概论二第3章 地球现状2015

1、第三章 地球的现状3.1 地球的形状、大小和基本性质n由于自转所形成的离心力和万有引力的共同作用，地球是一个两极半径比赤道半径略小的（21km）旋转椭球体。n实际测量表明，地球不仅是两极被压扁，而且沿赤道也有某种程度差别，最大赤道半径和最小赤道半径差达213m，因此地球是一个三轴椭球体。n由于地球自身的章动，南极半径比北极半径略小，因此地球的形态呈鸭梨状。3.1.1 地球的形状n实际上，地球表面形态非常复杂。与地球表面形态最接近的是地球体，其表面与重力方向处处垂直。n在大洋水域，地球体表面与完全静止状态的大洋表面一致。如果把这一表面向大陆方向延伸，最终形成一个封闭球体，即构成了地球体。n地球体

2、是与大洋水面相一致的重力位表面(重力等位面，大地水准面)。地球体形态把去掉海水的地形高差扩大5倍后的地球表面形态，与地球体有较大的差别。北极南极赤道旋转椭球面地球形态基本参数高程048-4-820406080面积百分比累计大陆平均高度大洋平均深度km地球表面各高程分布0.86km3.90km 3.1.2 密度和压力n根据万有引力定律和重力资料计算，地球的平均密度为5.52g/cm3。地壳的平均密度为2.8g/cm3，这个比地球平均密度小，因此可以推断地球内部密度应有明显增加。n根据重力与地震资料可以算出地球内部压力随深度的变化：深度（km）101004001000290050006370压力（

3、Mpa）11023.11031.41043.51041.41053.11053.6105深度（km）密度（g/cm3）地球内部的密度分布地球内部重力加速度随深度的变化加速度（m/s2）深度（km）3.1.3 大地热流与地热梯度n由于地球内部蕴涵有巨大的能量，这些能量在正常情况下通过大地热流的形式向地表释放，热流的度量单位习惯上用每秒每平方厘米微卡表示（cal/cm2s）。n对大地热流的研究表明，地球表面不同地区的热流值有很大差异，其热流值大小和该区的地壳活动性有关。资料显示，在大陆最稳定地区（克拉通），热流值一般在0.91.2cal/cm2s，局部地区可高达1.4cal/cm2s或低至0.6c

4、al/cm2s。造山带通常有较高热流值，有些地区可达24 cal/cm2s。广阔大洋盆地热流值与大陆稳定区相近，平均为1.1cal/cm2s，大洋中脊则有较高热流值，一般为2cal/cm2s，最高可达8 cal/cm2s。n全球平均热流值约为1.5cal/cm2s。美国黄石国家公园热泉黄石公园间隙热喷泉老信徒泉(老忠实泉，Old Faithful)黄石公园间歇喷泉黄石公园间歇喷泉区区位于美国西部的黄石公园，是世界最大的间歇喷泉区，可见世界上最为壮观的间歇喷泉活动。区内出露流纹岩、玄武岩等熔岩和火山碎屑岩，地热活动十分强烈，温泉、间歇泉密布，其中有大小间歇喷泉200多处，有60多处的喷射高度在3

5、米以上，最大喷射高度可达6070米。在黄石破火山口之下，大约在地下58千米深处存在一个岩浆房，熔融岩浆不断为黄石公园强烈的水热活动提供热源。n通过钻井和矿井资料获知，地球内部温度随着深度的增加而增大；单位深度内温度的增加量称为地热梯度。n世界不同地区，地热梯度有很大差异：大陆中地热梯度最大的在美国俄勒冈州，地热梯度为150C/km，最小的则在南非，地热梯度仅为6C/km，大多数地区地热梯度值在2050C/km范围内变化。n上述地热梯度变化值可能只适应于上地壳。如果按30C/km的地热梯度估算，地表以下100km的深度位置上的温度应该大约为3000C；但从这一深度上升的岩浆，温度大约只在1100

