地球物理學(xué)課堂報(bào)告.doc

地球表層水平運(yùn)動(dòng)對(duì)城市人類發(fā)展的影響081577洪欣陽【內(nèi)容提要】地球在演變，地球表層也在運(yùn)動(dòng)。其勢(shì)必對(duì)人類社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生影響。而城市是現(xiàn)代社會(huì)政治、經(jīng)濟(jì)和生活的重心，隨著世界經(jīng)濟(jì)一體化的進(jìn)一步加劇，國(guó)內(nèi)外城市化的進(jìn)程迅速發(fā)展?？梢灶A(yù)見，我國(guó)必將面對(duì)我國(guó)城市機(jī)體迅速擴(kuò)大所產(chǎn)生的各類與地學(xué)研究有關(guān)的問題。地球的運(yùn)動(dòng)對(duì)人類未來發(fā)展的影響將主要產(chǎn)生于城市。本文中，主要從地球表層的水平運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生原應(yīng)，人類對(duì)其的研究歷史，以及對(duì)城市人類發(fā)展的影響等方面展開論述?！娟P(guān)鍵詞】地殼水平運(yùn)動(dòng)城市發(fā)展城市地球物理學(xué)1地殼運(yùn)動(dòng).1概述由內(nèi)應(yīng)力引起地殼結(jié)構(gòu)改變、地殼內(nèi)部物質(zhì)變位的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)叫地殼運(yùn)動(dòng)。地殼運(yùn)動(dòng)實(shí)際上是指巖石圈相對(duì)于軟流圈以下的地球內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)。巖石圈下面有一層容易發(fā)生塑性變形的較軟的地層，同硬殼狀表層不相同的軟流圈。軟流圈之上的硬殼狀表層包括地殼和上地幔頂部。地殼同上地幔頂部緊密結(jié)合形成巖石圈，可以在軟流圈之上運(yùn)動(dòng)。巖石圈的運(yùn)動(dòng)不僅決定了地表輪廓和水圈的分布，還影響著生物圈的分布，并改變了大氣環(huán)流，以致影響著整個(gè)地球表層環(huán)境。1.地殼運(yùn)動(dòng)的分類地殼運(yùn)動(dòng)按運(yùn)動(dòng)的速度可分為：長(zhǎng)期緩慢的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。較快速的運(yùn)動(dòng)。按運(yùn)動(dòng)方向可分為：水平運(yùn)動(dòng)。指組成地殼的巖層，沿平行于地球表面方向的運(yùn)動(dòng)。也稱造山運(yùn)動(dòng)或褶皺運(yùn)動(dòng)。該種運(yùn)動(dòng)常?？梢孕纬删薮蟮鸟薨櫳较?，以及巨形凹陷、島弧、海溝等。垂直運(yùn)動(dòng)。又稱升降運(yùn)動(dòng)、造陸運(yùn)動(dòng)，它使巖層表現(xiàn)為隆起和相鄰區(qū)的下降，可形成高原、斷塊山及拗陷、盆地和平原，還可引起海侵和海退，使海陸變遷。按運(yùn)動(dòng)規(guī)律來講，地殼運(yùn)動(dòng)以水平運(yùn)動(dòng)為主，有些升降運(yùn)動(dòng)是水平運(yùn)動(dòng)派生出來的一種現(xiàn)象。1.地殼運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的物理?xiàng)l件和力學(xué)機(jī)制總的來說，每一地質(zhì)時(shí)期的地殼運(yùn)動(dòng)，都是地球內(nèi)力和外力矛盾斗爭(zhēng)的產(chǎn)物。內(nèi)力來源于放射性元素蛻變產(chǎn)生的熱能、地幔物質(zhì)的熱對(duì)流、地球自轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的動(dòng)能等。