固體地球物理概論報告

1、 固體地球物理概論結課報告學 號：20111004124班級序號：015112姓 名:張虎指導教師：胡正旺 地球物理學是以地球為研究對象,研究地球的各種物理現(xiàn)象，以及這些現(xiàn)象與地球運動、地球各層圈結構構造、地球物質的分布及遷移的關系的學科。地球物理學最早是物理學的一個分支。廣義上說，地球物理研究的領域涉及天體物理學、地質構造物理學、大地測量學、海洋物理學、大氣物理學、空間物理學等。狹義上說，地球物理學指的是固體地球物理學，即以研究地球的各種物理特征與地球運動、地球內(nèi)部結構構造、地球內(nèi)部物質成分及其分布等關系的學科。固體地球物理學概論又主要研究以下幾個方面：（1）重力學 地球的形狀、重力場的變化

2、、物質密度的變化與分布等等（2）地磁學 地磁場的分布和變化、地磁場的起源、地磁場的演變等等（3）地震學 地震發(fā)生機制與震源分布、地震波類型與傳播、地震預報等等（4）地熱學 地溫場的分布和變化、地熱源及其分布，地熱的傳播等等（5）地電學 地球電磁感應特征和變化、地電結構等等固體地球物理概論研究思路與方法：（1）、根據(jù)地面或空中的資料和信息，了解地球深部情況；（2）、地球物理方法反演的多解性：正演問題、反演問題、精度問題（3）、地球物理方法的間接性問題（4）、建模與簡化：就是以數(shù)學公式或數(shù)值形式表征地球某種性質或規(guī)律，它是對復雜研究客體的合理抽象和簡化，從而更能反映客體的內(nèi)在本質。 （5）、地球物

3、理學初值和邊值的約束作用：現(xiàn)在的地球為地球演化提供了一個作為初值（終值）的時間條件，而地面觀測又為地球內(nèi)部的物理過程提供了一個邊界條件。 地球化學與固體地球物理的研究思路與方法的聯(lián)系與差別，研究思路：（1）在搜集前人的資料的基礎上，提出問題，再進行野外調查； （2）資料及樣品的分析、檢驗； （3）推理與模式的建立； （4）模式的驗證。 但是，地球物理的數(shù)據(jù)采集大多是在野外就采集完成，地球化學則是先在室外采樣，回來后再在實驗室分析得來。 研究方法：地球物理方法多為間接法，通過測量電、磁、重力、地震等來間接分析物質的組成、結構構造等性質；而地球化學多為直接法，通過對樣品化學組成的分析推測地球及部分

4、天體的化學組成、化學作用及化學演化，這是最大的差別。但二者都以野外工作為主，再進行室內(nèi)研究，輔以實驗模擬與數(shù)字模擬。 四種地球物理場 1、重力 地球重力由兩部分組成，地球上任何一個物體，都同時受到地球的引力F和因隨地球自轉而產(chǎn)生的慣性離心力C的作用。 由牛頓萬有引力定律，有物體m所受萬有引力及物體所受的慣性離心力，兩者的矢量合為重力，即 將物體質量去除其所受重力，可得單位質量所受到的重力重力場。在地球物理學中所稱的重力就是指重力場強度，重力場強度實際上就是重力加速度。顯然，由于慣性離心力的作用，地球形狀、內(nèi)部密度等原因，地球重力是變化的，且總體有隨緯度變化的特征。兩極處最大，赤道處最小，重力并

5、不總指向地心。 引起地球表面重力變化的主要原因：地球的形狀扁橢球體引力，最大變化達1800mGal；地球自轉慣性離心力，最大變化達3400mGal；地球內(nèi)部物質密度分布不均勻；地球表面起伏不平，最大變化達1000mGal以上；太陽與月球的引力，最大變化達0.3mGal。是利用組成地殼的各種巖體、礦體間的密度差異所引起的地表的重力加速度值的變化而進行地質勘探的一種方法。它是以牛頓萬有引力定律為基礎的。只要勘探地質體與其周圍巖體有一定的密度差異，就可以用精密的重力測量儀器（主要為重力儀和扭秤）找出重力異常。然后，結合工作地區(qū)的地質和其他物探資料，對重力異常進行定性測量和定量測量，便可以推斷覆蓋層以

