石油工程-地质学基础1地球概述

地质学基础绪论

一、地质学的研究对象、内容

地质学——是指研究地球（目前特别是研究地壳）的一门自然科学。

地球科学——是指一切与地球有关的科学的总称。除地质学以外，涉及地球科学的还有地理学、生物学、气象学、天文学等，地质学着重研究地下，地理学着重研究地表，生物学着重研究地表有机界，气象学着重研究地球的大气圈，天文学着重研究天体并从天体的角度研究地球及地球的起源。

（一）研究对象

研究对象：地球，包括地壳、地幔和地核。目前，地壳和地幔的上部——岩石圈。（二）研究内容

1、地球的物质组成、分布特征、形成过程及演化规律；2、地球的内部结构，地表形态及其发展变化的规律性；3、地球的形成演化历史；4、矿产资源、能源、水资源；5、地质灾害。地学研究具有重要的实际意义和重要的理论意义（三）地质学的分支学科

1．研究地球物质组成及其变化规律：矿物学、岩石学、地球化学、结晶学等；

2．研究地球结构，地壳运动及地表形态形成发展变化规律：构造地质学、大地构造学等；

3．研究地球形成历史演变规律性：地史学，地层学，古生物学：

4．研究各种矿产形成分布规律及对其调查勘探的理论和方法：矿床学，石油天然气地质学，水文地质学，找矿勘探地质学、工程地质学等；

5．研究防范灾害，保护环境及利用环境方面内容：地震地质学、环境地质学及旅游地质学。广泛性：地球的周长超过4万km，表面积超过5亿km2微观性：地质学要研究矿物晶体结构等。二、地质学的特点及研究方法

（一）

研究对象的特点（l）空间的广泛性与微观性（2）整体性与分异性（或差异性）地球是一个有机的整体，也是一个非均质体。奥陶系亮甲山组厚层灰岩火山爆发（3）时间的漫长性与瞬间性（4）自然过程的复杂性与有序性地球演化至今经历了复杂的过程：物理变化、化学变化；地表常温、常压状态下的作用过程，也有地下深处高温、高压状态下的作用过程各种自然过程受地区性条件的影响而具有地区的差异性。但是，这些复杂的自然过程并不是杂乱无章的，它们都具有其发生、发展的条件和过程，都具有一定的规律可循，这正是地球科学工作的重要研究任务。三叶虫古生代海生无脊椎动物中国北方中上寒武统亚洲下寒武统标准化石皇冠虫中国北方中志留统火山喷发特殊方法：野外调查与“将今论古”的思维方法。（二）地质学的研究方法

野外调查、仪器观测、大地测量、航空、航天和遥感技术、实验室分析、测试与科学实验、电子计算机技术应用、综合分析等“将今论古”思维方法

它是指用现在观察到的自然规律去解释地史所发生的同类过程的一种历史比较的方法。三、地质学研究的工作程序

（l）资料收集根据研究课题需要，尽可能详尽地收集各种数据、样品和其它资料（包括野外调查、仪器观测、已有的各种资料和成果等）。（2）归纳、综合和推论对所收集的资料进行加工整理、归纳、综合，并作出符合客观实际的推论。（3）推论的验证通过生产实践或科学实验来证实或检验推论是否正确，并在实践的过程中不断地修正错误，提高认识，总结规律。

四、本课程的性质、内容、重要性和学习方法性质：基础性；内容：地球概述、地质作用、矿物、岩浆岩与变质岩、沉积岩、沉积相、古生物、地层、地质构造。重要性：石油与天然气储存于深埋地下的岩石孔隙、裂隙之中，油气藏作为含有油气的地质体是将来主要的研究对象等。学习方法：1、培养兴趣.2、想象与推测;3、理解与记忆;4、会看图作图;主要参考书1.《构造地质学基础》，陆可政等编，1996年。2.《普通地质学》，徐成彦、赵不忆主编，1988年。3.《地球科学概论》，吕洪波主编。第一章地球概述我国古代（公元9年）以前，“天圆如张盖，地方如棋局”

