第三章_地球的物理性质和圈层结构

1、第三章第三章地球的物理性质地球的物理性质与圈层结构与圈层结构教学要求：教学要求：1.1.本章介绍本章介绍地球的几种重要物理性质地球的几种重要物理性质，包括，包括地球的地球的密度和质量密度和质量，弹性弹性 、塑性与粘性，、塑性与粘性，重重力场、压力、磁场、能量；力场、压力、磁场、能量；地球的圈层划分、地球的圈层划分、内部圈层结构及圈层耦合内部圈层结构及圈层耦合。2.2.学生应该学生应该理解理解地球的几种重要物理性质地球的几种重要物理性质 。 掌握掌握地球的内部圈层结构；地球的内部圈层结构；理解理解圈层耦合。圈层耦合。理解理解地球的物理性质和圈层结构之间互为因地球的物理性质和圈层结构之间互为因果的

2、关系。果的关系。 并且可以看到、听到，研究物理性质的历并且可以看到、听到，研究物理性质的历史中产生过许多优美的科学传奇，从中可史中产生过许多优美的科学传奇，从中可以帮助领略地学家是如何巧妙地揭开地球以帮助领略地学家是如何巧妙地揭开地球内部奥秘的这一精神。内部奥秘的这一精神。主要内容：主要内容：1.地球的密度与弹性地球的密度与弹性1.1 地球的密度和质量地球的密度和质量1.2 地球的弹性地球的弹性 、塑性与粘性、塑性与粘性1.3地球的振荡与摆动地球的振荡与摆动 2 .地球的重力场地球的重力场2.1 地球的重力地球的重力2.2 重力均衡重力均衡 2.3 地球的压力地球的压力3.地球的磁场地球的磁场

3、3.1 地磁场的特征地磁场的特征3.2 地磁场的起源地磁场的起源3.3 大陆漂移和大陆漂移和地磁场反转地磁场反转3.4 地磁场在地学中的应用地磁场在地学中的应用4.4.地球内部的能量地球内部的能量4.1 4.1 地球内部的能量地球内部的能量4.2 4.2 地幔部分熔融地幔部分熔融5.5.地球内部圈层的结构与圈层耦合地球内部圈层的结构与圈层耦合5.2 5.2 内核差异旋转内核差异旋转5.3 5.3 圈层耦合圈层耦合5.4 地球系统的自然驱动力地球系统的自然驱动力提示：地球的物理性质和圈层结构地球的物理性质和圈层结构是互是互为因果的为因果的； 地球的物理性质和圈层结构地球的物理性质和圈层结构对地对

4、地球的运动和演化有决定性的制约作球的运动和演化有决定性的制约作用用； 研究物理性质的历史中产生过许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学家是如何巧妙地揭开地球内部地球内部奥秘奥秘的。的。1. 地球的密度与弹性地球的密度与弹性1.1 地球的质量和密度地球的质量和密度 密度密度= =质量质量体积体积地球的质量地球的质量 M=5.9472M=5.947210102424t t，若一头大象的质量以平均若一头大象的质量以平均3t3t计计, , 相当于相当于1.98241.982410102424t t 即约等于即约等于2 2万亿

5、兆头大象的质量。万亿兆头大象的质量。怎样判断地球是球体？怎样判断地球是球体？据据遥感卫星影像观测遥感卫星影像观测：地球北极凸出：地球北极凸出10米，南极凹米，南极凹进约进约30米；北半球的中纬度区稍稍凹进，南半球稍米；北半球的中纬度区稍稍凹进，南半球稍稍凸出。稍凸出。 地球非严格的旋转椭球体地球非严格的旋转椭球体。n密度密度= =质量质量体积体积 质量质量= =体积体积密度密度 牛顿定律：牛顿定律：F=mg, G=fm/r2 M=gr2/f 如何求得地球半径呢？如何求得地球半径呢？几何学常识几何学常识+天文学测量天文学测量一段圆弧的长度与其对应的圆心角成比例一段圆弧的长度与其对应的圆心角成比例

