第三章_地球的物理性質(zhì)和圈層結(jié)構(gòu)

1、第三章第三章地球的物理性質(zhì)地球的物理性質(zhì)與圈層結(jié)構(gòu)與圈層結(jié)構(gòu)教學(xué)要求：教學(xué)要求：1.1.本章介紹本章介紹地球的幾種重要物理性質(zhì)地球的幾種重要物理性質(zhì)，包括，包括地球的地球的密度和質(zhì)量密度和質(zhì)量，彈性彈性 、塑性與粘性，、塑性與粘性，重重力場(chǎng)、壓力、磁場(chǎng)、能量；力場(chǎng)、壓力、磁場(chǎng)、能量；地球的圈層劃分、地球的圈層劃分、內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)及圈層耦合內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)及圈層耦合。2.2.學(xué)生應(yīng)該學(xué)生應(yīng)該理解理解地球的幾種重要物理性質(zhì)地球的幾種重要物理性質(zhì) 。 掌握掌握地球的內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)；地球的內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)；理解理解圈層耦合。圈層耦合。理解理解地球的物理性質(zhì)和圈層結(jié)構(gòu)之間互為因地球的物理性質(zhì)和圈層結(jié)構(gòu)之間互為因果的

2、關(guān)系。果的關(guān)系。 并且可以看到、聽到，研究物理性質(zhì)的歷并且可以看到、聽到，研究物理性質(zhì)的歷史中產(chǎn)生過許多優(yōu)美的科學(xué)傳奇，從中可史中產(chǎn)生過許多優(yōu)美的科學(xué)傳奇，從中可以幫助領(lǐng)略地學(xué)家是如何巧妙地揭開地球以幫助領(lǐng)略地學(xué)家是如何巧妙地揭開地球內(nèi)部奧秘的這一精神。內(nèi)部奧秘的這一精神。主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：1.地球的密度與彈性地球的密度與彈性1.1 地球的密度和質(zhì)量地球的密度和質(zhì)量1.2 地球的彈性地球的彈性 、塑性與粘性、塑性與粘性1.3地球的振蕩與擺動(dòng)地球的振蕩與擺動(dòng) 2 .地球的重力場(chǎng)地球的重力場(chǎng)2.1 地球的重力地球的重力2.2 重力均衡重力均衡 2.3 地球的壓力地球的壓力3.地球的磁場(chǎng)地球的磁場(chǎng)

3、3.1 地磁場(chǎng)的特征地磁場(chǎng)的特征3.2 地磁場(chǎng)的起源地磁場(chǎng)的起源3.3 大陸漂移和大陸漂移和地磁場(chǎng)反轉(zhuǎn)地磁場(chǎng)反轉(zhuǎn)3.4 地磁場(chǎng)在地學(xué)中的應(yīng)用地磁場(chǎng)在地學(xué)中的應(yīng)用4.4.地球內(nèi)部的能量地球內(nèi)部的能量4.1 4.1 地球內(nèi)部的能量地球內(nèi)部的能量4.2 4.2 地幔部分熔融地幔部分熔融5.5.地球內(nèi)部圈層的結(jié)構(gòu)與圈層耦合地球內(nèi)部圈層的結(jié)構(gòu)與圈層耦合5.2 5.2 內(nèi)核差異旋轉(zhuǎn)內(nèi)核差異旋轉(zhuǎn)5.3 5.3 圈層耦合圈層耦合5.4 地球系統(tǒng)的自然驅(qū)動(dòng)力地球系統(tǒng)的自然驅(qū)動(dòng)力提示：地球的物理性質(zhì)和圈層結(jié)構(gòu)地球的物理性質(zhì)和圈層結(jié)構(gòu)是互是互為因果的為因果的； 地球的物理性質(zhì)和圈層結(jié)構(gòu)地球的物理性質(zhì)和圈層結(jié)構(gòu)對(duì)地對(duì)

