天体与地球第5章-地球-课件

第一节地球概况一、固体地球的物理性质二、地球的圈层结构三、固体地球的表面形态第二节地球的物质组成一、地球的化学成分及其在地球圈层中的分异二、地壳中物质存在的基本形态：矿物和岩石第三节地球的物质运动和物质循环一、地球外部圈层系统的物质运动和地质作用二、地球内部圈层系统的物质运动和地质作用三、岩石圈板块构造

第五章地球1地球---太空中璀璨的蓝宝石生命-----宇宙物质演化的必然2☻地球的起源：作为太阳系的一部分，地球是和太阳系同时形成的。大约46亿年前,在银河系的某个区域，混合着许多死亡的恒星的残骸和爆炸的灰尘气体云团开始收缩并飞速旋转;在旋转圆盘的中心,绝大部分质量形成了我们的太阳;极少部分的质量在旋转圆盘的外围诞生了8颗行星，其中有一颗叫地球！太阳系有两类行星：气体的类木行星和固体的类地行星。地球是最大的类地行星！3太阳系的形成4

第一节地球概况

一、固体地球的物理性质

1．地球的形状和大小

1672年法国里舍认为:地球是一个扁的椭球体。

------牛顿更认为地球是旋转椭球体。

1957年以来，根据人造卫星拍摄的照片发现:

地球并不是标准的旋转椭球体，而是呈梨形的地球体。北极突出约10米，南极凹进约30米，中纬度在北半球凹进、在南半球凸出。5梨行地球体61975年,16届国际大地测量和地球物理协会修订数值

赤道半径a6378.140公里两极半径c6356.755公里赤道周长2πa40075.036公里子午线周长2πc39940.670公里表面积4πR2510064471.9平方公里

(约五亿平方公里)

体积4/3πR31083206900000立方公里

(约一万亿立方公里)

782．地球的质量和密度

①地球的质量:5.9742×1021

吨

②地球平均密度:5.516克/厘米3

地表岩石的平均密度2.7～2.8克/厘米3

地心密度13克/厘米33．地球的温度

①外热层是地球表层，吸收太阳辐射热。

②常温层为外热层最下界，温度常年保持不变，等于当地年平均温度。

③内热层在常温层下，温度随深度而逐渐增加，主要是放射热的影响.

a.地温梯度:深度每增加100米时所升高的温度℃。

b.地温深度:温度每升高1℃所增加的深度米。地球内部70公里以上地温梯度平均为2.5℃。在火山地震区和年轻山区具有较高的地温梯度。94．地球的磁性和地球磁层地球为均匀磁化球体，形成偶极子磁场。地磁场强度单位:奥斯特(Oe)，等于1达因的磁力。赤道水平磁场强度0.31Oe，磁北极竖向磁场强度0.58Oe，磁南极为0.68Oe。地球磁层由于太阳风的影响，地磁场的磁力线都向后弯曲，地磁场朝太阳方向的最前沿形成一个包层，并向背太阳方向延伸。这个被太阳风包围的、慧星状的地磁场区域叫做地球磁层。地球磁层始于地表以上600~1000km处，朝着太阳一面的磁层顶距地心约8~11个地球半径，但太阳激烈活动时，磁层顶距地心的距离可被增强的太阳风压缩到5~7个地球半径。10太阳风与地球磁层11地球的磁层和极光12地球磁层----保护生命的盾牌13地球极光14地球极光15地球极光1650万年以来地球磁极性变化17地磁极倒转可能对生物的伤害185.地球的放射性地表岩石、水、大气、生物中都有放射性元素存在，地球内部深处也有，它们存在于各种岩石中，但主要集中在地壳，特别是集中在酸性岩浆岩中。

天然放射性是放射性元素(特别是原子量较大的元素)的自然蜕变，自发地放射出一个或几个质点(射线)而变成较稳定的元素。

最具有地质意义的是寿命长的放射性元素铀、钍、钾，它们的半衰期长，可与地球年龄相比，能够用它们来测定地质年龄；它们也在蜕变过程中释放热量，是地球内部主要热源之一。19铀２３８蜕变成铅２０６20大气中的氮１４在宇宙射线的作用下转变为碳１４，被生物按固定比例吸收；生物死亡后，碳１４的比例每５５６８年下降一半21

