第一章 地球的基本知识

地质地貌学第一章地球的基本知识太阳系地月系银河系太阳系银河系河外星系从卫星上观察的地球

一、地球的形状

地球呈近似旋转椭球体形状。赤道半径6378km。两极半径6357km，比赤道半径短21km。与标准椭球体表面形状相比较：南极大陆比基准面凹进24米，北极海高出基准面

14米。

第一节地球的基本特征

很早以前，人们根据所看到的一些自然现象，如月蚀时的地球阴影；船桅和船身先后依次露出海平面；向北旅行时北极星升高而向南旅行时北极星降低等现象就得出地球呈球形的概念。

1957年，随着人造卫星上天，人类第一次从太空中看到了完整的地球图像。根据人造卫星运行轨道状况和分析测算的结果，发现地球并不是标准的旋转椭球体，而是呈梨形的不规则球体：北极向外突出约14米，南极凹进约24米，中纬度地区在北半球向内凹进，在南半球则向外凸出。赤道半径a6378.140km

两极半径c6356.779km

长短半径差21.361km

扁率(a-c)/a＝

1/298.257=0.0033528

赤道周长40075.036km

子午线周长39940.670km

表面积510064471.9km2

体积108320.69×107km3

地球的基本特征二、地球的物理性质（一）地球的密度地球的平均密度5.516g/cm3地表岩石平均密:2.7g/cm3—2.9g/cm3地心的密度:13g/cm3可以推测地球内部深处物质的密度是随深度递增的。并且在984km、2898km、

5125km的地方做跳跃式增加，表明地球内部物质是不均匀的。（二）地球的压力地表地心地球内部压力是随深度加大而逐渐增高的。深度每增加１km，压力增加27.5MPa。自地表到深处约33km（莫霍面）是随深度的增加而均匀增加的；从33km到984km深度范围内压力从9000×105Pa很快增加到38.2×109Pa；然后随深度的增加又缓慢地增加，在2898km（古登堡面）深度可增加到136×109Pa；最后向着地心缓慢地递增，地心压力可达360×109Pa

（三）地球的重力地球表面的重力指地面某处所受的指向地心的引力和该处的地球自转离心力的合力.地球引力与质量ｍ成正比,与地心距离ｒ的平方成反比，即地球内任一点P的重力

F=Gm/r2

(G为万有引力常数=6.672×10-11m3·S-2·Kg-1)

因此地心引力以赤道最小，两极最大；而地面某处的离心力和该处地球自转线速度的平方成正比，因此赤道的离心力最大，两极的离心力为零。但离心力比地心引力小得多，其在赤道最大，但也只有该处地心引力的1/289。重力的变化重力在地表的变化

重力随纬度的增加而增加，随海拔高度的增加而减小。若将地球视为均质体，以海平面为基准可计算出不同纬度的标准重力值（正常重力值）。g=987.032(1+5.3*10-3*sin2ф-5.9*10-6*sin22ф)g为重力（伽），ф为纬度重力在地球内部的变化

影响重力大小的不是整个地球的总质量，而主要是所在深度以下的质量。由于地壳与地幔的密度都比较小，从地表到地下2898km的核幔界面，重力大体上是随深度增加而略有增加，但有波动。在核幔界面上，重力值达到极大(约1069伽)，再往深处去,各个方向上的引力趋向平衡,重力值逐渐减少，直至变小为零。重力异常

实际测得的重力值与理论重力值之间的差值，称重力异常。当实测重力值>理论重力值,称正异常当实测重力值<理论重力值,称负异常在埋藏有密度较小物质（如石油、煤、盐等非金属矿产）的地区，常显示负异常；而埋藏有密度大物质（如铁、铜、铅、锌等金属矿产）的地区，就显示正异常。所以人们就可以通过重力测量，来圈定重力异常的区域，寻找那些引起重力异常的非金属和金属矿产。这就是地质勘查中常用的重力探勘方法（四）地球的磁性地磁场：地球周围存在的磁场

它有两个磁极，其磁北极位于地理北极附近，磁南极位于地理南极附近，但不重合，地磁轴与地球自转轴的夹角现在约为11.5度，1980年实测的磁北极位于北纬78.2度、西经102.9度（加拿大北部），磁南极位于南纬65.5度，东经139.4度（南极洲）。地磁轴地理轴地磁三要素：磁场强度、磁偏角、磁倾角磁场强度：为某地点单位面积上磁力大小的绝对值。它是一个具有方向（磁力线方向）和大小的矢量，一般在磁两极附近磁感应强度大（约为60T（微特拉斯））；在磁赤道附近最小（约为30T）。磁偏角：磁力线在水平面上的投影与地理正北方向之间形成的夹角。即，磁子午线与地理子午线之间的夹角。磁偏角的大小各处都不相同。在北半球，如果磁力线方向偏向正北方向以东称为东偏，偏向正北方向以西称为西偏。我国东部地区磁偏较为西偏，甘肃酒泉以西地区为东偏。磁倾角：指磁针北端与水平面的交角。通常以磁针北端向下为正值，向上为负值。地球表面磁倾角为零度的各点的连线称为地磁赤道；磁倾角的变化由地磁赤道到地磁北极，磁倾角由0°逐渐变为+90°；由地磁赤道到地磁南极，磁倾角由0°变成-90°。地磁轴地理轴根据地磁三要素在地球上的分布规律，可以计算其正常值，如果实测值与正常值不一致，则称为地磁异常。地磁异常是地下有磁性矿床或地质构造发生变化的标志，因此，可以利用地磁异常来勘测磁性矿床和地质构造情况。（五）地球的温度