6、 弧弧AB对应的圆心角正是对应的圆心角正是AB两点对应的天顶角两点对应的天顶角 AB地球的质量及其计地球的质量及其计算算求地球的引力常求地球的引力常数数附加引力法附加引力法密度密度= =质量质量体积体积 ，则计算出，则计算出地球的平均密度地球的平均密度为为5.516g/cm3 。但实际测量却发现但实际测量却发现，地表常见沉积岩地表常见沉积岩的的平均密度只有平均密度只有 2.60g/cm3 。地表的花岗岩地表的花岗岩的密度为的密度为 2.85g/cm3 。 地震时，在地球内部出现的弹性波，称为地震时，在地球内部出现的弹性波，称为地震波地震波，主要包括纵波（主要包括纵波（P波）和横波（波）和横波（

7、S波）。波）。原理原理地震波通过地震波通过不同密度介质不同密度介质时的波速不同，时的波速不同，在越过两种不同介质时还会发生反射、折射现象。在越过两种不同介质时还会发生反射、折射现象。 ABN地球内部密度地球内部密度的确定的确定地震地震波波经验公式与结论：介质密度（ ） =0.27Vp+1.07.100/hp g/cm3 15 10 5 2000 4000 6000 km 内 核 外 核 地 幔 地 壳图 3 2 一 种 地 球 内 部 物 质 密 度 变 化 的 推 断 模 型地内密度测量有三处突变，反地内密度测量有三处突变，反映了密度（和物质）的不连续映了密度（和物质）的不连续: .100/

8、hp由地表到地心，密度依次递增；由地表到地心，密度依次递增； 由横波不能通过外核，推断出外核由横波不能通过外核，推断出外核是液态的。是液态的。结论：结论：地球内部物质分布是不均匀的。地球内部物质分布是不均匀的。1.2 地球的弹性地球的弹性 、塑性与粘性、塑性与粘性弹性弹性变形与受力成正比。变形与受力成正比。海洋潮汐：日月引力作用引起的海洋潮汐：日月引力作用引起的海面海面周期性升周期性升降现象。降现象。 固体潮固体潮：日月引力作用日月引力作用引起地球的引起地球的固体表层固体表层周周期性升降现象。期性升降现象。 陆地表面的升降幅度可达陆地表面的升降幅度可达7-15厘米。即是厘米。即是地球地球在日月

9、引力作用下在日月引力作用下发生的弹性发生的弹性变形变形。说明固体地球。说明固体地球有一定的弹性有一定的弹性。塑性塑性外力消失后部分变形不能恢复。外力消失后部分变形不能恢复。如岩石褶皱：地壳的如岩石褶皱：地壳的塑性变形塑性变形表现。表现。 地球的弹性、塑性及其转动趋势：月地靠拢。地球的弹性、塑性及其转动趋势：月地靠拢。 地球的弹性、塑性都是相对的，在不同的地球的弹性、塑性都是相对的，在不同的受受力、变形力、变形条件下，表现不同条件下，表现不同 。例：。例：P.63。粘性粘性外力消失后变形还可能继续。外力消失后变形还可能继续。 如：斯堪底纳维亚半岛冰后期（因冰盖消失）如：斯堪底纳维亚半岛冰后期（因

10、冰盖消失）的的地形回升地形回升。 缩 振 荡 n=0 n=1 n=2 扭 转 振 n=1 n=2 n=3 荡1.3 地球的振荡与摆动地球的振荡与摆动1.3.1 地球的振荡地球的振荡涨缩振荡涨缩振荡扭转振荡扭转振荡1.3.2 地球的摆动地球的摆动钱德勒摆钱德勒摆动动定义：定义：地球围绕其自转轴的摆动地球围绕其自转轴的摆动，叫地，叫地球的自由章动（也叫球的自由章动（也叫钱德勒摆动钱德勒摆动，在，在1891年以它的发现者美国业余天文学家年以它的发现者美国业余天文学家S.C.钱德勒命名）。钱德勒命名）。 摆动摆动呈周期性变化呈周期性变化，周期约，周期约430-435天天 。 激发机制激发机制：被认为是

11、一种被认为是一种综合作用综合作用,部分部分是固体地球与大气相互作用的结果是固体地球与大气相互作用的结果,部分部分则有可能与大地震引起的地幔物质重新则有可能与大地震引起的地幔物质重新分布相关。分布相关。 2.地球的重力场地球的重力场地球重力作用的空间，称为地球重力作用的空间，称为重力场重力场。地球的地球的重力构成重力构成 地壳 r P 地幔 R F G 地核 a. 地心 b. 图 34 地球重力图解G重力；F引力；P离心力； R地球半径；r纬圆半径 由于离心力（由于离心力（P P）只有重力的约）只有重力的约1/3001/300，故在一般，故在一般情况下，多以引力（情况下，多以引力（F F）近似代