6.地球的电性

很早就已知道地球带有电性，例如:

发电厂以大地作为回路；大气高层电离对地面的感生电场，在大雷雨时的放电(电位差最大可达100伏/米)；地内岩体的温差电流；大面积的地磁场感应电流等，可形成大地电流，电流密度平均约为2安培/公里2。227.地球的弹塑性

①地球具有弹性:表现在能传播地震波，因为地震波是弹性波。我们看到地表海水在日月引力下发生明显的潮汐现象，这是液体的变形。用精密仪器可观测到地球固体表层在日月引力下也有潮汐现象，可以摄引地壳升降7～15厘米，叫固体潮.也说明固体地球具有弹性。

②地球的塑性:固体地球在一定条件下还表现为塑性体。例如在长期受力下就会象液体那样变形。地球是一个旋转椭球，这表明地球并不是完全的刚体。我们在野外看到很多岩体发生剧烈而复杂的弯曲却没有断裂开，这也是岩体的塑性表现。地球内部的弹性状况可通过地震波的传播速度确定:

地震波速与密度成反比，与弹性模量成正比；固体中纵波(P波)和横波(S波)都可传播，液体中，因切变模量等于零，故横波不能通过液体。23根据地震波在地球内部不同介质中传播速度的差异,可以测定地球的内部结构24

二、地球的圈层结构

（一）地球内部圈层结构地震波在地球内部有两个波速变化最明显的界面：

①莫霍罗维奇不连续面(莫霍面Moho):

在大陆区较深，最深可达60公里以上，在大洋区较浅，最浅不足5公里。

②古滕堡不连续面(古滕堡面):

在地下约2900公里处。

根据这两个界面把地球内部分为三大圈层:

地壳、地幔和地核。251地壳(crust)

地壳又由由康拉德面分成上、下两层：

①上地壳(硅铝层):主要成分是氧、硅、铝等轻元素，平均密度2.7克/厘米3。为酸性的岩浆岩和变质岩，含有丰富的碱金属和大量的稀有金属元素，故也叫花岗质层.

②下地壳叫硅镁层，主要成分是氧、硅、铁和镁，平均密度3.0克/厘米3，为基性岩，如玄武岩，故又称为玄武质层。大陆下面和大洋下面都有这一层，呈连续分布。大陆地壳:硅铝层+硅镁层大陆地壳:硅镁层262地幔介于莫霍面和古滕堡面之间。厚度2800多公里，占地球体积83%。平均密度4.5克/厘米3。

①上地幔：在莫霍面以下至1000公里深度之间，平均密度3.5克/厘米3。主要成分是超基性岩。

软流圈：上地幔内在60～250公里间波速减低，为低速带，构造地质学中把低速带叫做软流圈。岩石圈：软流圈之上地幔最上层和地壳。

②下地幔：从1000公里到2900公里深度，平均密度5.1克/厘米3，构成物质是MgO、FeO和SiO2。273地核体积占地球的16.2%；质量占地球总质量的32%。

①外核平均密度约10.5克/厘米3。由于横波不能通过，说明刚性为零，呈液态。

②内核平均密度约12.9克/厘米3。测得纵波和横波证实内核是固体。根据与铁陨石对比，认为地核的成分主要是铁，并含镍5～20%；地磁来源于地核，也证明地核由高磁性铁镍组成。28活着的地球293031

（二）地球外部圈层的特征

1大气圈大气圈是包围着地球的气体，厚度几万公里。总质量约5.136×1021克。大气成分由18种气体混合组成，主要成分是氮和氧，次要成分有He、Kr、CO、SO2、H2、H2O、Xe、NO2、Rn、NO等。

