海洋地球物理與海底構(gòu)造學(xué)(12)

1、三、地球質(zhì)量和平均密度 根據(jù)萬有引力定律，地球的近似質(zhì)量根據(jù)萬有引力定律，地球的近似質(zhì)量M=grM=gr2 2/G5.97/G5.9710102727克?？?。地球的平均密度為地球的平均密度為5.525.52克厘米克厘米3 3。一般情況下，地球內(nèi)部的密度一般情況下，地球內(nèi)部的密度隨深度而逐漸增加。根據(jù)地震波速變化和某些假設(shè)，可推導(dǎo)地球內(nèi)隨深度而逐漸增加。根據(jù)地震波速變化和某些假設(shè)，可推導(dǎo)地球內(nèi)部密度。部密度。 例如，布倫密度分布模式例如，布倫密度分布模式(K(KE EBullenBullen，1970)1970)假設(shè)：假設(shè)： 地球近似由同心地球近似由同心球?qū)咏M成，平均地殼厚度球?qū)咏M成，平均地殼厚

2、度1515公里；地幔頂部密度公里；地幔頂部密度3.313.31克厘米克厘米3 3；設(shè)地心的；設(shè)地心的密度為密度為1313克厘米克厘米3 3；取地球轉(zhuǎn)動慣量為；取地球轉(zhuǎn)動慣量為0.3309Mr0.3309Mr2 2。采用各種經(jīng)驗關(guān)系式和其。采用各種經(jīng)驗關(guān)系式和其他有關(guān)數(shù)據(jù)，他得出：他有關(guān)數(shù)據(jù)，他得出：地球內(nèi)部密度分布地球內(nèi)部密度分布0-15(2.0-2.84) 15-350(3.31-3.52) 350-850(3.56-4.44) 0-15(2.0-2.84) 15-350(3.31-3.52) 350-850(3.56-4.44) 850-2878(4.44-5.62) 2878-4711(

3、9.89-12.26) 5161-637l(12.7-13.0)850-2878(4.44-5.62) 2878-4711(9.89-12.26) 5161-637l(12.7-13.0)1.1 地球的基本知識 2.地球表面特征和物理性質(zhì)四、地球的重力四、地球的重力 地球上的任何質(zhì)點，都受到地球引力和地球自轉(zhuǎn)所地球上的任何質(zhì)點，都受到地球引力和地球自轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的慣性離心力的作用，這兩種力的合力就是重力。產(chǎn)生的慣性離心力的作用，這兩種力的合力就是重力。重力場強(qiáng)度在厘米重力場強(qiáng)度在厘米克克秒制中，單位為達(dá)因克，即秒制中，單位為達(dá)因克，即厘米秒厘米秒2。重力場強(qiáng)度就是重力加速度。重力場強(qiáng)度就是重力加速

4、度。1.1 地球的基本知識 2.地球表面特征和物理性質(zhì) ( (一一) ) 緯度和高度對重力的影響緯度和高度對重力的影響1.地面重力隨緯度改變而不同：地面重力隨緯度改變而不同：引力與質(zhì)量成正比，與地心距離的平引力與質(zhì)量成正比，與地心距離的平方成反比。赤道半徑比極半徑長方成反比。赤道半徑比極半徑長21.385公里，所以赤道上的引力是公里，所以赤道上的引力是981.4伽，伽，兩極的引力為兩極的引力為983.2伽，二者差伽，二者差1.8伽。某處的離心力與該處地球自轉(zhuǎn)線速度伽。某處的離心力與該處地球自轉(zhuǎn)線速度的平方成正比：赤道上離心力最大，為的平方成正比：赤道上離心力最大，為3.4伽，在兩極為零。重力加

