第一章 地球概况90

第一章地球概况

第一节地球的形状和大小

第二节地球的外部圈层结构

第三节固体地球的主要物理性质

第四节地球的内部圈层结构1宇宙宇宙是天地万物，是物质世界,“宇”是空间的概念，是无边无际的；“宙”是时间的概念，是无始无终的。宇宙是无限的空间相无限的时间的统一。在宇宙空间弥漫着形形色色的物质，如恒星、行星、气体、土埃、电磁波等，它们都在不停地运动、变化着。2宇宙中的天体和物质宇宙的统一性在于它的物质性，即任何宇宙空间无一不是物质的或由物质构成的。但宇宙中物质的存在形式具有多样性一种呈连续状态弥散在广漠的空间；另一部分物质则积聚、堆积成团天体和人造天体3天体系统和星系宇宙中的物质是运动的相互吸引和相互绕转，形成不同层次的天体系统。比如，地月系，太阳系，银河系，河外星系，总星系45宇宙－总星系-银河系(河内星系)及河外星系66星云和星系后来发现云雾状天体实际上有两种类型：一种是由星际气体和星际尘埃组成的；另一种是由大量恒星组成的。在近代天文学上，前一种称为星云，例如猎户座大星云；而后一种则改称星系，例如仙女座大星系。7类银河系星云88银河系99银河系的结构10万光年3.2万光年1010111212与银河年有关的周期太阳绕银心旋转速度250km/s，完成一周约250-300Ma。穿越银道面太阳在银道面上下往复波动，每次约35Ma。1313蝴蝶星云

河外星系141415蝴蝶星云

1616171718181919地球在宇宙中的位置20202121冥王星为什么不是行星根据国际天文学联合会大会2006年8月24日通过的新定义：“行星”指的是围绕太阳运转自身引力足以克服其刚体力而使天体呈圆球状并且能够清除其轨道附近其他物体的天体。根据新定义，同样具有足够质量、呈圆球形，但不能清除其轨道附近其他物体的天体被称为“矮行星”。冥王星是一颗矮行星。222323举一个形象的例子如果我们把太阳看作是一个棒球，那么大约9m远的一粒沙子就代表地球，木星（最大的行星）为45.7m远的一粒豌豆，而最近的恒星则像是离3860km远的另一个棒球。2425太阳系的行星

2626①

水星

2727一九七四年“水手”10号拍摄的金星,其表面厚厚的云层清晰可见②金星

2828金星上的峡谷②金星

292930地球的卫星照片③地球

3131④火星

3232火星3333一九九一年“哈勃”望远镜拍摄的木星，清晰地显示了在木星大气层中云的结构⑤木星

343435木星和它的卫星们⑤木星

3636⑥

土星

3737绚丽多彩、结构复杂的土星环3838“哈勃”望远镜拍到的天王星与它的环和两个卫星⑦天王星3939“旅行者”拍到的天王星环⑦天王星

天王星的光环。由20条细环组成，宽度约10万km4040海王星全貌⑧海王星

海王星及其卫星4141424243地球的年龄：现今测得的地球上最古老的岩石年龄为42亿年。测得的陨石年龄为45.5亿年。推断原始地球形成的年龄为46亿年。4444第一节地球的形状和大小45在太空中所见的地球4646一、地球极近似旋

转椭球体

（自转所致，表明

地球具有弹性）47二、地球

不是严格

的旋转椭

球体（内

部物质分

布不均匀）4848三、地球形状的主要参数极半经为

6356.8km赤道半经为

6378.2km平均半经为

6371km扁率为

1/298.253表面积

510064472km2体积

10832×108km349地球的运动形式和它的轨道(据阿瑟.拜塞尔，1985)50地球的四季变化515152第二节地球的外部圈层结构53名副其实的“里三层，外三层”54

一、大气圈

大气圈是由包围着固体地球的大气层构成，总质量约5.136×1015t，3/4集中在地面以上10km范围内。主要物质成分以氮（78.09%）和氧（20.94%）为主，其次有氩（0.93%），二氧化碳（0.05%）。

55

根据大气温度、密度等物理特征，一般把大气圈自下而上分为：

对流层平流层中间层电离层（暖层）扩散层（散逸层）5656对流层：平均厚度12km，随纬度和季节而异（夏厚冬薄、赤厚极薄），含大量水蒸汽和尘埃。表现为强烈的对流。风、霜、雨、雪、雹、雾等气象现象均发生于此层。平流层：从对流层顶到地表以上55km的范围。大气呈水平运动。几乎不含水蒸汽、尘埃，无天气现象。57中间层：从平流层顶到地表以上85km的范围。大气再呈现垂直运动。存在电离层，可反射无线电波。暖层：从中间层顶到地表以上800km的范围。内部存在多层的电离层，也称电离层，强烈反射无线电波。扩散层：从暖层顶到外层空间。物质多以原子、离子状态存在。是地球物质向宇宙空间扩散的部位。58二、水圈

地球表面四分之三以上的面积被海洋、冰层、湖泊、沼泽、河流中的水体覆盖。地面以下的土壤和岩石空隙中也赋存有大量的地下水，它们共同构成一个连续而不规则的圈层，称为水圈。水圈中的水，主要在太阳热能和重力的作用下不停地运动着。596060616262

