緒論-地球物理學_江國明

1、地球物理學地球物理學(B)江國明江國明 教教5-203BTel : 82320691Email: jiang_ 教材與考核教材與考核 教材教材: : 地球物理學基礎(chǔ)地球物理學基礎(chǔ)，史謌，北京大學出版社，史謌，北京大學出版社. . 固體地球物理學基礎(chǔ)固體地球物理學基礎(chǔ)，金旭，吉林大學出版社，金旭，吉林大學出版社. . 考查方式：考核以平時作業(yè)、課堂抽查、實驗、期末筆試考查方式：考核以平時作業(yè)、課堂抽查、實驗、期末筆試幾方面綜合評價。期末筆試采用幾方面綜合評價。期末筆試采用閉卷筆試閉卷筆試形式形式, , 平時成績占平時成績占20%20%，期末考試占，期末考試占80%80%。緒緒 論論一、什么是地球

2、物理學一、什么是地球物理學二、地球物理學的發(fā)展二、地球物理學的發(fā)展三、地球物理學的主要研究方法三、地球物理學的主要研究方法四、地球物理學研究思路四、地球物理學研究思路五、地球物理學與其他學科之間的關(guān)系五、地球物理學與其他學科之間的關(guān)系一、什么是地球物理學一、什么是地球物理學地球物理學地球物理學: 是是應(yīng)用物理學的方法研究地球的一門科學應(yīng)用物理學的方法研究地球的一門科學。從廣義上講地球物理學的研究對象包括從從廣義上講地球物理學的研究對象包括從固體地球的內(nèi)核直至大氣圈邊界的整個地球。固體地球的內(nèi)核直至大氣圈邊界的整個地球。因此，它涉及的學科領(lǐng)域很多研究的范圍因此，它涉及的學科領(lǐng)域很多研究的范圍極廣

3、。極廣。 作為一個天體來研究地球，地球物理學和天作為一個天體來研究地球，地球物理學和天體物理學是分不開的體物理學是分不開的; 研究地球本身的結(jié)構(gòu)和發(fā)展時，地球物理學研究地球本身的結(jié)構(gòu)和發(fā)展時，地球物理學和地質(zhì)學有很密切的聯(lián)系。和地質(zhì)學有很密切的聯(lián)系。廣義上廣義上 研究地面形狀的大地測量學；研究地面形狀的大地測量學； 研究海洋運動的海洋物理學；研究海洋運動的海洋物理學； 研究低空的氣象學和大氣物理學；研究低空的氣象學和大氣物理學； 研究高空以至行星際空間的空間物理學；研究高空以至行星際空間的空間物理學； 研究地球本體的固體地球物理學；研究地球本體的固體地球物理學； 人造衛(wèi)星出現(xiàn)后，地球物理現(xiàn)象的

4、觀測擴展到人造衛(wèi)星出現(xiàn)后，地球物理現(xiàn)象的觀測擴展到了行星際空間。行星物理學是地球物理學的一個引了行星際空間。行星物理學是地球物理學的一個引伸，但它所要解決的問題，離地球越來越遠了。伸，但它所要解決的問題，離地球越來越遠了。 狹義上狹義上 如果狹義地理解，如果狹義地理解，地球物理學指的就是地球物理學指的就是固體地球物理學固體地球物理學，根據(jù)研究對象或使用方法，根據(jù)研究對象或使用方法不同可以對它分為：研究大尺度和一般原不同可以對它分為：研究大尺度和一般原理的，叫普通地球物理學或理論地球物理理的，叫普通地球物理學或理論地球物理北大、科大、中科院地質(zhì)地球物理所、中北大、科大、中科院地質(zhì)地球物理所、中科

5、院空間物理所、國家地震局地球物理所等，科院空間物理所、國家地震局地球物理所等，理論地球物理又可以劃分為固體地球物理、理論地球物理又可以劃分為固體地球物理、空間地球物理等?？臻g地球物理等。應(yīng)用地球物理學應(yīng)用地球物理學 勘查石油天然氣、金屬、非金屬礦或其它地質(zhì)體勘查石油天然氣、金屬、非金屬礦或其它地質(zhì)體的，稱應(yīng)用地球物理學的，稱應(yīng)用地球物理學中國地質(zhì)大學、中國石中國地質(zhì)大學、中國石油大學、中國礦業(yè)大學、吉林大學、長安大學、油大學、中國礦業(yè)大學、吉林大學、長安大學、成都理工、桂林工學院等，成都理工、桂林工學院等，應(yīng)用地球物理又可以應(yīng)用地球物理又可以進一步劃分為勘探地球物理、環(huán)境地球物理、工進一步劃分

