地球物理学原理北大版教材chpt1PrincipleofGeophysics-Preface

地球物理学原理

PrincipleofGeophysics

Chpt1Preface2020/12/181

地球物理学原理

PrincipleofGeophysicsOffice:Cellphone:主讲人：唐新功长江大学地球物理与石油资源学院SchoolofGeophysicsandOilResources,YangtzeUniversity2011年9月2020/12/182Outlineforeachchapters（72学时）前言Preface 4地球与行星科学Earthandplanetscience 4天然地震Earthquakeseismology 12人工地震Seismicexploration8重力学Gravity 10地磁学Geomagnetism 8古地磁学Paleomagnetism4地电学Geoelectricity 12地热学Geothermal 6大陆漂移、海底扩张和板块构造Continentdrift,SeafloorspreadingandPlatetectonics 42020/12/183Chinesereferences史哥编著，地球物理学基础，北京大学出版社，2002曾融生著，固体地球物理学导论，科学出版社，1984傅承义，陈运泰，祁贵仲著，地球物理学基础，科学出版社，1985张少泉编著，地球物理学概论，地震出版社，1987滕吉文编著，固体地球物理学概论，地震出版社，2003王家映主编，地球物理学，中国地质大学出版社，1988刘运生，毛春长等编，地球物理学简明教程，地震出版社，1996胡德昭，朱慧娟主编，地球物理学原理及应用，南京大学出版社，19952020/12/184EnglishreferencesWilliamLowrie,FundamentalofGeophysics,CambridgeUniversitypress,1997C.M.R.Fowler,ThesolidGeophysics,CambridgeUniversitypress,1990TurcuttandSchubert,Geodynamics,CambridgeUniversitypress,2002Parasnis,D.S.,PrinciplesofAppliedGeophysics,fifthedition,Champan&Hall,1997Scheidegger,A.D.,FoundationsofGeophysics,ElesvierScientificPublishingCompany2020/12/185LearnprinciplesofGeophysicsLearnEnglishvocabulariesaboutGeophysicsorGeosciencesubjectLearnhowtoreadforeignbooksonGeophysicsLearnhowtothinkproblemsinEnglishmannerCanreadjournalsorpaperswritteninEnglishinthefuturePurposeofthiscourse2020/12/186CharacteristicsofthecourseGiveanintroductiontotheentiresubjectofGeophysicsCombinationofbasicscienceandappliedscienceMaincourseofmajorofGeophysicsforundergraduatestudentinonesemesterAlotofknowledgeandconceptsRelativelyindependentforeachchaptersAvoidingtediousderivationofmathematicalformulaeMainlyusePPTImagination,thinking,discussionandinteractivityisencouraged2020/12/187Newwordsandphrasescrust地壳mantle地幔core地核Moho莫霍面lithosphere岩石圈athenosphere软流圈rigid刚性的plastic韧性的mantleplume地幔热柱tsunami海啸mitigate减轻disaster灾难catastrophe灾难Ductile韧性的Mud-rockflow泥石流Viscous粘稠的Viscosity黏度2020/12/188OutlineofthefirstclassWhatisGeophysics?InnerstructureoftheearthNaturaldisasters(earthquake,volcano,tsunami,tornado,et.al)IntroductiontotheresearchhistoryofGeophysicsUnitsusedinthiscourseandgeologicaltime-scale2020/12/1892020/12/1810Geophysicsisasubjecttostudyinterioroftheearthandspaceenvironmentintheangleofphysics,whichuse

physicalprinciplesandmethod,advancedelectronictechnology,GPSandINSARtostudythegeophysicalfieldsincludingnaturalandman-madeseismicwave,gravity,magnetism,geoelectricity,geothermalandsoon.Toprotectagainstandmitigatenaturaldisasters.ToProtectandimprovetheenvironmentwelive.Tosupplynewtheory,newmethodandnewtechnologyfornationalenergyandresourcesexploration.WhatisaGeophysics2020/12/1811预防与减轻自然灾害（地震、火山、滑坡等）

Predictionandmitigationfornaturaldisasters(earthquake,volcano,landslide,etc)资源、能源探测Mineralandenergyexploration(waterresource,mine,oilandgas,etc)（水资源、矿藏资源、石油天然气等）考古Archeology工程地球物理CivilandEngineeringgeophysics军事MilitaryPrincipleofgeophysicsContributionofGeophysicstosocietydevelopment2020/12/1812

SessionInformation2002SpringMeetingTuesdayAfternoonTimeSessionLocationTitle1330U22AWCC30GeophysicsandTerrorism

Presiding:

GvanderVink,IRISConsortium;MGCollins,U.S.CommitteeforIIASA

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]1340U22A-01WCC30SeismicEventsinAustraliaandtheAumShinrikyo

*CBHennet,GEvanderVink,DHarvey

INVITED

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]1355U22A-02WCC30TheNationalInstituteofJustice'sTechnologyEffortstoMeettheEvolvingNeedsoftheResponderCommunity

*DBoyd

INVITED

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]1410U22A-03WCC30SurfaceWaveImagingtoDetectTunnels

*RDMiller,RFBallard,CBPark,JXia

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]1425U22A-04WCC30CurrentLegislativeInitiativesandGeophysics

