第二講第一章地球概況第1頁，課件共39頁，創作于2023年2月第一節地球的形狀和大小一地球的形狀從人造地球衛星拍攝的地球照片上看到的地球形狀是一個球狀體。二地球的大小。1975年第16屆國際大地測量和地球物理聯合會(IUGG)建議采用的地球形狀的主要參數有：赤道半徑(a)6378．140km兩極半徑(c)6356．755km平均半徑R二(a2c)1／36371．004km長短半徑差(a—c)21.385km扁率(a—c)／a1／298．253表面積4丌R2

510064472km2體積4／3丌R210832X108km3第2頁，課件共39頁，創作于2023年2月▲北極比旋轉橢球體凸出約10m，南極凹進約30m，▲中緯度在北半球稍凹進，而在南半球稍凸出(不到10m)根據人造衛星軌道參數分析測算所得出的地球真實形狀，據此可以推論：

第一，

地球極近似于旋轉橢球體，這是地球自轉所致，表明它具有彈塑性；第二，

地球不是嚴格的旋轉橢球體，表明其內部物質分布不均勻。第3頁，課件共39頁，創作于2023年2月第二節地球的外部圈層結構地球的外部圈層包括：大氣圈、水圈和生物圈一、大氣圈

大氣圈是由包圍著固體地球的大氣層構成的。水中、土壤中及一些巖石中也含有少量空氣，但其深度一般不超過4km。大氣圈沒有明顯的上界，在赤道上空40000km以上仍有大氣存在的蹤跡。▲大氣圈的總質量約為5．136x1015t，占地球總質量的千萬分之九。大氣圈質量的97％聚集在從地表到29km高度范圍內，其中的3／4又集中到地面以上lOkm范圍內。因此，越接近地面大氣的密度越大。▲大氣圈的物質成分以氮和氧為主，其中氮占大氣圈總質量的75．5％，氧占23．1％；其次有氬占1．28％，二氧化碳占0．05％。第4頁，課件共39頁，創作于2023年2月▲根據大氣溫度、密度等物理特征，一般把大氣圈自下而上分為5層。▲擴散層▲電離層▲中層▲平流層▲對流層中層對流層平流層第5頁，課件共39頁，創作于2023年2月對流層的特點▲對流層：位于大氣圈底部，在赤道地區厚約16一18km，兩極地區厚約7一10km，▲冬季較薄，夏季較厚。▲本層大氣的溫度主要來自地面的紅外輻射，即由太陽光照射地面再輻射出來的熱。貼近地面的大氣受熱后體積膨脹，密度減小，產生上升運動；上層大氣則因冷卻而密度增大，產生下降運動，于是形成了熱空氣與冷空氣的對流運動。地面水體受熱汽化產生的水蒸氣自然也參與大氣的對流運動。所以，風、云、雨、雪、雹、雷、電等變化多端的天氣現象，都發生在對流層中。對流層大氣的流動，不僅是一種重要的地質營力，同時又是推動水圈循環的重要因素。第6頁，課件共39頁，創作于2023年2月二、水圈▲地球表面?以上的面積被海洋、冰層、湖泊、沼澤、河流中的水體覆蓋。▲地面以下的土壤和巖石縫隙中也充填有大量的地下水，它們共同構成一個連續而不規則的圈層，稱為水圈。▲水圈中的水，主要在太陽熱能和重力的作用下不停地運動著。陸地上的地表水、地下水和冰層總的說都可自高處向低處運動，其中絕大部分流入海洋。地表水和海洋水通過蒸發(或植物的蒸騰)，一部分水成為水蒸氣而進入大氣圈，由大氣環流帶到各處，以雨、雪等形式返回地面。這樣就構成了水圈的循環，并同時對巖石圈、大氣圈與生物圈產生影響。第7頁，課件共39頁，創作于2023年2月第8頁，課件共39頁，創作于2023年2月表1---1各種水體的儲量表水體類型水體水量(1012m3)百分數(％)I海洋水133800096.538Ⅱ大氣水12.90.001Ⅲ陸地水47971.73.4611．冰層24064.11.7362．永凍土底冰3000.0223．地下水234001.6884，湖沼水187.90.01355．土壤水16.50.00126．江河水2.10.00027．生物水1.10.0001總計