6、1200C。超过这一温度，在该深度下的岩石将熔融成岩浆，使地震横波无法通过，这与观测结果显然是不相符的。n地球内部较深处的温度主要是根据一些间接资料估计的。在地幔、地核深处，用来计算温度热流值、岩石热导率、地热梯度等参数都是很难得到，甚至连岩石的准确成分都不很清楚。n推测：推测：地球内部地热梯度大大减小，但温度还是随着深度增加而增加，地幔温度在10003700C之间，外核温度在37004300C之间，内核温度约为5000C。3.1.4 地球的磁场The Earths Magnetic Field (Merrill R.T., 1983): p82:North (south) magnetic

7、pole: Point on the earths surface where the magnetic inclination is observed to be +90 (-90)-地磁学北磁极/南磁极的定义Geomagnetic north (south) pole: Point where the axis of the calculated best fitting dipole cuts the surface of the earth in the northern (southern) hemisphere-地磁学地磁北/南极的定义 地球地球磁场：磁场：磁层顶磁层顶以下以下固体

8、固体地球内部和外部所地球内部和外部所有场源有场源产生的磁场产生的磁场总和总和. 磁层顶磁层顶以外的磁场称为以外的磁场称为星际星际磁场磁场(interplanetary magnetic field, IMF)，场源为太阳（太阳风场源为太阳（太阳风等等离子体离子体: plasma-solar wind) 地球磁场的场源地球磁场的场源: 磁化磁化介质和电流体系介质和电流体系(地表内地表内源场源场，2000km 磁化介磁化介质质) 磁场测量特点：磁场测量特点：总量测总量测量，量，不能分源不能分源测量！测量！70400拉普拉斯方程的解拉普拉斯方程的解 地球半径u18381838年年Gauss Gaus

9、s 地磁学概论地磁学概论数学分析（高斯理论）数学分析（高斯理论） 内源场内源场外源场外源场主磁场主磁场 地球外核 5000070000nT 偶极子场为主局部场局部场 居里点以上地壳 10010000nT 不规则感应场感应场 地壳、上地幔和海洋 下述四种变化场的1/2 一般具全球性规则磁暴场规则磁暴场 磁层 150500nT 近似均匀的外场，持续4-10h，恢复2-3天不规则磁暴场和亚暴场不规则磁暴场和亚暴场 电离层和磁层 100-200nT 全球场，极光带最强，5-100min日变化日变化 电离层 50-200nT，全球场，24、12、8h周期脉动脉动 磁层 10-100nT，准全球场，130

10、0s（准周期）地磁场的基本组成地磁场的基本组成n地球就像一块巨大的磁铁，周围环绕着磁力线，构成了地球的一个保护圈。地磁场的主磁场是一个偶极场，现代地磁南/北极位于地理南/北极附近，但并不重合。n磁偏角：由于地磁轴与地理轴不重合，以及地壳内岩石所含磁性矿物组成和分布、及其磁化方向的不一致，导致了磁偏角的产生。磁偏角是以当地罗盘磁针方向（即当地磁力线方向）与地理经度线的夹角定义的（或观测点地磁场水平分量与地理北之间的夹角）。n磁倾角：观测点磁力线与水平面之间的夹角称为磁倾角（或观测点地磁场总强度矢量与水平面之间的夹角）。磁倾角由地磁赤道至两极地区逐渐增大。n地球磁场起源：在地球自转过程中，由于液态

11、外核产生了复杂的对流，产生了电流体系，从而导致了主磁场的产生和长期变化。地磁南地磁南/北极北极(Geomagnetic N/S pole)南南/北磁极北磁极(N/S magnetic/dip pole)地磁赤道地磁赤道(Geomagnetic Equator)磁赤道磁赤道(Magnetic/Dip Equator)现代地磁场现代地磁场 地球磁场的存在大大减少了太阳辐射对地球的影响；高纬度地区，电子沿磁力线的运动可以到达地离层高度，电子与电离的中性大气粒子碰撞可以产生极光(aurora)。行星际磁场地磁场磁重联现象磁层顶磁层顶n地球磁场会对地壳内居里等温面之上的岩石产生影响，使岩石获得剩余磁性；