——天圆地方说。东汉张衡（78－139）：“浑天”说，“天如蛋壳，地如蛋黄”

——球形1672年，法国天文学家“里舍”认为：地球是扁的椭球体。牛顿：地球是旋转椭球体。卫星上天后，据卫星轨道分析测算，地球形状为：扁率不大的三轴椭球体。棕色的非洲和沙特阿拉伯第一节地球的表面特征一、地球的形状和大小

大地水准面——是指平均海平面通过大陆延伸所形成的光滑连续的封闭曲面。

地球的形状和大小即指大地水准面的形状和大小。

国际大地测量和地球物理协会于1975年公布了修订的地球参数如下：

赤道半径（a）

6378.140km

两极半径（c）

6356.755km平均半径（R）

6371.004km扁平率以(a-c/a)1／298.257赤道周长

40075.36km子午线周长39940.670km表面积

510070100km2体积

1083157900000km3平均密度：5.52克/立方厘米地球的实际形状：南北两半并不对称，北极凸出约10m，南极凹进约30m。

地球的外形是其内部特征的反映：

第一，地球接近于旋转椭球体，说明地球具有一定的塑性，是地球自转离心力作用的结果。第二，地球的实际外形与旋转椭球体并不完全重合，说明地球内部物质是不均匀的。

二、固体地球表面的形态特征

地球表面高低不平，以平均海平面为界，分为海洋和大陆两大地理单元。（其中65%的陆地分布在北半球——称陆半球；35%分布于南半球——称水半球。）1.海洋：总面积3.61×108km2，占地表面积的70.8％，平均深度-3729m，最深处是西太平洋的马里亚纳海沟（-11034m）。2.大陆：面积1.495×108km2，占地表面积29.2％；平均海拔高度为875m，最高的珠穆朗玛峰，其海拔高度为：8844.43m(2005.10.9公布)3.地球表面，高低不平——两个台阶，有海洋、陆地、高山等。大陆上最具特色的地形——高山峡谷地貌（一）大陆地表形态大陆地表形态1.山地：海拔500米以上，相对高差200米以上。

山脉：呈线状延伸的山地。

山系：在成因上有联系的若干相邻的山脉的综合体(如:天山山系)。

最为壮观的山系：相对高差3000－5000米。

——阿尔卑斯-喜马拉雅山系

——环太平洋山系

名称海拔高度切割深度举例极高山高山中山低山〉5000米5000—3500米3500—1000米1000—500米〉1000米1000—500米500—200米200米±喜马拉雅山脉主体昆仑山脉等主体秦岭、大巴山脉主体中、高山的较低部分2.丘陵：海拔500以下，相对高差小于200米。如：川中丘陵、东南沿海丘陵。特点：顶部浑圆、坡度平缓、坡角不明显。3.平原：指面积广阔、地势平坦或略有起伏、海拔高程在600米以下的地区。如低平原：<200米，华北平原高平原：200-600米，成都平原世界上最大的平原：亚马拉逊平原，560104km2

高原：——是指海拔高度〉600米，表面平坦或起伏较小的地区。最高的高原：青藏高原，平均海拔4000米以上，面积约250万平方公里，最大的高原：巴西高原（南美洲），海拔750米，500多万km25、盆地：——周围是山地或高原，中央凹下且较平坦。我国最大的内陆盆地：塔里木盆地，面积50104km2