12、替重力（）近似代替重力（G G）。）。地表地表的重力分布的重力分布: G地表地表=fm/r2 G地表：地表： 离地心越远越小。离地心越远越小。 故：在不同地区，不同深度部位的重力都不相同。故：在不同地区，不同深度部位的重力都不相同。2.1 地球的重力分布地球的重力分布 故：故：在地球内部，不同深度部位上的重在地球内部，不同深度部位上的重力会受到不同因素的综合影响。力会受到不同因素的综合影响。w地下地下的重力分布：的重力分布：G地下地下=fm/r2 G地下地下 ：大小看大小看m、r2 谁占主导。谁占主导。 地心地心的重力计算：的重力计算： 故：在地心处，计算重力的公式与其它故：在地心处，计算重力

13、的公式与其它部位的计算有所不同。部位的计算有所不同。;3/43rv. 3/4/rfGvM地心G地心地心 (因地心处的因地心处的r=0)G=fm/r2 n 重力异常重力异常：将地球视作一个圆滑的均匀球：将地球视作一个圆滑的均匀球体，计算得出的重力值称作体，计算得出的重力值称作理论重力值理论重力值。地球的地面起伏甚大，内部的物质密度分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布也极不均匀，在结构上还存在着显著差异（即往往与地质构造和矿体的存在相联异（即往往与地质构造和矿体的存在相联系）。这些都使得系）。这些都使得实测的重力值实测的重力值与理论值与理论值之间之间有明显的

14、偏离有明显的偏离，在地学上称之为，在地学上称之为重力重力异常异常。利用这一原理，可以通过发现各地的利用这一原理，可以通过发现各地的局部重局部重力异常力异常来进行找矿和勘查地下地质构造。来进行找矿和勘查地下地质构造。重力勘探重力勘探地球上重力场分布地球上重力场分布与地球的构造特别是地壳及上与地球的构造特别是地壳及上地幔的构造有着密切的关系。地幔的构造有着密切的关系。地壳均衡补偿理论地壳均衡补偿理论是从是从19世纪发展起来的关于地世纪发展起来的关于地壳和上地幔结构学说。壳和上地幔结构学说。在高原或者在高山旁边的重力场在高原或者在高山旁边的重力场是地球重力场与高是地球重力场与高原或高山的重力场之和，

15、这就改变了重力场的大小原或高山的重力场之和，这就改变了重力场的大小和方向，变化的大小和方向，变化的大小与高原或高山岩石的密度有关。与高原或高山岩石的密度有关。2.2 重力均衡重力均衡2.2.1 重力均衡模式重力均衡模式1740年法国人布格（年法国人布格（Bouguer）在南美的）在南美的基多（基多（Quito）高原上测量秒摆的长度时，）高原上测量秒摆的长度时，发现高原岩石的密度仿佛特别小。以后他发现高原岩石的密度仿佛特别小。以后他又在一座山旁测量垂线偏差，所得的结果又在一座山旁测量垂线偏差，所得的结果也比预期的小得多，即山的密度只有地球也比预期的小得多，即山的密度只有地球的的1/6或或1/7。

16、当时这种现象未引起人们的。当时这种现象未引起人们的特别注意。特别注意。直到直到1854年印度人普拉特（年印度人普拉特（F.Pratt）在整理喜马拉雅山附近的垂线偏差测量记录在整理喜马拉雅山附近的垂线偏差测量记录时，这种现象才开始受到重视。时，这种现象才开始受到重视。例如，在某一个观测点上，普拉特根据地形例如，在某一个观测点上，普拉特根据地形计算，预计应有计算，预计应有28角秒的垂线偏差，但实角秒的垂线偏差，但实际观测结果只有际观测结果只有5角秒。这表明地下存在角秒。这表明地下存在某种补偿作用，在一定程度上抵消了高山某种补偿作用，在一定程度上抵消了高山的影响。为了解释这种现象，普拉特在次的影响。