12、且剩余磁化方向与岩石形成时的地磁场方向一致：岩石对地质历史时期地球磁场的记录。n对岩石剩余磁化及岩石形成历史的研究发现，地球磁场（主磁场强度和方向）是不断变化的；甚至发生过地磁南极变成了地磁北极、地磁北极变成了地磁南极，也就是发生了地磁场极性倒转。极光：极光：带电粒子沿磁力线运动，与中性粒子碰撞的结果阿拉斯加极光阿拉斯加极光共轭极光共轭极光地磁极地磁极地磁极地磁极现在地磁场形态 约78万年前地磁场形态 地磁极性倒转：过去160 Ma的地磁极性年表（GPTS） 古地磁定年：地层相对年龄的确定方法3.1.5 地震波传播和地球波速结构n纵波纵波(longitudinal wave)振动方向与传播方向

13、一致，P波：声波n横波横波(transverse wave)，又称凹凸波，振动方向与传播方向垂直，S波：电磁波、电波n面波：面波：沿介质界面传播的地震波地震波在地球内部的传播地球的波速结构n地壳、地幔、地核构成了地球的内圈，内圈划分主要依据地震波地震波在地球内部传播速度的变化来确定。低速带岩石圈S波P波下地幔液态外核固态内核上地幔莫霍洛维奇面莫霍洛维奇面19091909古登堡面古登堡面191419143.1.6 地球的圈层结构n外圈 大气圈 水圈 生物圈n内圈 地壳 地幔 地核大气圈n大气圈大气圈：厚度在几万千米以上，压力每上升20千米减小10倍。温度变化与大气热源有关。n对流层对流层：从地面

14、到赤道上空17千米高度，两极约9千米高度。气温来源于地面辐射，温度随高度增加而降低 ， 可 降 至 赤 道 -53C，两极-83C 。n平流层平流层：从对流层底部至50千米高度。温度随高度的增加上升至0C以上，主要原因是因为臭氧吸收了紫外线辐射。15-50(km)臭氧层臭氧层密度压强温度分子量扩展知识：扩展知识：按电离度，大气可分为中性层(1000千米)极地高压区盛行西风带副热带高压带副热带高压带信风带赤道无风带极地环流圈中纬环流圈热带环流圈大气环流图全球大气大规模运动的基本状态平均经圈环流平均纬圈环流水圈n 水圈：水圈：地球表层的水体，大部分汇聚在海洋中；一部分分布在陆地上的河流、湖泊、冰川

15、和土壤和岩石孔隙中；极少部分分布在大气圈和生物圈中。n 由于海洋水海洋水具有很高的盐度，很难被人类所开发利用，人类所能利用的水资源只占总水体体积不足3的比例。n 生命离不开水生命离不开水，人类应该象珍惜自己生命一样珍惜每一滴水。地球水圈水的分布地球水圈水的分布单位：106km3水的循环系统生物圈 大气圈10km高空、地壳中3km的深处都有生物存在； 生物可在-250180C，8000个大气压下存活。主要分布在阳光、空气、水分和有机质充足的地表和浅海附近； 地球上生命的存在至少有30多亿年的历史，但直到5.5亿年前的寒武纪，地球上的生物才有了突飞猛进的发展； 地球上的生物在漫长演化过程中已经形成