4、地球的運(yùn)動(dòng)和演化有決定性的制約作球的運(yùn)動(dòng)和演化有決定性的制約作用用； 研究物理性質(zhì)的歷史中產(chǎn)生過許研究物理性質(zhì)的歷史中產(chǎn)生過許多優(yōu)美的科學(xué)傳奇，從中可以領(lǐng)略多優(yōu)美的科學(xué)傳奇，從中可以領(lǐng)略地學(xué)家是如何巧妙地揭開地學(xué)家是如何巧妙地揭開地球內(nèi)部地球內(nèi)部奧秘奧秘的。的。1. 地球的密度與彈性地球的密度與彈性1.1 地球的質(zhì)量和密度地球的質(zhì)量和密度 密度密度= =質(zhì)量質(zhì)量體積體積地球的質(zhì)量地球的質(zhì)量 M=5.9472M=5.947210102424t t，若一頭大象的質(zhì)量以平均若一頭大象的質(zhì)量以平均3t3t計(jì)計(jì), , 相當(dāng)于相當(dāng)于1.98241.982410102424t t 即約等于即約等于2 2萬(wàn)億

5、兆頭大象的質(zhì)量。萬(wàn)億兆頭大象的質(zhì)量。怎樣判斷地球是球體？怎樣判斷地球是球體？據(jù)據(jù)遙感衛(wèi)星影像觀測(cè)遙感衛(wèi)星影像觀測(cè)：地球北極凸出：地球北極凸出10米，南極凹米，南極凹進(jìn)約進(jìn)約30米；北半球的中緯度區(qū)稍稍凹進(jìn)，南半球稍米；北半球的中緯度區(qū)稍稍凹進(jìn)，南半球稍稍凸出。稍凸出。 地球非嚴(yán)格的旋轉(zhuǎn)橢球體地球非嚴(yán)格的旋轉(zhuǎn)橢球體。n密度密度= =質(zhì)量質(zhì)量體積體積 質(zhì)量質(zhì)量= =體積體積密度密度 牛頓定律：牛頓定律：F=mg, G=fm/r2 M=gr2/f 如何求得地球半徑呢？如何求得地球半徑呢？幾何學(xué)常識(shí)幾何學(xué)常識(shí)+天文學(xué)測(cè)量天文學(xué)測(cè)量一段圓弧的長(zhǎng)度與其對(duì)應(yīng)的圓心角成比例一段圓弧的長(zhǎng)度與其對(duì)應(yīng)的圓心角成比例

6、 弧弧AB對(duì)應(yīng)的圓心角正是對(duì)應(yīng)的圓心角正是AB兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的天頂角兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的天頂角 AB地球的質(zhì)量及其計(jì)地球的質(zhì)量及其計(jì)算算求地球的引力常求地球的引力常數(shù)數(shù)附加引力法附加引力法密度密度= =質(zhì)量質(zhì)量體積體積 ，則計(jì)算出，則計(jì)算出地球的平均密度地球的平均密度為為5.516g/cm3 。但實(shí)際測(cè)量卻發(fā)現(xiàn)但實(shí)際測(cè)量卻發(fā)現(xiàn)，地表常見沉積巖地表常見沉積巖的的平均密度只有平均密度只有 2.60g/cm3 。地表的花崗巖地表的花崗巖的密度為的密度為 2.85g/cm3 。 地震時(shí)，在地球內(nèi)部出現(xiàn)的彈性波，稱為地震時(shí)，在地球內(nèi)部出現(xiàn)的彈性波，稱為地震波地震波，主要包括縱波（主要包括縱波（P波）和橫波（波）和橫波（

7、S波）。波）。原理原理地震波通過地震波通過不同密度介質(zhì)不同密度介質(zhì)時(shí)的波速不同，時(shí)的波速不同，在越過兩種不同介質(zhì)時(shí)還會(huì)發(fā)生反射、折射現(xiàn)象。在越過兩種不同介質(zhì)時(shí)還會(huì)發(fā)生反射、折射現(xiàn)象。 ABN地球內(nèi)部密度地球內(nèi)部密度的確定的確定地震地震波波經(jīng)驗(yàn)公式與結(jié)論：介質(zhì)密度（ ） =0.27Vp+1.07.100/hp g/cm3 15 10 5 2000 4000 6000 km 內(nèi) 核 外 核 地 幔 地 殼圖 3 2 一 種 地 球 內(nèi) 部 物 質(zhì) 密 度 變 化 的 推 斷 模 型地內(nèi)密度測(cè)量有三處突變，反地內(nèi)密度測(cè)量有三處突變，反映了密度（和物質(zhì)）的不連續(xù)映了密度（和物質(zhì)）的不連續(xù): .100/