1385984.6100.0(據聯合國水文會議文件，1977)第9頁，課件共39頁，創作于2023年2月三、生物圈▲生物生存的范圍可從海平面以上10km高空到巖石圈表面以下數公里深處的巖石中(幾乎包括了整個水圈)。生物圈中生物及有機體總質量約11．48X1012t。▲地球上生命物質的出現約在3500Ma以前。在南非距今3200Ma的層狀巖石中發現了原核生物化石。一些學者認為，在地球發展的早期階段，大氣中的C02甚多，而O2比現在少得多。由于植物的大發展，植物的光合作用消耗了大部分C02使C在地層中富集，釋放出大量的O2，才使大氣的成分達到現代的狀況。第10頁，課件共39頁，創作于2023年2月第三節、固體地球的主要物理性質固體地球的主要物理性質包括:

●密度●壓力●重力●磁性●彈性和塑性●溫度第11頁，課件共39頁，創作于2023年2月一、地球的質量和密度

根據牛頓萬有引力定律計算出地球的質量為5.9472X1024kg(據IUGG，1975)，地球的平均密度為5.516g／cm3。但在地表出露的巖石中，測得砂巖、頁巖和石灰巖等沉積巖的平均密度為2.6g／cm3，花崗巖的密度為2.67g／cm3，玄武巖的密度為2.85g／cm3，都遠小于地球的平均密度。因而推論，地球內部大部分物質的密度，應大于地球的平均密度。

第12頁，課件共39頁，創作于2023年2月1目前世界上最深的鉆井僅達12km多，地球內部更深處的密度無法直接測量。第13頁，課件共39頁，創作于2023年2月根據地震波在地球內部不同深度的傳播速度并結合實驗巖石學的資料提出地球內部結構模型，推算了其密度分布狀況，第14頁，課件共39頁，創作于2023年2月二、地球的重力地球上某處的重力是該處所受地心引力與地球自轉離心力(垂直地面分力)的合力。▲1地球表面的重力隨緯度值的增大而增大。據計算和實測:●在赤道海平面上重力加速度為978.0318cm/s2，●在兩極海平面上為983.2177cm／s2，后者比前者增加0.53％。●重力加速度還隨海拔高度的增高而減小，每升高1km重力加速度值減少31cm／s2。▲2在地球內部，重力加速度隨深度的增加而緩慢增大(圖1—3)。●到2891km深處，重力加速度達到極大值1068cm／s2。●2891km以下重力加速度急劇減小，地心的重力加速度為零值。第15頁，課件共39頁，創作于2023年2月

如果把地球當作一個圓滑的均質體，以大地水準面為基準計算出的重力值稱為理論值，它只與地理緯度有關。但實際上，由于地面起伏甚大，加上地球物質密度不均勻以及結構的差異等原因，實測的重力值常與理論值不符，這種現象稱為重力異常。●對研究區的實測重力值，通過高程及地形校正以后，再減去該區的理論重力值，如為正值，稱正異常；如為負值，則稱負異常。前者反映地下物質密度偏大，后者反映地下物質密度偏小。地球物理勘探中的重力勘探，就是利用這一原理，通過發現巖石圈中局部重力異常，來進行找礦和勘查地下的地質構造。第16頁，課件共39頁，創作于2023年2月三、地球的壓力是指由上覆地球物質的重量所產生的靜壓力。靜壓力的大小與所處的深度、上覆物質的平均密度及平均重力加速度成正相關。由于物質的密度隨深度的增加并非均勻增加，因而壓力與深度的關系在圖1—3上不呈直線，而呈一條曲線。在正常情況下，▲從地表到地下24km，壓力從1×105Pa增加到約0.6×109Pa；▲到670km，壓力增大到約24×109Pa；▲到2891km，壓力增大到約136×109Pa；▲到6371km(地心)，壓力約為364×109pa。第17頁，課件共39頁，創作于2023年2月四、地球的磁性