16、了相互依存的关系，即生物链。人类只不过是生物链中的一个环节，破坏了生物链的正常运转，造成的恶果也只能是人类自己去吞食。生长在大洋深处的水螅生长在海底的发光生物地 壳 莫霍面：地球内部的一级地震界面，也是地壳和地幔的分界面。由南斯拉夫地震学家莫霍洛维奇1909年提出，在大陆地区位于地表以下30-75km处；在大洋地区位于5-12km处。 康拉德面：地壳中的一个地震界面，通常作为上下地壳的界面，康拉德面并非全球连续；P波：从4.5-5.0km/s突变为6.0km/s; 上地壳的主要物质成分是以硅铝质矿物组成的岩石，其密度大约为2.5g/cm3，也叫花岗岩层；下地壳的主要物质成分是镁铁质矿物组成的岩

17、石，其密度大约为3.0g/cm3，也叫玄武岩层。这种观点目前正受到严峻的挑战，来自俄罗斯科拉半岛超深钻的资料表明，康拉德面以下岩石仍然是硅铝质片麻岩或麻粒岩，这个结果正在改变地质学家对地壳的传统认识。 大洋地壳不存在康拉德面！洋中脊上方由于壳幔分异还未完成，没有地震波速的突变。 大陆与大洋地壳有显著差异：成分、结构、时代、厚度。地 壳 均 衡 原 理 示 意 图 地壳厚度：在大陆的造山带地区最厚，在大洋地区最薄，青藏高原的地壳厚度达到78km，而在大洋的一些地区甚至不到5km。 地壳均衡原理：地壳厚度变化可以用阿基米德原理加以解释，地壳在地幔之上如同漂浮在水面的木块，在地幔某一深度面上，上覆岩

18、石对地幔压力处处相等，处于一种均衡状态。地 幔古登堡面：古登堡面：位于地表以下2900km处一级地震界面，是地幔与地核的分界面；上地幔：上地幔：上部密度大约为3.33.4g/cm3，其物质成分一般认为是由橄榄石、辉石和石榴子石按不同比例组成的；下地幔：下地幔：物质成分与上地幔基本相似，所不同的是物质发生了化学键的转变，由离子键转变成共价键时，物质的密度可以提高18。在2900km深处的地幔底部，其密度达到5.65.7g/cm3。地 核地核：也可分为上下两个部分，在深度4980km以上的部分称为外核，以下部分称为内核, 由于S波不能在外核中传播，所以外核应该是液态的；外核：密度由地幔底部的5.6

19、5.7g/cm3，急剧跳跃到9.7g/cm3，然后逐渐增加到11.5g/cm3，推测地球外核由氧化铁组成，在巨大的压力下它不仅是熔体，而且相变为密度更大的金属相；内核：物质密度最大，大约是12.513g/cm3，主要由铁和镍组成，也可能有其它元素存在。岩石圈和软流圈板块构造学说建立过程中，地质学家对地球圈层结构有了新的认识：在大约200千米深度上，有一个S波低速层。由此推测该层物质塑性程度较高，在动力作用下可以发生缓慢流动，并称之为软流圈。岩石圈：软流圈之上的地壳和上地幔的坚硬部分。3.2 地球的受力状态地球上的每一个质点都受到万有引力的作用，万有引力来自两个方面：一是地球上所有物质之间的引力

20、，二是太阳和月亮的引力。太阳和月亮对地球上质点的万有引力随地球的自转和公转、月亮绕地球的旋转而发生周期性变化。 由于地球是旋转椭球体，地球表面质点所受地球的万有引力并不都是指向地心；只有两极和赤道才指向地心，其它质点则需要通过椭球积分来计算。 由于矢量的椭球积分比较复杂，且地球的扁率很小；通常情况下，可以近似认为地球引力指向地心。地球自转产生的力有两种最基本形式：旋转旋转离心力和科氏力离心力和科氏力。地球自转时地球上每一个质点都绕着自转轴作圆周运动，同时产生离心力离心力。地球两极质点的线速度最小，所受离心力最小；赤道地区质点线速度最大，所受离心力也最大。科科氏力氏力的形成与物质在旋转体上的运动

