地球的物理性质与圈层结构

地球的物理性质与圈层结构第1页，课件共44页，创作于2023年2月提示：

物理性质和圈层结构是互为因果的；

它们对地球的运动和演化有决定性的制约作用；

研究物理性质的历史中产生过许多优美的科学传奇，从中可以领略地学家是如何巧妙地揭开地球内部奥秘的。第2页，课件共44页，创作于2023年2月§1.地球的密度与弹性密度=质量÷体积第3页，课件共44页，创作于2023年2月若一头大象的质量以平均3t计,则地球的质量M=5.9472×1024t=1.984×1024即约等于2万亿兆头大象第4页，课件共44页，创作于2023年2月怎样判断地球是球体

第5页，课件共44页，创作于2023年2月1．地球非严格的旋转椭球体

2．地球内部物质分布是不均匀的

第6页，课件共44页，创作于2023年2月地球的质量及其计算密度=质量÷体积质量=体积×密度

牛顿定律：F=mg;G=fmM/r2

M=gr2/f如何求得地球半径呢——几何学常识+天文学测量

一段圆弧的长度与其对应的圆心角成比例弧AB对应的圆心角正是AB两点对应的天顶角

AB第7页，课件共44页，创作于2023年2月求地球的引力常数

——附加引力法第8页，课件共44页，创作于2023年2月根据体积和引力常数，计算出地球的平均密度为

5.516g/cm3

但实际测量却发现，地表常见沉积岩的平均密度只有2.60g/cm3地表出露的花岗岩的密度为

2.85g/cm3第9页，课件共44页，创作于2023年2月地球内部密度的确定——地震波

原理——地震波通过不同密度介质时的波速不同，在越过两种不同介质时还会发生折射现象ANB第10页，课件共44页，创作于2023年2月经验公式与结论：

=0.27Vp+1.07

地内密度测量有三处突变，反映了密度（和物质）的不连续；由地表到地心，密度依次递增；

由横波不能通过外核，推断出外核是液态的。第11页，课件共44页，创作于2023年2月

弹性——变形与受力成正比；

塑性——外力消失后部分变形不能恢复；

粘性——外力消失后变形还可能继续地球的弹—塑—粘性同一物体在不同的受力-变形条件下,可以分别表现出不同的物性.第12页，课件共44页，创作于2023年2月

海洋潮汐：日—月引力的结果

固体潮：同样的原因作用于固体地球的结果

岩石褶皱：地壳的塑性变形表现

地球的弹—塑性及其转动趋势：月—地靠拢

地球的粘性：斯堪底那维亚冰后期的抬升第13页，课件共44页，创作于2023年2月地球的振荡与摆动

涨缩振荡扭转振荡第14页，课件共44页，创作于2023年2月§2.地球的重力场

地球的重力在不同地区，不同深度的部位都不相同；

在地球内部，不同深度部位上的重力会受到不同因素的综合影响；

在地心处，计算重力的公式与其它部位的计算有所不同。第15页，课件共44页，创作于2023年2月地球的重力构成

由于离心力只有重力的约1/300，故在一般情况下，多以重力近似代替引力第16页，课件共44页，创作于2023年2月地球的重力分布

地表的重力分布:G地表=fmM/r2

G地表：离地心越远越小地下的重力分布：G地下=fmM/r2

G地下：大小看M，r2

谁占主导地心的重力计算：

第17页，课件共44页，创作于2023年2月重力均衡模式重力均衡原理：

单位截面上的任一垂直柱体中的岩石总质量为常数．且该柱体以一个特殊的补偿面为基底，补偿面以下的物质处于均质状态．

第18页，课件共44页，创作于2023年2月第19页，课件共44页，创作于2023年2月地球的压力

地球某处的压力是由上覆地球物质的重量产生的静压力。在地球表层、地壳和接近地心附近时压力增长较平稳，在下地幔和外核部分增长得较快。利用密度分布的规律来估算地球内部的压力状况，以截面为1cm2的岩石柱作为压力的计算表示法，可得到

第20页，课件共44页，创作于2023年2月

地磁场的特征，地磁场的起源和地磁场在地学中的应用，是地球物理学领域中的三个基本问题§3.地球的磁场第21页，课件共44页，创作于2023年2月地球的磁场

第22页，课件共44页，创作于2023年2月地磁场的双轴发电机模型

当两个圆盘在弱的外部磁场中旋转时，与轴和外缘相交的两根导线的回路中产生方向相反的两种电流。这两种电流形成磁场而极性相反。圆盘旋转频率的差异造成具有一种极性的场占优势；当频率比值改变时，便出现磁场反转

第23页，课件共44页，创作于2023年2月双轴发电机由何组成？——外核对流及其理由居里点的限制；磁场变化的时间尺度

由固体（岩石）运动形成的磁场不能有以天，年，百年等为时间尺度的变化，可以确定地球磁场不会与固体圈层有关。因此只能是外核的运动造成的。

第24页，课件共44页，创作于2023年2月

磁场的存在会导致岩石发生磁化，而磁场的变化会在磁化的岩石中留下记录。由于具有不同的剩磁特征，岩石成为研究古磁场的特殊“化石”。从对岩石的磁性、特别是对它们剩磁方向的研究，可以弄清楚岩石磁化时在地球上的位置。古地磁研究在板块构造理论的兴起和确定过程中起了十分关键的佐证作用。在地磁极与地球自转极性一致的前提下，某地的磁倾角I可以由该点的纬度角θ