CO2、CO、SO2、NO2和NO在人口稠密的工业区的空气中较多；O3主要集中在臭氧层；H2O主要在对流层中。32

根据大气温度、密度等特征，大气圈自下而上分为对流层、平流层、中间层、热成层和外逸层。

对流层从地面起到温度下降到最低处，其高度：在赤道为18公里，两极为9公里，中纬度为10.5公里。由于有水汽和大气对流，所以一切气象现象(如风、云、雷、电、雨、雪等)均发生在对流层中。平流层是从对流层顶到50公里高度的范围。平流层的气温随高度而增加，甚至到0℃以上，说明它已不受地面辐射热的影响。在20～35公里范围内臭氧集中，大量吸收太阳的紫外辐射热致使气温增高。33地球大气的分层343536地球的大气环流373839

2水圈水圈是地球表层的水体，分布在海洋、河流、湖泊、表层岩石孔隙和土壤中，两极和高山还有大片固态水，大气下层和生物中也含有水分。这些水包围着地球形成连续的封闭圈。总质量1664亿亿吨。总体积13.9亿立方公里。海洋水体积为陆地水体积的34倍。40地球上水和碳的循环41南极冰盖的消融423生物圈生物圈是地球上生物生存和活动的范围，包括动物、植物和微生物。在大气圈10公里高空、地壳3公里深处和深海底都发现有生物存在，大量生物集中在地表和水圈上层，包围着地球形成一个完整的封闭圈。生物圈的总质量约114800亿吨。生物圈使自然界(大气、水、岩石)的各种元素，特别是碳、氢、氧、氮等元素和一些金属元素不断通过生物光合作用和呼吸作用产生复杂的化学循环。生物圈中最富有活力的是微生物（细菌和微体藻类）

-------它们有最大的繁殖力。在适合的环境下，硅藻每小时增加一倍，在八天内分裂的物质质量就有地球那么多。同样，一个细菌在4天半时间内可繁殖1036个，完全可以填满所有海洋。43核酸---生命的遗传分子44地球生命起源于原始汤中45461918年流感爆发夺命4000余万47微生物48494亿年前两栖类登陆50露西奶奶51露西奶奶们的生活52生命长征53

三、固体地球的表面形态

5.1亿平方公里的地球表面：陆地面积为1.48亿平方公里,占29.0%；海洋面积3.62亿平方公里,占71%。陆地上相当于1000米以下高度的平原、低山、丘陵的面积最大,占地球总面积的20.8%;

海洋中4000～5000米深的海盆面积最广,占地球总面积的22.6%。54

1.陆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、盆地洼地等六种类型。552．海底地形海底分为大陆架和大陆坡；大陆基、海沟和岛弧；洋脊、洋隆和海岭；洋盆四个单元：（1）大陆架和大陆坡大陆与洋盆之间被海水淹没的地带称为大陆边缘,包括大陆架与大陆坡。

①大陆架(也称陆棚)地势平坦,坡度一般小于0.3°。平均水深在200米内。世界大陆架的平均宽度70公里。

②大陆坡大陆架外缘坡度变陡部分称为大陆坡，平均坡度为3°,最大坡度可达20°以上。水深从200米到3000米以上。大陆坡是世界上最长、最直和最高的斜坡,呈20～40公里宽的条带围绕着大陆架。562大陆基、海沟与岛弧

①大陆基（大陆裙）大陆坡与洋盆之间比较平坦地区,坡度仅5′～35′。

②海沟与岛弧延伸距离很长,呈弧形的火山列岛称为岛弧。太平洋北部和西部的阿留申、千岛、日本、琉球、菲律宾、所罗门、马里亚纳等群岛和大西洋加勒比海的安底斯群岛都是岛弧的例子。岛弧靠大洋一侧伴生长条形巨型深凹槽称为海沟。

海沟和岛弧具有地壳表面最活跃的地质特征

——强烈的火山作用、地震作用、低的热流和地球上最大的重力负异常。57东亚及西太平洋边缘海地貌图583洋脊、洋隆与海岭

①洋脊与洋隆大洋中最显著的地势特征是有一条遍及全球、横穿大洋盆地、线状延伸的海底山脉,该山脉除表层为极薄的沉积层外几乎全由玄武岩组成,称为洋脊。各大洋中的洋脊首尾相连贯通，连绵约6万余公里,宽度1000～3000公里,比海底高2000～3000米,构成地壳表面最大的山系。印度洋、北冰洋、大西洋的洋脊顶部中央有明显的大裂缝,深达1～2公里,宽达数十甚至数百公里,称为中央裂谷。东太平洋洋脊顶部无明显的中央裂谷，称为洋隆。