*SGStephan

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]1440U22A-05WCC30ForensicSeismologyandthe1995OklahomaCityTerroristBombing

*TLHolzer

INVITED

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]1525U22A-06WCC30Glaciersin21stCenturyHimalayanGeopolitics

*JSKargel,RWessels,HHKieffer

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]1540U22A-07WCC30ForensicSeismology:constraintsonterroristbombings

*TCWallace,KDKoper

INVITED

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]1555U22A-08WCC30ResourceAssessmentforAfghanistanandAlleviationofTerrorism

*JFShroderJr.,MPBishop,UKampJr.SHamidullah,JOlsenholler

INVITED

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]1610U22A-09WCC30BaselineforMonitoringWaterResourcesAlongKabulandIndusRiversofPakistanforPotentialTerroristContamination

*SHamidullah,STariq,MTShah,JFShroderJrMPBishop,UKampJrJOlsenholler

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]1625U22A-10WCC30SverdlovskAnthraxOutbreak:AnEducationalCaseStudy

*SJSteele,GvanderVink

INVITED

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]Geophysics&Terrorism2020/12/1813距离世贸大厦34公里远的帕利塞德(Palisades)地震台记录到的9.11事件的地震波形

Theearthquakerecordgiveaprooffortheinvestigationof9.11disasterinUSAin2001.2020/12/1814库尔斯克号沉没事件的调查2020/12/1815地球物理学是地球科学的一个年轻的分支，是现代地球科学的重要组成部分。无论是板块构造理论的确立和地球内部结构的发现，还是矿产、油气资源的勘探以及对地震、火山等地质灾害成因的认识与预测这些与人类生存息息相关的重要课题的研究，地球物理学在其中起了决定性作用。PrincipleofGeophysicsGeophysicsisayoungbranchandmainpartofmoderngeosciences.Itplaysanimportantroleintheresearchesconcerningthehuman’ssurvivalandactivitiessuchasthetheoryofplatetectonics,discoveringofearthinterior,oilandgas,mineralresourcesaswellasthemitigationandpredicationfornaturaldisasterslikeearthquakesandvolcanoes.2020/12/1816FunctionandclassificationofGeophysicsGeophysicsisasubjectwhichhaswiderangeofapplications.Itsresearchresultsnotonlyhelpustorecognizetheearthandspaceenvironment,butalsosupportindustrydepartmentandhigh-techdomainwhichisimportantfornationaleconomicconstructions.Todaygeophysicshasbecomeoneofthepowerfulsubjectwhichwillproducecrucialinfluenceonthesurvivalanddevelopmentofhumanbeingsin21century.地球物理学是一门应用性很强的基础学科，它的研究成果不仅有助于增进人类对所生息的地球及其空间环境的科学认识，而且支撑着众多的国民经济建设中具有重要意义的产业部门或高科技领域，为太空时代的人类活动提供了必要的基础。今天，地球物理学已成为地球科学中最具活力的学科之一，其研究成果将对21世纪人类的生存发展、太空环境的充分利用产生重要影响。地球物理学包括固体地球物理学和空间物理学两个二级学科。固体地球物理学是以固体地球本体作为研究对象；而空间物理学则是以太阳系特别是日地空间物理环境为主要研究对象。2020/12/1817Geophysics（一级学科）SpacephysicsSolidGeophysics（二级学科）GeophysicsSeismicexploration

地震学Seismology

地球电磁学Geo-electromagnetism

地磁学Geomagnetism

重力与大地测量GravityandGeodesy

地球动力学Geodynamics

构造物理TectonophysicsGeophysicsFunctionandclassificationofGeophysicsSolarsystemEarthitself2020/12/1818随着工业发展（寻找石油天然气、金属与非金属矿产）的需要，勘探地球物理学发展很快，已经自成体系。但是，近年来，随着地震观测仪器的改善，计算技术的改进，世界标准台网的建立，促进了定量地震学(quantitativeseismology)的发展。地球上地震、火山等自然灾害日益猖獗，随着人类工业发展对自然环境的破坏，导致环境恶化，地质灾害不断，越来越引起了人类的关注，不断地对地球物理学提出新的挑战。普通地球物理学（研究尺度较大）和勘探地球物理学（研究局部问题）所使用的方法、原理、观测仪器近似。两者不存在矛盾。Principleofgeophysics2020/12/1819Geophysicistsaretrainedmathematicians,physicistsandcomputerspecialists.Theyallacquireagoodgroundingindescriptivegeologytoenablethemtoworkcloselywithgeologistsinordertogenerateimagesofpetroleumtrapsorsubsurfacestructuresfromthedatacollected.WhatisaGeophysicist2020/12/1820Geophysicistsuseavarietyofmethods,dependingonthegeologicalobjecttheywishtovisualize.Theseinclude:Earthquakeseismology,whichstudiesnaturalearthquakes.Seismicmethod,whichincludereflectionandrefractionmethod.Geomagnetism,whichstudiesEarth'smagneticfieldcausedbymagneticdifferencesbetweendifferentrocks.Gravimetry,whichemploysthesameproceduresasabove,whichstudiesearth'sgravityfieldcausedbyrockswithdifferentdensitiesorthevariationofdensitysurfaces.Electromagnetic,whichmeasuretheresistivitydifferencesofsubsurface.Geothermal,whichmeasurethetemperatureandtemperaturegradientofsubsurface.WhattoolsdoesaGeophysicistuse