来确定。两者之间的关系为古地磁与大陆漂移

第25页，课件共44页，创作于2023年2月如果大陆是固定不动的，从各大陆的古地磁学资料中就可以确定地球自转极随着时间流逝而发生的移动。理论上自转极移动曲线只可能有一条，因此无论在哪个大陆上所确定的地球自转极移动的曲线都应该一致。但实际上，不仅每个现代大陆计算的结果大不相同，同一大陆内部的不同地区也有明显的差异，这只能是因为各大陆曾发生过不同程度、不同方向的聚散和漂移所致。第26页，课件共44页，创作于2023年2月磁极漂移与磁性倒转事件

磁偏角在几十到几百年的时间内，大致沿着纬线方向平稳地向西移动，这一性质被称作地磁场的向西漂移。此外地磁场还有时间尺度更短的昼夜变化。

地磁极还出现过“反转”即南、北极互相颠倒的现象。在距今大约100万年前，地磁场的方向和现在完全相同。这一时期称作地磁场的正向期。但在更早的时代，通过对岩石磁法研究的结果，其磁化方向多数与现代地磁场的方向相反，称其为反向期。第27页，课件共44页，创作于2023年2月四百万年来的磁性倒转事件

第28页，课件共44页，创作于2023年2月

地球从太阳吸收的能量每年大约为4.2×1024焦耳，超过地球上全部煤炭储量完全燃烧后所能够获得的热能的300倍。其中1/3左右的能量被大气圈和地球表面反射掉，并直接分散到宇宙空间中去。剩下的2/3被地球表层系统吸收，再以各种方式转化为地球演化所需的能源。——地球能量有外部和内部两个来源§4.地球内部的能量第29页，课件共44页，创作于2023年2月地球内部的能量地球内部热能的来源问题尚无定论。一般认为，由岩石中放射性元素衰变释放的热是地热的主要来源。这种热能据估算可以达到每年2.14×1021焦耳。其次，因地球本身的重力作用过程也可以转化出大量热能，其总热量可能十分接近于放射性热能。此外，地球自转的动能和地球物质不断进行的化学作用等都可以产生大量热能。第30页，课件共44页，创作于2023年2月楔子：地球物理性质的应用

重力异常：将地球视作一个圆滑的均匀球体，计算得出的重力值称作理论重力值。地球的地面起伏甚大，内部的物质密度分布也极不均匀，在结构上还存在着显著差异。这些都使得实测的重力值与理论值之间有明显的偏离，在地学上称之为重力异常。利用这一原理，可以通过发现各地的局部重力异常来进行找矿和勘查地下地质构造。第31页，课件共44页，创作于2023年2月地球的物理性质

地球的质量与密度

——半径测量与引力计算地球的弹塑性与振动

——固体潮.椭球体与塑性变形

地球的重力场•重力均衡

——地表•深部•地心地球的磁场•古地磁学

——特征•起源•演化地球的能量物理性质的应用第32页，课件共44页，创作于2023年2月§5.地球内部圈层的

结构与圈层耦合第33页，课件共44页，创作于2023年2月地壳

莫霍面

软流圈地幔古登堡面

地核地球的圈层结构

水圈

生物圈大气圈加热，分异与分层是圈层形成的原因第34页，课件共44页，创作于2023年2月非梨亦非球——“鸡蛋”？地壳

地幔

地核

蛋壳

蛋白

蛋黄

第35页，课件共44页，创作于2023年2月地球就是地球，是独一无二，具有圈层结构的地球鸡蛋（cm）

长轴/短轴=5.5/4=1.375扁平率=(长-短)/长轴=0.273蛋壳：0.05——1/100蛋清：2——1/2.5蛋黄：2.7——1/1.7地球(km)

长轴/短轴=6378/6356=1.003扁平率=(长-短)/长轴=0.003地壳：33——1/200地幔：3000——1/2弱地核：3300——1/2强地球与鸡蛋的比较

第36页，课件共44页，创作于2023年2月第37页，课件共44页，创作于2023年2月内核差异旋转

内核中地震波传播在沿自转轴方向的波速要大于其它方向。内核中地震波速的传播是轴对称各向异性的；该快轴与地球自转轴不重合，且两者夹角在不断变化。

——快轴对于内核自身在短期内不应有明显的变化，故应该是地核与整体地球之间存在着旋转速度的差异。第38页，课件共44页，创作于2023年2月地幔部分熔融

地幔部分熔融指地幔上部的部分岩石因受到复杂的地质作用而发生部分熔解，显示为高度可塑甚至液态的现象。动态模拟发现岩石流动应力为20—100MPa．这大大降低了对地幔物质的运动限制,为地壳运动的动力学提供了实验证据。第39页，课件共44页，创作于2023年2月岩石圈板块运动——两个证据引出了一个模型

第40页，课件共44页，创作于2023年2月

圈层耦合是当今地球科学中一个热点话题；

对圈层耦合的方式有多种不同的观点；第41页，课件共44页，创作于2023年2月第42页，课件共4