第三章-地球的物理性质和圈层结构市公开课一等奖省赛课获奖课件

第三章地球物理性质

与圈层结构第1页教学要求：1.本章介绍地球几个主要物理性质，包含地球密度和质量，弹性、塑性与粘性，重力场、压力、磁场、能量；地球圈层划分、内部圈层结构及圈层耦合。2.学生应该了解地球几个主要物理性质。掌握地球内部圈层结构；了解圈层耦合。了解地球物理性质和圈层结构之间互为因果关系。

第2页而且能够看到、听到，研究物理性质历史中产生过许多优美科学传奇，从中能够帮助领会地学家是怎样巧妙地揭开地球内部奥秘这一精神。第3页主要内容：§1.地球密度与弹性1.1地球密度和质量1.2地球弹性、塑性与粘性1.3地球振荡与摆动

§2.地球重力场2.1地球重力2.2重力均衡2.3地球压力第4页§3.地球磁场3.1地磁场特征3.2地磁场起源3.3大陆漂移和地磁场反转3.4地磁场在地学中应用§4.地球内部能量4.1地球内部能量4.2地幔部分熔融第5页§5.地球内部圈层结构与圈层耦合5.1地球圈层结构5.2内核差异旋转5.3圈层耦合5.4地球系统自然驱动力第6页提醒：地球物理性质和圈层结构是互为因果；地球物理性质和圈层结构对地球运动和演化有决定性制约作用；研究物理性质历史中产生过许多优美科学传奇，从中能够领会地学家是怎样巧妙地揭开地球内部奥秘。第7页§1.地球密度与弹性1.1地球质量和密度

密度=质量÷体积第8页地球质量M=5.9472×1024t，若一头大象质量以平均3t计,相当于1.9824×1024t即约等于2万亿兆头大象质量。第9页怎样判断地球是球体？第10页据遥感卫星影像观察：地球北极凸出10米，南极凹进约30米；北半球中纬度区稍稍凹进，南半球稍稍凸出。地球非严格旋转椭球体。第11页密度=质量÷体积质量=体积×密度

牛顿定律：F=mg,G=fm/r2M=gr2/f怎样求得地球半径呢？——几何学常识+天文学测量

一段圆弧长度与其对应圆心角成百分比弧AB对应圆心角正是AB两点对应天顶角

AB地球质量及其计算第12页求地球引力常数——附加引力法第13页密度=质量÷体积，则计算出地球平均密度为5.516g/cm3。但实际测量却发觉，地表常见沉积岩平均密度只有2.60g/cm3。地表花岗岩密度为

2.85g/cm3。

第14页地震时，在地球内部出现弹性波，称为地震波，主要包含纵波（P波）和横波（S波）。原理——地震波经过不一样密度介质时波速不一样，在越过两种不一样介质时还会发生反射、折射现象。ABN地球内部密度确实定——地震波第15页经验公式与结论：介质密度（）

=0.27Vp+1.07地内密度测量有三处突变，反应了密度（和物质）不连续:在上、下地幔分界（670km）处：3.99→4.39g/cm3。在地幔与地核分界处（2891km）:5.57→9.90g/cm3

在内核与外核分界处（5150km）:12.17→12.75g/cm3

第16页由地表到地心，密度依次递增；由横波不能经过外核，推断出外核是液态。结论：地球内部物质分布是不均匀。第17页1.2地球弹性、塑性与粘性第18页弹性——变形与受力成正比。海洋潮汐：日月引力作用引发海面周期性升降现象。固体潮：日月引力作用引发地球固体表层周期性升降现象。陆地表面升降幅度可达7-15厘米。即是地球在日月引力作用下发生弹性变形。说明固体地球有一定弹性。第19页塑性——外力消失后部分变形不能恢复。如岩石褶皱：地壳塑性变形表现。地球弹性、塑性及其转动趋势：月地靠拢。地球弹性、塑性都是相正确，在不一样受力、变形条件下，表现不一样。例：P.63。第20页粘性——外力消失后变形还可能继续。如：斯堪底纳维亚半岛冰后期（因冰盖消失）地形回升。

