一根与地理赤道很相近的圈线，即磁倾角为零的那条等值线，称为磁赤道。那条等值线，称为磁赤道。1.1 地球的基本知识 2.地球表面特征和物理性质( (一一) ) 地磁要素地磁要素 地球磁场特征可用地磁要素地球磁场特征可用地磁要素磁场强度磁场强度(F)、地磁倾角、地磁倾角(I)和地磁偏角和地磁偏角(D)来确定来确定。磁场强度。磁场强度F以奥斯特为单位，即对于一个单位磁极的作用力等于以奥斯特为单位，即对于一个单位磁极的作用力等于1达因时的磁场强度。由于地磁场强度不超过达因时的磁场强度。由于地磁场强度不超过0.68奥斯特，为了方便起见，奥斯特，为了方便起见，常

15、用伽马常用伽马(r)为单位。为单位。1奥斯特等于奥斯特等于105伽马。伽马。F在水平面上的投影在水平面上的投影H称为水平称为水平强度，它的垂直分量强度，它的垂直分量Z称为垂直强度，它与水平面的夹角称为垂直强度，它与水平面的夹角I为磁倾角，及与为磁倾角，及与正北方向的夹角正北方向的夹角D为磁偏角；在习惯上，磁偏角是指地磁北极对于地理北为磁偏角；在习惯上，磁偏角是指地磁北极对于地理北极的偏角。地磁北极在地理北极以东称为偏东，为正；在地理北极以西称极的偏角。地磁北极在地理北极以东称为偏东，为正；在地理北极以西称偏西，为负。此外，水平分量偏西，为负。此外，水平分量H还可以分解为向北还可以分解为向北(X

16、)和向东和向东(Y)两个分量。两个分量。根据根据X、Y、Z或或H、D、I，我们便可以确定地磁场强度的大小和方向。磁，我们便可以确定地磁场强度的大小和方向。磁倾角倾角I在磁赤道处为零，向南或向北倾角逐渐加大，当磁倾角为在磁赤道处为零，向南或向北倾角逐渐加大，当磁倾角为900 时，水时，水平强度平强度H为零，该地点就称为磁倾极，它的位置是在不断变化的。为零，该地点就称为磁倾极，它的位置是在不断变化的。等偏线：等偏线：汇聚在南、北两磁极区，将全球分为负偏区和正偏区。汇聚在南、北两磁极区，将全球分为负偏区和正偏区。等倾线：等倾线：大致平行纬度线，零倾线在赤道附近，称为磁赤道。大致平行纬度线，零倾线在赤

17、道附近，称为磁赤道。磁赤道以北，磁倾角为正，以南为负。磁赤道以北，磁倾角为正，以南为负。 I=900偏为磁北极，反偏为磁北极，反之为磁南极。磁南、北极的位置随时间变化，甚至发生倒转。之为磁南极。磁南、北极的位置随时间变化，甚至发生倒转。地磁场水平强度地磁场水平强度H：大致沿纬度排列。赤道附近最大，两极大致沿纬度排列。赤道附近最大，两极 处为零。全球各点处为零。全球各点H都指向北。都指向北。地磁场垂直强度地磁场垂直强度Z：大致与等倾线相似。磁赤道上为零。向大致与等倾线相似。磁赤道上为零。向两极绝对值增大。北半球两极绝对值增大。北半球Z方向向下，为正值；南半球方向向下，为正值；南半球Z方向方向向上

18、，为负值。向上，为负值。地磁场总强度地磁场总强度T：致沿纬度分布。由磁赤道向两极逐渐增大。致沿纬度分布。由磁赤道向两极逐渐增大。( (二二) ) 地磁场的变化地磁场的变化 地磁场的变化可分为长期的和短期的。短期变化地磁场的变化可分为长期的和短期的。短期变化又可分为平又可分为平静变化和干扰变化两类。平静变化指经常出现、有一定周期和规律的变化，静变化和干扰变化两类。平静变化指经常出现、有一定周期和规律的变化，它包括有：与日、月、地相对位置有关的太阳日变化及季节变化。干扰变化它包括有：与日、月、地相对位置有关的太阳日变化及季节变化。干扰变化的原因较多、较复杂：小的干扰变化大都是地区性的，大干扰则是全

19、球性的，的原因较多、较复杂：小的干扰变化大都是地区性的，大干扰则是全球性的，其中磁暴变化的幅度可达几千伽马。磁暴与太阳活动、空间电流、宇宙线、其中磁暴变化的幅度可达几千伽马。磁暴与太阳活动、空间电流、宇宙线、极光和高空辐射带等现象有关。极光和高空辐射带等现象有关。 消去各地磁要素的短期变化后，就可得出地球基本磁场的消去各地磁要素的短期变化后，就可得出地球基本磁场的长期变化长期变化。地面各点长期变化不同，地磁变化率最大的地点，称为长期变化焦点。这些地面各点长期变化不同，地磁变化率最大的地点，称为长期变化焦点。这些点目前在缓慢地向西移动，平均每年移动约点目前在缓慢地向西移动，平均每年移动约0.30

20、。有人认为，这种向西漂移，。有人认为，这种向西漂移，可能是由于地幔和地核在转动上的差异造成的。可能是由于地幔和地核在转动上的差异造成的。短期变化：短期变化： （A）平静变化：）平静变化：按一定周期连续出现的平缓而规律的变按一定周期连续出现的平缓而规律的变化。例如地磁日变、季变等。化。例如地磁日变、季变等。不同季节磁场垂直分量不同季节磁场垂直分量Z的日变曲线的日变曲线 不同纬度上磁场垂直分量不同纬度上磁场垂直分量X、Y、Z的日变曲线的日变曲线 （B）扰动变化：）扰动变化：偶然发生、短暂而复杂的变化。例如磁偶然发生、短暂而复杂的变化。例如磁暴、地磁脉动等。暴、地磁脉动等。 磁暴：一种几乎全球同时发生的强烈磁扰动。一般