17、为了解释这种现象，普拉特在次年（年（1885年）提出一个假设年）提出一个假设普拉特普拉特均衡模式（密度补偿模式）均衡模式（密度补偿模式）。普拉特认为山脉是由于地下物质从某个补偿普拉特认为山脉是由于地下物质从某个补偿深度起，向上膨胀而形成的。深度起，向上膨胀而形成的。山愈高，密度山愈高，密度愈小，但补偿深度以上的每一个截面积相等愈小，但补偿深度以上的每一个截面积相等的岩石柱体的总质量都相等的岩石柱体的总质量都相等。同年（同年（1855年），英国天文学家艾利年），英国天文学家艾利（A.Airy）又提出另一个假设又提出另一个假设艾利均衡模式（深度艾利均衡模式（深度补偿模式）：补偿模式）：艾利认为山脉

18、是较轻的岩石巨艾利认为山脉是较轻的岩石巨块浮在较重的介质上。块浮在较重的介质上。山越高，它的下部伸山越高，它的下部伸入介质的深度也越深入介质的深度也越深，即所谓山有，即所谓山有“根根”。2.2.2 重力均衡原理重力均衡原理 重力均衡原理：重力均衡原理：在在单位截面上，任一单位截面上，任一垂直柱体中的岩石总质量为常数。且垂直柱体中的岩石总质量为常数。且该柱体以一个特殊的补偿面为基底，该柱体以一个特殊的补偿面为基底，补偿面以下的物质处于均质状态。补偿面以下的物质处于均质状态。n 地球某处的压力地球某处的压力是由上覆地球物质的重量产是由上覆地球物质的重量产生的静压力。生的静压力。 在地球表层、地壳和

19、接近地心附近时压力在地球表层、地壳和接近地心附近时压力增增长较平稳长较平稳，在下地幔和外核部分，在下地幔和外核部分增长得较快增长得较快。 压 力 地壳 地 幔 地 核 图 36 地球内部 压力分布曲线2.3 地球的压地球的压力力利用利用密度分布的规律来密度分布的规律来估算地球内部的压估算地球内部的压力力状况，以截面为状况，以截面为1 1cmcm2 2的岩石柱作为压力的岩石柱作为压力的计算表示法，可得到的计算表示法，可得到经验公式经验公式：.100/hp 3.地球的磁场地球的磁场3.1 地磁场的基本特征和地磁要素地磁场的基本特征和地磁要素 3.2 地磁场的成因地磁场的成因3.3 地磁场反转与大陆

20、漂移地磁场反转与大陆漂移3.1.1 地磁场的基本特征地磁场的基本特征（1）磁轴与地球自转轴）磁轴与地球自转轴不重合不重合：偏离：偏离11.5 （2）地磁极的位置）地磁极的位置不固定不固定，逐年发生一定，逐年发生一定变化。变化。（3）地磁极为）地磁极为偶极偶极（地磁南极、地磁北（地磁南极、地磁北极）。极）。（4）磁力线是）磁力线是闭合闭合的。的。3.1 地磁场的基本特征和地磁要素地磁场的基本特征和地磁要素3.2.2 地磁要素地磁要素（P.75 图3-14b）（1）磁场强度（磁场强度（F）： 是一个总强度矢量，可分为水平是一个总强度矢量，可分为水平分量为分量为H、垂直分量为、垂直分量为Z 。（2）

21、磁偏角（磁偏角（D）：水平强度矢量水平强度矢量H 偏离地理北极方向偏离地理北极方向的角度称为磁偏角。的角度称为磁偏角。（3）磁倾角（磁倾角（I）：总强度矢量总强度矢量F 偏离水平面的角度称偏离水平面的角度称为磁倾角。为磁倾角。应用：地磁异常与应用：地磁异常与磁法勘探磁法勘探3.2 地磁场的成因地磁场的成因大约在大约在40-50年代，人们开始抛弃基于年代，人们开始抛弃基于旋转旋转理论理论的各种地磁场成因的假说。的各种地磁场成因的假说。各种旋转理论通常包括实验室里观测到的旋各种旋转理论通常包括实验室里观测到的旋转物质的磁极化（即磁极效应），或包括地转物质的磁极化（即磁极效应），或包括地球内部孤立电