6、下密度不同的礦體與巖層埋藏情況，進而找出隱伏礦體存在的位置和地質構造情況。2、 地磁 地磁場磁力線與地面相交的角度隨地磁緯度有規(guī)律地變化。為了刻畫地磁場在地面的特征，通常用一個直角坐標系來描述，即XOY平面與地面相切，原點在地面，z軸指向地心，x軸指向地理北，y軸指向東。地磁場B在各個軸上的投影分別為Z、X、Y，在XOY平面上的投影為H，B與XOY平面的夾角為I，H與x軸的夾角為D。 B地磁總場(磁感應強度) H地磁水平分量 Z地磁垂直分量 X地磁北向分量 Y地磁東向分量 I地磁傾角 D地磁偏角 由地殼內(nèi)的巖石礦物及地質體在基本磁場磁化作用下所產(chǎn)生的磁場，稱之為地殼磁場，又稱為異常場或磁異常。

7、 地磁偶極子場、大陸磁場和磁異常被稱為穩(wěn)定磁場。穩(wěn)定磁場主要源于地球內(nèi)部（占99%），有時也稱內(nèi)部磁場。地磁的變化主要可分為長期變化和短期變化。長期變化主要由地球內(nèi)部幔核物質運動所引起的地磁場變化，如磁極漂移、磁極倒轉等；短期變化主要由太陽風作用與電離層擾動所引起的變化。自然界的巖石和礦石具有不同磁性，可以產(chǎn)生各不相同的磁場，它使地球磁場在局部地區(qū)發(fā)生變化，出現(xiàn)地磁異常。利用儀器發(fā)現(xiàn)和研究這些磁異常，進而尋找磁性礦體和研究地質構造的方法稱為磁法勘探。磁法勘探是常用的地球物理勘探方法之一。它包括地面、航空、海洋磁法勘探及井中磁測等。磁法勘探主要用來尋找和勘探有關礦產(chǎn)（如鐵礦、鉛鋅礦、銅錦礦等）；

8、進行地質填圖；研究與油氣有關的地質構造及大地構造等問題。3、 地電地球電磁場分為大地電場和局部電場。大地電場指的是大范圍內(nèi)的區(qū)域電場，與地球內(nèi)部圈層電性結構有關。局部電場則是由于局部地質造地帶物理化學背景差異形成的，如物質成分的差異，局部電化學作用以及地下水或破碎帶等均可形成局部電場。局部電場在地球物理勘探中可以直接應用，如利用電法勘探尋找金屬與非金屬礦藏，地下水及工程建設中的基礎穩(wěn)定性等。大地電磁場本身存在著長周期變化和短周期的變化。前者難于準確進行記錄，周期可長達幾十、幾百甚至幾千年，與地球內(nèi)部物質運動和演化有關；而后者(周期一般為一天以內(nèi))則與太陽活動有關，它也包括太陽日變化、地電暴、地

9、電脈動等多種類型的變化，短周期變化的電場絕大部分是外源地磁場變化感應的產(chǎn)物。地電測量是根據(jù)巖石和礦石電學性質（如導電性、電化學活動性、電磁感應特性和介電性，即所謂“電性差異”）來找礦和研究地質構造的一種地球物理勘探方法。它是通過儀器觀測人工的、天然的電場或交變電磁場，分析、解釋這些場的特點和規(guī)律達到找礦勘探的目的。電法勘探分為兩大類。研究直流電場的，統(tǒng)稱為直流電法，包括有電阻率法、充電法、自然電場法和直流激發(fā)極化法等；研究交變電磁場的，統(tǒng)稱為交流電法，包括有交流激發(fā)極化法、電磁法、大地電磁場法、無線電波透視法和微波法等。按工作場所的差別，電法勘探又分為地面電法、坑道和井中電法、航空電法、海洋電

10、法等。4、 地震 地震是由于地下巖石的突然破裂而引起的大地振動，這種振動以彈性波的形式向周圍介質傳播。在地球內(nèi)部傳播的地震波稱為體波，分為縱波和橫波。振動方向與傳播方向一致的波為縱波（P波）。來自地下的縱波引起地面上下顛簸振動。振動方向與傳播方向垂直的波為橫波（S波）。來自地下的橫波能引起地面的水平晃動。由于縱波在地球內(nèi)部傳播速度大于橫波，所以地震時，縱波總是先到達地表，而橫波總落后一步。 地震勘探是利用人工激發(fā)的地震波在彈性不同的地層內(nèi)傳播規(guī)律來勘探地下的地質情況。在地面某處激發(fā)的地震波向地下傳播時，遇到不同彈性的地層分界面就會產(chǎn)生反射波或折射波返回地面，用專門的儀器可記錄這些波，分析所得記