6、為勘探地球物理、環(huán)境地球物理、工程地球物理等程地球物理等。 分類不是絕對的，一成不變的。隨著時間的推移、分類不是絕對的，一成不變的。隨著時間的推移、科學的發(fā)展以及新現(xiàn)象的陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，必將生成新科學的發(fā)展以及新現(xiàn)象的陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，必將生成新的地球物理學分支，同時也會促使現(xiàn)有地球物理的地球物理學分支，同時也會促使現(xiàn)有地球物理學各分支的完善和發(fā)展。學各分支的完善和發(fā)展。 什么是地球物理學什么是地球物理學? 運用物理學的方法理解、解釋地球的內(nèi)部運用物理學的方法理解、解釋地球的內(nèi)部構(gòu)造、組成、動力學以及與地球表面地質(zhì)構(gòu)造、組成、動力學以及與地球表面地質(zhì)現(xiàn)象的關(guān)系?，F(xiàn)象的關(guān)系。 地質(zhì)地質(zhì)+物理物理二、地球物理學

7、的發(fā)展二、地球物理學的發(fā)展 地球物理學是一門經(jīng)典學科，地球物理學是一門經(jīng)典學科，20世紀初就自成世紀初就自成體系，在體系，在20世紀世紀60年代發(fā)展極為迅速。年代發(fā)展極為迅速。 對地球物理問題的探討從遠古時代就開始了，對地球物理問題的探討從遠古時代就開始了，我國東漢的張衡我國東漢的張衡地震學家；唐朝的僧一行地震學家；唐朝的僧一行測量學家，現(xiàn)代物理學可以說是從研究地球物理測量學家，現(xiàn)代物理學可以說是從研究地球物理問題開始的，比如：問題開始的，比如： 研究地球和月球的運動研究地球和月球的運動牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律；力定律； 高斯研究地球磁場；開普樂研究行星運動規(guī)高斯研究地球磁場；開

8、普樂研究行星運動規(guī)律；開爾芬研究地球彈性、熱導；拉普拉斯研究律；開爾芬研究地球彈性、熱導；拉普拉斯研究地球起源；克雷若研究地球的形狀等。諾貝爾獎地球起源；克雷若研究地球的形狀等。諾貝爾獎獲得者有好幾位都致力于研究地球物理問題，是獲得者有好幾位都致力于研究地球物理問題，是杰出的地球物理學家。杰出的地球物理學家?！爸杏卸贾杏卸贾邪说?，傍行八道，施關(guān)發(fā)機施關(guān)發(fā)機”二、地球物理學的發(fā)展二、地球物理學的發(fā)展 二十世紀三十年代，由于物理勘探方法顯示出優(yōu)二十世紀三十年代，由于物理勘探方法顯示出優(yōu)異的效果，地球物理學才又開始為人注意。在物異的效果，地球物理學才又開始為人注意。在物理探礦學大踏步發(fā)展的

9、同時，地球內(nèi)部的研究也理探礦學大踏步發(fā)展的同時，地球內(nèi)部的研究也取得穩(wěn)步的進展。這是一項綜合性的研究，但地取得穩(wěn)步的進展。這是一項綜合性的研究，但地震學起著最顯著的作用。震學起著最顯著的作用。 到了五十年代到了五十年代 根據(jù)地球物理研究的結(jié)果，人們己根據(jù)地球物理研究的結(jié)果，人們己經(jīng)對于地球內(nèi)部的分層結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成和物理狀經(jīng)對于地球內(nèi)部的分層結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成和物理狀態(tài)有了態(tài)有了 一個大致的了解。此時人們逐漸認識到許一個大致的了解。此時人們逐漸認識到許多地學現(xiàn)象，特別是地下資源分布問題，若不研多地學現(xiàn)象，特別是地下資源分布問題，若不研究地殼深處以至地幔上部究地殼深處以至地幔上部(即地球最外層約七、八