2020/12/1821WhattoolsdoesaGeophysicistuse

2020/12/18222020/12/1823OutlineofthefirstclassWhatisGeophysics?InnerstructureoftheearthNaturaldisasters(earthquake,volcano,tsunami,tornado,et.al)IntroductiontotheresearchhistoryofGeophysicsUnitsusedinthiscourseandgeologicaltime-scale2020/12/1824Theinnerstructureoftheearth2020/12/18252020/12/18262020/12/1827Comparisonofclassicalandmoderndivisionsoftheearth2020/12/1828Crust,lithosphereandasthenosphere岩石圈是(下界大约为1300°等温面的)地球表部刚性圈层；岩石圈板块是由板块边界断裂分开的岩石圈的刚性块体，包括地壳和上地幔最上面的一部分。2020/12/1829Moho:boundarybetweenthecrustandmantle.Pwavevelocitytravelsatabout6.5km/sincrustandsuddenlyincreaseto8.2km/swhencrosstheMohoboundary,indicatingthattheyaredifferentregionswithdifferentchemicalcomposition.Thelowercrustisalwaysgabbroic(辉长岩质的)(≈50%silica)andtheuppermantleiscomposedofperidotite(橄榄岩)(≈30%silica)Lithosphere:thestrong(rigid)andouterpartoftheearth.Itconsistsofboththecrustanduppermantle.Mohodiscontinuitylieswithinthelithosphere.Asthenosphere:arelativelysoft(lessrigid)regionoftheearthunderlyingthelithosphere.Pwavevelocitytravelsat8.2km/sslowdowntoabout7.5km/satdepth75~200km,indicatingthetransitiontothesofterasthenosphere.Crust,lithosphereandasthenosphere2020/12/1830Thetemperatureandpressureconditionsinthemantlecreateazoneofrelatively“soft”mantle,sandwichedbetweenthehardermantleaboveandbelow.Thesoftermantle(asthenosphere)allowstherigidplates(rigidmantle+crust=lithosphere)tomovehorizontallyatafewcm/yearatgeologicaltime,whichlikesaboatflowsoverthewater,indicatingtheasthenosphereisductile(塑性).“Sandwich”theory2020/12/1831Crust,lithosphereandasthenosphere“Sandwich”2020/12/1832PressureandtemperatureinEarth’supper700km2020/12/1833P-Trelationship

forperidotite

橄榄岩

2020/12/1834“Theearthquakeseemslikeabrightlampanditilluminatestheinnerstructureoftheeartheachtime”－－傅承义K.Aki2020/12/1835OutlineofthefirstclassWhatisGeophysics?InnerstructureoftheearthNaturaldisasters(earthquake,volcano,tsunami,tornado,et.al)IntroductiontotheresearchhistoryofGeophysicsUnitsusedinthiscourseandgeologicaltime-scale2020/12/1836Naturaldisasters地震

earthquake火山volcano海啸

tsunami龙卷风

tornado泥石流

mud-rockflow沙漠化

desertification干旱

drought洪涝

flood2020/12/1837earthquake2020/12/1838地震（earthquake)地震(earthquake)是大地的震动，是地下岩层长期积累的应变能的突然释放，其形成原因是由于地下断层发生滑动引起的。地震一发生，往往瞬间就给人们带来极大的灾害。海洋中发生地震，还可能会导致海啸。地震是极其频繁的，全球每年发生地震约500万次，平均每分钟近10次地震。地震是最严重的自然灾害，地震的破坏力和死亡人数居所有地质灾害之首。中国死亡人数占全世界的1/3左右。2020/12/1839SeismologyandEarthquakesSeismologyisthescienceofearthquakes.Itstudiesvibrationsthatmovesaswavesthroughtheearth.Earthquake:variations

withintheearthcausedbytheruptureandsuddenmovementofrocksthathavebeenstrainedbeyondtheirelasticlimit.Earthquakeisthetremors(/shock/vibration)occasionallyfeltattheearthsurface.Forhumanbeings,earthquakesareofgreatestimportancebecausetheycancauseconsiderabledamage.Itcausedbythesuddenlyreleaseofaccumulatedstressinveryshorttime.Earthquakestakeplaceveryfrequentlywithabout5milliontimesayearandnearly10timesperminute.Ifearthquakeoccursintheocean,tsunamidisastermaybeinduced.Earthquakesarethemostdamagedhazardsamongallofthenaturaldisastersinpeople’sdeath,amongthemapproximately1/3areChinesepeople.2020/12/1840Inthepast500years,morethan7millionpeoplegloballydiedinearthquakesandmillionsofpeoplehopelesslysawtheirhomesweredestroyed.Thehazardearthquakeshavebecomeoneofthemostimportantissueforincreasingpopulation,whichattractsscientistsandengineerstoresearchit.Earthquakeisnotonlyadisaster,butalsothesourceofgeologicalknowledge.Analysisofseismicwavescanprovideadetailed,andtosomeextent,theuniquewaytogettheinformationfromverydeepearth.Seismichazard2020/12/1841全球每年发生地震约500万次！