6．洼地和裂谷：洼地：高程在海平面以下的地区。艾丁湖——中国最低的湖泊，湖面低于海平面１５４米。裂谷：大陆上由构造断裂控制的规模巨大的线状洼地。延伸达数千公里，宽数十公里，两壁或一侧为断崖。东非大裂谷：全长6500公里，有一系列峡谷和湖泊组成。（二）海底表面形态海底面积约占地表面积的71％，海底地形或洋底地形与陆地地形类似，有比大陆更广阔平坦的平原，也有更险峻、宏伟的山脉和陡深的峡谷，但形态相对简单。1．洋脊和海岭一般海底的山脉叫海岭。贯穿洋盆，呈线状延伸几千公里的海岭。洋隆：顶部中央裂谷不明，地震和地壳运动较弱。洋脊：呈线状延伸、顶部有中央裂谷，常发生地震和地壳运动。（1）大洋中脊常高出海底约1-3公里，顶部水深2-3公里，有些露出水面成为岛屿，如冰岛。宽度不一，可达3-4千公里，总面积占海底总面积的32.8%；(2)据观察，某些中央裂谷正缓慢溢出高温的类似岩浆的物质，含多种金属元素；大西洋洋脊（3）大西洋和印度洋的洋中脊的轴部，常发育巨大的中央裂谷，深1-2公里，宽度13-48公里；（4）洋中脊常被一系列与轴斜交或垂直的断裂错开：如大西洋洋脊错开达300-500公里。东太平洋洋隆东太平洋洋脊的中央裂谷不明显，两侧斜坡较平缓，地震活动和地壳运动较弱，称为洋隆。

2.大洋盆地

——位于大陆边缘于大洋中脊之间的较平坦地带。是地球表面的最大洼地，占海洋面积的45%。水深4000-5000米，平均3700米；其中分布有海山、海岭、深海丘陵、海底平原、深海盆地等地貌类型。，有较厚沉积物；3．岛弧与海沟岛弧——延伸距离很长呈弧形展布的火山列岛。常发育于大陆架的边缘。海沟——岛弧靠大洋一侧的海底巨型凹槽（深度超过6公里，全球海沟近30条）。世界上最深的海沟：马里亚纳海沟，深度11034米，宽度一般小于100公里，延伸达数千公里。4.大陆边缘

——大陆与大洋盆地之间的过渡地带，占海底面积的22.3%。大西洋型大陆边缘（1）大陆架：或陆棚，指大陆周围较平坦的浅水海域，是大陆在水下的自然延伸部分，从低潮线开始直到海底坡度显著增大处为止。最早由H.R米尔（1887年）提出和使用。特征：地势平坦，坡度<0.3°，平均0.1°

水深平均133米，一般<200米，从30（北美东海岸）-550米（北冰洋巴伦支海），

平均宽度：75公里，北冰洋巴伦支海1300公里，日本列岛大陆架，仅4-8公里，有的地区完全消失（拉丁美洲西海岸）。

资源：丰富的水产和矿产，丰富的油气资源及未来资源开发区。

我国海域：渤海黄海东海南海平均水深：18447655

大陆架宽：全大陆架560278公里（2）大陆坡：指大陆架外缘坡度变陡的部分

特征：

坡度较大，平均4.25°，最陡35-45°（最陡：位于斯里兰卡附近珊瑚礁岸外侧）

水深：200-3000米，一般不超过2000米；

宽度：平均28公里，从20-100公里不等；

特征：有许多两岸陡峭、高差大（数百—数千米）的海底峡谷。

资源：大陆坡下部存在巨厚的沉积，

含丰富的有机质，可能形成丰富的石油和天然气等；

成因：多数人认为系浊流成因。（3)大陆基：是指大陆坡与大洋盆地之间的缓倾斜坡地。

特征：坡度小，5′-35′；

水深：2000-5000米；

宽度：可达1000公里；

分布：主要分布于大西洋和印度洋，太平洋不甚发育。是浊流和滑塌作用在陆坡坡麓堆积而形成的平坦地形；

资源：有厚层沉积物，富含有机质，具备油气生成的条件，其中含砂层是储集油气的理想场所。第二节地球的主要物理性质包括：密度、压力、重力、温度、磁性及弹塑性等一、地球的密度地球平均密度：5.52g/cm3实测：地表的平均密度为2.7g/cm3，海水的密度为1.028g/cm3，