8、hp由地表到地心，密度依次遞增；由地表到地心，密度依次遞增； 由橫波不能通過外核，推斷出外核由橫波不能通過外核，推斷出外核是液態(tài)的。是液態(tài)的。結(jié)論：結(jié)論：地球內(nèi)部物質(zhì)分布是不均勻的。地球內(nèi)部物質(zhì)分布是不均勻的。1.2 地球的彈性地球的彈性 、塑性與粘性、塑性與粘性彈性彈性變形與受力成正比。變形與受力成正比。海洋潮汐：日月引力作用引起的海洋潮汐：日月引力作用引起的海面海面周期性升周期性升降現(xiàn)象。降現(xiàn)象。 固體潮固體潮：日月引力作用日月引力作用引起地球的引起地球的固體表層固體表層周周期性升降現(xiàn)象。期性升降現(xiàn)象。 陸地表面的升降幅度可達(dá)陸地表面的升降幅度可達(dá)7-15厘米。即是厘米。即是地球地球在日月

9、引力作用下在日月引力作用下發(fā)生的彈性發(fā)生的彈性變形變形。說明固體地球。說明固體地球有一定的彈性有一定的彈性。塑性塑性外力消失后部分變形不能恢復(fù)。外力消失后部分變形不能恢復(fù)。如巖石褶皺：地殼的如巖石褶皺：地殼的塑性變形塑性變形表現(xiàn)。表現(xiàn)。 地球的彈性、塑性及其轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)：月地靠攏。地球的彈性、塑性及其轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)：月地靠攏。 地球的彈性、塑性都是相對(duì)的，在不同的地球的彈性、塑性都是相對(duì)的，在不同的受受力、變形力、變形條件下，表現(xiàn)不同條件下，表現(xiàn)不同 。例：。例：P.63。粘性粘性外力消失后變形還可能繼續(xù)。外力消失后變形還可能繼續(xù)。 如：斯堪底納維亞半島冰后期（因冰蓋消失）如：斯堪底納維亞半島冰后期（因

10、冰蓋消失）的的地形回升地形回升。 縮 振 蕩 n=0 n=1 n=2 扭 轉(zhuǎn) 振 n=1 n=2 n=3 蕩1.3 地球的振蕩與擺動(dòng)地球的振蕩與擺動(dòng)1.3.1 地球的振蕩地球的振蕩漲縮振蕩漲縮振蕩扭轉(zhuǎn)振蕩扭轉(zhuǎn)振蕩1.3.2 地球的擺動(dòng)地球的擺動(dòng)錢德勒擺錢德勒擺動(dòng)動(dòng)定義：定義：地球圍繞其自轉(zhuǎn)軸的擺動(dòng)地球圍繞其自轉(zhuǎn)軸的擺動(dòng)，叫地，叫地球的自由章動(dòng)（也叫球的自由章動(dòng)（也叫錢德勒擺動(dòng)錢德勒擺動(dòng)，在，在1891年以它的發(fā)現(xiàn)者美國(guó)業(yè)余天文學(xué)家年以它的發(fā)現(xiàn)者美國(guó)業(yè)余天文學(xué)家S.C.錢德勒命名）。錢德勒命名）。 擺動(dòng)擺動(dòng)呈周期性變化呈周期性變化，周期約，周期約430-435天天 。 激發(fā)機(jī)制激發(fā)機(jī)制：被認(rèn)為是

11、一種被認(rèn)為是一種綜合作用綜合作用,部分部分是固體地球與大氣相互作用的結(jié)果是固體地球與大氣相互作用的結(jié)果,部分部分則有可能與大地震引起的地幔物質(zhì)重新則有可能與大地震引起的地幔物質(zhì)重新分布相關(guān)。分布相關(guān)。 2.地球的重力場(chǎng)地球的重力場(chǎng)地球重力作用的空間，稱為地球重力作用的空間，稱為重力場(chǎng)重力場(chǎng)。地球的地球的重力構(gòu)成重力構(gòu)成 地殼 r P 地幔 R F G 地核 a. 地心 b. 圖 34 地球重力圖解G重力；F引力；P離心力； R地球半徑；r緯圓半徑 由于離心力（由于離心力（P P）只有重力的約）只有重力的約1/3001/300，故在一般，故在一般情況下，多以引力（情況下，多以引力（F F）近似代