固體地球好像是一個磁化球體，其磁力線特征類似于偶極場的特征,地磁軸與地球自轉軸并不重合，二者約成11.50的交角。而且地磁極的位置是不固定的，它逐年發生一定變化。例如:磁北極的位置，1961年在74054ˊN，1010W；1965年在75050ˊN，100050ˊW；1970年在760N，1010W；1975年在76006ˊN，1000W。第18頁，課件共39頁，創作于2023年2月磁力線分布的空間稱為磁場。磁力線的分布情況可由磁針的理想空間狀態表現出來。由磁針指示的磁南北，為磁子午線方向，其與地理子午線間的夾角稱磁偏角。磁針在地磁赤道上呈水平狀態，由此向南或向北磁針都會傾斜，其與水平面的夾角稱磁傾角。到磁南極或北極，磁針則豎直起來。磁力作用的強弱稱為磁場強度(F)，其單位為A／m。它是矢量，可分解為水平分量(H)和豎向分量(Z)。磁場的特征可用磁場強度(F)磁偏角(D)磁傾角(I)這三個要素來確定。第19頁，課件共39頁，創作于2023年2月在世界范圍內選擇若干個地磁測站，測量該處的地磁要素數據，然后推算出世界各地的基本地磁場數據，作為地磁場的正常值。但在實際工作中，會發現某地區實測地磁要素數據據與正常值顯著不一致，這種現象稱地磁異常。地磁正異常一般是由地下賦存高磁性礦物或巖石造成的，如磁鐵礦、鎳礦石和超基性巖等。地磁負異常多是由地下賦存的石油、鹽礦、銅礦、花崗巖等低磁性或反磁性礦物或巖石引起的。利用地磁異常來尋找地下礦產,了解地質構造情況的方法，稱為磁法勘探。這種方法不僅可在地面上進行，也可以利用飛行器在高空進行。第20頁，課件共39頁，創作于2023年2月五、地球內部的溫度火山噴發、溫泉和礦井隨深度而增溫等現象,表明地球內部儲有很大的熱能，可以說地球是一個巨大的熱庫。通過大量的調查研究發現，自地面向地下深處，地熱增溫現象是不均勻的。地面以下按溫度狀況可分為三層：

1．外熱層(變溫層)2．常溫層3．增溫層第21頁，課件共39頁，創作于2023年2月1．外熱層(變溫層)該層地溫主要受太陽光輻射熱的影響，其溫度隨季節、晝夜的變化而變化，故又稱變溫層。日變化影響深度較小，一般僅1—1.5m,年變化影響深度可達20—30m。2．常溫層該層地溫與當地年平均溫度大致相當，且常年保持不變，其深度大致為20—40m,一般情況下,中緯度較深，兩極和赤道較淺；內陸地區較深，濱海地區較淺。3．增溫層常溫層之下，地溫隨深度增大而逐漸增加。在大陸地區常溫層以下至30km深處，大致每加深30m，地溫增高10。大洋底至15km深處，大致每加深15m，地溫增高1℃。深度每增加lOOm所升高的溫度，稱地溫梯度，其單位是0C／lOOm。地溫梯度在各地是有差異的，例如在我國華北平原的地溫梯度為2—30C／lOOm，在安徽廬江則為40C／lOOm。第22頁，課件共39頁，創作于2023年2月在地下深處，由于受壓力和密度等因素的影響，地溫的增加趨于緩慢。通過多種間接方法測算，地下lOOkm的溫度約13000C；1000km處的溫度約20000C；2900km處的溫度約27000C；地心的溫度高于32000C，有的學者推測，地心溫度可能為4000—50000C(圖1—3)。地球內部熱能的來源問題尚無完善的結論。一般認為:▲由巖石中放射性元素的衰變釋放出熱是地熱的主要熱源。▲地球本身的重力作用也可以轉化出大量熱能，有人認為其總熱量接近于放射熱能。▲地球自轉動能和地球物質不斷進行的化學作用等都可以產生大量熱能。▲地球自轉動能和地球物質不斷進行的化學作用等都可以產生大量熱能。第23頁，課件共39頁，創作于2023年2月六、地球的彈性和塑性眾所周知，海水在日月引力的作用下發生潮汐現象。實際上這種現象也會出現在固體地球表層。用精密儀器可以觀測到固體地球表層的潮汐現象，地面升降幅度可達7—15cm，這就是固體潮。固體潮表明，固體地球具有彈性。地球能傳播地震波(彈性波)也表明地球具有彈性。地球在其自轉的作用下成為一個旋轉橢球體，也表明地球并不是完全的剛體。在長期應力的作用下堅硬的巖石也會產生一定的塑性變形。巖層受構造運動形成褶皺，就是典型的塑性變形現象。第24頁，課件共39頁，創作于2023年2月固體地球的彈性和塑性特點都是相對的，在不同的條件下有不同的表現，在施力速度快、作用時間短的條件下，地球表現為彈性體，類似剛性體，巖層會產生彈性變形或破裂；在施力緩慢持續作用時間漫長的條件下，地球則可表現出明顯的塑性特征，如形成復雜的褶皺。第25頁，課件共39頁，創作于2023年2月