但只有不到2%的地震能被人们感觉到，其中每年100多个破坏性地震，却给人类造成了巨大的经济损失和人员伤亡。强烈地震往往以其猝不及防的突发性和巨大的破坏力给社会带来严重的危害。在各种自然灾害造成的损失中（破坏力和死亡人数），地震损失占54%，地震是最严重的自然灾害，是名副其实的“群灾之首”。中国位于世界两大地震带－－环太平洋地震带与欧亚地震带之间，受太平洋板块、印度板块和菲律宾海板块的挤压，地震断裂带十分发育，主要地震带有23条。在刚刚过去的20世纪里，中国共发生6级以上地震近800次，是世界上蒙受地震灾害最为严重的国家之一。在防震减灾的实践中，认识地震和防震减灾是一项复杂的社会系统工程。要有效地减轻地震灾害，必须依靠全社会各方力量协调一致的努力。学习地震科学知识、提高全民的防震减灾意识是首要前提。2020/12/1842Seismichazard

1、1985年墨西哥大地震中，大部分建筑倒塌。

2、地震后站在废墟上的印度小女孩。

3、1976年危地马拉的旧危地马拉城在地震后变为废墟。

4、亚美尼亚城在1988年地震中基本被完全摧毁。2020/12/18432020/12/18442020/12/18451994年美国洛杉矶Northridge大地震

1995年日本阪神大地震

2020/12/18462020/12/18472020/12/18482020/12/1849地震的传说

Thelegendstoryofearthquakes台湾传说中，认为地底下有一只大地牛，平常在睡觉，当它翻身的时候，牵动大地振动，就会发生地震。2020/12/1850新西兰传说地下住着一位女神，名叫“地母”。当地母发怒的时候，会挥动手脚，造成大震动，于是便发生地震。地震的传说

Thelegendstoryofearthquakes2020/12/1851北美洲的原住民以为地球是由一只巨大的乌龟所支撑，乌龟向前走，大地就开始颤抖。地震的传说

Thelegendstoryofearthquakes2020/12/1852日本认为地震的罪魁祸首是一只在地底下的大鲶鱼(catfish)。大鲶鱼平常也在睡觉，一旦开始翻身，大地就会振动，造成地震。地震的传说

Thelegendstoryofearthquakes2020/12/1853volcanoesVolcanoesareconesbuiltupbytheaccumulationoferuptivematerialsfrombelow.Theeruptionsofvolcanoesfromtheventscanbecatastrophic.Inthevolcaniceruption,notonlymoltenrock(‘lava’)butwater(atsteam)andpoisonousgasesmaybebroughtforth.Thelavamaybeintheformofviscousfluidwithveryhightemperatureandburnnearlyeverythingpassingthrough.Volcanoesmaybedormantforhundredsofyearsandthensuddenlyeruptagain.Theeruptionmaylastfromafewhourstoafewmonthsand,then,longdormantperiodsmayagainoccur.2020/12/1854volcanoesAnimportantproblemisthepredicationoferuptions,whichissimilartothatofearthquakepredication.Bothofthemaredifficulttilltoday.Thecharacterofaneruptionismuchdeterminedbytheamountofpressureofgasandtheviscosityofthelava.Mostdangerousoneisbothofthemarehigh.2020/12/18552020/12/18562020/12/18572020/12/18582020/12/18592020/12/18602020/12/18612020/12/18622020/12/18632020/12/1864Theformationandclassificationofthevolcano全球的火山分布和地震带是一致的。板块发生碰撞时，岩石互相推挤所产生的压力会以地震的方式释放出来。大多数的火山就出现在这些板块的边缘地区。因为部分熔融的熔岩可以在板块移动时，由缝隙中涌出地表。2020/12/1865TheformationandclassificationofthevolcanoAlthoughvolcanoesarealwayssinglemountains,theyaremostlyfoundinareaswhichareorogeneticallyactive.Theworlddistributionofvolcanoesisaccordancewiththeearthquakezone.Therearethreetypesofvolcanoes:1、Mid-oceanridge.

岩浆沿着拉张带上涌形成海底火山岩（玄武岩(basalt)质）；2、Subductionzone.板片岩石脱水而部分熔融，安山岩(andesite)质；3、Hotspot.火山岩浆沿板块内的地幔柱喷发至地表而形成火山（玄武岩质）。2020/12/1866Globaldistribution

ofmajorvolcanoes地球上已知的活火山共约518座,它们集中在以下四个地带:

(1)环太平洋火山带，从南北美洲、阿拉斯加、阿留申群岛，经勘察加半岛、日本群岛、菲律宾群岛直至新西兰。这一带的活火山300余座,约占全球的60%。环太平洋带上的火山主要喷发中、酸性岩浆,尤以喷发安山质岩浆为特征。