10、即地球最外層約七、八百至一千公里深度百至一千公里深度)是不能完滿解釋的。是不能完滿解釋的。二、地球物理學的發(fā)展二、地球物理學的發(fā)展 由于問題是全球性的，所以在由于問題是全球性的，所以在六十年代之初，六十年代之初，國際間就組織了一個約有五十個國家參加的國際間就組織了一個約有五十個國家參加的協(xié)作協(xié)作計劃，叫做計劃，叫做上地慢計劃上地慢計劃，主要研究內(nèi)容包括主要研究內(nèi)容包括: 全球性的地殼斷裂系統(tǒng)全球性的地殼斷裂系統(tǒng); ; 大陸邊緣地帶及島弧的構(gòu)造大陸邊緣地帶及島弧的構(gòu)造; ; 地慢的物質(zhì)組成及地球化學過程地慢的物質(zhì)組成及地球化學過程; ; 地殼及地慢的結(jié)構(gòu)及其橫向不均勻性。地殼及地慢的結(jié)構(gòu)及其橫向

11、不均勻性。 所用的手段包括所用的手段包括:地震、地磁、古地磁、重力、地震、地磁、古地磁、重力、海上地球物理測量、地熱、地質(zhì)、深鉆等。海上地球物理測量、地熱、地質(zhì)、深鉆等。 計劃延續(xù)了約十年，其重要成果之一就是提出了計劃延續(xù)了約十年，其重要成果之一就是提出了板塊大地構(gòu)造假說板塊大地構(gòu)造假說。 二、地球物理學的發(fā)展二、地球物理學的發(fā)展 這個假說的出現(xiàn)使地學發(fā)展更上一個里程碎。它的意這個假說的出現(xiàn)使地學發(fā)展更上一個里程碎。它的意義之重大及影響之深遠可以與近代科學的任何重大發(fā)現(xiàn)相義之重大及影響之深遠可以與近代科學的任何重大發(fā)現(xiàn)相媲美。媲美。 板塊假說認為：板塊假說認為：地球最上層地球最上層(巖石層巖石

12、層)是由幾個大的板是由幾個大的板塊所組成的。這些板塊不是固定不動的，而是相對地運動塊所組成的。這些板塊不是固定不動的，而是相對地運動著。地球上各種大地構(gòu)造活動就是這些大板塊互相作用的著。地球上各種大地構(gòu)造活動就是這些大板塊互相作用的結(jié)果。結(jié)果。 這個假說是這個假說是1967年才提出來的，時間不久，還遠遠年才提出來的，時間不久，還遠遠不夠完善。但板塊構(gòu)造假說最重要的意義不在于地球巖石不夠完善。但板塊構(gòu)造假說最重要的意義不在于地球巖石層可以分成多少個板塊，而在于新假說以大量的觀測層可以分成多少個板塊，而在于新假說以大量的觀測“事事實證實了地學中實證實了地學中”活動論活動論”的觀點的觀點;這是在基本

13、概念上的一這是在基本概念上的一次重要的進展。次重要的進展。 二、地球物理學的發(fā)展二、地球物理學的發(fā)展 “國際上地幔計劃到國際上地幔計劃到1970年就結(jié)束了年就結(jié)束了。但問題并。但問題并未結(jié)束。板塊大地構(gòu)造是一個新的概念，它雖然未結(jié)束。板塊大地構(gòu)造是一個新的概念，它雖然可以解釋許多地學現(xiàn)象，但也存在不少缺陷和困可以解釋許多地學現(xiàn)象，但也存在不少缺陷和困難，需要補充和改進。例如，板塊的邊界大部分難，需要補充和改進。例如，板塊的邊界大部分在海洋，關(guān)于這部分邊界的情況研究得比較多，在海洋，關(guān)于這部分邊界的情況研究得比較多，但在大陸上的情況就研究得比較少。板塊運動的但在大陸上的情況就研究得比較少。板塊運

14、動的動力來源還沒有公認一致的解釋。板塊的活動除動力來源還沒有公認一致的解釋。板塊的活動除在其邊緣外，在其內(nèi)部也有所表現(xiàn)在其邊緣外，在其內(nèi)部也有所表現(xiàn);而這種活動對而這種活動對地震成因和礦產(chǎn)富集都極有影響。地震成因和礦產(chǎn)富集都極有影響。 二、地球物理學的發(fā)展二、地球物理學的發(fā)展還有一些其他的問題都是上地慢計劃期間來不及還有一些其他的問題都是上地慢計劃期間來不及解決的。針對這種情況，國際上又組織了解決的。針對這種情況，國際上又組織了一個一個“地球動力學計劃地球動力學計劃”，作為前計劃的繼續(xù)，約有作為前計劃的繼續(xù)，約有五十個國家參加，期限為五十個國家參加，期限為19741979年。年。顯然，顯然，“