第四節地球的內部圈層結構第26頁，課件共39頁，創作于2023年2月一地球內部圈層的劃分依據到目前為止，人們尚不能直接觀察地球內部的情況。目前世界上最深的鉆孔也只不過達到約12km的深度，這個深度僅為地球平均半徑6371km的1／530。因此，對地球內部物質和結構的認識主要依靠各種間接的依據，例如，▲通過對大量隕石的成分和結構的鑒定與對比分析；▲通過研究重力、地磁、地電、地熱及地震波的傳播所得的信息進行分析等。其中通過地震方法所獲得的信息最為豐富。第27頁，課件共39頁，創作于2023年2月地震波是一種彈性波，可分為體波、面波和自由振動等類型。體波有縱波(P)和橫波(S)之分。縱波可在固態、液態和氣態的介質中傳播；橫波僅能在固態介質中傳播，其波速較小，僅相當于縱波在同一介質中傳播速度的4／7。地震波速的大小與介質的密度和彈性有關，它們的關系式為：

Vp2〓k+4/3μ,

p式中Vp為縱波速度；Vs為橫波速度；P為介質密度；K為介質的體變模量；Ч為切變模量。地震發生之后，設置在各地的地震臺將先后接收到地震縱波、橫波及它們的轉化波或衍射波。經過復雜的計算，可得出地下不同深度的波速，進而分析出相關的物質狀態。第28頁，課件共39頁，創作于2023年2月從地震縱波與橫波波速的變化特征發現，在地下12km(大洋區)與33km(大陸區)、670km、2891km及5150km等四處，波速發生顯著的躍變。由此可以推論，在這幾個深度上下的物質成分、物質狀態有明顯的變化，形成幾個大的結構面(表1—2)。▲33km處的界面是南斯拉夫地震學家莫霍諾維奇于1909年首先發現的，因而以他的名字命名，簡稱莫霍面(M)。該面上、下Vp由6．8km／s陡升至8．1km／s；Vs由3．9km／s，升至4．5km／s。現代研究認為，巖石成分由角閃巖、麻粒巖、玄武巖等突變為橄欖巖。▲2891km處的界面是由美國地震學家古登堡于1912年發現的。該面上、下Vp由13．7km／s陡降至8．0km／s；Vs從7．3km／s到突然消失。這種現象表明該面之上為固態巖石，該面以下為液態物質。1981年，國際地震及地內物理學協會通過了“初步參考地球模型”(PBEM)，建議地學界使用。該模型是由澤旺斯基和安德森綜合天文測量、大地測量、自由振蕩和面波、體波等資料提出的。表1—2反映了上述模型的主要數據。第29頁，課件共39頁，創作于2023年2月第30頁，課件共39頁，創作于2023年2月