12、替重力（）近似代替重力（G G）。）。地表地表的重力分布的重力分布: G地表地表=fm/r2 G地表：地表： 離地心越遠(yuǎn)越小。離地心越遠(yuǎn)越小。 故：在不同地區(qū)，不同深度部位的重力都不相同。故：在不同地區(qū)，不同深度部位的重力都不相同。2.1 地球的重力分布地球的重力分布 故：故：在地球內(nèi)部，不同深度部位上的重在地球內(nèi)部，不同深度部位上的重力會(huì)受到不同因素的綜合影響。力會(huì)受到不同因素的綜合影響。w地下地下的重力分布：的重力分布：G地下地下=fm/r2 G地下地下 ：大小看大小看m、r2 誰(shuí)占主導(dǎo)。誰(shuí)占主導(dǎo)。 地心地心的重力計(jì)算：的重力計(jì)算： 故：在地心處，計(jì)算重力的公式與其它故：在地心處，計(jì)算重力

13、的公式與其它部位的計(jì)算有所不同。部位的計(jì)算有所不同。;3/43rv. 3/4/rfGvM地心G地心地心 (因地心處的因地心處的r=0)G=fm/r2 n 重力異常重力異常：將地球視作一個(gè)圓滑的均勻球：將地球視作一個(gè)圓滑的均勻球體，計(jì)算得出的重力值稱作體，計(jì)算得出的重力值稱作理論重力值理論重力值。地球的地面起伏甚大，內(nèi)部的物質(zhì)密度分地球的地面起伏甚大，內(nèi)部的物質(zhì)密度分布也極不均勻，在結(jié)構(gòu)上還存在著顯著差布也極不均勻，在結(jié)構(gòu)上還存在著顯著差異（即往往與地質(zhì)構(gòu)造和礦體的存在相聯(lián)異（即往往與地質(zhì)構(gòu)造和礦體的存在相聯(lián)系）。這些都使得系）。這些都使得實(shí)測(cè)的重力值實(shí)測(cè)的重力值與理論值與理論值之間之間有明顯的

14、偏離有明顯的偏離，在地學(xué)上稱之為，在地學(xué)上稱之為重力重力異常異常。利用這一原理，可以通過發(fā)現(xiàn)各地的利用這一原理，可以通過發(fā)現(xiàn)各地的局部重局部重力異常力異常來(lái)進(jìn)行找礦和勘查地下地質(zhì)構(gòu)造。來(lái)進(jìn)行找礦和勘查地下地質(zhì)構(gòu)造。重力勘探重力勘探地球上重力場(chǎng)分布地球上重力場(chǎng)分布與地球的構(gòu)造特別是地殼及上與地球的構(gòu)造特別是地殼及上地幔的構(gòu)造有著密切的關(guān)系。地幔的構(gòu)造有著密切的關(guān)系。地殼均衡補(bǔ)償理論地殼均衡補(bǔ)償理論是從是從19世紀(jì)發(fā)展起來(lái)的關(guān)于地世紀(jì)發(fā)展起來(lái)的關(guān)于地殼和上地幔結(jié)構(gòu)學(xué)說。殼和上地幔結(jié)構(gòu)學(xué)說。在高原或者在高山旁邊的重力場(chǎng)在高原或者在高山旁邊的重力場(chǎng)是地球重力場(chǎng)與高是地球重力場(chǎng)與高原或高山的重力場(chǎng)之和，

15、這就改變了重力場(chǎng)的大小原或高山的重力場(chǎng)之和，這就改變了重力場(chǎng)的大小和方向，變化的大小和方向，變化的大小與高原或高山巖石的密度有關(guān)。與高原或高山巖石的密度有關(guān)。2.2 重力均衡重力均衡2.2.1 重力均衡模式重力均衡模式1740年法國(guó)人布格（年法國(guó)人布格（Bouguer）在南美的）在南美的基多（基多（Quito）高原上測(cè)量秒擺的長(zhǎng)度時(shí)，）高原上測(cè)量秒擺的長(zhǎng)度時(shí)，發(fā)現(xiàn)高原巖石的密度仿佛特別小。以后他發(fā)現(xiàn)高原巖石的密度仿佛特別小。以后他又在一座山旁測(cè)量垂線偏差，所得的結(jié)果又在一座山旁測(cè)量垂線偏差，所得的結(jié)果也比預(yù)期的小得多，即山的密度只有地球也比預(yù)期的小得多，即山的密度只有地球的的1/6或或1/7。