5、速度由伽，在兩極為零。重力加速度由地面引力減去離心力得到，在赤道處為地面引力減去離心力得到，在赤道處為978.0318伽，兩極處仍為伽，兩極處仍為983.2177伽。由此可見，在相同高度的情況下，由緯度變化而引起的重力差異不超過伽。由此可見，在相同高度的情況下，由緯度變化而引起的重力差異不超過5.2伽。赤道和兩極的重力之比約為伽。赤道和兩極的重力之比約為189/190，即一個物體在赤道上是，即一個物體在赤道上是189公公斤，它在兩極處將是斤，它在兩極處將是190公斤。公斤。2.在地面以上，重力值隨高度增加而減小：在地面以上，重力值隨高度增加而減小：大約升高大約升高1公里降低公里降低0.3086

6、毫伽。毫伽。 ( (二二) ) 地球內(nèi)部重力分布地球內(nèi)部重力分布 地球表面最大的離心力只有地球表面最大的離心力只有3.4伽，為引力的伽，為引力的1288。地面。地面以下，離心力更弱。因此，地球內(nèi)部重力場可以簡單地看作是以下，離心力更弱。因此，地球內(nèi)部重力場可以簡單地看作是地球的引力場。地球的引力場。 一般認(rèn)為，從地面到地下一般認(rèn)為，從地面到地下2900公里深處，重力值大致隨公里深處，重力值大致隨深度的增加而增加。在地下深度的增加而增加。在地下2900公里處達(dá)到極大值，約為公里處達(dá)到極大值，約為1080伽。從伽。從2900公里到地球質(zhì)心，因地核物質(zhì)密度很大，致使質(zhì)量公里到地球質(zhì)心，因地核物質(zhì)密度

7、很大，致使質(zhì)量減小的影響遠(yuǎn)大于距離減小的影響，重力急劇減小。地心處整減小的影響遠(yuǎn)大于距離減小的影響，重力急劇減小。地心處整個地球?qū)τ谫|(zhì)心的引力完全互相抵消，重力值為零。個地球?qū)τ谫|(zhì)心的引力完全互相抵消，重力值為零。地球內(nèi)部重力的垂直分布地球內(nèi)部重力的垂直分布( (布倫布倫) ) 深度(公里) 重力加速度(厘米秒2) 0 982.2 15 983.2 60 984.7 350 994.3 650 998.1 850 996.1 2700 1050 2878 1080 4561 630 4711 590 5161 430 6371 0五、地球內(nèi)部的壓力五、地球內(nèi)部的壓力 地面上的物體受到大氣的壓力

8、，地下的物體不但受到大氣壓力，地面上的物體受到大氣的壓力，地下的物體不但受到大氣壓力，而且受到巖層的壓力。地球內(nèi)部壓力而且受到巖層的壓力。地球內(nèi)部壓力P的大小，取決于深度的大小，取決于深度h（巖層（巖層厚度），平均密度厚度），平均密度和平均重力和平均重力g三個因素，即：三個因素，即：P = = g h 在離地面不太深的地方，深度每增加在離地面不太深的地方，深度每增加1公里，地下壓力約增加公里，地下壓力約增加270個大氣壓（取巖石密度個大氣壓（取巖石密度2.7克厘米克厘米2，g980伽）。地心處的伽）。地心處的壓力，可能為壓力，可能為350萬大氣壓。盡管地心處物體沒有重量，但是由于萬大氣壓。盡管

9、地心處物體沒有重量，但是由于該處要承受自地面到地心該處要承受自地面到地心6371公里的巖石柱全部壓力，所以是全球公里的巖石柱全部壓力，所以是全球壓力最大的地方。壓力最大的地方。1.1 地球的基本知識 2.地球表面特征和物理性質(zhì)六、地球內(nèi)部的溫度六、地球內(nèi)部的溫度( (一一) ) 垂向溫度分布垂向溫度分布 地球內(nèi)部，深度愈大，溫度愈高。地表以下地球內(nèi)部，深度愈大，溫度愈高。地表以下40-50公里，每公里，每公里增溫公里增溫20-30。再向下，增溫減慢。研究表明，在地球的表。再向下，增溫減慢。研究表明，在地球的表層即地殼部分，溫度升高很快，進(jìn)入地幔以后溫度升高的速度降層即地殼部分，溫度升高很快，進(jìn)

