地球物理學課堂報告

1、地球表層水平運動對城市人類發(fā)展的影響081577洪欣陽【內(nèi)容提要】地球在演變，地球表層也在運動。其勢必對人類社會發(fā)展產(chǎn)生影響。而城市是現(xiàn)代社會政治、經(jīng)濟和生活的重心，隨著世界經(jīng)濟一體化的進一步加劇，國內(nèi)外城市化的進程迅速發(fā)展?？梢灶A見，我國必將面對我國城市機體迅速擴大所產(chǎn)生的各類與地學研究有關(guān)的問題。地球的運動對人類未來發(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動的產(chǎn)生原應，人類對其的研究歷史，以及對城市人類發(fā)展的影響等方面展開論述?！娟P(guān)鍵詞】地殼水平運動城市發(fā)展城市地球物理學1地殼運動.1概述由內(nèi)應力引起地殼結(jié)構(gòu)改變、地殼內(nèi)部物質(zhì)變位的構(gòu)造運動叫地殼運動。地殼運動實際上是指巖

2、石圈相對于軟流圈以下的地球內(nèi)部的運動。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動。巖石圈的運動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，以致影響著整個地球表層環(huán)境。1.地殼運動的分類地殼運動按運動的速度可分為：長期緩慢的構(gòu)造運動。較快速的運動。按運動方向可分為：水平運動。指組成地殼的巖層，沿平行于地球表面方向的運動。也稱造山運動或褶皺運動。該種運動常?？梢孕纬删薮蟮鸟薨櫳较?，以及巨形凹陷、島弧、海溝等。垂直運動。又稱升降運動、造陸運動

3、，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。按運動規(guī)律來講，地殼運動以水平運動為主，有些升降運動是水平運動派生出來的一種現(xiàn)象。1.地殼運動產(chǎn)生的物理條件和力學機制總的來說，每一地質(zhì)時期的地殼運動，都是地球內(nèi)力和外力矛盾斗爭的產(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)的熱對流、地球自轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的動能等。地殼的水平運動和垂直運動，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)展的主導因素。外力來源于地球以外的太陽能，包括風化、流水、冰川、風、波浪、

4、海流等等，它們以緩慢的、不顯著的方式對地球表面進行精雕細刻，時刻都在改變著由內(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，河流侵蝕復活，產(chǎn)生強烈的下切作用；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致內(nèi)力的變化。從全球來說，每經(jīng)歷一次強烈地殼運動，海陸輪廓變遷，地面高低起伏，使地殼處于一個新的平衡狀態(tài)。接著地殼運動轉(zhuǎn)入一個長期的緩慢的變化階段，外力開始占主導地位，通

5、過風化流水等營力對地表的塑造，來改變地殼原來的平衡狀態(tài)。當緩慢的運動長期進行，量變逐漸達到一定程度，就會破壞原來的平衡，孕育著一次新的質(zhì)變，即新的強烈地殼運動的產(chǎn)生，預示地表又將經(jīng)歷一次翻天覆地的變化。1.地殼水平運動的發(fā)現(xiàn)歷史我們早已知道，傳統(tǒng)地質(zhì)學最早發(fā)現(xiàn)了地球表層的垂直升降運動。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)學中有所謂海進和海退之說，表明局部地殼是有升降變化的。但是傳統(tǒng)地質(zhì)學否認地球表層曾有過大尺度的水平運動。1910年，德國地球物理學家阿爾弗德雷·魏格納在病房的世界地圖上發(fā)現(xiàn)，非洲的西海岸

6、和南美洲的東海岸形狀十分吻合，從而推測太古時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，才形成今天的各個大陸。為了證明自己的發(fā)現(xiàn)，他進行了大量的考證工作，找到了許多事實，提出大陸漂移的假說。 20世紀60年代以后，一系列的地學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，

7、表明海底地殼在不斷從中脊向兩側(cè)擴張，各板塊所負載的大陸巖石圈隨之發(fā)生水平漂移。1.地殼水平運動的表現(xiàn)1.5.1褶皺巖層的彎曲現(xiàn)象稱為褶皺。巖層在構(gòu)造運動，或在地應力作用下，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達幾十到幾百千米，也可以小到在手標本上出現(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)合兩翼特點分類可分為（圖111）：

8、（1）直立褶曲軸面直立，兩翼向不同方向傾斜，兩翼傾角相等，兩翼對稱，故又叫對稱褶曲。（2）傾斜褶曲軸面傾斜，兩翼向不同方向傾斜，兩翼傾角不等，兩翼不對稱，故又叫不對稱褶曲。（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烈、從簡單到復雜的過程以及水

9、平擠壓力的不同強度。但不能絕對化，有時與巖性和構(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，巖性堅硬不易被侵蝕，反而成為山嶺。褶皺的應力分析（圖112，圖113）。圖112 褶皺的應力分析（1）據(jù)上圖示，背斜頂部因受張應力作用，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 褶皺的應力分析（2）在向斜槽部，因受壓應力作用，

10、巖石往往擠壓密實，難于破壞，如果核部巖層較硬，那就更難侵蝕風化，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，在地殼運動產(chǎn)生的強大壓力或張力，超過了巖石所能承受的程度，巖體就會容易產(chǎn)生斷裂和錯動?？偡Q為斷裂構(gòu)造。通常根據(jù)斷裂巖塊相對位移的程度，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、我國華山北坡大斷崖等。斷層一側(cè)上升的巖塊，常成