深矿井温度升高，地下流出温泉和火山喷出炽热物质，告诉人们地球内部是热的。由地内温度分布状况可分为：外热层、常温层和内热层.外热层(solarwarminglayer)是地球表层，吸收太阳辅射热，其中绝大部分又辐射回空中，只有极少一部分透入地下以增高岩石温度。因此外热层的温度是向下减低的。这种温度变化只影响地表不深的地方，平均约为15m.

温度随时间、纬度高低和海陆分布情况而有所差异。比如：时间由于太阳热量有昼夜变化，四季变化和多年周期变化，地温变化速度和幅度便各不相同。日变化速度较快而幅度较小，年变化速度较慢而幅度较大，引起的地质作用也各有特点温度变化随深度减小，到一定深度时，变化就不明显了。日变化影响深度为1~1.5米，年变化影响深度一般为10~20米。常温层(homothermallayer)就是外热层最下界。既（20—25m)的地段。在这个深度上年变化幅度为零，温度常年保持不变，等于当地年平均温度。就整个地表来看，常温层的深度大致是中纬度比赤道和两极深，内陆区比海滨区深，因为中纬度和内陆区的温度年变化较大。内热层(interiorwarminglayer)

在常温层下，温度随深度而逐渐增加。这种增温显然不是太阳热而是地内热，主要是放射热的影响，且增温是有规律的，即每向下一定深度便增高一定温度。

计量这种增温的大小通常用地温梯度和地热深度来表示。

地温梯度(geothermalgradient)

或地热增温率，即深度每增加100米时所升高的温度。以℃表示。一般为3℃

地热深度(geothermaldepth,或地热增温级)，即温度每升高1℃所增加的深度。以米表示。地热增温级为一般为33m.

（六）地球的弹塑性弹塑性地球具有弹性，表现在地球内部能传播地震波，因为地震波是弹性波。地表的固体岩石在日、月引力的作用下也有交替的涨落现象，其幅度为7—8cm,这种现象称为固体潮。也说明固体地球具有弹性。地球也具有塑性，地球的自转能引起地球赤道半径加大而成为椭球。在应力的作用下引起岩石发生弯曲而不破裂等，这些都说明地球具有塑性。第二节地球的圈层结构一、地球的外部圈层地球外圈包括大气圈（atmosphere）、水圈（hydrosphere）

和生物圈（biosphere）。它们与人类生产、生活密切相关，构成了人类生存的直接环境。地球的结构是指地球的组成物质在空间分布和彼此间的关系。地球物质的成分和分布是不均匀的，具有层圈结构。地球固体表面以上的各层圈为外部结构，地球固体表面以下的各层圈为内部结构（一）大气圈大气圈：是指因地球的引力而聚集在地表周围的气体圈层。大气圈中的气体主要集中于地表以上18km的范围内，往上气体变得极为稀薄。主要成分为氮，78.09％；氧，20.94％；氩，0.93%；其他，0.04％。（按体积计算）。由地表往上可分为五个次级圈层：对流层、平流层、中间层、暖层、扩散层（散逸层）。对流层：平均厚度12km，含大量水蒸气和尘埃。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。几乎不含水蒸气、尘埃，无天气现象。中间层：从平流层顶到地表以上85km的范围。大气呈对流运动。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。（二）水圈是指地球表层由水体构成的连续圈层。其物态有固、液、气三种状态。水体的形式有河、湖、海、冰川（盖）水蒸气、地下水等，并形成一个包裹着地球的完整圈层。地表上直接被液态水体覆盖的区域占地表面积的3/4。在太阳能、重力的作用下，使得水圈中的水体周而复始的运动，形成水循环。水循环的方式有：海洋与大陆间的循环；地表与地下间的循环；生物体与周围空间的循环；水圈与大气圈间的循环。水圈循环生物圈(biosphere):指地球表层由生物及其活动地带所构成的连续圈层。生物从高等到低等，从动物到植物，乃至细菌和微生物等生活于地球表面一定范围的陆地、水体、土壤及空气中，构成了一个基本连续的圈层。目前已知的生物有近两百万个种。生物的演化发展受控于自然环境的演化，通过地质历史时期生物化石的研究就可以知道地质演化的历史。（三）生物圈二、地球的内部圈层地壳地幔地球内部的透视人类对自然界的观察肉眼观察、借助仪器观察、借助其他仪器