22、荷的旋转效应。前者因比实际球内部孤立电荷的旋转效应。前者因比实际值小几个量级而归于失败，后者也因没有观值小几个量级而归于失败，后者也因没有观测到所需的电场而不成立。测到所需的电场而不成立。因为人们对地球内部结构和物质成分的认因为人们对地球内部结构和物质成分的认识日愈深入，尤其是认识到识日愈深入，尤其是认识到地球液体外核地球液体外核的铁镍成分具有的高导性能的铁镍成分具有的高导性能，为运动与磁，为运动与磁场的相互作用创造条件，即是承认场的相互作用创造条件，即是承认地球内地球内部存在电流，而电流产生感应磁场，部存在电流，而电流产生感应磁场，形成形成地球磁场地球磁场。这就是。这就是发电机学说发电机学说

23、。磁场反向磁场反向的事实，又丰富了发电机学说的内的事实，又丰富了发电机学说的内容，由容，由稳态液核发电机模式稳态液核发电机模式发展成发展成非稳态液非稳态液核发电机模式。核发电机模式。 地核内流体运动地核内流体运动起圆盘发电机转盘的作用。起圆盘发电机转盘的作用。较重要的三种假说：较重要的三种假说：（1）铁磁体假说）铁磁体假说（2）热电假说）热电假说（3）双圆盘发电机假说双圆盘发电机假说目前，地磁场的成因目前，地磁场的成因 至今尚无定论至今尚无定论。 I2 I1 图313 双圆盘发电机原理示意图当两个圆盘在弱的外部磁场当两个圆盘在弱的外部磁场中旋转时，与轴和外缘相交中旋转时，与轴和外缘相交的两根导

24、线的回路中产生方的两根导线的回路中产生方向相反的两种电流。这两种向相反的两种电流。这两种电流形成磁场而极性相反电流形成磁场而极性相反。圆盘旋转频率的差异造成具圆盘旋转频率的差异造成具有一种极性的场占优势；当有一种极性的场占优势；当频率比值改变时，便出现频率比值改变时，便出现磁磁场反转场反转。双圆盘发电机模双圆盘发电机模型型3.3 地磁场反转与大陆漂移地磁场反转与大陆漂移 3.3.1古地磁与大陆漂移古地磁与大陆漂移磁场的存在会导致磁场的存在会导致岩石发生磁化岩石发生磁化，而，而磁场的变化磁场的变化会在磁化的岩石中留下记录。会在磁化的岩石中留下记录。由于具有不同的剩由于具有不同的剩磁特征，岩石成为

25、研究古磁场的特殊磁特征，岩石成为研究古磁场的特殊“化石化石”。从对岩石的磁性、特别是对它们剩磁方向的研究，从对岩石的磁性、特别是对它们剩磁方向的研究，可以弄清楚岩石磁化时在地球上的位置。可以弄清楚岩石磁化时在地球上的位置。 古地磁研究在板块构造理论的兴起和确定过古地磁研究在板块构造理论的兴起和确定过程中起了十分关键的佐证作用。在地磁极与程中起了十分关键的佐证作用。在地磁极与地球自转极性一致的前提下，某地的地球自转极性一致的前提下，某地的磁倾角磁倾角I I可以由该点的可以由该点的纬度角纬度角来确定。两者之间的关来确定。两者之间的关系为系为 .2tgtgI n 如果大陆是固定不动的，从各大陆的古地

26、磁如果大陆是固定不动的，从各大陆的古地磁学资料中就可以确定地球自转极随着时间流逝而学资料中就可以确定地球自转极随着时间流逝而发生的移动。发生的移动。理论上理论上自转极移动曲线自转极移动曲线只可能有一只可能有一条，因此无论在哪个大陆上所确定的地球自转极条，因此无论在哪个大陆上所确定的地球自转极移动的曲线都应该一致。移动的曲线都应该一致。n但但实际上实际上，不仅每个现代大陆计算的结果大不相，不仅每个现代大陆计算的结果大不相同，同一大陆内部的不同地区也有明显的差异，同，同一大陆内部的不同地区也有明显的差异，这只能是因为各这只能是因为各大陆曾发生大陆曾发生过不同程度、不同方过不同程度、不同方向的向的聚

27、散聚散和和漂移漂移（第五章学习）所致。（第五章学习）所致。磁偏角在几十到几百年的时间内，大致沿着纬线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，这一性质被称作方向平稳地向西移动，这一性质被称作地磁场的地磁场的向西漂移向西漂移。漂移速率约每年为。漂移速率约每年为0.18 .此外，此外，地磁场还有地磁场还有时间尺度更短的时间尺度更短的昼夜变化昼夜变化。一。一天磁极所发生的位移平均天磁极所发生的位移平均100km 。3.3.2 磁极漂移与磁性倒转事件磁极漂移与磁性倒转事件地磁极地磁极还出现过还出现过 “反转反转”，即南、北极互相颠即南、北极互相颠倒的现象倒的现象。在距今大约在距今大