16、當(dāng)時(shí)這種現(xiàn)象未引起人們的。當(dāng)時(shí)這種現(xiàn)象未引起人們的特別注意。特別注意。直到直到1854年印度人普拉特（年印度人普拉特（F.Pratt）在整理喜馬拉雅山附近的垂線偏差測(cè)量記錄在整理喜馬拉雅山附近的垂線偏差測(cè)量記錄時(shí)，這種現(xiàn)象才開始受到重視。時(shí)，這種現(xiàn)象才開始受到重視。例如，在某一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)上，普拉特根據(jù)地形例如，在某一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)上，普拉特根據(jù)地形計(jì)算，預(yù)計(jì)應(yīng)有計(jì)算，預(yù)計(jì)應(yīng)有28角秒的垂線偏差，但實(shí)角秒的垂線偏差，但實(shí)際觀測(cè)結(jié)果只有際觀測(cè)結(jié)果只有5角秒。這表明地下存在角秒。這表明地下存在某種補(bǔ)償作用，在一定程度上抵消了高山某種補(bǔ)償作用，在一定程度上抵消了高山的影響。為了解釋這種現(xiàn)象，普拉特在次的影響。

17、為了解釋這種現(xiàn)象，普拉特在次年（年（1885年）提出一個(gè)假設(shè)年）提出一個(gè)假設(shè)普拉特普拉特均衡模式（密度補(bǔ)償模式）均衡模式（密度補(bǔ)償模式）。普拉特認(rèn)為山脈是由于地下物質(zhì)從某個(gè)補(bǔ)償普拉特認(rèn)為山脈是由于地下物質(zhì)從某個(gè)補(bǔ)償深度起，向上膨脹而形成的。深度起，向上膨脹而形成的。山愈高，密度山愈高，密度愈小，但補(bǔ)償深度以上的每一個(gè)截面積相等愈小，但補(bǔ)償深度以上的每一個(gè)截面積相等的巖石柱體的總質(zhì)量都相等的巖石柱體的總質(zhì)量都相等。同年（同年（1855年），英國(guó)天文學(xué)家艾利年），英國(guó)天文學(xué)家艾利（A.Airy）又提出另一個(gè)假設(shè)又提出另一個(gè)假設(shè)艾利均衡模式（深度艾利均衡模式（深度補(bǔ)償模式）：補(bǔ)償模式）：艾利認(rèn)為山脈

18、是較輕的巖石巨艾利認(rèn)為山脈是較輕的巖石巨塊浮在較重的介質(zhì)上。塊浮在較重的介質(zhì)上。山越高，它的下部伸山越高，它的下部伸入介質(zhì)的深度也越深入介質(zhì)的深度也越深，即所謂山有，即所謂山有“根根”。2.2.2 重力均衡原理重力均衡原理 重力均衡原理：重力均衡原理：在在單位截面上，任一單位截面上，任一垂直柱體中的巖石總質(zhì)量為常數(shù)。且垂直柱體中的巖石總質(zhì)量為常數(shù)。且該柱體以一個(gè)特殊的補(bǔ)償面為基底，該柱體以一個(gè)特殊的補(bǔ)償面為基底，補(bǔ)償面以下的物質(zhì)處于均質(zhì)狀態(tài)。補(bǔ)償面以下的物質(zhì)處于均質(zhì)狀態(tài)。n 地球某處的壓力地球某處的壓力是由上覆地球物質(zhì)的重量產(chǎn)是由上覆地球物質(zhì)的重量產(chǎn)生的靜壓力。生的靜壓力。 在地球表層、地殼和