②海岭大洋中还有一些没有构造地震活动、多属大陆型地壳的小型水下山脉叫海岭。59

4洋盆洋盆是指位于洋脊与海沟之间浩瀚而又比较平坦的大洋底部分,平均深度在海面以下4～5公里。约占海洋面积的43%。洋盆有三种主要地形:深海丘陵、深海平原和海山。60世界海底地貌61626364

第二节地球的物质组成

一、地球的化学成分及其在地球圈层中的分异

1.地球的质量分配及元素的分异地球的质量近60万亿亿吨，几乎都集中在固体地面以下，为岩石和金属，平均密度5.517克/厘米3；大气、水和生物体的总质量不足0.1%。整个地球的物质各元素的丰度为：

Fe:34.6%;O:29.5%;Si:15.2%;Mg:12.7%;Ni:2.4%;S:1.9%;Ca和Al:2.2%;其他元素:1.5%。地核：地球中的铁和镍大部分为金属状态。地壳和地幔：大部分是氧和硅，次为铝、铁、镁。水圈:以氧和氢为主。生物圈:则主要为碳、氢、氧和氮。652.地壳中元素丰度----克拉克值

1889年，美国化学家克拉克根据大陆地壳中的5159个岩石、矿物、土壤和天然水的样品分析数据，计算出元素在地壳中平均质量百分数（元素的丰度---克拉克值）。地壳中各元素的丰度依次为：氧(45.2%)，硅(27.2%)，铝(8%)，铁(5.8%)，钙(5.06%)，镁(2.77%)，钠(2.32%)，钾(1.68%)，钛(0.68%)，氢(0.14%)，锰(0.10%)，磷(0.10%)，其他所有元素(0.77%)。66

二、地壳中物质存在的基本形态：矿物和岩石

1.矿物地壳中由地质作用形成的天然单质或化合物就是组成岩石和矿石的基本单元——矿物。矿物的分类

a.自然元素如：石墨、金刚石、自然金等。

b.硫化物如：黄铁矿、黄铜矿等。

c.卤化物如：萤石、石盐等。

d.氧化物及氢氧化物如：石英、褐铁矿等。

e.含氧盐如：石膏、普通辉石、普通角闪石等。67南非金伯利岩筒682.地壳中的岩石岩石是在各种不同地质作用下产生的,由一种或多种矿物有规律组合而成的矿物结合体。根据岩石的成因,可将岩石分成三大类:

①岩浆岩岩浆岩是由岩浆活动形成的。岩浆是指在地下深处形成的、富含挥发成分的高温、粘稠的硅酸盐熔浆流体。岩浆侵入或喷出地表冷凝固结而成的岩石称为岩浆岩（包括侵入岩和喷出岩）。

②沉积岩沉积岩是在地表及地表下不太深处形成的地质体,它是在常温常压下由风化作用、生物作用和火山作用的产物经搬运、沉积和成岩作用而成的岩石。它与岩浆岩的显著区别是具有层理构造。6970沉积岩形成的地层7172③变质岩变质岩是由变质作用形成的。它是先形成的岩石，包括沉积岩、岩浆岩，甚至是变质岩在地壳深部由于物理、化学条件发生变化，使岩石的成分、结构和构造发生一系列改变，形成新的岩石。

岩浆岩、沉积岩、变质岩的成因联系和相互区别:

岩浆岩是由岩浆自下而上逐渐冷凝形成的岩石，所以它的形成是一个降温降压的过程。变质岩的母岩是先成的岩浆岩、沉积岩及变质岩，要使得已形成的岩石变成变质岩就必须要有变质作用，这个变质作用的过程就是一个升温升压的过程。沉积岩的母岩是先成的各类岩石经过风化、剥蚀、搬运、沉积、固结成岩作用形成的岩石，这个过程多半是在水介质中进行的，一般是处于常温常压之下.