11、為塊狀山地或高地，如我國的華山、廬山、泰山；另一側(cè)相對下沉的巖塊，則常形成谷地或低地，如我國的渭河平原、汾河谷地。在斷層構(gòu)造地帶，由于巖石破碎，易受風化侵蝕，常常發(fā)育成溝谷、河流。2城市地球物理學2.1展開研究的必要性當前，城市的快速發(fā)展已成為全球的共同趨勢。聯(lián)合國的統(tǒng)計資料1表明，人口城市化的趨勢在不斷地加速發(fā)展。圖1表示了這種發(fā)展趨勢。圖11 世界城市人口占總?cè)丝诘谋壤诙问澜绱髴?zhàn)以后，許多國家的城市需要重建，世界范圍內(nèi)的城市化進程加速，這些都要求對城市進行全面的研究和規(guī)劃，促使大批地理學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)地球物理學的研究方法、研究對象和研究內(nèi)容面臨新的機遇

12、和挑戰(zhàn)。20世紀初，地震波證實了地球鐵核的存在，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，科學家提出了地球內(nèi)部分層模型。20世紀中期，各種地球物理勘探方法初步形成。4050年代，地球物理學的主要研究對象是勘探固體礦產(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)化進程的加快，環(huán)境問題也日益成為地球物理學的研究對象?？偠灾?，20世紀地球物理學的研究對象是以自然資源為主。20世紀末的全球性城市化發(fā)展趨勢，使21世紀的地球物理學不可避免地要面對諸多的城市問題。80年代以來，由于地球科學各分支學科的日益成

13、熟和全球環(huán)境問題的日益突出，人們認識到地球各圈層相互作用以及人類活動的重要性，地球科學的發(fā)展開始進入地球系統(tǒng)科學的新時代。城市地球物理學的發(fā)展在這樣的時代背景下產(chǎn)生。傳統(tǒng)地球物理學的主要研究對象是自然現(xiàn)象，而城市地球物理學則主要研究自然現(xiàn)象與人類活動的相互作用。因此，在城市地球物理學研究中，除了自然科學問題之外，還應強調(diào)科學與社會的結(jié)合、各相關(guān)學科的綜合及與各社會部門的協(xié)調(diào)。而憑借著城市地球物理學的發(fā)展，我們對很多問題也會有更新，更全面的看法與結(jié)論。3地殼水平運動對人類城市社會發(fā)展的影響及對人類認識地球的作用。3.1加快城市建設(shè)的速度了解地質(zhì)構(gòu)造規(guī)律，對于城市中人們的很多工程建設(shè)有很大幫助。比

14、如，在工程建設(shè)方面，如隧道工程通過斷層時必須采取相應的工程加固措施，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動及其他相關(guān)的知識后，對我們找油，找礦的效率就可大大提高，從而推進了城市發(fā)展的速度：如我們知道，含石油、天然氣的巖層，背斜是良好的儲油構(gòu)造；向斜構(gòu)造盆地，利于儲存地下水，常形成自流盆地。水庫等大型工程選址，應避開斷層帶，以免誘發(fā)斷層活動，產(chǎn)生地震、滑坡、滲漏等不良后果。3.3有效預警城市災害的發(fā)生，減少損失。我們知道，地殼無時不在運動，但一般而言地殼運動速度緩慢，不易為人感覺。特別情況下，地殼運動可表現(xiàn)快速而激烈，那就是地震

15、活動，并常常引發(fā)山崩、地陷、海嘯等等。而受這些災害最大的影響的，即是人口密度高，高新知識產(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)，服務業(yè)等。因此近年來，許多國家都將預警重點放在了城市。圖地震造成的損失另外，根據(jù)國家汶川地震專家在國務院新聞辦公室舉行的發(fā)布會上所說，汶川地震的震源深度為15公里左右。通過現(xiàn)場地震地質(zhì)構(gòu)造的考察及多種觀測資料的分析，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)觀測的地球物理資料來看，此次地震之前尚未能認定有顯著異常，未能給出短期和臨震預報。有人說汶川地震是青藏高原惹的禍，表面如此，實際上是印度板塊惹的禍

16、。汶川地震給科學家上了一課，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，也應當高度關(guān)注，因為應力和應變正在聚集之中，可能爆發(fā)大地震，汶川就是如此。由此可見，如果我們能重視對于地殼運動，尤其是水平運動的變化，那么就有可能對像這樣的天災人禍做出正確的預警，它所造成的損失就會大大地降低，將會更有利于我們?nèi)祟惖陌l(fā)展于進步。4結(jié)語地殼的運動不僅在自然力作用下發(fā)生變化，而且人類活動作為地球上有關(guān)過程的一種作用力也對其有一定的影響。相對的，地殼運動所產(chǎn)生的影響也不僅僅限于自然，而是對人類的生活也會產(chǎn)生影響。進入21世紀，我

17、們應該從人地關(guān)系的角度審視環(huán)境的變化，為人類社會與自然環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展提供科學理論基礎(chǔ)，使人居環(huán)境得到最大限度地改善，同時又要保持地球的“健康”演化，使地球物理學研究在人類社會發(fā)展中體現(xiàn)出自身的價值。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。研究地殼的運動規(guī)律，趨勢等也是其中重要的一環(huán)。為此，作為地球物理學研究的一部分，地球地殼運動的研究也應該作出其應有的貢獻?！緟⒖嘉墨I】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).國家統(tǒng)計局.50年的城市夢N.中國日報國慶50周年?？?，1999-10-01(1).3 地質(zhì)學基礎(chǔ) (宋春青，張振春)·第四節(jié) 褶皺構(gòu)造4 中國科協(xié)學科發(fā)展研究系列報告-2008-2009地球物理學科發(fā)展報告5 Zhou Ganzh