19、接近地心附近時(shí)壓力在地球表層、地殼和接近地心附近時(shí)壓力增增長(zhǎng)較平穩(wěn)長(zhǎng)較平穩(wěn)，在下地幔和外核部分，在下地幔和外核部分增長(zhǎng)得較快增長(zhǎng)得較快。 壓 力 地殼 地 幔 地 核 圖 36 地球內(nèi)部 壓力分布曲線2.3 地球的壓地球的壓力力利用利用密度分布的規(guī)律來(lái)密度分布的規(guī)律來(lái)估算地球內(nèi)部的壓估算地球內(nèi)部的壓力力狀況，以截面為狀況，以截面為1 1cmcm2 2的巖石柱作為壓力的巖石柱作為壓力的計(jì)算表示法，可得到的計(jì)算表示法，可得到經(jīng)驗(yàn)公式經(jīng)驗(yàn)公式：.100/hp 3.地球的磁場(chǎng)地球的磁場(chǎng)3.1 地磁場(chǎng)的基本特征和地磁要素地磁場(chǎng)的基本特征和地磁要素 3.2 地磁場(chǎng)的成因地磁場(chǎng)的成因3.3 地磁場(chǎng)反轉(zhuǎn)與大陸

20、漂移地磁場(chǎng)反轉(zhuǎn)與大陸漂移3.1.1 地磁場(chǎng)的基本特征地磁場(chǎng)的基本特征（1）磁軸與地球自轉(zhuǎn)軸）磁軸與地球自轉(zhuǎn)軸不重合不重合：偏離：偏離11.5 （2）地磁極的位置）地磁極的位置不固定不固定，逐年發(fā)生一定，逐年發(fā)生一定變化。變化。（3）地磁極為）地磁極為偶極偶極（地磁南極、地磁北（地磁南極、地磁北極）。極）。（4）磁力線是）磁力線是閉合閉合的。的。3.1 地磁場(chǎng)的基本特征和地磁要素地磁場(chǎng)的基本特征和地磁要素3.2.2 地磁要素地磁要素（P.75 圖3-14b）（1）磁場(chǎng)強(qiáng)度（磁場(chǎng)強(qiáng)度（F）： 是一個(gè)總強(qiáng)度矢量，可分為水平是一個(gè)總強(qiáng)度矢量，可分為水平分量為分量為H、垂直分量為、垂直分量為Z 。（2）

21、磁偏角（磁偏角（D）：水平強(qiáng)度矢量水平強(qiáng)度矢量H 偏離地理北極方向偏離地理北極方向的角度稱為磁偏角。的角度稱為磁偏角。（3）磁傾角（磁傾角（I）：總強(qiáng)度矢量總強(qiáng)度矢量F 偏離水平面的角度稱偏離水平面的角度稱為磁傾角。為磁傾角。應(yīng)用：地磁異常與應(yīng)用：地磁異常與磁法勘探磁法勘探3.2 地磁場(chǎng)的成因地磁場(chǎng)的成因大約在大約在40-50年代，人們開始拋棄基于年代，人們開始拋棄基于旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)理論理論的各種地磁場(chǎng)成因的假說。的各種地磁場(chǎng)成因的假說。各種旋轉(zhuǎn)理論通常包括實(shí)驗(yàn)室里觀測(cè)到的旋各種旋轉(zhuǎn)理論通常包括實(shí)驗(yàn)室里觀測(cè)到的旋轉(zhuǎn)物質(zhì)的磁極化（即磁極效應(yīng)），或包括地轉(zhuǎn)物質(zhì)的磁極化（即磁極效應(yīng)），或包括地球內(nèi)部孤立電

22、荷的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。前者因比實(shí)際球內(nèi)部孤立電荷的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。前者因比實(shí)際值小幾個(gè)量級(jí)而歸于失敗，后者也因沒有觀值小幾個(gè)量級(jí)而歸于失敗，后者也因沒有觀測(cè)到所需的電場(chǎng)而不成立。測(cè)到所需的電場(chǎng)而不成立。因?yàn)槿藗儗?duì)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物質(zhì)成分的認(rèn)因?yàn)槿藗儗?duì)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物質(zhì)成分的認(rèn)識(shí)日愈深入，尤其是認(rèn)識(shí)到識(shí)日愈深入，尤其是認(rèn)識(shí)到地球液體外核地球液體外核的鐵鎳成分具有的高導(dǎo)性能的鐵鎳成分具有的高導(dǎo)性能，為運(yùn)動(dòng)與磁，為運(yùn)動(dòng)與磁場(chǎng)的相互作用創(chuàng)造條件，即是承認(rèn)場(chǎng)的相互作用創(chuàng)造條件，即是承認(rèn)地球內(nèi)地球內(nèi)部存在電流，而電流產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，部存在電流，而電流產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，形成形成地球磁場(chǎng)地球磁場(chǎng)。這就是。這就是發(fā)電機(jī)學(xué)說發(fā)電機(jī)學(xué)說