第21页1.3地球振荡与摆动1.3.1地球振荡涨缩振荡扭转振荡第22页1.3.2地球摆动——钱德勒摆动定义：地球围绕其自转轴摆动，叫地球自由章动（也叫钱德勒摆动，在1891年以它发觉者美国业余天文学家S.C.钱德勒命名）。摆动呈周期性改变，周期约430-435天。

第23页激发机制：被认为是一个综合作用,部分是固体地球与大气相互作用结果,部分则有可能与大地震引发地幔物质重新分布相关。第24页§2.地球重力场地球重力作用空间，称为重力场。第25页地球重力组成因为离心力（P）只有重力约1/300，故在普通情况下，多以引力（F）近似代替重力（G）。第26页地表重力分布:G地表=fm/r2

G地表：离地心越远越小。故：在不一样地域，不一样深度部位重力都不相同。2.1地球重力分布第27页

故：在地球内部，不一样深度部位上重力会受到不一样原因综合影响。地下重力分布：G地下=fm/r2

G地下：大小看m、r2

谁占主导。第28页地心重力计算：

故：在地心处，计算重力公式与其它部位计算有所不一样。G地心＝０(因地心处r=0)G=fm/r2

第29页

重力异常：将地球视作一个圆滑均匀球体，计算得出重力值称作理论重力值。地球地面起伏甚大，内部物质密度分布也极不均匀，在结构上还存在着显著差异（即往往与地质结构和矿体存在相联络）。这些都使得实测重力值与理论值之间有显著偏离，在地学上称之为重力异常。利用这一原理，能够经过发觉各地局部重力异常来进行找矿和勘查地下地质结构。重力勘探第30页地球上重力场分布与地球结构尤其是地壳及上地幔结构有着亲密关系。地壳均衡赔偿理论是从19世纪发展起来关于地壳和上地幔结构学说。在高原或者在高山旁边重力场是地球重力场与高原或高山重力场之和，这就改变了重力场大小和方向，改变大小与高原或高山岩石密度相关。2.2重力均衡第31页2.2.1重力均衡模式1740年法国人布格（Bouguer）在南美基多（Quito）高原上测量秒摆长度时，发觉高原岩石密度好像尤其小。以后他又在一座山旁测量垂线偏差，所得结果也比预期小得多，即山密度只有地球1/6或1/7。当初这种现象未引发人们尤其注意。第32页直到1854年印度人普拉特（F.Pratt）在整理喜马拉雅山附近垂线偏差测量统计时，这种现象才开始受到重视。比如，在某一个观察点上，普拉特依据地形计算，预计应有28角秒垂线偏差，但实际观察结果只有5角秒。这表明地下存在某种赔偿作用，在一定程度上抵消了高山影响。为了解释这种现象，普拉特在第二年（1885年）提出一个假设——普拉特均衡模式（密度赔偿模式）。第33页普拉特认为山脉是因为地下物质从某个赔偿深度起，向上膨胀而形成。山愈高，密度愈小，但赔偿深度以上每一个截面积相等岩石柱体总质量都相等。同年（1855年），英国天文学家艾利（A.Airy）又提出另一个假设——艾利均衡模式（深度赔偿模式）：艾利认为山脉是较轻岩石巨块浮在较重介质上。山越高，它下部伸入介质深度也越深，即所谓山有“根”。第34页第35页2.2.2重力均衡原理

重力均衡原理：在单位截面上，任一垂直柱体中岩石总质量为常数。且该柱体以一个特殊赔偿面为基底，赔偿面以下物质处于均质状态。第36页

地球某处压力是由上覆地球物质重量产生静压力。在地球表层、地壳和靠近地心附近时压力增加较平稳，在下地幔和外核部分增加得较快。

2.3地球压力第37页利用密度分布规律来估算地球内部压力情况，以截面为1cm2岩石柱作为压力计算表示法，可得到经验公式：第38页§3.地球磁场3.1地磁场基本特征和地磁要素3.2地磁场成因3.3地磁场反转与大陆漂移第39页3.1.1地磁场基本特征（1）磁轴与地球自转轴不重合：偏离11.5°（2）地磁极位置不固定，逐年发生一定改变。（3）地磁极为偶极（地磁南极、地磁北极）。（4）磁力线是闭合。3.1地磁场基本特征和地磁要素第40页3.2.2地磁要素（P.75图3-14b）（1）磁场强度（F）：是一个总强度矢量，可分为水平分量为H、垂直分量为Z。（2）磁偏角（D）：水平强度矢量H