(2)红海沿岸和东非带。此带共有活火山22座，自中生代裂谷形成以来，火山活动频繁。

(3)地中海-印度尼西亚火山带。这一带共有活火山70余座。其中地中海沿线有13座,印度尼西亚有60余座。这一火山带喷发的岩浆从基性到酸性均有,性质多变。

(4)洋底火山带。分布于大西洋(22座)、太平洋(15座)、印度洋(4座)、冰岛及詹迈扬岛(15座)。有的火山在水下喷发,有的已露出水面,成为火山岛屿。

此外，根据太空探测获得的资料显示，火山活动也是太阳系各行星最重要的地质运动之一。2020/12/18672020/12/1868内蒙长白山琼州湾Tibet腾冲中国现今没有火山活动，但中国新生代是一个多火山的国家，分布有范围广泛的新生代火山岩。中国火山分布在成因上与两大板块边缘有关：一是受太平洋板块向西俯冲的影响，形成我国东部大量的火山。另一是受印度板块碰撞的影响，形成了青藏高原及周边地区的火山的分布。“九五”期间，在有关专家的大力呼吁下、在国家和地方政府的大力支持下，这种局面已完全改善，火山监测与研究事业正越来越多的受到人们的关注。我国现已有3处活火山受到监测，分别是：吉林长白山天池火山、云南腾冲火山和黑龙江五大连池火山。随着国力的提高，今后将有更多的活火山受到监测。DistributionofvolcanoesinChina2020/12/1869Distributionofearthquakes,volcanoes

andmud-rocksinChina2020/12/1870Thecautionofvolcanoes火山的形成涉及一系列物理化学过程。地壳上地幔岩石在一定温度压力条件下产生部分熔融并与母岩分离，熔融体通过孔隙或裂隙向上运移，并在一定部位逐渐富集而形成岩浆囊。随着岩浆的不断补给，岩浆囊的岩浆过剩压力逐渐增大。当表壳覆盖层的强度不足以阻止岩浆继续向上运动时，岩浆通过薄弱带向地表上升。在上升过程中溶解在岩浆中挥发成分逐渐溶出，形成气泡，当气泡占有的体积分数超过75％时，会导致爆炸性喷发，气体释放后岩浆粘度降到很低，流动很快。火山喷出地表前的过程归纳为三个阶段：岩浆形成与初始上升阶段、岩浆囊阶段和离开岩浆囊到地表阶段。2020/12/1871火山（Volcano）Theeruptionsofvolcanoeshavedualfunctions.Ononeside,itcausesconsiderabledamages.Ontheotherside,itbenefitspeoplebysupplyingfertilizersoil,mineralresourcesandeventouristresources.2020/12/1872Thehazardofthevolcano最具威力、最壮观的火山爆发常常发生在俯冲带。这里的火山可能在沉寂达数百年之后再度爆发,而一旦爆发,威力就特别猛烈。这样的火山爆发常常会给人类带来灭顶之灾。危害1－影响全球气候。火山爆发时喷出的大量火山灰和有毒的火山气体，对气候造成极大的影响。有时在太空达数月之久不散去，使这些地区的气温下降。危害2－破坏环境。火山爆发喷出的大量火山灰和暴雨结合形成泥石流能冲毁道路、桥梁，淹没附近的乡村和城市，使得无数人无家可归。泥土、岩石碎屑形成的泥浆可象洪水一般淹没了整座城市。

岩石虽被火山灰云遮住了，但火山刚爆发时仍可看到被喷到半空中的巨大岩石。自从地球形成以来，火山爆发一直不断，随着地球人口的增加，越来越多的人居住在断层或活火山旁等危险地区。火山爆发不仅干扰人们的生活，更可能夺走他们的生命和财产。2020/12/1873海啸（tsunami）海啸通常由震源在海底下50千米以内、里氏地震规模6.5级以上的海底地震引起。海啸波长比海洋的最大深度还要大，在海底附近传播也没受多大阻滞，不管海洋深度如何，波都可以传播过去，海啸在海洋的传播速度大约500～100km/h，而相邻两个浪头的距离也可能远达500到650公里，当海啸波进入陆棚后，由于深度变浅，波高突然增大，它的这种波浪运动所卷起的海涛，波高可达数十米，并形成“水墙”。由地震引起的波动与海面上的海浪不同，一般海浪只在一定深度的水层波动，而地震所引起的水体波动是从海面到海底整个水层的起伏。另外，人为的水底核爆也能造成海啸。2020/12/18741960年，发生在智利的9.5级地震，引发的海啸波及到日本，造成100多人死亡。

根据新浪网，这次地震及海啸死亡人数接近7万，三分之一是儿童。

斯里兰卡和印度的巨大伤亡，如果他们加入了海啸预警系统，可以减轻。海啸抵达斯里兰卡和印度用了两个小时。2020/12/18752020/12/1876ThehazardoftsunamiEarthquakesandtsunamiscanbringtremendousdamagetohumanbeings.Tilltoday,whatwecandoisonlytheobservationorpredictiontomitigatethedamageloss,butnottocontrolthemtohappen.地震海啸给人类带来的灾难是十分巨大的。目前，人类对地震、火山、海啸等突如其来的灾变，只能通过预测、观察来预防或减少它们所造成的损失，但还不能控制它们的发生。2020/12/18772020/12/18782020/12/18792020/12/18802020/12/18812004年12月26日印尼9.0级地震SumatraEarthquakesin20042020/12/18822004年12月26日印尼9.0级地震SumatraEarthquakesin20042020/12/18832004年12月26日印尼9.0级地震SumatraEarthquakesin20042020/12/18842004年12月26日印尼9.0级地震SumatraEarthquakesin20042020/12/1885SumatraEarthquakestookplaceattheplateboundary

