固体地球物理概论报告

1、固体地球物理概论结课报告学号： 20111004124班级序号： 015112姓名 :张虎指导教师：胡正旺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。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、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。固体地球物理学概论又主要研究以下几个方面：（ 1）重力学地球的形

2、状、重力场的变化、物质密度的变化与分布等等（2）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（3）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（ 4）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（ 5）地电学地球电磁感应特征和变化、地电结构等等固体地球物理概论研究思路与方法：（1）、根据地面或空中的资料和信息，了解地球深部情况；（2）、地球物理方法反演的多解性：正演问题、反演问题、精度问题（3）、地球物理方法的间接性问题（4）、建模与简化： 就是以数学公式或数值形式表征地球某种性质或规律，它是对复杂研究客体的合理抽象和简化，从而更能反映客体的内在本质。

3、（ 5）、地球物理学初值和边值的约束作用： 现在的地球为地球演化提供了一个作为初值 （终 值）的时间条件，而地面观测又为地球内部的物理过程提供了一个边界条件。地球化学与固体地球物理的研究思路与方法的联系与差别，研究思路：（ 1）在搜集前人的资料的基础上，提出问题，再进行野外调查；（2）资料及样品的分析、检验；（ 3）推理与模式的建立；（4）模式的验证。但是， 地球物理的数据采集大多是在野外就采集完成，地球化学则是先在室外采样， 回来后再在实验室分析得来。研究方法：地球物理方法多为间接法，通过测量电、磁、重力、地震等来间接分析物质 的组成、 结构构造等性质； 而地球化学多为直接法， 通过对样品化

4、学组成的分析推测地球及 部分天体的化学组成、化学作用及化学演化，这是最大的差别。但二者都以野外工作为主， 再进行室内研究，辅以实验模拟与数字模拟。四种地球物理场1、重力地球重力由两部分组成，地球上任何一个物体，都同时受到地球的引力 F 和因随地球 自转而产生的惯性离心力 C 的作用。由牛顿万有引力定律，有物体 m 所受万有引力及物体所受的惯性离心力，两者的矢量 合为重力，即 将物体质量去除其所受重力，可得单位质量所受到的重力-重力场。在地球物理学中所称的重力就是指重力场强度，重力场强度实际上就是重力加速度。 显然，由于惯性离心力的作用，地球形状、内部密度等原因，地球重力是变化的，且总 体有随纬

5、度变化的特征。两极处最大，赤道处最小，重力并不总指向地心。引起地球表面重力变化的主要原因：地球的形状 -扁椭球体引力，最大变化达 1800mGal ；地球自转 -惯性离心力，最大变化达 3400mGal；地球内部物质密度分布不均匀；地球表面起伏不平，最大变化达lOOOmGal以上；太阳与月球的引力，最大变化达0.3mGal。是利用组成地壳的各种岩体、 矿体间的密度差异所引起的地表的重力加速度值的变化而 进行地质勘探的一种方法。 它是以牛顿万有引力定律为基础的。 只要勘探地质体与其周围岩 体有一定的密度差异， 就可以用精密的重力测量仪器 （主要为重力仪和扭秤） 找出重力异常。 然后， 结合工作地

6、区的地质和其他物探资料， 对重力异常进行定性测量和定量测量， 便可以 推断覆盖层以下密度不同的矿体与岩层埋藏情况， 进而找出隐伏矿体存在的位置和地质构造 情况。2、地磁 地磁场磁力线与地面相交的角度随地磁纬度有规律地变化。 为了刻画地磁场在地面的特 征，通常用一个直角坐标系来描述，即XOY平面与地面相切，原点在地面，z轴指向地心，x轴指向地理北，y轴指向东。地磁场 B在各个轴上的投影分别为 Z、X、Y,在XOY平面上 的投影为H, B与XOY平面的夹角为I，H与x轴的夹角为D。B-地磁总场 （磁感应强度 ）H-地磁水平分量Z-地磁垂直分量X-地磁北向分量Y-地磁东向分量I-地磁倾角D-地磁偏角