——推测，地内必有密度更大的物质。根据地震波在地内的传播速度推断：地内33公里：3.32g/cm3，2885公里：由5.6g/cm3——9.98g/cm3，6371公里：12.51g/cm3密度g/cm32000400060000压力（105×MPa）二、压力：静压力——由上覆物质重量引起。地内压力随深度的增加而逐渐增加。计算证明：在地壳部分：深度增加1公里，压力增加

27MPa

；

地面：0.1MPa（1个大气压）

33公里（莫霍面）：604MPa

（岩石在此压力下会变软）

2885公里（古登堡面）：15万MPa

地心：36万MPa（约360万大气压）2000400060000压力（105×MPa）密度g/cm3三、地球的重力1、重力概念：2、地面重力的变化：

随纬度的增加而增加，随海拔高度的增加而减少。地表：重力两极最大（9.832177m/s2)，赤道最小（9.780318m/s2)。3、重力异常正常值或理论值：把地球看作表面光滑的均质体，以海平面为准计算出的重力值。重力校正：把重力值校正到相当于海平面高度时的重力值的这一工作。重力异常：是指校正后实测值与计算值不一致的现象。

重力正异常——实测值大于理论值，重力负异常——实测值小于理论值4、重力勘探：通过寻找地壳中局部重力异常区的方法来指导找矿，并可帮助查明地下的地质构造，这一工作方法称为重力勘探。5、地球内部的重力变化重力随深度的变化：0-2885公里，随深度增加而增加；

地面：9.81m/s2——2885公里：10.69m/s2，

2885公里以下，重力值开始下降——地心：0四、地球的磁性1、地磁场：——指地球周围空间存在的磁场。地磁场南北极与地理南北极位置相近，但并不重合，且在不断变化（由地内物质运动引起）。

1961年，磁北极位于北纬75°54‘，西经101°，磁南极位于南纬70°

，东经148°

1970年，磁北极位于北纬76°，西经101°磁南极位于南纬66°

，东经140°地理子午线：地磁子午线：通过地磁两极的磁力线。指南针：指地磁南北极。2、地磁三要素

磁偏角——地理子午线与地磁子午线的交角。（指北针偏地理北方的东侧，叫东偏角，符号“+”，反之为“-”。我国大部分为西偏，甘肃酒泉以西为东偏）磁倾角——磁力线与水平面的交角。（纬度越高，倾角越大，在磁极上为直角，赤道处为零。南半球—北针上倾为负，北半球—下倾为正）

地磁场强度：地球上某一点的磁场强度。北极0.68个奥斯特，南极0.58个奥斯特，赤道0.31个奥斯特3、地磁异常：正常值：把地磁场看成均匀的磁化球体所产生的磁场。地磁异常：实际观测的地磁场与正常值不一致，称为磁异常。

实测值>正常值，为正异常，磁性较强。实测值<正常值，为负异常，磁性较弱。4、磁法勘探：利用地磁异常来寻找具有磁性的矿床和了解地下地质构造情况的方法。5、古地磁：指地质历史时期的磁场。

五、地热据估计，地球表面每年通过热传导辐射到空间的热量为：2×1020×4.184J,相当于现代人类消耗的总能量的10倍以上。地球内部的总热量估计为地球全部煤炭储量的1.7×108倍。1、地热：指地球内部的热能。如火山、温泉等。2、地热来源：地球内部放射性物质蜕变产生的热；次为重力能和地球自身旋转能、太阳辐射能。马荣火山——菲律宾3、由表及里，可分为三层:外热层——其地温受太阳辐射热的影响。向下温度降低。常温层——其地温等于或略高于当地年平均温度。内热层——常温层以下的温度层。随深度增加而增加。4、地温梯度：每向下加深100米所升高的温度叫地温梯度。（与油气的生成有密切关系）。5、热流：单位时间内通过单位面积的热量。大洋区高于大陆区，大洋中海岭高，海沟低。6、地热异常：热流值较大的地区或地温梯度明显大于平均地温梯度的地区。7、地热勘探：开发及利用热流值年龄腾冲火山地热地球具弹性，表现为：地震波、固体潮。