地殼的水平運(yùn)動(dòng)和垂直運(yùn)動(dòng)，以及隨之產(chǎn)生的褶皺、斷裂、火山噴發(fā)、巖漿侵入、地震等等，都是地球內(nèi)力作用的表現(xiàn)。內(nèi)力作用是造山、造海，使地球表面崎嶇不平，是地殼發(fā)展的主導(dǎo)因素。外力來源于地球以外的太陽能，包括風(fēng)化、流水、冰川、風(fēng)、波浪、海流等等，它們以緩慢的、不顯著的方式對(duì)地球表面進(jìn)行精雕細(xì)刻，時(shí)刻都在改變著由內(nèi)力作用所形成的起伏形態(tài)，高山被夷平，洼地被充填，使地面趨于平緩。內(nèi)力與外力是對(duì)立的，又互為影響，相互轉(zhuǎn)化。比如，從局部地區(qū)來說，例如地殼上升，河流侵蝕復(fù)活，產(chǎn)生強(qiáng)烈的下切作用；地殼下沉，河流沉積作用加劇，這體現(xiàn)了內(nèi)力變化影響到外力變化。又如久經(jīng)侵蝕的高原山嶺，高度和體積逐漸降低和減小，使地殼內(nèi)部壓力減少，從而失去平衡，引起地殼上升，這表明外力的變化導(dǎo)致內(nèi)力的變化。從全球來說，每經(jīng)歷一次強(qiáng)烈地殼運(yùn)動(dòng)，海陸輪廓變遷，地面高低起伏，使地殼處于一個(gè)新的平衡狀態(tài)。接著地殼運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)入一個(gè)長(zhǎng)期的緩慢的變化階段，外力開始占主導(dǎo)地位，通過風(fēng)化流水等營(yíng)力對(duì)地表的塑造，來改變地殼原來的平衡狀態(tài)。當(dāng)緩慢的運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)期進(jìn)行，量變逐漸達(dá)到一定程度，就會(huì)破壞原來的平衡，孕育著一次新的質(zhì)變，即新的強(qiáng)烈地殼運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生，預(yù)示地表又將經(jīng)歷一次翻天覆地的變化。1.地殼水平運(yùn)動(dòng)的發(fā)現(xiàn)歷史我們?cè)缫阎?，傳統(tǒng)地質(zhì)學(xué)最早發(fā)現(xiàn)了地球表層的垂直升降運(yùn)動(dòng)。其證據(jù)是在高山上發(fā)現(xiàn)海相的沉積巖，并且有海中特有的貝類化石。這表明某些大陸地區(qū)的地殼在過去的地質(zhì)年代中曾經(jīng)是海洋。地質(zhì)學(xué)中有所謂海進(jìn)和海退之說，表明局部地殼是有升降變化的。但是傳統(tǒng)地質(zhì)學(xué)否認(rèn)地球表層曾有過大尺度的水平運(yùn)動(dòng)。1910年，德國(guó)地球物理學(xué)家阿爾弗德雷魏格納在病房的世界地圖上發(fā)現(xiàn)，非洲的西海岸和南美洲的東海岸形狀十分吻合，從而推測(cè)太古時(shí)代地球上的大陸是連在一起的巨大板塊，后因大陸不斷漂移，才形成今天的各個(gè)大陸。為了證明自己的發(fā)現(xiàn)，他進(jìn)行了大量的考證工作，找到了許多事實(shí)，提出大陸漂移的假說。 20世紀(jì)60年代以后，一系列的地學(xué)研究成果終于證明了地球表層在地球的歷史中曾經(jīng)有過大規(guī)模的水平位移，各大陸的相對(duì)位置曾有過顯著的變化。最主要的證據(jù)是： 全球地震帶勾畫出6大板塊的輪廓，證明地球表層的巖石圈不是完整的一塊。 古地磁學(xué)的研究表明，由各大陸巖石磁性所得到的古地磁極位置不相重合，而根據(jù)各大陸不同地質(zhì)年代的巖石磁性所繪制的極移曲線，在近代趨向重合于今地磁極位置。 大洋中脊兩側(cè)的磁異常條帶，表明海底地殼在不斷從中脊向兩側(cè)擴(kuò)張，各板塊所負(fù)載的大陸巖石圈隨之發(fā)生水平漂移。1.地殼水平運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)1.5.1褶皺巖層的彎曲現(xiàn)象稱為褶皺。