28、约100100万年前，地磁场的方向和现在万年前，地磁场的方向和现在完全相同。这一时期称作完全相同。这一时期称作地磁场的正向期地磁场的正向期。但。但在更早的时代，通过对岩石磁法研究的结果，在更早的时代，通过对岩石磁法研究的结果，其磁化方向多数与现代地磁场的方向相反，称其磁化方向多数与现代地磁场的方向相反，称其为其为反向期反向期。 0 布容正向期 1年 贾拉米洛事件 2 松山反向期代 奥尔杜瓦事件百万 3 曼莫斯事件 高斯正向期年 吉尔伯特反向期 4图 314 距今 400 万年以来的磁场变化四百万年来的磁性倒转事件四百万年来的磁性倒转事件n 地球地球从太阳吸收的能量从太阳吸收的能量每年大约为每年

29、大约为4.24.210102424 焦耳，超过地球上全部煤炭储量焦耳，超过地球上全部煤炭储量完全燃烧后所能够获得的热能的完全燃烧后所能够获得的热能的300300倍。倍。其中其中1/31/3左右的能量被左右的能量被大气圈和地球表面大气圈和地球表面反射掉反射掉，并直接分散到宇宙空间中去。剩，并直接分散到宇宙空间中去。剩下的下的2/32/3被地球表层系统吸收被地球表层系统吸收，再以各种，再以各种方式转化为地球演化所需的能源。方式转化为地球演化所需的能源。地球能量有外部和内部两个来源4. 地球内部的能量地球内部的能量 4.1 4.1 地球内部的能量地球内部的能量 地球内部热能的地球内部热能的来源问题尚

30、无定论来源问题尚无定论。一般认为，。一般认为，由岩石中由岩石中放射性元素衰变释放的热放射性元素衰变释放的热是地热的主要来是地热的主要来源。这种热能据估算可以达到每年源。这种热能据估算可以达到每年2.142.1410102121焦耳。焦耳。其次，因其次，因地球本身的重力作用地球本身的重力作用过程也可以转化出大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。量热能，其总热量可能十分接近于放射性热能。此外，此外，地球自转的动能地球自转的动能和和地球物质不断进行的化学地球物质不断进行的化学作用作用等都可以产生大量热能。等都可以产生大量热能。4.2 地幔部分熔地幔部分熔融融地幔部分熔融地幔部

31、分熔融指指地幔上部的部分岩石地幔上部的部分岩石因受到复因受到复杂的地质作用而杂的地质作用而发生部分熔解发生部分熔解，显示为高度可，显示为高度可塑甚至液态的现象。塑甚至液态的现象。动态模拟发现岩石流动应力为动态模拟发现岩石流动应力为20-1020-10MPaMPa这大这大大降低了对地幔物质的运动限制大降低了对地幔物质的运动限制, ,为地壳运动为地壳运动的动力学提供了实验证据。的动力学提供了实验证据。n地球的质量与密度地球的质量与密度 半径测量与引力常数计算 w地球的弹塑性与振动地球的弹塑性与振动 固体潮.椭球体与塑性变形w地球的重力场地球的重力场 重力均重力均衡衡 地表 深部 地心 w地球的磁场

32、地球的磁场 古地磁学古地磁学 特征 起源 演化 w地球的能量地球的能量 w物理性质的应用物理性质的应用重力勘探、磁法勘探 5. 地球内部圈层的地球内部圈层的 结构与圈层耦合结构与圈层耦合ABN球球 g/cm3 15 10 5 2000 4000 6000 km 内 核 外 核 地 幔 地 壳图 3 2 一 种 地 球 内 部 物 质 密 度 变 化 的 推 断 模 型n地壳地壳 莫霍面莫霍面 软流圈软流圈地幔地幔古登堡面古登堡面 地核地核3 1 地地 球球 内内 部部 主主 要要 物物 理理 性性 质质 和和 圈圈 层层 划划 分分 表表圈 层 名 称代 号深 度（ km ）Vp (km /s