15、地球動力學計劃地球動力學計劃”和板塊構(gòu)造假說是密切相關(guān)和板塊構(gòu)造假說是密切相關(guān)的，其主要目的之一是要解決假說所遺留下來的的，其主要目的之一是要解決假說所遺留下來的問題，特別是板塊運動的驅(qū)動力問題如何具體問題，特別是板塊運動的驅(qū)動力問題如何具體實施這個計劃因各國情況不同并無規(guī)定實施這個計劃因各國情況不同并無規(guī)定 二、地球物理學的發(fā)展二、地球物理學的發(fā)展 在在“地球動力學計劃地球動力學計劃”之后，之后，八十年代八十年代國國際上又提出一個際上又提出一個“巖石層研究計劃巖石層研究計劃”，這，這個計劃的中心課題是巖石層的現(xiàn)狀、形成、個計劃的中心課題是巖石層的現(xiàn)狀、形成、演化和動力學，重點對各大陸和陸緣，

16、也演化和動力學，重點對各大陸和陸緣，也包括洋底巖石層作進一步的研究。包括洋底巖石層作進一步的研究。八十年代后五年開展了八十年代后五年開展了“全球地學斷面計全球地學斷面計劃劃”，在全球不同的地區(qū)，不同的構(gòu)造類，在全球不同的地區(qū)，不同的構(gòu)造類型上布置了型上布置了180條條GGT地學大剖面，我國有地學大剖面，我國有24條條二、地球物理學的發(fā)展二、地球物理學的發(fā)展六十年代推動地球物理發(fā)展的另一重要事件六十年代推動地球物理發(fā)展的另一重要事件是是利用地震方法監(jiān)視地下核爆炸利用地震方法監(jiān)視地下核爆炸。為了提高這個。為了提高這個方法的水平，美國擬定一個所謂方法的水平，美國擬定一個所謂“維拉維拉U U計計劃劃”

17、這個計劃除了要改進美國國內(nèi)的地震觀測這個計劃除了要改進美國國內(nèi)的地震觀測系統(tǒng)外，還在全球建立一系列標準地震臺網(wǎng)。維系統(tǒng)外，還在全球建立一系列標準地震臺網(wǎng)。維拉拉-U-U計劃的出發(fā)點是要通過提高固體地球物理學計劃的出發(fā)點是要通過提高固體地球物理學的水平來找到監(jiān)視地下核爆炸的可靠方法，所以的水平來找到監(jiān)視地下核爆炸的可靠方法，所以這個計劃中的研究項目是極其廣泛的，非但有地這個計劃中的研究項目是極其廣泛的，非但有地震學，而且也涉及到地球物理學的許多其它領(lǐng)域，震學，而且也涉及到地球物理學的許多其它領(lǐng)域，使它們都有所提高。這個計劃對推動地球物理學使它們都有所提高。這個計劃對推動地球物理學的發(fā)展起了積極的

18、作用。的發(fā)展起了積極的作用。三、地球物理學的主要研究方法三、地球物理學的主要研究方法 地震是一種常見的地質(zhì)現(xiàn)象。對其孕育、發(fā)生地震是一種常見的地質(zhì)現(xiàn)象。對其孕育、發(fā)生的研究包括了運動學和動力學二個方面的內(nèi)容。的研究包括了運動學和動力學二個方面的內(nèi)容。地震波的傳播帶來了大量、豐富的地球內(nèi)部的信地震波的傳播帶來了大量、豐富的地球內(nèi)部的信息。因此地震學本身就是固體地球物理學的重要息。因此地震學本身就是固體地球物理學的重要組成部分。組成部分。 地震學原來的目的是為了研究和防御天然災(zāi)害，地震學原來的目的是為了研究和防御天然災(zāi)害，但后來卻主要沿著地震波物理學這個方面大大發(fā)但后來卻主要沿著地震波物理學這個方