巖層在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，或在地應(yīng)力作用下，改變巖層的原始產(chǎn)狀，不僅使巖層發(fā)生傾斜，而且大多數(shù)形成各式各樣的彎曲。褶皺是巖層塑性變形的結(jié)果，是地殼中廣泛發(fā)育的地質(zhì)構(gòu)造的基本形態(tài)之一。褶皺的規(guī)?？梢蚤L(zhǎng)達(dá)幾十到幾百千米，也可以小到在手標(biāo)本上出現(xiàn)。地殼發(fā)生褶皺隆起，常常形成山脈。世界許多高大的山脈，如喜馬拉雅山、阿爾卑斯山、安第斯山等，都是褶皺山脈。它們是由地殼板塊相互碰撞、擠壓，在板塊交界處發(fā)生大規(guī)模褶皺隆起而形成的。根據(jù)褶曲軸面產(chǎn)狀并結(jié)合兩翼特點(diǎn)分類可分為（圖111）：（1）直立褶曲軸面直立，兩翼向不同方向傾斜，兩翼傾角相等，兩翼對(duì)稱，故又叫對(duì)稱褶曲。（2）傾斜褶曲軸面傾斜，兩翼向不同方向傾斜，兩翼傾角不等，兩翼不對(duì)稱，故又叫不對(duì)稱褶曲。（3）倒轉(zhuǎn)褶曲軸面傾角更小，兩翼向同一方向傾斜，其中一翼巖層發(fā)生倒轉(zhuǎn)，兩翼角相等或不等。（4）平臥褶曲也叫橫臥褶曲，軸面水平或近于水平，兩翼巖層的產(chǎn)狀也近于水平；一翼層位是正常的，另一翼層位發(fā)生倒轉(zhuǎn)。（5）翻卷褶曲軸面翻轉(zhuǎn)向下彎曲，此種褶曲在外觀上是向（背）斜，實(shí)際上是背（向）斜，通常由平臥褶曲轉(zhuǎn)折端部分翻卷而成。圖111褶皺變形素描圖（據(jù)藍(lán)淇鋒，）上述五種褶曲，基本上反映了褶曲變形程度從輕微到強(qiáng)烈、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的過程以及水平擠壓力的不同強(qiáng)度。但不能絕對(duì)化，有時(shí)與巖性和構(gòu)造條件等有關(guān)?？梢?，褶曲的形態(tài)是多種多樣的，但是，基本形式可以被總結(jié)為背斜和向斜兩種。背斜巖層一般向上拱起，向斜巖層一般向下彎曲。在地貌上，背斜常成為山嶺，向斜常成為谷地或盆地。但是，不少褶皺構(gòu)造的背斜頂部因受張力，容易被侵蝕成谷地，而向斜槽部受到擠壓，巖性堅(jiān)硬不易被侵蝕，反而成為山嶺。褶皺的應(yīng)力分析（圖112，圖113）。圖112 褶皺的應(yīng)力分析（1）據(jù)上圖示，背斜頂部因受張應(yīng)力作用，極易形成一組平行軸面的張裂隙，給外力侵蝕作用提供了條件，如果核部巖層較軟，那就更相得益彰，最后侵蝕谷地。圖113 褶皺的應(yīng)力分析（2）在向斜槽部，因受壓應(yīng)力作用，巖石往往擠壓密實(shí)，難于破壞，如果核部巖層較硬，那就更難侵蝕風(fēng)化，最后突起形成高山。1.5.2斷裂地殼中的巖石（巖層或巖體），特別是脆性較大和靠近地表的巖石，在地殼運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的強(qiáng)大壓力或張力，超過了巖石所能承受的程度，巖體就會(huì)容易產(chǎn)生斷裂和錯(cuò)動(dòng)?？偡Q為斷裂構(gòu)造。通常根據(jù)斷裂巖塊相對(duì)位移的程度，把斷裂構(gòu)造分為節(jié)理和斷層兩大類。本文簡(jiǎn)要介紹斷層。斷層的要素有：斷層面，斷層線，斷盤和斷距（位移）根據(jù)斷層兩盤相對(duì)位移的關(guān)系，斷層可分為：正斷層，逆斷層，平推斷層和斜滑斷層。（圖114）圖114 斷層的分類在地貌上，大的斷層常常形成裂谷或陡崖，如著名的東非大裂谷、我國(guó)華山北坡大斷崖等。斷層一側(cè)上升的巖塊，常成為塊狀山地或高地，如我國(guó)的華山、廬山、泰山；另一側(cè)相對(duì)下沉的巖塊，則常形成谷地或低地，如我國(guó)的渭河平原、汾河谷地。在斷層構(gòu)造地帶，由于巖石破碎，易受風(fēng)化侵蝕，常常發(fā)育成溝谷、河流。2城市地球物理學(xué)2.1展開研究的必要性當(dāng)前，城市的快速發(fā)展已成為全球的共同趨勢(shì)。聯(lián)合國(guó)的統(tǒng)計(jì)資料1表明，人口城市化的趨勢(shì)在不斷地加速發(fā)展。