具塑性表现在：地球的形状、赤道的突起、岩石的褶皱。

岩层的弯曲六、地球的弹塑性分界面地震勘探：依据地震波在地下传播速度的变化信息，探测地下不同物质的分界面，从而了解地下深处的地质构造和矿产，并可用于研究地球内部的结构，这种工作方法即地震勘探。一、地球的外部圈层

是指包围着固体地球表层的组成部分，分为：大气圈、水圈、生物圈。外圈是一切生命活动必不可少的环境要素，也是外动力地质作用的动力来源。

第三节地球的结构1、大气的组成

主要由氮(78.9%)、氧(20.94%)、氩(0.93%)、二氧化碳、水以及微量惰性气体组成。（一）大气圈大气圈:是因地球引力而聚集在地表周围的气体圈层。总质量:约为5136万亿吨，其中99％集中在100km以内，其中又有一半集中在10km范围内。大气圈的厚度:几万公里以上,没有明显的上界。2、大气圈的结构：对流层——平均厚11-13公里，该层大气占70-75%，几乎包括全部的水气、尘埃，气温随高度递减，具上下对流运动，产生风、雪、云、雨等天气现象，对人类影响最显著。平流层——对流层顶至35-55公里，该层质量占总质量的20%，水平运动为主，含多层臭氧层。不含水蒸气和尘埃。中间层：平流层顶至85公里。无臭氧，气温随高度增大而下降，至顶界-83~-113ºC。暖层：中间层顶至800公里，空气稀薄，质量占0.5%.，温度再次升高.散逸层：800公里以上，空气极为稀薄,温度升高，大气圈与星际空间的过渡带。（二）水圈水圈：是指由地球表层水体所构成的连续圈层。

分布类型水量（104cm3)比例（%）

海洋13700097.31陆地表面水河流0.120.0001淡水湖12.50.0092咸水湖10.40.0077冰川2.922.15地下水土壤6.70.0049浅层地下水4200.31深层地下水4140.305

大气水(云和水汽)1.30.001总计140781100地球上水的分布水的循环动力主要来自太阳辐射能和重力能（三）生物圈

——生物圈是地球表层生命物质（包括动物、植物和徽生物）及其生命活动的地带组成的圈层。生物在地球上分布很广，但大量的生物主要集中在地表和水圈中，特别是阳光、空气充足和温暖潮湿的地区。动物150万种，植物50万种。

大洋中脊深处的奇异生物二、地球内圈及其主要特征内圈——地球内部物质分布的圈层。

目前所掌握的对地球内圈的直接观测资料是较少的，因为地球上最深的钻井才12.5km（苏联地质学家于１９７９年７月开始在苏联北部境内的科拉半岛钻挖的一口地质勘探井）

，因风化剥蚀而出露在地表的岩石，其原来的形成深度最多也不超过25km，即使是火山喷溢出来的岩浆，最深也只能带出地下几十到200km左右的物质。这些与地球的半径6371km相比，是微不足道的。因此：（一）地球内部圈层划分的依据主要依据：地震波波速的变化密度、波速与地表物质对比；通过高压、高温模拟实验；来自地下深处的物质的研究；

纵波或横波在传播途中遇到不同物质的分界面时，会产生折射和反射。地震波在地球内部传播时，产生纵波（P波）和横波（S波）不连续面——地震波速度变化明显的深度，反映该深度上下的地球物质在成分上或物态上有变化，或两者都有变化，这个深度可作为上下两种物质的分界面，称为波速不连续面。地震波波速随深度而递增，但其中存在着两个明显的一级波速不连续界面、一个低速带以及若干个次级波速不连续界面。分界面1.莫霍面（南斯拉夫，莫霍洛维契奇，1909）：