2020/12/18862020/12/1887SeismicityoftheNortheastIndianOcean1900-20042020/12/18882004年12月26日印尼9.0级地震SumatraEarthquakesin20042020/12/18892020/12/18902020/12/18912020/12/1892龙卷风（Tornado）龙卷风是一种涡旋：空气绕龙卷的轴快速旋转，受龙卷中心气压极度减小的吸引，近地面几十米厚的一薄层空气内，气流被从四面八方吸入涡旋的底部。并随即变为绕轴心向上的涡流。发生在海上的龙卷风称为“水龙卷”，通常持续的时间比陆龙卷长，但威力较缓和。龙卷风长期以来一直是个谜，正是因为这个理由，所以有必要去了解它。龙卷风的袭击突然而猛烈，产生的风是地面最强的。由于它的出现和分散都十分突然，所以很难对它进行有效的观测。龙卷风是云层中雷暴的产物。2020/12/1893龙卷风的危害1995年在美国俄克拉何马州发生的一场陆龙卷，屋顶之类的重物被吹出几十英里之远。较轻的碎片可能会飞到300多千米外才落地。

龙卷的袭击突然而猛烈，产生的风是地面上最强的。在美国，龙卷风每年造成的死亡人数仅次于雷电。它对建筑的破坏也相当严重，经常是毁灭性的。在强烈龙卷风的袭击下，房子屋顶会像滑翔翼般飞起来。一旦屋顶被卷走后，房子的其他部分也会跟着崩解。因此，建筑房屋时，如果能加强房顶的稳固性，将有助于防止龙卷风过境时造成巨大损失。2020/12/18942020/12/1895泥石流mud-rockflow2020/12/1896

Mud-rockflow泥石流是介于流水与滑坡之间的一种地质作用。典型的泥石流由悬浮着粗大固体碎屑物及粘稠泥浆组成。在适当的地形条件下，大量的水体浸透山坡或沟床中的固体堆积物质，使其稳定性降低，饱含水分的固体堆积物质在自身重力作用下发生运动，就形成了泥石流。泥石流是一种灾害性的地质现象。泥石流经常突然爆发，来势凶猛，可携带巨大的石块，并以高速前进，具有强大的能量，因而破坏性极大。泥石流所到之处，一切尽被摧毁。右图就是一幅泥石流所造成破坏的照片。2020/12/1897OutlineofthefirstclassWhatisGeophysics?InnerstructureoftheearthNaturaldisasters(earthquake,volcano,tsunami,tornado,et.al)IntroductiontotheresearchhistoryofGeophysicsUnitsusedinthiscourseandgeologicaltime-scale2020/12/1898ResearchhistoryTheearthissufferedfromearthquakesinitswholelife.Theearliestdocumentedearthquakecanberetroactived(追溯)toseveralthousandyearsago.在中国，最早的可追溯到公元前1831年的山东省地震，该记载仅提到“泰山震”，但从公元前780年起中国北部的地震记载就已经相当完整了。公元132年，张衡（东汉）发明了世界上第一台地震仪－－侯风地动仪。并在138年记录到陇西的地震。principleofgeophysics2020/12/18992020/12/18100Principleoftheseismograph.Theinertiaofthesuspendedmasstendstokeepitmotionless,whiletherecordingdrum,whichisanchoredtobedrock,vibratesinresponsetoseismicwaves.Thus,thestationarymassprovidesareferencepointfromwhichtomeasuretheamountofdisplacementoccurringastheseismicwavepassesthroughthegroundbelow.2020/12/18101Researchhistory19世纪末20世纪初，T.Grag等人研制成功地震仪，并且获得了地震记录图。1935年，里系特（C.F.Richter）和古登堡（B.Gutenberg)制作了震级表，使得地震标度定量化。1938年，Richter、Gutenberg、H.Jeffreys、K.E.Bullen等人根据全球地震观测数据，反演了地球内部的地震波速度分布，供地震研究长期使用。20世纪发展起来的板块理论使地震的分布和板块构造联系起来，推动了地震震源机制解和板块机制结合研究，大大加深了人类对地震成因的认识。Principleofgeophysics2020/12/18102Researchhistoryofgeophysics人类对地球物理学的观察，从远古时代就开始了。东汉时期的张衡，是从事地震观测的地球物理学家，发明了世界上第一台地震仪－－侯风地动仪。并且知道地球是球形的。天地之体，形如鸟卵