圖1表示了這種發(fā)展趨勢(shì)。圖11 世界城市人口占總?cè)丝诘谋壤诙问澜绱髴?zhàn)以后，許多國(guó)家的城市需要重建，世界范圍內(nèi)的城市化進(jìn)程加速，這些都要求對(duì)城市進(jìn)行全面的研究和規(guī)劃，促使大批地理學(xué)家投入城市研究或城市規(guī)劃工作。城市化問題使得傳統(tǒng)地球物理學(xué)的研究方法、研究對(duì)象和研究?jī)?nèi)容面臨新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。20世紀(jì)初，地震波證實(shí)了地球鐵核的存在，證明了2900km深度存在地核與地幔的邊界。30年代，地球物理方法發(fā)現(xiàn)了地球內(nèi)核的存在，在此基礎(chǔ)上，科學(xué)家提出了地球內(nèi)部分層模型。20世紀(jì)中期，各種地球物理勘探方法初步形成。4050年代，地球物理學(xué)的主要研究對(duì)象是勘探固體礦產(chǎn)資源，6070年代在此基礎(chǔ)上增加了石油和天然氣，8090年代又增加了水資源。隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，環(huán)境問題也日益成為地球物理學(xué)的研究對(duì)象?？偠灾?，20世紀(jì)地球物理學(xué)的研究對(duì)象是以自然資源為主。20世紀(jì)末的全球性城市化發(fā)展趨勢(shì)，使21世紀(jì)的地球物理學(xué)不可避免地要面對(duì)諸多的城市問題。80年代以來，由于地球科學(xué)各分支學(xué)科的日益成熟和全球環(huán)境問題的日益突出，人們認(rèn)識(shí)到地球各圈層相互作用以及人類活動(dòng)的重要性，地球科學(xué)的發(fā)展開始進(jìn)入地球系統(tǒng)科學(xué)的新時(shí)代。城市地球物理學(xué)的發(fā)展在這樣的時(shí)代背景下產(chǎn)生。傳統(tǒng)地球物理學(xué)的主要研究對(duì)象是自然現(xiàn)象，而城市地球物理學(xué)則主要研究自然現(xiàn)象與人類活動(dòng)的相互作用。因此，在城市地球物理學(xué)研究中，除了自然科學(xué)問題之外，還應(yīng)強(qiáng)調(diào)科學(xué)與社會(huì)的結(jié)合、各相關(guān)學(xué)科的綜合及與各社會(huì)部門的協(xié)調(diào)。而憑借著城市地球物理學(xué)的發(fā)展，我們對(duì)很多問題也會(huì)有更新，更全面的看法與結(jié)論。3地殼水平運(yùn)動(dòng)對(duì)人類城市社會(huì)發(fā)展的影響及對(duì)人類認(rèn)識(shí)地球的作用。3.1加快城市建設(shè)的速度了解地質(zhì)構(gòu)造規(guī)律，對(duì)于城市中人們的很多工程建設(shè)有很大幫助。比如，在工程建設(shè)方面，如隧道工程通過斷層時(shí)必須采取相應(yīng)的工程加固措施，以免發(fā)生崩塌。等等。3.2為城市發(fā)展提供有力的資源保障。城市發(fā)展需要大量資源與礦藏。而在了解了地球水平運(yùn)動(dòng)及其他相關(guān)的知識(shí)后，對(duì)我們找油，找礦的效率就可大大提高，從而推進(jìn)了城市發(fā)展的速度：如我們知道，含石油、天然氣的巖層，背斜是良好的儲(chǔ)油構(gòu)造；向斜構(gòu)造盆地，利于儲(chǔ)存地下水，常形成自流盆地。水庫(kù)等大型工程選址，應(yīng)避開斷層帶，以免誘發(fā)斷層活動(dòng)，產(chǎn)生地震、滑坡、滲漏等不良后果。3.3有效預(yù)警城市災(zāi)害的發(fā)生，減少損失。我們知道，地殼無時(shí)不在運(yùn)動(dòng)，但一般而言地殼運(yùn)動(dòng)速度緩慢，不易為人感覺。特別情況下，地殼運(yùn)動(dòng)可表現(xiàn)快速而激烈，那就是地震活動(dòng)，并常常引發(fā)山崩、地陷、海嘯等等。而受這些災(zāi)害最大的影響的，即是人口密度高，高新知識(shí)產(chǎn)業(yè)集中的城市了。