10、入地幔以后溫度升高的速度降低，到了地核，溫度雖有升高，但速度更為緩慢，直至地心達(dá)到低，到了地核，溫度雖有升高，但速度更為緩慢，直至地心達(dá)到最高溫度。估計，核幔邊界的溫度在最高溫度。估計，核幔邊界的溫度在2480以上，地心的溫度以上，地心的溫度不超過不超過3000。1.1 地球的基本知識 2.地球表面特征和物理性質(zhì) ( (二二) ) 大地?zé)崃鞔蟮責(zé)崃鞔蟮責(zé)崃鞔蟮責(zé)崃?單位時間內(nèi)自地球內(nèi)部高溫處向地球表面低溫處單位時間內(nèi)自地球內(nèi)部高溫處向地球表面低溫處在單位面積上流過的熱量叫作大地?zé)崃?。?jù)研究，地表熱流平在單位面積上流過的熱量叫作大地?zé)崃?。?jù)研究，地表熱流平均值約為均值約為60-70mW/m2，現(xiàn)

11、在每年流出地面的熱流約為，現(xiàn)在每年流出地面的熱流約為2.41020卡，相當(dāng)于卡，相當(dāng)于300多億噸煤燃燒放出的熱量。多億噸煤燃燒放出的熱量。熱流值的分布熱流值的分布 無論在大陸或海洋都隨具體的地質(zhì)環(huán)境（如無論在大陸或海洋都隨具體的地質(zhì)環(huán)境（如地質(zhì)構(gòu)造及地質(zhì)年齡的新老等）而改變，在前寒武紀(jì)地盾和海地質(zhì)構(gòu)造及地質(zhì)年齡的新老等）而改變，在前寒武紀(jì)地盾和海溝區(qū)熱流值最低，海嶺、弧后盆地和大陸裂谷區(qū)的熱流值最高。溝區(qū)熱流值最低，海嶺、弧后盆地和大陸裂谷區(qū)的熱流值最高。( (三三) ) 地球內(nèi)部的熱源地球內(nèi)部的熱源 研究表明，巖石中放射性元素含量最多的是酸性巖。研究表明，巖石中放射性元素含量最多的是酸性巖

12、。1噸花崗巖噸花崗巖(含鈾含鈾18.5克和鉀克和鉀337900克克)，每年可產(chǎn)生，每年可產(chǎn)生8.2卡的卡的熱能。由此推算，地球內(nèi)部只要有熱能。由此推算，地球內(nèi)部只要有20公里厚的花崗巖層，就公里厚的花崗巖層，就能彌補每年通過地表向外流失的熱量。但酸性巖密度較低，能彌補每年通過地表向外流失的熱量。但酸性巖密度較低，僅集中在地球的上層僅集中在地球的上層地殼中，它們之中所含放射性元素產(chǎn)地殼中，它們之中所含放射性元素產(chǎn)生的熱能只能影響地球的上部。生的熱能只能影響地球的上部。地球深部的熱源問題，近年地球深部的熱源問題，近年來正在研究。來正在研究。地球內(nèi)部的溫度、壓力、重力、密度示意圖地球內(nèi)部的溫度、壓力