大陆上平均深度33km。地震波穿过该界面时，波速突然增大，VP由6~7km/s突增8.0km/s。为地壳、地幔分界。

2.古登堡面（美国，古登堡，1914）：

深度2898km，地震波穿过该面，波速突降，

VP由13.3km/s降8.1km/s，无横波通过，属幔、核分界。

3、低速带—60--250公里之间。地震波波速降低。划分结果：地壳地幔地核（二）内部圈层的特征1、地壳：上为地表，下为莫霍面，呈固态，平均厚约16公里，占地球半径的1/400，质量占0.4%。大陆平均33km，最厚70km；大洋平均6km，一般4~9km。地壳的结构：上层——硅铝层：密度2.65g/cm3,VP：5.6~6.0km/s,

近于花岗岩。仅分布于大陆；下层——硅镁层：密度2.9g/cm3

，VP：6.6~7.6km/s，近于玄武岩。分布于全球。大陆地壳和大洋地壳对比表内容大陆地壳大洋地壳比例

面积的40%占地壳总体积的79%

质量的63%

面积的60%占地壳总体积的21%

质量的37%平均厚度33公里6公里平均密度2.7g/cm33.0g/cm3成分沉积岩、岩浆岩和变质岩均有，二氧化硅含量大于60%，镁的含量低，为3.1%，铁的总含量高几乎全有火山岩组成，二氧化硅含量小于50%，镁和低价铁的含量高，铁的总含量低岩石时代各地质时期形成的岩石都有，最老的岩石年龄可达38亿年岩石年龄较新，大都是在近5千万年形成的，最老不超过2亿年地质作用和地质构造岩石受强烈的挤压，形成褶皱、断裂，区域变质作用普遍主要以火山作用为主，没区域变质作用，张性大断裂发育重力异常以负异常为主以正异常为主

（二）地幔

莫霍面与古登堡面之间，厚2860km，质量占67.8%，平均密度4.53g/cm3

，波速在650km突增，分上、下地幔。低速带上地幔—莫霍面-650公里，平均密度3.58g/cm3，主要由含铁镁较多的硅酸盐矿物组成，其上部存在一个软流层（60年代发现，地震波波速降低，物质呈液态，部分熔融）。

软流层—指地震波波速降低的地带物质部分熔融，塑性增大。

在100-150公里范围内降低最明显。

岩石圈—软流圈以上的地幔上部和地壳称为岩石圈。下地幔—地震波波速增加较慢，平均密度5.1g／cm3，化学成分与上地幔相同，铁的含量稍增。因压力增大，形成晶体结构更紧密的高密度矿物（三）地核——古登堡面至地心的部分。厚度约3473km，质量占31.3%，成分与铁陨石相当。根据波速变化（4640km、5155km）又分为外核、过渡层、内核。

一、地壳的化学组成

地壳是由元素组成的。1924年，美国学者克拉克和华盛顿最早提出比较完整的地壳化学元素平均含量表，即地壳元素的丰度值。他们以世界各地5159个各类岩浆岩的化学分析数据为基础，计算各种成分的平均值以代表地壳的平均化学成分。地壳元素的平均重量百分比称为——克拉克值

第四节地壳的物质组成1、克拉克值——地壳中元素的重量百分比。地壳中主要元素的克拉克值氧O46.95钠Na2.78硅Si27.88钾Ka2.58铝Al8.13镁Mg2.06铁Fe5.17钛Ti0.26钙Ca3.65氢H0.142、丰度——地质体中化学元素的含量，单位为百万分之一。

3、除自然元素外，大部分元素在地壳中形成各种化合物，其中以氧化物最常见。SiO259.14Na2O3.84