偏离地理北极方向角度称为磁偏角。（3）磁倾角（I）：总强度矢量F

偏离水平面角度称为磁倾角。应用：地磁异常与磁法勘探第41页3.2地磁场成因大约在40-50年代，人们开始抛弃基于旋转理论各种地磁场成因假说。各种旋转理论通常包含试验室里观察到旋转物质磁极化（即磁极效应），或包含地球内部孤立电荷旋转效应。前者因比实际值小几个量级而归于失败，后者也因没有观察到所需电场而不成立。第42页因为人们对地球内部结构和物质成份认识日愈深入，尤其是认识到地球液体外核铁镍成份含有高导性能，为运动与磁场相互作用创造条件，即是认可地球内部存在电流，而电流产生感应磁场，形成地球磁场。这就是发电机学说。第43页磁场反向事实，又丰富了发电机学说内容，由稳态液核发电机模式发展成非稳态液核发电机模式。

地核内流体运动起圆盘发电机转盘作用。第44页较主要三种假说：（1）铁磁体假说（2）热电假说（3）双圆盘发电机假说当前，地磁场成因至今尚无定论。第45页当两个圆盘在弱外部磁场中旋转时，与轴和外缘相交两根导线回路中产生方向相反两种电流。这两种电流形成磁场而极性相反。圆盘旋转频率差异造成含有一个极性场占优势；当频率比值改变时，便出现磁场反转。双圆盘发电机模型第46页3.3地磁场反转与大陆漂移

3.3.1古地磁与大陆漂移磁场存在会造成岩石发生磁化，而磁场改变会在磁化岩石中留下统计。因为含有不一样剩磁特征，岩石成为研究古磁场特殊“化石”。从对岩石磁性、尤其是对它们剩磁方向研究，能够搞清楚岩石磁化时在地球上位置。

第47页古地磁研究在板块结构理论兴起和确定过程中起了十分关键佐证作用。在地磁极与地球自转极性一致前提下，某地磁倾角I能够由该点纬度角来确定。二者之间关系为

第48页假如大陆是固定不动，从各大陆古地磁学资料中就能够确定地球自转极伴随时间流逝而发生移动。理论上自转极移动曲线只可能有一条，所以不论在哪个大陆上所确定地球自转极移动曲线都应该一致。但实际上，不但每个当代大陆计算结果大不相同，同一大陆内部不一样地域也有显著差异，这只能是因为各大陆曾发生过不一样程度、不一样方向聚散和漂移（第五章学习）所致。第49页磁偏角在几十到几百年时间内，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向西漂移。漂移速率约每年为0.18°.另外，地磁场还有时间尺度更短昼夜改变。一天磁极所发生位移平均100km。

3.3.2磁极漂移与磁性倒转事件第50页地磁极还出现过“反转”，即南、北极相互颠倒现象。在距今大约100万年前，地磁场方向和现在完全相同。这一时期称作地磁场正向期。但在更早时代，经过对岩石磁法研究结果，其磁化方向多数与当代地磁场方向相反，称其为反向期。第51页四百万年来磁性倒转事件第52页

地球从太阳吸收能量每年大约为4.2×1024焦耳，超出地球上全部煤炭储量完全燃烧后所能够取得热能300倍。其中1/3左右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能源。——地球能量有外部和内部两个起源§4.地球内部能量第53页