7、 由地壳内的岩石矿物及地质体在基本磁场磁化作用下所产生的磁场，称之为地壳磁场， 又称为异常场或磁异常。地磁偶极子场、大陆磁场和磁异常被称为稳定磁场。稳定磁场主要源于地球内部（占 99%），有时也称内部磁场。地磁的变化主要可分为长期变化和短期变化。 长期变化主要由地球内部幔核物质运动所 引起的地磁场变化， 如磁极漂移、 磁极倒转等； 短期变化主要由太阳风作用与电离层扰动所 引起的变化。自然界的岩石和矿石具有不同磁性， 可以产生各不相同的磁场， 它使地球磁场在局部地 区发生变化， 出现地磁异常。 利用仪器发现和研究这些磁异常， 进而寻找磁性矿体和研究地 质构造的方法称为磁法勘探。 磁法勘探是常用的

8、地球物理勘探方法之一。 它包括地面、 航空、 海洋磁法勘探及井中磁测等。磁法勘探主要用来寻找和勘探有关矿产（如铁矿、铅锌矿、铜 锦矿等）；进行地质填图；研究与油气有关的地质构造及大地构造等问题。3、地电地球电磁场分为大地电场和局部电场。 大地电场指的是大范围内的区域电场， 与地球内 部圈层电性结构有关。局部电场则是由于局部地质造地带物理-化学背景差异形成的，如物质成分的差异， 局部电化学作用以及地下水或破碎带等均可形成局部电场。 局部电场在地球 物理勘探中可以直接应用， 如利用电法勘探寻找金属与非金属矿藏， 地下水及工程建设中的 基础稳定性等。大地电磁场本身存在着长周期变化和短周期的变化。 前

9、者难于准确进行记录， 周期可长 达几十、几百甚至几千年，与地球内部物质运动和演化有关；而后者（周期一般为一天以内 ）则与太阳活动有关， 它也包括太阳日变化、地电暴、地电脉动等多种类型的变化， 短周期变 化的电场绝大部分是外源地磁场变化感应的产物。地电测量是根据岩石和矿石电学性质 （如导电性、 电化学活动性、 电磁感应特性和介电 性，即所谓 电性差异 ）来找矿和研究地质构造的一种地球物理勘探方法。它是通过仪器观 测人工的、天然的电场或交变电磁场， 分析、解释这些场的特点和规律达到找矿勘探的目的。 电法勘探分为两大类。研究直流电场的，统称为直流电法，包括有电阻率法、充电法、自然 电场法和直流激发极

10、化法等； 研究交变电磁场的， 统称为交流电法， 包括有交流激发极化法、 电磁法、大地电磁场法、 无线电波透视法和微波法等。按工作场所的差别， 电法勘探又分为 地面电法、坑道和井中电法、航空电法、海洋电法等。4、地震 地震是由于地下岩石的突然破裂而引起的大地振动，这种振动以弹性波的形式向周围 介质传播。 在地球内部传播的地震波称为体波， 分为纵波和横波。 振动方向与传播方向一致 的波为纵波（ P 波）。来自地下的纵波引起地面上下颠簸振动。振动方向与传播方向垂直的 波为横波（ S 波）。来自地下的横波能引起地面的水平晃动。由于纵波在地球内部传播速度 大于横波，所以地震时，纵波总是先到达地表，而横波

11、总落后一步。地震勘探是利用人工激发的地震波在弹性不同的地层内传播规律来勘探地下的地质情 况。在地面某处激发的地震波向地下传播时， 遇到不同弹性的地层分界面就会产生反射波或 折射波返回地面，用专门的仪器可记录这些波，分析所得记录的特点， 如波的传播时间、振 动形状等， 通过专门的计算或仪器处理， 能较准确地测定这些界面的深度和形态， 判断地层 的岩性。地球物理方法探测沉船对落入水底并被淤埋的沉船进行调查， 也是考古工作的一个方面。 水域工作与陆地考古 有很大差别，水面上无任何标志可参考， 就更增加了调查的难度。 因而，考古调查就需要借 助于先进的地球物理方法，如地质雷达技术、声纳技术、电法、磁法