——张衡

牛顿力学的建立，也是来自于自由落体运动的启示。按照时间顺序，分六个时期介绍：2020/12/18103十四世纪以前公元前4世纪，亚里斯多德指出大地是球形，并且估算了地球的圆周值（即纬度变化1°所对应地面的长度，不是pi）；公元前3世纪，伊拉多生斯（EratoSthenes）得到了地球的圆周值；公元前8世纪，我国的张遂（僧一行）独立得到了地球圆周值，其误差小于20％；与中国、希腊和阿拉伯相比，欧洲的地球物理工作起步较晚，大概是在环球航行之后开始的。Researchhistoryofgeophysics僧一行2020/12/18104十四世纪以前1527年，菲涅尔（Fernel）在巴黎利用马车车轮的旋转计算出了圆周值；1617年，Snell提出了三角测量的概念；1669年，法国人Picard用望远镜测量角度，重新得到了圆周值，误差精度达0.1%；随着大地测量精度的提高，开始考虑地球扁率和旋转效应。牛顿对此做出了杰出贡献。牛顿的第一个贡献：用万有引力公式，第一个估算了地球的质量，并且对太阳系的其他行星的平均密度做出了天才的估计。牛顿的第二个贡献：第一个估算了地球的扁率。牛顿Researchhistoryofgeophysics2020/12/18105十八世纪的工作（英法竞争）英国的约翰.密歇尔（JohnMichell）设计了测定2个物体之间引力的仪器，从而测量了万有引力常数G值；但是他没有完成就逝世了，实验由他的学生卡文迪许成功地完成；法国人通过测量证明地球的扁的。在测量中，布格（Bouguer）开创了重力测量学，奠定了现代大地测量学的基础。理论方面，克莱罗（Clairaut）导出了地球内部密度随扁率变化的二阶微分方程，在以后的长达100多年里，很多地球物理问题都是建立在牛顿和克莱罗的基础上。该时期很多伟大的法国数学家都对固体地球物理学做出过突出贡献：包括：达朗倍尔，库仑，拉格朗日，勒让德，拉普拉斯，泊松，Cauchy等，从而把地球物理学严格建立在了数学的基础上。拉普拉斯Researchhistoryofgeophysics2020/12/18106十九世纪的工作这个世纪，人类更多地把数学、地球质量和半径、扁率等结合在了一起，更加准确地确定了地球扁率，精度在几％以内，并且估算了地球内部密度的分布，但是比较粗糙。虽然十九世纪为探索地球内部密度分布花费了巨大精力，但是还没有达到成熟可信的程度，直到20世纪，地震学的研究得到了地球内部结构，才从根本上解决了地球内部密度分布问题。Researchhistoryofgeophysics2020/12/18107二十世纪的工作（伟大的工作）1755年后，约翰.密歇尔（JohnMichell）制成了简便的地震仪，并且投入使用，从此真正开始了地震学的定量化阶段。1987年，法国人Oldham在地震图上识别出了P波和S波，开始了人类认识地球分层结构的历史。1909年，南斯拉夫地震学家莫霍洛维奇发现了莫霍面，即地壳与地幔的界面，后来被证明这是个全球性的界面。1914年，德国人古登堡（Gutenburg）找到了核幔边界，深度为2900km；1936年，丹麦的莱曼（Lehmann）女士发现了地核分为内核和外核；Researchhistoryofgeophysics2020/12/18108地核发现者－奥尔德姆(Oldham)2020/12/18109地球内核发现者－丹麦的莱曼（Lehmann）莱曼论文中引用的2个俄国地震图记录的新西兰1929年的地震图和3层地震模型地震波传播示意图2020/12/18110Lehmann的模型同时解释了P波阴影区(shadowzone)的形成原因。Researchhistoryofgeophysics2020/12/18111KRAEMER(1902)BOLT(InsidetheEarth,1973)DZIEWONSKI(~1990,fromwww)Earth’sinteriorhasfascinatedscientistsforcenturies地球1维结构地球3维结构2020/12/18112二十世纪的工作（伟大的工作）1946-1950年，澳大利亚的布伦（Bullen）指出内核为固态；1940年，Jeffreys和Bullen经过多次试验给出了一个地震走时表，即著名的J-B走时表。从这个表可以得到P波和S波速度随深度的变化。Researchhistoryofgeophysics2020/12/18113二十世纪的工作二十世纪五十年代，根据地球物理研究的结果，人们已经对于地球内部的分层结构、物质组成和物理状态有了一个大致的了解。此时人们逐渐认识到许多地学现象，特别是地下资源分布问题，若不研究地壳深处以至地幔上部是不能完满解释的。所以在六十年代之初，国际间就连续组织了四次大协作：1957～1958年，“国际地球物理年”（InternationalGeophysicalYear）,简称TGY;1960～1970年“国际上地幔计划”（InternationalUppermantleProgram）,简称IUP；1974～1980年“国际地球动力学计划”（InternationalGeodynamicsProgram）,简称IGP；1981～1989年又组织了一个“国际岩石圈计划（InternationalLithosphereProgram）(ILP)”，这个是当代固体地球科学最具有多学科性和规模最大的国际合作计划。Researchhistoryofgeophysics2020/12/18114二十世纪的工作80年代开始的全球地学大断面(GlobalGeosciencesTransection--GGT)，在全球做了13条地学大剖面，基本上横跨了全球主要的大断裂。所用的手段包括：地震、地磁、重力、电磁、海上地球物理测量、地热、地质、科学深钻等。“八五”和“九五”和“十五”期间，在国家自然科学基金委员会的重点支持下，我国科学家在固体地球物理学的许多研究领域中取得了一系列国际领先水平的成果，使我国在某些研究领域已处于组织和领导的地位，并且培养了一大批优秀的中青年学术带头人。Researchhistoryofgeophysics2020/12/18115二十世纪的工作四次国际协作，对全球地球物理学产生了深刻的影响。第一次协作后，建立了全球范围的规范化的、布局基本合理的地震、重力、地磁、地热等观测台网，为大规模研究提供了基础资料；第二次协作后，提出了“板块构造学说”，这是一次地球科学的革命；第三次协作后，探讨了板块的驱动力问题；第四次协作，探讨了岩石圈的现状、形成、演化和动力学过程，重点研究了大陆板内的地球物理学现象，其中，板内地震(intraplateearthquakes)居主要地位。Researchhistoryofgeophysics2020/12/18116二十世纪的工作当前，国际合作的研究主要集中在地球动力学(geodynamics)这个科学问题上，即探讨地球内部的物理过程和地球的空间运动。Researchhistoryofgeophysics2020/12/18117全球地球模型（一维）(globalearthmodel-1Dearthmodel)：随着观测技术（仪器）和计算技术的不断改进，人们对地球内部细结构的认识也日益提高。用全球标准台网资料可以得到地球的参考模型（ReferenceEarthModel）1981年，杰旺斯基（A.D.Dziewonski）和安德森（D.L.Anderson）提出了一个基本参考地球模型（PREM模型－PreliminaryReferenceEarthModel）。比Bullen的模型大大前进一步，它以参量形式给出了P波和S波的速度分布，并且给出了品质因数Q值的分布，以及地球的非弹性和各向异性。Researchhistoryofgeophysics2020/12/18118D.L.Aanderson&A.M.Dziewonski获得1998年度Crafoord奖PREM模型(PreliminaryReferenceEarthModel)