13、、重力、密度示意圖七、地球的磁場七、地球的磁場 地球是一個磁化球體，磁針在地球表面上由于受到磁力的地球是一個磁化球體，磁針在地球表面上由于受到磁力的作用而指向南北方向。地球的磁北極吸引著磁針的南極，而磁作用而指向南北方向。地球的磁北極吸引著磁針的南極，而磁南極吸引著磁針的北極。據(jù)人造地南極吸引著磁針的北極。據(jù)人造地球衛(wèi)星球衛(wèi)星高空測量計算，現(xiàn)在高空測量計算，現(xiàn)在地磁北極的位置為北緯地磁北極的位置為北緯78.50，西經(jīng)，西經(jīng)690。地磁北極和地磁南極。地磁北極和地磁南極的連線叫地磁軸。地磁軸與地球自轉(zhuǎn)軸的交角為的連線叫地磁軸。地磁軸與地球自轉(zhuǎn)軸的交角為11.50。兩個。兩個磁極中間，有一根與地理

14、赤道很相近的圈線，即磁傾角為零的磁極中間，有一根與地理赤道很相近的圈線，即磁傾角為零的那條等值線，稱為磁赤道。那條等值線，稱為磁赤道。1.1 地球的基本知識 2.地球表面特征和物理性質(zhì)( (一一) ) 地磁要素地磁要素 地球磁場特征可用地磁要素地球磁場特征可用地磁要素磁場強(qiáng)度磁場強(qiáng)度(F)、地磁傾角、地磁傾角(I)和地磁偏角和地磁偏角(D)來確定來確定。磁場強(qiáng)度。磁場強(qiáng)度F以奧斯特為單位，即對于一個單位磁極的作用力等于以奧斯特為單位，即對于一個單位磁極的作用力等于1達(dá)因時的磁場強(qiáng)度。由于地磁場強(qiáng)度不超過達(dá)因時的磁場強(qiáng)度。由于地磁場強(qiáng)度不超過0.68奧斯特，為了方便起見，奧斯特，為了方便起見，常

15、用伽馬常用伽馬(r)為單位。為單位。1奧斯特等于奧斯特等于105伽馬。伽馬。F在水平面上的投影在水平面上的投影H稱為水平稱為水平強(qiáng)度，它的垂直分量強(qiáng)度，它的垂直分量Z稱為垂直強(qiáng)度，它與水平面的夾角稱為垂直強(qiáng)度，它與水平面的夾角I為磁傾角，及與為磁傾角，及與正北方向的夾角正北方向的夾角D為磁偏角；在習(xí)慣上，磁偏角是指地磁北極對于地理北為磁偏角；在習(xí)慣上，磁偏角是指地磁北極對于地理北極的偏角。地磁北極在地理北極以東稱為偏東，為正；在地理北極以西稱極的偏角。地磁北極在地理北極以東稱為偏東，為正；在地理北極以西稱偏西，為負(fù)。此外，水平分量偏西，為負(fù)。此外，水平分量H還可以分解為向北還可以分解為向北(X

16、)和向東和向東(Y)兩個分量。兩個分量。根據(jù)根據(jù)X、Y、Z或或H、D、I，我們便可以確定地磁場強(qiáng)度的大小和方向。磁，我們便可以確定地磁場強(qiáng)度的大小和方向。磁傾角傾角I在磁赤道處為零，向南或向北傾角逐漸加大，當(dāng)磁傾角為在磁赤道處為零，向南或向北傾角逐漸加大，當(dāng)磁傾角為900 時，水時，水平強(qiáng)度平強(qiáng)度H為零，該地點就稱為磁傾極，它的位置是在不斷變化的。為零，該地點就稱為磁傾極，它的位置是在不斷變化的。等偏線：等偏線：匯聚在南、北兩磁極區(qū)，將全球分為負(fù)偏區(qū)和正偏區(qū)。匯聚在南、北兩磁極區(qū)，將全球分為負(fù)偏區(qū)和正偏區(qū)。等傾線：等傾線：大致平行緯度線，零傾線在赤道附近，稱為磁赤道。大致平行緯度線，零傾線在赤