12、及地震勘察和 GPS 定 位等技术。本文以作者完成的长江某区域沉船的调查为例，讨论和分析在对水下被掩埋沉船的调 查中，考古物探的方法选择、数据处理及效果评价。1999 年 7 月及 2000 年元月，作者完成了长江某河段的沉船调查工作，工区内有木船 及金属船， 但只有金属船对河道清理工作影响大。 因此，查明金属沉船的位置、 规模及埋深， 就是此次工作的目的。作者解决问题的思路： 沉船就材质而言， 有金属（铁）船与木船之分； 就内部搭载而言， 物质类型多样化，有瓷器、木材、金属物等；船体沉入的状态，有搁在河床上（如中山舰） 和被淤埋于河床下之差别。 根据上述分析， 调查金属沉船， 投入磁法勘查方

13、式的效果通常最 好。因为沉船与周围介质之间的磁性差异最明显。 不论沉船是搁在河床上， 还是淤入河床内， 都可以使用磁法勘察技术来发现沉船的位置及提供沉船的埋深及规模大小等所需参数。原理：一般来说，使用声纳探测可以发现河床面上的凸起物（沉船、礁石） ；使用地震 勘探可以发现淤于河床内的沉船， 只是这两种人工场源的勘察方式一般来说必须使仪器探头 位于沉船上方才能发现沉船。 对于木船的探测， 则只有使用地震方法， 才能将沉船作为非均 匀物体从均匀沉积的河床中识别出来。 至于所发现的局部非均匀体是否就是沉船， 还要做进 一步的工作。当然， 如果沉船中装有金属物质，也可以考虑磁法勘察方法， 发现磁异常的

14、反 映后，再投入地震方法核 实，即投入综合物探方法。利用磁法勘察成本低、效率高的特点及地震勘察精度高的优势， 来完成难度较大的勘察任务。结论： 2000 年春节之后，即对 M2 异常下的沉船打捞，据现场施工人员介绍，磁测对 沉船位置的确定很准， 打捞船到达磁测指定的地点后， 第一次打捞就抓住了沉船。 派潜水员 下去探摸后，确认 M2 异常下是一前两后的 3 条沉船。目前正在打捞最后一条沉船一般说来， 沿海一带的考古工作会涉及到沉船的调查， 在内地出现沉船考古调查的机率 很少，但从表 （ 可见，如果含有与周围介质有相当差异的砖砌古墓及遗址被水淹没后，使用 磁法勘察， 也可以发现其位置所在。 对于

15、金属物体， 磁法的探测效果是与金属体的埋深与规 模成正比的，模型试验表明： 0.5 米长、直径 0.1 米的管状磁性体的有效探测深度为 3 米； 直径 1 米的金属壳 ,壳厚 0.01 米的有效探测深度为 （12 米。由理论计算可知 50 米长的金属沉 船的有效探测深度在 100-150 米（与船型有关） ，如果木船中装有较多中等磁性的货物，也 可在适当的高度上发现其位置。此外， 磁力仪性能的提高， 可以满足连续快速数据采集的需要， 其工作效率是地面磁测 的 1-2 倍。因此，磁法勘探作为低投入、高效率、效果好的考古物探技术可以作为水上考 古的一种首选方法。 经费充足时， 在浅水区可以使用地质雷达方法， 在深水区可以投入水上 地震方法，虽然投入这两种方法的费用要高， 但对目标物的探测精度要高于磁法勘察。 因此， 在工作时， 先使用磁法普查， 发现异常后， 再在异常区投入探地雷达或水上地震方法进行详 查，是值得推荐的最优化。总结学习了本课程后，在研究地球岩石或地质体的成因及演化过程有了一种全新的思维方式， 以前学习地球化学，一直从岩石的各种元素丰度、共生组合和赋存形式及元素的迁移和循环 研究某些岩石或地质体的成因，是一种直接法，往往需要采集样品直接测量，而地球物理通过测量岩石或地质体的电、磁、