19、面大大發(fā)展起來，而對于天然地震本身的研究反而進展不展起來，而對于天然地震本身的研究反而進展不大。到了六十年代，情況才有了變化。我國在大。到了六十年代，情況才有了變化。我國在1971年成立了國家地震局，專門進行地震預(yù)測預(yù)年成立了國家地震局，專門進行地震預(yù)測預(yù)防方面的工作。防方面的工作。地震是照亮地球內(nèi)部的一盞明燈！地震是照亮地球內(nèi)部的一盞明燈！三、地球物理學的主要研究方法三、地球物理學的主要研究方法地震學地震學地面的震動（位移，地面的震動（位移，速度，加速度）速度，加速度）速度，密度，衰減速度，密度，衰減Q 根據(jù)介質(zhì)的彈性根據(jù)介質(zhì)的彈性和密度差異，通過和密度差異，通過觀測和分析大地對觀測和分析大

20、地對地震波的響應(yīng)，推地震波的響應(yīng)，推斷地球內(nèi)部介質(zhì)的斷地球內(nèi)部介質(zhì)的結(jié)構(gòu)和巖石的性質(zhì)。結(jié)構(gòu)和巖石的性質(zhì)。 重力學重力學 重力加速度重力加速度 密度密度 研究重力場時空研究重力場時空分布規(guī)律及其測量方分布規(guī)律及其測量方法的科學。法的科學。 磁場的強度和方磁場的強度和方向向 磁化系數(shù)磁化系數(shù) 研究地磁場空間研究地磁場空間分布和隨時間變化分布和隨時間變化的規(guī)律。的規(guī)律。 地電學地電學 視電阻率視電阻率,視激化視激化率率 電阻率電阻率,激化率激化率 研究地球內(nèi)部介研究地球內(nèi)部介質(zhì)的電性特征及其質(zhì)的電性特征及其分布規(guī)律。分布規(guī)律。地球物理學研究思路地球物理學研究思路正演模型正演模型參數(shù)反演參數(shù)反演地質(zhì)解

21、釋地質(zhì)解釋五、地球物理學與其他學科之間的關(guān)系五、地球物理學與其他學科之間的關(guān)系地質(zhì)學地質(zhì)學 地球物理學在某些研究領(lǐng)域內(nèi)和地質(zhì)學是有密切地球物理學在某些研究領(lǐng)域內(nèi)和地質(zhì)學是有密切關(guān)系的，但并不相同。地質(zhì)學是利用地面上直接關(guān)系的，但并不相同。地質(zhì)學是利用地面上直接觀測到的數(shù)據(jù)來對觀測到的數(shù)據(jù)來對地下淺層構(gòu)造、變化過程和資地下淺層構(gòu)造、變化過程和資源情況作出推斷源情況作出推斷。百余年來，地質(zhì)學家對人類的。百余年來，地質(zhì)學家對人類的經(jīng)濟生活所起的作用是很大的，并仍將起重要的經(jīng)濟生活所起的作用是很大的，并仍將起重要的作用，但人類對地下能直接觀測的范圍究竟有限作用，但人類對地下能直接觀測的范圍究竟有限的的

22、(最深的油井不過最深的油井不過9公里左右公里左右)，而出露的礦床也，而出露的礦床也越來越少了。越來越少了。 地下情況在地面上沒有直接的顯示時，傳統(tǒng)的地地下情況在地面上沒有直接的顯示時，傳統(tǒng)的地質(zhì)方法就很難奏效，必須借助于物理的方法，如質(zhì)方法就很難奏效，必須借助于物理的方法，如利用地震波、放射性或各種物理場利用地震波、放射性或各種物理場(電、磁。重、電、磁。重、熱熱)。 物理方法所給的數(shù)據(jù)是間接性質(zhì)的，必須對它們物理方法所給的數(shù)據(jù)是間接性質(zhì)的，必須對它們做理論解釋才能換成地質(zhì)構(gòu)造或礦藏，而這種解做理論解釋才能換成地質(zhì)構(gòu)造或礦藏，而這種解釋時常是不夠肯定的。間接數(shù)據(jù)比不上直接數(shù)據(jù)釋時常是不夠肯定的。間接數(shù)據(jù)比不上直接數(shù)據(jù)那樣明確，但是沒有什么可以選擇的，我們不能那樣明確，但是沒有什么可以選擇的，我們不能不用，因為可能直接觀測的范圍太小了。由地面不用，因為可能直接觀測的范圍太小了。由地面上的物理觀測來推導地下的情況，在地球物理學上的物理觀測來推