21、方向有关。北半球河流的右岸总是受到强烈的侵蚀就是科氏力作用的结果。 日月万有引力和地球自转离心力的合成形成了引潮力。其对地球作用的最明显结果就是海水的潮汐过程。 引潮力同样可以造成地球固体物质的潮汐作用，称为固体潮。 由于地球自转，引潮力对地球的作用还有扭矩，其结果是使地球物质产生向西的运动趋势。 同样，地球固体物质也会产生自东向西的运动。岩石圈位于固体地球最外层，所受扭矩最大，发生向西运动的可能性也最大。引潮力 原定义：地球表面静止物体所受重力是地球对物体万有引力中不能产生加速度的那个分力，能产生加速度作用效果的分力，是物体随地球自转所需的向心力。重力作用的趋势就是使密度大的物质向地心方向迁

22、移，也是地球在漫长演化历史中形成了现今密度分层的原因。 新定义：把宇宙中星球视为质点之后，在静力学范围内，以放置物体的支持物或物体自身为非惯性参照物，物体所受各万有引力与各惯性力的合力叫重力。GF地地f地地F向向新定义：新定义：GF地地f地地原定义：原定义：F地地GF向重力3.3 地球的能量系统 地球并非一个封闭体系，她每时每刻都在宇宙中运动着，同时也在宇宙中进行着能量与物质交换。 能量和物质总是紧密地联系在一起的，伴随着物质的获得或丧失，地球系统也同时获得或丧失了能量。 在地球的能量系统中起主要作用的能量形式大致可以分为三大部分：太阳能、放射能和物理能。 太阳能：地球从太阳辐射中获得的能量。

23、虽然地球从太阳辐射中所获得的太阳能只是太阳辐射能的22亿分之一，但地球平均每秒钟仍可获得1.81017焦耳的太阳能。 太阳辐射使植物和依靠光合作用繁殖的藻类生物大量繁殖，构成生物链的基础，并在一定条件下可以转化成煤和石油储存起来。太阳能还可以使大气发生环流形成风能，使水蒸汽上升构成水的势能。因此，太阳能是地球生物活动（包括人类在内）的主要能源。 放射能：地球中的放射性物质在衰变过程中所产生的热能。由于地球所含放射性元素很多，放射性物质总量也很大，由放射性物质所产生的热能达到1.21014焦耳/秒。中子中子物理物理能：能：主要包括地球的旋转能（包括自转和公转）和引力能。地球的旋转能在一定时间尺度

24、内基本保持在一定总量范围里。地球公转所具有的能量在太阳系中处于平衡状态；只有在与其他天体相互作用时才发生改变。因此，对地球本身的物质运动和平衡的影响要么是一种长周期的作用，要么是一种灾难性的作用。据地球的自转速度计算，现今地球自转的能量约为2.141029焦耳。这样巨大的能量哪怕有亿分之一的变化，也将产生相当于34,000次8级地震的能量变化，引起地球剧烈变动。地球的重力是地球物质产生的万有引力和自转离心力合力，构成了地球重力场重力场。重力能是一种势能，只有物质在重力场中发生位移时才产生能量变化。引潮力引潮力：是太阳和月亮的引力对地球共同的作用力。由于地球自转和太阳、月亮与地球的相对位置会发生

25、周期性变化，引潮力也发生周期性变化。引潮力在地球上最明显的结果是引起海水的潮汐变化，其功率大约为1.41012焦耳/秒。引潮力作用钱塘江大潮此外，地球的能量系统中还有化学能、结晶能、生物能等其它能量形式，并在地球演化中起到一定的作用。辰砂矿物结晶过程中也会释放能量主要由刚性岩石组成的岩石圈热导率很低：根据地壳的平均热流值计算，地壳的平均散热量为1.81013焦耳/秒。因此仍有大量热能在地球内部积聚，构成了地球内动力地质作用的能量基础。地球内部能量：积累到一定程度后就会转化成物质运动的形式释放，导致了火山、地震和构造运动等内动力地质作用的发生。3.4 地球的物质系统 地球物质是由元素组成的，由于