三、生物圈

生物圈是生物及其生命活动的地带所构成的连续圈层。地球上生命物质出现在3500Ma。

在南非距今3200Ma的层状岩石中发现了原核生物化石。自1000Ma以来植物和动物蓬勃发展。636464第三节

固体地球的主要物理性质65

一、地球的质量和密度

根据牛顿万有引力定律计算出地球的质量为5.9472×1024kg，地球的平均密度为5.516g/cm3。（砂、页、灰岩平均密度为2.6g/cm3,花岗岩密度为2.67g/cm3,玄武岩密度为2.85g/cm3，因而推论，地球内部大部分物质密度应大于平均密度。）地球的密度随深度增加而增大，并且是不均匀的。66地球的平均密度：

5.516g/cm3地表岩石平均密度:2.7g/cm3地心的密度:13g/cm367二、地球的重力

地球上某处的重力是该处所受地心引力与地球自转离心力（垂直地面分力）的合力。地球表面的重力随纬度值的增大而增大（赤道g=978.0318cm/s2，两极g=983.2177g/s2，g随海拔高度的增高而减小，每升高1km，g减少31cm/s2）。

由于地面起伏和地球物质密度不均匀以及结构差异等原因使实测重力值与理论值不符，这种现象称为重力异常（正、负异常）。68地球的重力离心力万有引力69地球内部重力的变化70三、地球的压力

地球内部某处的压力是指由上覆地球物质的重量所产生的静压力。静压力的大小与所处的深度、上覆物质的平均密度及重力加速度呈正相关。71地表地心地球内部压力的变化72四、地球的磁性

固体地球好象一个磁化的球体，其磁力线特征类似于偶极场的特征。地磁轴与地球自转轴并不重合，二者约呈11.5°的交角。而且地磁极的位置是不固定的，呈逐年的变化（1965年75°50′N，100°50′W；1970年76°N，101°W；1975年76°06′，100°W）。

磁场特征要素：磁场强度（F）、磁偏角（D）、磁倾角（I）。

地磁异常是叠加在地球基本磁场之上，由地壳内部的岩石矿物及地质体的磁性差异引起的磁场。73地磁场示意图7474地磁轴地理轴7575五、地球内部的温度

自地面向地下深处，地热增温现象是不均匀的。按温度状况可分为三层：

1．变温层（外热层）

地温主要受太阳光辐射热的影响，温度随季节、昼夜的变化而变化，故称变温层。

2．常温层

地温与当地年平均温度大致相当，且常年保持不变，其深度大致为20-40m。（一般中纬度较深，两极和赤道较浅；内陆较深，滨海区较浅。）

3．增温层

常温层之下，地温随深度增大而逐渐增加。

深度每增加100m所升高的温度，称地温梯度（地温梯度各地有差异）。76地球内部温度的变化77

地球的温度—地热：

太阳的辐射热、放射性元素蜕变、重力能，化学反应能，结晶能和地球自转热能等。7878六、地球的弹性和塑性

地震波的传播；岩层的褶皱变形等表明地球既具有弹性又具有塑性。地震是地球具有弹性的最好证明，地震波通常分为：纵波（P）质点振动方向与波的传播方向一致。横波（S）质点振动方向与波的传播方向垂直。表面波（L）是沿着地面或某个界面传播的波，其质点振动比较复杂。79地震波的质点运动示意图80第四节地球的内部圈层结构81一、地球内部圈层划分的依据

1．地震波的特点

地震波是弹性波，分为体波、面波和自由振动等类型。体波有纵波（P）和横波（S）之分。纵波可在固态、液态和气态的介质中传播，横波只能在固态介质中传播。地震波速的大小与介质的密度和弹性有关。82地震波在地内传播情况示意图8384地球内部结构及地震波的速度发布84二、地球内部圈层的特征

（一）地壳

莫霍面

（大陆33km、洋底5-8km）莫霍面是地震波速显著不连续面（南斯拉夫地震学家莫霍诺维奇于1909年发现）。莫霍面以上的由固体岩石组成的地球最外部圈层称为地壳。地壳平均厚度约18km，平均密度2.8g/cm3，质量约2.35×1022kg。85

地壳厚度变化大，大陆区20-80km，平均33km。又分为上地壳和下地壳（以康拉德面为界，深约15km）。上地壳平均密度约2.7g/cm3，由沉积岩、变质岩和岩浆岩组成，一般称硅铝层或花岗质岩壳；下地壳（厚约18km）平均密度约2.9g/cm3，一般称硅镁层或玄武质岩壳。大洋区平均7km，且较为均匀。洋底普遍堆积有0.5km厚的沉积层，再下便是厚约5-8km的硅镁层（密度2.9g/cm3），缺失硅铝层。8687（二）地幔

古登堡面

（2891km）（美国地震学家古登堡于1912年发现）S波终止，P波急剧减低。莫霍面以下至古登堡面的圈层称为地幔。地幔的厚度约2870km，物质密度由顶层的3.31g/cm3增至5.55g/cm3,平均约4.5g/cm3,质量约4.03×1024kg。根据地幔上部与下部物质成分和温度、压力的差异性，以及670km深处的地震波速显著间断面分为上、下地幔。881．上地幔

盖层

深度为20-80km，密度3.37g/cm3,物质成分推测为橄榄岩,固态。

低速层

深度80-220km，（顶面在大陆区较深，大洋区较浅，底界的差异不大。密度3.36g/cm3,）全球普遍存在、厚度不很均一的波速降低层。横波局部地区不能通过,表明低速层部分物质可能呈熔融态,因而又称软流层（或软流圈）。89

均匀层

深度220-400km。波速传播均匀,表明物质成分变化不大。

过渡层

深度400-670km。密度3.73-3.99g/cm3.

2.下地幔

深度670-2891km,厚度2221km,平均密度5.1g/cm3。据