11、錄的特點，如波的傳播時間、振動形狀等，通過專門的計算或儀器處理，能較準確地測定這些界面的深度和形態(tài)，判斷地層的巖性。 地球物理方法探測沉船 對落入水底并被淤埋的沉船進行調查，也是考古工作的一個方面。水域工作與陸地考古有很大差別，水面上無任何標志可參考，就更增加了調查的難度。因而，考古調查就需要借助于先進的地球物理方法，如地質雷達技術、聲納技術、電法、磁法及地震勘察和GPS 定位等技術。 本文以作者完成的長江某區(qū)域沉船的調查為例，討論和分析在對水下被掩埋沉船的調查中，考古物探的方法選擇、數(shù)據(jù)處理及效果評價。 1999年7月及2000年元月，作者完成了長江某河段的沉船調查工作，工區(qū)內(nèi)有木船及金屬船

12、，但只有金屬船對河道清理工作影響大。因此，查明金屬沉船的位置、規(guī)模及埋深，就是此次工作的目的。作者解決問題的思路：沉船就材質而言，有金屬（鐵）船與木船之分；就內(nèi)部搭載而言，物質類型多樣化，有瓷器、木材、金屬物等；船體沉入的狀態(tài)，有擱在河床上（如中山艦）和被淤埋于河床下之差別。根據(jù)上述分析，調查金屬沉船，投入磁法勘查方式的效果通常最好。因為沉船與周圍介質之間的磁性差異最明顯。不論沉船是擱在河床上，還是淤入河床內(nèi)，都可以使用磁法勘察技術來發(fā)現(xiàn)沉船的位置及提供沉船的埋深及規(guī)模大小等所需參數(shù)。 原理：一般來說，使用聲納探測可以發(fā)現(xiàn)河床面上的凸起物（沉船、礁石）；使用地震勘探可以發(fā)現(xiàn)淤于河床內(nèi)的沉船，只

13、是這兩種人工場源的勘察方式一般來說必須使儀器探頭位于沉船上方才能發(fā)現(xiàn)沉船。對于木船的探測，則只有使用地震方法，才能將沉船作為非均勻物體從均勻沉積的河床中識別出來。至于所發(fā)現(xiàn)的局部非均勻體是否就是沉船，還要做進一步的工作。當然，如果沉船中裝有金屬物質，也可以考慮磁法勘察方法，發(fā)現(xiàn)磁異常的反映后，再投入地震方法核實，即投入綜合物探方法。利用磁法勘察成本低、效率高的特點及地震勘察精度高的優(yōu)勢，來完成難度較大的勘察任務。結論：2000年春節(jié)之后，即對M2 異常下的沉船打撈，據(jù)現(xiàn)場施工人員介紹，磁測對沉船位置的確定很準，打撈船到達磁測指定的地點后，第一次打撈就抓住了沉船。派潛水員下去探摸后，確認M2 異

14、常下是一前兩后的3 條沉船。目前正在打撈最后一條沉船一般說來，沿海一帶的考古工作會涉及到沉船的調查，在內(nèi)地出現(xiàn)沉船考古調查的機率很少，但從表( 可見，如果含有與周圍介質有相當差異的磚砌古墓及遺址被水淹沒后，使用磁法勘察，也可以發(fā)現(xiàn)其位置所在。對于金屬物體，磁法的探測效果是與金屬體的埋深與規(guī)模成正比的，模型試驗表明：0.5米長、直徑0.1 米的管狀磁性體的有效探測深度為3 米；直徑1米的金屬殼,殼厚0.01米的有效探測深度為(12米。由理論計算可知50米長的金屬沉船的有效探測深度在100-150米（與船型有關），如果木船中裝有較多中等磁性的貨物，也可在適當?shù)母叨壬习l(fā)現(xiàn)其位置。此外，磁力儀性能的提

15、高，可以滿足連續(xù)快速數(shù)據(jù)采集的需要，其工作效率是地面磁測的1-2 倍。因此，磁法勘探作為低投入、高效率、效果好的考古物探技術可以作為水上考古的一種首選方法。經(jīng)費充足時，在淺水區(qū)可以使用地質雷達方法，在深水區(qū)可以投入水上地震方法，雖然投入這兩種方法的費用要高，但對目標物的探測精度要高于磁法勘察。因此，在工作時，先使用磁法普查，發(fā)現(xiàn)異常后，再在異常區(qū)投入探地雷達或水上地震方法進行詳查，是值得推薦的最優(yōu)化。 總結學習了本課程后，在研究地球巖石或地質體的成因及演化過程有了一種全新的思維方式，以前學習地球化學，一直從巖石的各種元素豐度、共生組合和賦存形式及元素的遷移和循環(huán)研究某些巖石或地質體的成因，是一種直接法，往往需要采集樣品直接測量，而地球物理通過測量巖石或地質體的電、磁、熱、重力等性質推