1849年英国科学家斯托克斯（G.H.Stokes)证实地震时产生两种弹性波，由地内向外释放能量透视地球内部靠的是地震波（既地震法），它们是迄今为止，仅有的能穿越地球内部的旅行者。体波（在物体内部传播）纵波纵波的速度快总是领先又称P波横波横波滞后又称S波各种弹性波的传播速度不同，在地内的传播速度是随深度而增加的，并在数处作跳跃式的变化；此外，横波不能通过地心。利用这些变化来了解地球内部物质的分布情况。地球内部圈层划分根据地震波传播速度的变化，先后发现地球内部存在着七个显著的地震波速不连续的界面。其中最主要的不连续界面有2个，称一级界面分别为：地球内部结构与地震波波速变化莫霍洛维齐奇界面（简称莫霍面）1909年克罗地亚学者莫霍洛维齐奇（A.Mohoroviche)发现在莫霍面上面，纵波从7.0Km/s迅速增加到8.1Km/s左右；横波速度则从4.2Km/s增加到4.4Km/s左右。莫霍面出现的深度，全球平均为33Km，在太洋之下平均为仅为7Km。莫霍面之上称地壳；之下称地幔。古登堡面1914年由美籍德裔学者古登堡（B.Gutenberg)发现在此不连续面上下，纵波速度由13.6Km/s突然降低为7.98Km/s；横波速度则从7.23Km/s突然消失。此界面位于地下2898km深度。此界面之上到莫霍面称地幔。此界面之下到地心，称为地核。

地壳：从地表到莫霍面，由固体岩石组成。地壳的体积仅占地球的千分之三左右，地壳厚度变化大，陆上平均35km，最厚达70km；海洋地壳薄，最厚8km，最薄5km；在垂直方向,大陆地壳还可分为上、下两层，其间存在一个次级界面，称为康拉德界面，上地壳平均密度约2.7g/cm3，平均厚度约10km,下地壳平均密度3.0g/cm3。这说明，不仅地球不均一，而且地壳在纵向上也是不均一的。在横向上，地壳也是不均一的，最显著的表现是大洋与大陆的差别，因此地壳在横向上又分为陆壳和洋壳两部分。

陆壳：约占地壳面积的1/3多一点，陆壳具有明显的双层结构，即存在上、下地壳。

（一）地壳

洋壳：位于海洋之下，约占地壳面积2/3少一点，其上为约4km厚的海水，洋壳缺失上地壳。软流圈（Asthenosphere）：也称低速带,位于岩石圈(地壳和33m-50m地幔的岩石共同组成）之下。其下界约在地表以下250km深度（70—250m)。

实验模拟表明，该层不完全为固相，可能是熔融物质和固体物质的混合带，熔体约占1％－10％。

这样大大降低了其强度，故称软流圈。软流圈可以缓慢地流动，软流圈在一系列地质作用中起着重要作用。（二）软流圈地幔：位于地壳之下，莫霍面与古登堡面之间。厚度约2800公里。体积占地球体积的83%。质量为4.030x1021

千克，占地球质量的66%。根据地震波速变化，以984公里深度为界，把地幔分为上、下两层，分别称为上地幔和下地幔。

（三）地幔上地幔在莫霍面以下至984公里深度之间，平均密度3.8克/厘米3。主要成分为超基性岩(镁铁硅酸盐）。下地幔位于984公里至2898公里之间，平均密度5.6克/厘米3

。主要成分仍然是MgO，FeO和SiO2,Fe含量较上地幔略有增加。2750公里至2898公里深度之间存在波速较低而密度较高的′D′层，预示着地幔向地核的转化。地壳和软流圈之上的固态上地幔合称为岩石圈。根据板块构造观点，岩石圈被洋中脊、俯冲带和转换断层分割为若干岩石圈板块。这些岩石圈板块在地幔对流力的驱动下，“漂浮”在软流圈之上作大规模水平位移，导致了大陆的漂移。位于2898公里以下，厚度3471公里。以古登堡面与地幔分界。体积约占地球的16.2％;质量1.900×1021千克，占地球总质量的32.5％。根据地震波速划分为外核和内核，以及两者之间的过渡层。

外核：平均密度约为10.5克/厘米3。纵波速度在此急剧降低，横波不能通过。根据地球固体潮和自由振荡推断，这里的物质状态为液态。

内核：平均密度约为12.9克/厘米3。纵波和横波均被测得。据此判断这里的物质状态为固态。

过渡层：位于4640公里和5120公里之间。其波速变化复杂可测得速度不大的横波，反映液态外核向固态内核的过渡。（四）地核第三节地壳及地质作用（一）地壳的表面形态一、陆地地形按照高程和起伏特征，陆地地形可分为山地、丘陵、平原、高原、盆地和洼地等类型。山地海拔