4.1地球内部能量

地球内部热能起源问题尚无定论。普通认为，由岩石中放射性元素衰变释放热是地热主要起源。这种热能据估算能够到达每年2.14×1021焦耳。其次，因地球本身重力作用过程也能够转化出大量热能，其总热量可能十分靠近于放射性热能。另外，地球自转动能和地球物质不停进行化学作用等都能够产生大量热能。第54页4.2地幔部分熔融地幔部分熔融指地幔上部部分岩石因受到复杂地质作用而发生部分熔解，显示为高度可塑甚至液态现象。动态模拟发觉岩石流动应力为20-10MPa．这大大降低了对地幔物质运动限制,为地壳运动动力学提供了试验证据。第55页小结：地球物理性质地球质量与密度——半径测量与引力常数计算地球弹塑性与振动

——固体潮.椭球体与塑性变形地球重力场•重力均衡——地表•深部•地心地球磁场•古地磁学——特征•起源•演化地球能量物理性质应用——重力勘探、磁法勘探第56页§5.地球内部圈层

结构与圈层耦合第57页5.1地球内部圈层结构5.1.1地球内部圈层划分ABN划分依据：地球物质学家依据地震波在地球内部不一样深度传输特征改变情况（P.68图3-9a），结合岩石学测试资料，发觉了不一样波速与密度界面。以此为基础推断地球第58页内部密度分布情况（P.61图3-2，P.68图3-9b）：在上、下地幔分界处（670km）：3.99→4.39g/cm3。在地幔与地核分界处（2891km）:5.57→9.90g/cm3

在内核与外核分界处（5150km）:12.17→12.75g/cm3第59页进而分析地球内部物理结构和物质分布基本特征。划分方案：20世纪70年代后期，国际地球物理联合会提出了一个初步地球参考模型，详细划分了地球内部三种级别圈层：P.68.表3-1。第60页地壳

莫霍面

软流圈地幔古登堡面

地核第61页第62页地球内部波速圈层厚度，可见一低速区第63页依据地震波能够将其划分为：地壳，地幔和地核第64页5.1.2地球内部圈层形成最初时候，原始地球因重力分异和放射性元素蜕变而增加温度，地球内部原始物质到达熔融状态，熔离出重金属铁和镍，镍下沉形成地核。铁镍熔离出去后，以橄榄石、辉石为主残留物质形成地幔岩，组成当代地幔（是地球体积和质量最大一个圈层，含有相当复杂成份：下章再学习）。第65页地幔上部有一层软流圈是熔融态（或液态，流态），其余部分主要是固态。地幔物质分异作用依然在进行：地质学家对地幔压力和温度改变分析结果表明，地幔上部层内还在发生玄武岩（硅镁）熔离作用，这个熔离带成为软流圈主要组成部分。第66页玄武岩是由软流圈中地幔岩分熔出来。巨大熔融状岩流上升到地壳中并溢出地表，成为地壳主要组成部分。

故：地球内部加热、原始物质分异与分层是圈层形成原因。第67页非梨亦非球——“鸡蛋”？地壳地幔地核蛋壳蛋白蛋黄第68页地球就是地球，是独一无二，含有圈层结构地球。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强地球与鸡蛋比较第69页内核中地震波传输在沿自转轴方向波速要大于其它方向。内核中地震波速传输是轴（叫内核快轴）对称各向异性；内核快轴与地球自转轴不重合，且二者夹角在不停改变。内核快轴对于内核本身，在短期内不应有显著改变，故应该是地核与整体地球之间存在着旋转速度差异。苏维加等(1996)和宋晓东等(1996)分别估算出内核差异旋转速率约在1.1-3.2°/年之间。5.2内核差异旋转第70页

大陆边缘地理轮廓能够拼合——大陆漂移洋脊两侧地磁条带基本对称——海底扩张地幔对流：传送带模式岩石圈板块运动——两个证据引出了一个模型P.81图3-17b第71页圈层耦合：是地球圈层在物质和运动耦合过程。它是当今地球科学中一个热点话题。圈层耦合方式有各种不一样观点。5.3圈层耦合第72页第73页板物理气候系统太块阳驱驱动

动过生命系统过程程地球化学循环系统5.4地球系统自然驱动力生命系统概念模型第74页第75页思索题