二、地球內部圈層的特征(一)地殼莫霍面以上是由固體巖石組成的地球最外部圈層，稱為地殼。地殼的平均厚度約18km，平均密度為2．8g／cm3，質量約2．35x1022kg，占地球質量的0．39％。地殼底部的平均壓力約為6．043x108Pa，溫度約為400—700℃。地殼的厚度變化很大，且在大洋地區與大陸地區的地殼結構有明顯的區別。▲大洋地區地殼(洋殼)很薄，平均7km，且較為均勻。大洋地區(約5km深)的海水之下，普遍堆積有0．5km厚的沉積層。再下便是5—8km厚的玄武巖和輝長巖層。一般簡稱為硅鎂層，其密度為2．9g／cm3。▲大陸地區地殼(陸殼)厚度20—80km，平均33km。地殼中部較普遍存在一個次級界面(稱為康拉德面)，據此面將地殼分為上地殼和下地殼(圖1—7)。第31頁，課件共39頁，創作于2023年2月▲上地殼平均厚約15km，平均密度約2．7g／cm3，由沉積巖、變質巖和巖漿巖等多種成分的物質組成。其P波速度可與花崗閃長巖類比，一般簡稱為硅鋁層或花崗質巖殼▲下地殼平均厚約18km，平均密度2．9g／cm3，其P波速度可與大洋底下的玄武巖層對比，因而稱為硅鎂層或玄武質巖殼。現代研究認為，下地殼可能主要由閃巖和麻粒巖組成，仍屬中酸性巖類。隨著研究的深入，發現上、下地殼之間存在多層結構和混合巖帶，不少學者主張劃分出中地殼來，其厚度0一lOkm，Vp為6．0--6．3km／s。

第32頁，課件共39頁，創作于2023年2月(二)地幔莫霍面以下至古登堡面的圈層稱為地幔。地幔的厚度約2870km，物質密度由頂層的3．31g／cm3增至5．55g／cm3，平均約4．5g／cm3，質量約4．03x1024kg，占地球質量的67．6％。根據地幔上部與下部物質成分和溫度、壓力的差異性，加上670km深處地震波速度間斷面甚為顯著，因而將此間斷面作為上、下地幔的分界面。

第33頁，課件共39頁，創作于2023年2月1.上地幔通過地震縱波和橫波提供的大量信息，上地幔還可進一步分為蓋層、低速層、均勻層和過渡層。▲蓋層深度為20一80km，是地幔的頂部層位。其密度為3．37g／cm3，物質成分推測為橄欖巖，為固態，其速度結構類似于地殼，內部可出現若干高速或低速夾層，Ⅱ橫向變化較大。蓋層下界壓力約2．5X109Pa，溫度約10000C。▲低速層深度為80—220km，大陸區頂面較深，大洋區頂面較淺，底界的差異不大。低速層密度為3．36g／cm3，但縱波速度降至8．Okm／s，橫波在局部地S不能通過，產明低速層的部分物質可能呈熔融態，因而此層也被稱為軟流層。其物質一般認為由橄欖巖與榴輝巖組成。其底層壓力約6．8X109Pa。▲均勻層深度為220—400km。這一層波速均勻，表明物質成分變化不大。底層壓力已加大到14X109Pa，物質密度平均為3．48g／cm3。實驗巖石學證明，其巖石成分仍屬超基性，主要礦物為輝石和橄欖石。但在超高壓條件下，礦物晶體的原子結構將由疏堆結構轉變為密堆積結構▲過渡層深度為400—670km。此層，密度3．72—3．99g／cm3，底層壓力約22x109Pa；Vp從9．1km／s增加到10．3km／s，速度梯度大。巖石應屬密堆集結構，其成分應為超基性。第34頁，課件共39頁，創作于2023年2月2．下地幔深度670—2891km的圈層為下地幔，其厚度達2221km，密度由4．73增至5．55g／cm3，平均密度5．1g／cm3。壓力由22x109Pa增至150X109Pa。除底層外，下地幔絕大部分的波速增加緩慢，可以認為是壓力巨大條件下物質成分均勻的緣故。據實驗巖石學分析，由呈緊密堆積結構的氧化物礦物，如MSO、FeO和Si02組成，其中Si02占50％，