26、地球经历了漫长的演化历史，各圈层的物质组成也存在很大的差异。 地壳中各种元素的分布情况直接关系到人类的生存环境，了解地壳中各种元素及其同位素的分布情况，特别是元素的平均含量及各种元素的地球化学行为，对阐明元素的富集、扩散、迁移规律及其对人类生存的影响具有重要意义。3.4.1 地球的物质组成固体地球的主要元素组成占地球质量百分比98铁、氧、硅、镁镍、硫、钙、铝地核的主要元素地壳与地幔的主要元素铁和镍 金属状态氧、硅、铝、铁、镁大气圈的主要元素水圈的主要元素氮、氧氧、氢生物圈的主要元素氧、碳、氢地壳中主要元素(质量百分数) 美国地调局化学家F.W. Clark(18471931)首次(1908)确

27、定了地壳中元素的平均含量-地壳元素丰度：地壳中元素平均重量百分比（）。 占据98%的地壳重量的8种元素： O、Si、Al、Fe、Ca、Mg、Na、K。 氧的克拉克值接近于半数(46.6%)，原子数60.5%，体积93.8%，Si位于第二位(27.7%, 20.5%, 0.9%)。 氧、硅是地壳中最多最常见的元素。克拉克(F.W. Clark，1847-1931)曾据5159个采自世界各地的岩石样品的化学分析数据，求出代表16km厚地壳层中50种元素的平均含量与总质量的比值，成为地壳元素丰度地壳元素丰度(abundance)。为表彰其卓越贡献，国际地质学会将其命名为克拉克值克拉克值(Clark

28、value)，用其质量分数(%, g/t) n地壳中的元素在极少情况下是以单质的存在的（如金、金刚石等），绝大多数情况是以化合物的形态存在的；n这些化合物的形成除了受元素本身的结构和化学性质所决定外，还受到外界的物理化学条件所控制。不管是单质还是化合物，它们都是以独立矿物的形式在地壳中存在的，并构成的地壳的主体岩石；n极少数微量元素，由于丰度很低，很难以独立矿物形式存在，这类元素常以类质同象的形式或胶体吸附的形式存在于其它矿物中。碳元素在高温高压下形成的单质矿物金刚石 浸染状集合体 金黄色 强金属光泽 硬度 2.5 比重 19.30地壳中最常见的化合物石英 矿物：由地质作用形成的，在正常情况下

29、呈结晶质元素或无机化合物，是组成岩石的基本单元。 晶体：其内部原子或离子在三位空间呈周期性重复排列的固态物质。下列物质中那些是矿物？人造水晶，人造金刚石，水，冰，天然气，石油，煤，花岗岩，石墨，金刚石，长石，石英，黑云母，自然金，大理岩3.4.2 元素的地球化学行为 元素的地球化学行为除了与元素元素本身性质本身性质密切相关外，还与元素及其化合物的赋存环境赋存环境有关。不同的物理化学条件，元素会表现出不同的行为特征，形成不同的化学平衡。如碳元素在正常情况下形成石墨，在高温高压条件下可以形成金刚石；又如石膏和硬石膏在不同条件下的化学平衡： CaSO4 + 2H2O CaSO4 H2O + H2O CaSO42H2O元素示踪：根据元素的行为特征，可以进行各种示踪研究，尤其是稳定同位素的示踪作用，为研究地球的物质循环、运动等方面的研究，提供了可借鉴的方法。如：碳循环、氧循环、铍同位素、钕同位素示踪等。3.4.3 地球物质的运动形式宏观运动：以地球物质的集合体形式发生的，其规模可以大到地幔对流、板块运动等，并可以在瞬间释放巨大的能量。微观运动：微