DonL.Anderson

EleanorandJohnR.McMillan

ProfessorofGeophysics,Emeritus

Ph.D.,CaliforniaInstituteofTechnologyAdamM.Dziewonski

FrankB.Baird,Jr.ProfessorofScience2020/12/18119

我国的地球科学发展较晚，到了清末，京师大学堂（后改为北京大学）才设立地质学科。1911年南京中央政府设立地质科，1916年扩大为地质调查所。1918－1920年西北海原发生2次大地震，地质调查所翁文灏率队前往考察。1930年李善邦先生在北京鹫峰设立中国第一个地震观测台。但是直到解放前，我国的地球物理工作仍然十分薄弱，旧中国留给我们一个贫瘠的家底。1949年以后，地球物理事业得到了快速发展。1949年11月1日中国科学院成立，同时成立地球物理研究所。赵九章、陈宗器、顾功叙、傅承义、李善邦、秦馨菱、刘庆龄、曾融生等老一辈科学家为我国的地球物理事业的发展作出了重要贡献。1956年和1958年，在北京大学和中国科技大学设立了地球物理学专业，开始培养地球物理学人才。Researchhistoryofgeophysics(china)2020/12/18120

到了1966年，我国已基本建成初具规模的地球物理观测系统（包括地震、地磁、重力），并且编制了中国地震震中图、中国地磁图、中国布格重力异常图等基本图件，为今后的科学研究、经济建设的发展提供了重要依据。十年动乱期间，地球物理工作也受到很大波及，但是在中央关怀下，地震工作得以幸存，并且获得发展。十年动乱之后，我国的地球物理事业获得了极大的发展，大致分为以下几个方面：Researchhistoryofgeophysics(china)2020/12/18121Researchhistoryofgeophysics(China)Applicationofnewmethodandtechnologyinoilexploration;Longrangeplanningofcoastalgeophysicalprospectinganddevelopmentofeastandsouthsea;Aeromagneticsurveyanditsinterpretation;Interpretationofsatelliteimagesanditsapplicationsingeophysics;Hypocenterphysicsandresearchesoffracturemechanicsofearthmedia;DevelopmentandusageofgeothermalinChina;Deepstructuresandgeodynamicsofcrustanduppermantle;Earthquakepredictionandprecaution.石油勘探新技术、新方法的应用；中国沿海物探远景规划与东海南海开发；航空磁测及解释；卫星图像判读及其在地球物理学中的应用；震源物理及地壳介质的破裂力学研究；中国地热的开发和利用；地壳上地幔深部构造与动力学研究；地震预报与预防等。2020/12/18122地球物理学虽然与其他学科有着密切联系，但是它们有着质的区别。一、反演方法（inversion)地球物理学是用仪器在地表面或极浅部进行观测的，那么如何使用这些大量的资料了解地下的情况呢？“上天容易入地难”，我们可以根据地表观测的资料（地震波、电磁场、密度、热流值等），反推地下的情况，这在地球物理上叫做反演或反问题（Inversionproblem）。反演的一个突出问题就是多解性(nonuniqueness)。造成多解性的原因主要有算法不稳定，观测误差以及观测资料十分有限等，减小多解性的方法就是尽量增加资料的约束，比如使用合理的初始和边界条件、尽量结合多种地球物理方法的结果等。二、地球物理模型(geophysicalmodels)真实地球极为复杂，若不进行简化，根本无法计算和研究。这就是地球物理研究中经常使用的模型方法。地球模型就是以数学公式或数值形式表征某种地球物理性质或规律，它是对复杂问题的合理抽象和高度简化。根据研究问题的不同，即使对同一个研究对象也可以有不同的模型。比如对于地球的速度模型，从最初的三层模型（地壳、地幔、地核）、七层模型（从地面到地心，分为A~G层）、九层模型（Bullen’smodel），到最近的PREM模型等，说明随着观测水平和解释方法的增加，模型也会不断的改进和完善。Researc