如圖所示，地震造成的損失也主要集中在城市設(shè)施，如工業(yè)，服務(wù)業(yè)等。因此近年來，許多國(guó)家都將預(yù)警重點(diǎn)放在了城市。圖地震造成的損失另外，根據(jù)國(guó)家汶川地震專家在國(guó)務(wù)院新聞辦公室舉行的發(fā)布會(huì)上所說，汶川地震的震源深度為15公里左右。通過現(xiàn)場(chǎng)地震地質(zhì)構(gòu)造的考察及多種觀測(cè)資料的分析，位于龍門山的映秀北川斷裂即是汶川地震的發(fā)震主斷裂。從龍門山及其外圍地區(qū)多年連續(xù)觀測(cè)的地球物理資料來看，此次地震之前尚未能認(rèn)定有顯著異常，未能給出短期和臨震預(yù)報(bào)。有人說汶川地震是青藏高原惹的禍，表面如此，實(shí)際上是印度板塊惹的禍。汶川地震給科學(xué)家上了一課，過去往往關(guān)注那些位移量大的地區(qū)，如鮮水河斷裂等，每年位移量是龍門山的好幾倍，地震也頻繁，可是位移量由大變小的地區(qū)，即使位移量不大，也應(yīng)當(dāng)高度關(guān)注，因?yàn)閼?yīng)力和應(yīng)變正在聚集之中，可能爆發(fā)大地震，汶川就是如此。由此可見，如果我們能重視對(duì)于地殼運(yùn)動(dòng)，尤其是水平運(yùn)動(dòng)的變化，那么就有可能對(duì)像這樣的天災(zāi)人禍做出正確的預(yù)警，它所造成的損失就會(huì)大大地降低，將會(huì)更有利于我們?nèi)祟惖陌l(fā)展于進(jìn)步。4結(jié)語地殼的運(yùn)動(dòng)不僅在自然力作用下發(fā)生變化，而且人類活動(dòng)作為地球上有關(guān)過程的一種作用力也對(duì)其有一定的影響。相對(duì)的，地殼運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的影響也不僅僅限于自然，而是對(duì)人類的生活也會(huì)產(chǎn)生影響。進(jìn)入21世紀(jì)，我們應(yīng)該從人地關(guān)系的角度審視環(huán)境的變化，為人類社會(huì)與自然環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展提供科學(xué)理論基礎(chǔ)，使人居環(huán)境得到最大限度地改善，同時(shí)又要保持地球的“健康”演化，使地球物理學(xué)研究在人類社會(huì)發(fā)展中體現(xiàn)出自身的價(jià)值。如，如何合理地利用地球資源，幫助工業(yè)界解決難題，改善地球的可居住性等等。研究地殼的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，趨勢(shì)等也是其中重要的一環(huán)。為此，作為地球物理學(xué)研究的一部分，地球地殼運(yùn)動(dòng)的研究也應(yīng)該作出其應(yīng)有的貢獻(xiàn)?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1United Nations.World Demographic Estimates and Projections(1950-2025)M.New York:Press of United Nations,1990.2National Statitics Bureau of China.50 Years of city dreamsN.China Daily,National Day Special:50th Anniversary,1999-10-01(1).國(guó)家統(tǒng)計(jì)局.50年的城市夢(mèng)N.中國(guó)日?qǐng)?bào)國(guó)慶50周年專刊，1999-10-01(1).3 地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ) (宋春青，張振春)第四節(jié) 褶皺構(gòu)造4 中國(guó)科協(xié)學(xué)科發(fā)展研究系列報(bào)告-2008-2009地球物