33、)V s(km /s)密 度(g /cm3)特 征其 它上 地 壳 A15.83.22.65地 壳下 地 壳AA2 陆 洋 壳 壳 15； 0-2 6.83.92.90固 态 ， 陆 壳 区 横 向 变 化 大 ，许 多 地 区 夹 有 中 间 低 速 层 。 固 态 莫 霍 面盖 层B18.14.53.37 固 态 岩 石 圈低 速 层B28.04.43.36 塑 性 为 主软 流 圈 构 造 圈均 匀 层BB38.74.73.48 固 态 ， 波 速 较 均 匀上地幔过 渡 层C 33； 12 80 220 400 6709.110.34.95.63.723.99 固 态 ， 波 速 梯

34、度 大D 11.76.54.73 地 幔下 地 幔 DD 289113.77.35.55 固 态 ， 下 部 波 速 梯 度 大 古 登 堡 面 中 间 圈 外 核E 47718.010.0009.9011.87 液 态 过 渡 层F 515010.2012.06 液 态 ， 波 速 梯 度 小 地 核内 核G 637111.011.33.53.712.7713.09 固 态 内 圈地球内部波速圈层厚度，可见一低速区根据地震波可以将其划分为：地壳，地幔和地核非梨亦非球非梨亦非球“鸡蛋鸡蛋”？地壳地壳地幔地幔地核地核蛋壳蛋壳蛋白蛋白蛋黄蛋黄地球就是地球，是独一无二，具有圈层结地球就是地球，是独一

35、无二，具有圈层结构的地球。构的地球。n鸡蛋（鸡蛋（cmcm）长轴长轴/短轴短轴 = 5.5/ 4= 1.375 扁平率扁平率=(长长-短短)/长轴长轴 =0.273 蛋壳：蛋壳：0.051/100 蛋清：蛋清：21/2.5 蛋黄：蛋黄：2.71/1.7n地球地球( (km)km)长轴长轴/短轴短轴 =6378/6356=1.003 扁平率扁平率=(长长-短短)/长轴长轴 =0.003 地壳：地壳：331/200 地幔：地幔：30001/2弱弱 地核：地核：33001/2强强地球与鸡蛋的比较地球与鸡蛋的比较n内核中地震波传播在沿内核中地震波传播在沿自转自转轴轴方向的波速方向的波速要大于其它方要大

36、于其它方向。向。 内核中地震波速的传播是内核中地震波速的传播是 轴（叫轴（叫内核快轴内核快轴）对称各向异）对称各向异性的；性的； 内核快轴与地球自转轴内核快轴与地球自转轴不重合不重合，且两者夹角在不断变化。且两者夹角在不断变化。 内核快轴对于内核自身，在内核快轴对于内核自身，在短期内不应有明显的变化，短期内不应有明显的变化，故应该是故应该是地核与整体地球之地核与整体地球之间间存在着旋转速度的差异存在着旋转速度的差异。 苏维加等苏维加等(1996)(1996)和宋晓东等和宋晓东等(1996)(1996)分别估算出分别估算出内核差异内核差异旋转速率约在旋转速率约在1.1-3.21.1-3.2/ /

37、年之年之间间。5.2内核差异旋转内核差异旋转O 大陆边缘的地理轮廓可大陆边缘的地理轮廓可以拼合以拼合大陆漂移大陆漂移O 洋脊两侧的地磁条带基洋脊两侧的地磁条带基本对称本对称海底扩张海底扩张 地幔对流地幔对流：传送带模式传送带模式大陆壳 缝合带 大陆壳 a . 陆陆碰撞 大洋壳 海沟 大陆壳 拉张 俯冲带 挤压 b . 陆洋碰撞 图3 1 5 构造地震的两种模式 （星形为地震可能出现的部位）岩石圈板块运动岩石圈板块运动两个证据引出了一个模型两个证据引出了一个模型 P.81图图3-17b圈层耦合圈层耦合：是地球圈层在物质和运：是地球圈层在物质和运动的耦合过程。它是当今地球科学中动的耦合过程。它是当今地球科学中一个热点话题。一个热点话题。 圈层耦合的方式圈层耦合的方式有多种不同的观点。有多种不同的观点。5.3 圈层耦合圈层耦合板 物理气候系统 太 块 阳 驱 驱 动 动 过 生命系统 过程 程地球化学循环系统5.4 地