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第三节地球的物质运动和物质循环

地球之所以被称为蓝色的星球，生命行星，根本原因就是我们的地球是生气勃勃的行星，是一个巨大的能量转换、物质循环的开放系统，具有极为活跃的内部、外部动力地质作用。地球是太阳系中唯一表面拥有大量液态水的行星，也是唯一有生命存在的行星。大气圈、水圈、生物圈和岩石圈表面共同构成了地球的表生能量转换、物质循环最活跃的系统。地球还是同时拥有活动的火山、地震、板块构造运动的行星，表明她有一个造山的发动机。74活着的地球75活着的地球76

一、地球外部圈层系统的物质运动和地质作用地球外部圈层系统的物质运动和物质循环的能量的第一个来源是来自太阳的辐射能，这是地球表生系统中能量的主要来源，在地球的演化历史中，生物通过光合作用可以将多余的太阳能转化储存起来，我们现在使用的常规能源煤炭、石油就是远古时代的生物为我们储存在岩石地层中的太阳能。第二个能量来源是地球上物质存在的位能或势能，它是来自地球内部的放射性元素衰变产生的能量，由于地球内部的构造运动形成山脉和高原而储存下来。

地球外部圈层能量转换的主要介质是地球上的流体：水和风和生物，生物在地球表生系统物质循环中起着关键的作用。77微生物781.地球表生系统中物质的破坏——风化作用

风化作用指的是在大气、水和生物等的作用下,主要通过物理或化学作用促使地壳表层岩石在原地遭受破坏的过程。在风化过程中一方面破坏原有在较高温度和压力下形成的矿物,另一方面又形成一些在常温常压下稳定的新矿物。风化作用可分为三种类型:机械(物理)风化作用化学风化作用生物风化作用79

2.地球表生系统中物质的迁移——搬运作用搬运作用是指风化作用的产物在水、风、冰川等介质中迁移的过程.

风化作用的产物在介质中搬运的方式主要有:

机械搬运(呈碎屑物质)

化学搬运(呈溶液或胶体)3.地球表生系统中物质的迁移——沉积作用沉积作用是指风化作用产物在水、风、冰川等介质中搬运迁移的过程中,由于物理、化学条件发生变化而导致搬运物质沉淀,并形成沉积岩石的过程.

4．地球表生系统中物质运动和地质作用的主要场所是河流、地下水、海洋、湖泊与沼泽、冰川、干旱地区（风力地质作用）80石油天然气的形成81西澳大利亚鲨鱼湾28亿年前蓝菌建造的叠层石礁82天然水合物---可燃冰8384可燃冰标本85可燃冰在海底的赋存86可燃冰的开采8788黄土写就的历史89刘东生院士王有志院士9070万年来的黄土与古气候变化91南极冰芯记录了近代环境的变化92

二、地球内部圈层系统的物质运动和地质作用

地球内部圈层系统物质运动的能量来源主要有：放射性元素衰变产生的热能、地球自转产生的旋转能、引力作用产生的重力能等。地球内部圈层系统的物质运动集中表现在岩石圈--软流圈之间的能量转换和物质循环，具体形式有地震作用、岩浆作用、变质作用和构造变形作用。931．地震地震是岩石圈的快速颤动,是岩石圈中内能逐渐积累而后突然释放的结果。地震的成因包括火山地震、陷落地震和构造地震。构造地震约占整个地震的90%。现代地震大多数集中在四个带上，它们与岩石圈大板块边界基本上是一致的。

①环太平洋地震带

②阿尔卑斯-喜马拉雅地震带

③洋脊和大陆裂谷地震带

④转换断层地震带94来自海洋的震动95世界海底地貌9697东亚及西太平洋边缘海地貌图98台湾“9。21”地震前后的武昌宫9920041226印度洋地震10020041226印度洋地震10120050205尼科巴岛强余震10220050219苏拉威西岛强余震10320041226地震造成海底山崩引发海啸104105海啸形成机理106马来西亚槟榔屿遭受海啸107中国游客张磊DV记录下的海啸画面108印度尼西亚班达亚齐灾区惨不忍睹109