17、道附近，稱為磁赤道。磁赤道以北，磁傾角為正，以南為負(fù)。磁赤道以北，磁傾角為正，以南為負(fù)。 I=900偏為磁北極，反偏為磁北極，反之為磁南極。磁南、北極的位置隨時間變化，甚至發(fā)生倒轉(zhuǎn)。之為磁南極。磁南、北極的位置隨時間變化，甚至發(fā)生倒轉(zhuǎn)。地磁場水平強(qiáng)度地磁場水平強(qiáng)度H：大致沿緯度排列。赤道附近最大，兩極大致沿緯度排列。赤道附近最大，兩極 處為零。全球各點處為零。全球各點H都指向北。都指向北。地磁場垂直強(qiáng)度地磁場垂直強(qiáng)度Z：大致與等傾線相似。磁赤道上為零。向大致與等傾線相似。磁赤道上為零。向兩極絕對值增大。北半球兩極絕對值增大。北半球Z方向向下，為正值；南半球方向向下，為正值；南半球Z方向方向向上

18、，為負(fù)值。向上，為負(fù)值。地磁場總強(qiáng)度地磁場總強(qiáng)度T：致沿緯度分布。由磁赤道向兩極逐漸增大。致沿緯度分布。由磁赤道向兩極逐漸增大。( (二二) ) 地磁場的變化地磁場的變化 地磁場的變化可分為長期的和短期的。短期變化地磁場的變化可分為長期的和短期的。短期變化又可分為平又可分為平靜變化和干擾變化兩類。平靜變化指經(jīng)常出現(xiàn)、有一定周期和規(guī)律的變化，靜變化和干擾變化兩類。平靜變化指經(jīng)常出現(xiàn)、有一定周期和規(guī)律的變化，它包括有：與日、月、地相對位置有關(guān)的太陽日變化及季節(jié)變化。干擾變化它包括有：與日、月、地相對位置有關(guān)的太陽日變化及季節(jié)變化。干擾變化的原因較多、較復(fù)雜：小的干擾變化大都是地區(qū)性的，大干擾則是全

19、球性的，的原因較多、較復(fù)雜：小的干擾變化大都是地區(qū)性的，大干擾則是全球性的，其中磁暴變化的幅度可達(dá)幾千伽馬。磁暴與太陽活動、空間電流、宇宙線、其中磁暴變化的幅度可達(dá)幾千伽馬。磁暴與太陽活動、空間電流、宇宙線、極光和高空輻射帶等現(xiàn)象有關(guān)。極光和高空輻射帶等現(xiàn)象有關(guān)。 消去各地磁要素的短期變化后，就可得出地球基本磁場的消去各地磁要素的短期變化后，就可得出地球基本磁場的長期變化長期變化。地面各點長期變化不同，地磁變化率最大的地點，稱為長期變化焦點。這些地面各點長期變化不同，地磁變化率最大的地點，稱為長期變化焦點。這些點目前在緩慢地向西移動，平均每年移動約點目前在緩慢地向西移動，平均每年移動約0.30

20、。有人認(rèn)為，這種向西漂移，。有人認(rèn)為，這種向西漂移，可能是由于地幔和地核在轉(zhuǎn)動上的差異造成的。可能是由于地幔和地核在轉(zhuǎn)動上的差異造成的。短期變化：短期變化： （A）平靜變化：）平靜變化：按一定周期連續(xù)出現(xiàn)的平緩而規(guī)律的變按一定周期連續(xù)出現(xiàn)的平緩而規(guī)律的變化。例如地磁日變、季變等。化。例如地磁日變、季變等。不同季節(jié)磁場垂直分量不同季節(jié)磁場垂直分量Z的日變曲線的日變曲線 不同緯度上磁場垂直分量不同緯度上磁場垂直分量X、Y、Z的日變曲線的日變曲線 （B）擾動變化：）擾動變化：偶然發(fā)生、短暫而復(fù)雜的變化。例如磁偶然發(fā)生、短暫而復(fù)雜的變化。例如磁暴、地磁脈動等。暴、地磁脈動等。 磁暴：一種幾乎全球同時發(fā)生的強(qiáng)烈磁擾動。一般