泰国南部阁披披岛上被海啸毁坏的礼品商店110这两张12月30日发布的卫星图片显示的是印度尼西亚亚齐省首府班达亚齐海滨地区受海啸袭击前后的情形。其中，上图拍摄于6月23日，下图拍摄于12月28日。111这是12月30日发布的印度尼西亚班达亚齐海滨地区遭受海啸袭击前后的组合卫星照片，上图拍摄于6月23日，下图拍摄于12月28日。112印尼亚齐省海啸中死去的婴孩113印度洋地震形成原因114115全球地震震中的分布116全球火山-地震带的分布117118东亚及西太平洋边缘海地貌图1192．岩浆作用与火山活动岩浆是在地下深处形成的高温熔融体。其成分主要为富含挥发分的硅酸盐物质。岩浆从地下深处向浅处运移,当岩浆穿透上覆岩石,喷出地表时,便形成火山,叫火山喷发。岩浆喷出地表所引起的全部作用过程,称为岩浆的喷出作用或火山作用。喷发后冷凝形成的岩浆岩叫喷出岩。有的岩浆上侵,但未能穿透上覆岩石,而在地壳内某一深度占据一定空间冷凝成岩。这种在地表以下由岩浆活动所引起的全部作用过程,称为岩浆的侵入作用,冷凝形成的岩浆岩叫侵入岩。120

世界活火山的分布(全世界活火山现在共有516座):a.环太平洋火山带319座,占全世界火山总数的62%。

b.阿尔卑斯-喜马拉雅火山带94座，占全世界活火山总数的18%。

c.其余的活火山约占活火山总数的20%。其中：

42座(占活火山总数的8%)分布在大西洋洋脊,如冰岛、亚速尔、佛德角和圣保罗岛上。

7个分布在东非裂谷附近。其余则分散分布于非洲大陆、太平洋、印度洋和南极洲。从上述火山分布来看,火山的分布与地震分布基本一致,即分布于板块边界上。显然与板块运动密切相关。121全球火山地震带的分布1223．变质作用变质作用是原有的岩石基本上在固态下,受内动力的作用使原有岩石的矿物成分和结构、构造发生变化,而变成一种新岩石过程。

4．构造变形作用构造变形作用是指由内动力所引起的地壳(或岩石圈)岩石发生变形、变位的一种机械作用。自然界的岩石一般都是坚硬的,但在构造运动力的长期缓慢地作用下,确可以发生巨大的变位和变形,形成各种弯曲和断裂等地质现象。这种在构造运动力作用下,岩石发生变形、变位的形迹就称为地质构造或构造形迹。123

地质构造包括褶皱构造和断裂构造:

①褶皱构造有些岩石在构造运动的影响下,发生塑性变形,产生弯曲,但仍保持其连续性,这种弯曲的构造称为褶皱构造。按其形态把褶皱划分为背斜和向斜:

背斜一般是向上拱弯的褶曲;

向斜一般是向下弯曲成槽形的褶曲。

②断裂构造当构造运动产生的应力超过一定条件下的岩石强度时,岩石便失去其连续和完整性而发生破裂,岩石沿破裂面发生破裂所形成的构造叫断裂构造。岩石断裂后,如果沿破裂面两侧的岩块没有发生显著位移(即明显的相对错动),这种断裂构造称为节理。如果沿破裂面两侧的岩块发生了显著的位移,这种断裂构造称为断层。124构造变形与构造地震125

三、岩石圈板块构造地球是唯一具有可移动固体表面---岩石圈板块的星球。岩石圈板块之间长期、大规模的水平位移是地球表面海、陆沧桑变迁的根本原因。

1．板块构造理论的由来

----大陆漂移-海底扩张-板块构造

①大陆漂移大陆漂移学说是由德国学者魏格纳于1912年提出。他认为最初硅铝层复盖着整个地球，后来由于褶皱作用，硅铝层裂开并逐渐堆叠起来，在寒武纪以前形成单一的原始大陆(联合古大陆或泛大陆)和一个泛大洋。从中生代(特别是中生代末期)开始，这个联合古大陆逐渐发生分裂、漂移，从而形成现代的大陆、大洋分布的基本格局。126