23、。磁場(chǎng)反向磁場(chǎng)反向的事實(shí)，又豐富了發(fā)電機(jī)學(xué)說的內(nèi)的事實(shí)，又豐富了發(fā)電機(jī)學(xué)說的內(nèi)容，由容，由穩(wěn)態(tài)液核發(fā)電機(jī)模式穩(wěn)態(tài)液核發(fā)電機(jī)模式發(fā)展成發(fā)展成非穩(wěn)態(tài)液非穩(wěn)態(tài)液核發(fā)電機(jī)模式。核發(fā)電機(jī)模式。 地核內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)地核內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)起圓盤發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)盤的作用。起圓盤發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)盤的作用。較重要的三種假說：較重要的三種假說：（1）鐵磁體假說）鐵磁體假說（2）熱電假說）熱電假說（3）雙圓盤發(fā)電機(jī)假說雙圓盤發(fā)電機(jī)假說目前，地磁場(chǎng)的成因目前，地磁場(chǎng)的成因 至今尚無(wú)定論至今尚無(wú)定論。 I2 I1 圖313 雙圓盤發(fā)電機(jī)原理示意圖當(dāng)兩個(gè)圓盤在弱的外部磁場(chǎng)當(dāng)兩個(gè)圓盤在弱的外部磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)時(shí)，與軸和外緣相交中旋轉(zhuǎn)時(shí)，與軸和外緣相交的兩根導(dǎo)

24、線的回路中產(chǎn)生方的兩根導(dǎo)線的回路中產(chǎn)生方向相反的兩種電流。這兩種向相反的兩種電流。這兩種電流形成磁場(chǎng)而極性相反電流形成磁場(chǎng)而極性相反。圓盤旋轉(zhuǎn)頻率的差異造成具圓盤旋轉(zhuǎn)頻率的差異造成具有一種極性的場(chǎng)占優(yōu)勢(shì)；當(dāng)有一種極性的場(chǎng)占優(yōu)勢(shì)；當(dāng)頻率比值改變時(shí)，便出現(xiàn)頻率比值改變時(shí)，便出現(xiàn)磁磁場(chǎng)反轉(zhuǎn)場(chǎng)反轉(zhuǎn)。雙圓盤發(fā)電機(jī)模雙圓盤發(fā)電機(jī)模型型3.3 地磁場(chǎng)反轉(zhuǎn)與大陸漂移地磁場(chǎng)反轉(zhuǎn)與大陸漂移 3.3.1古地磁與大陸漂移古地磁與大陸漂移磁場(chǎng)的存在會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)的存在會(huì)導(dǎo)致巖石發(fā)生磁化巖石發(fā)生磁化，而，而磁場(chǎng)的變化磁場(chǎng)的變化會(huì)在磁化的巖石中留下記錄。會(huì)在磁化的巖石中留下記錄。由于具有不同的剩由于具有不同的剩磁特征，巖石成為

25、研究古磁場(chǎng)的特殊磁特征，巖石成為研究古磁場(chǎng)的特殊“化石化石”。從對(duì)巖石的磁性、特別是對(duì)它們剩磁方向的研究，從對(duì)巖石的磁性、特別是對(duì)它們剩磁方向的研究，可以弄清楚巖石磁化時(shí)在地球上的位置?？梢耘宄r石磁化時(shí)在地球上的位置。 古地磁研究在板塊構(gòu)造理論的興起和確定過古地磁研究在板塊構(gòu)造理論的興起和確定過程中起了十分關(guān)鍵的佐證作用。在地磁極與程中起了十分關(guān)鍵的佐證作用。在地磁極與地球自轉(zhuǎn)極性一致的前提下，某地的地球自轉(zhuǎn)極性一致的前提下，某地的磁傾角磁傾角I I可以由該點(diǎn)的可以由該點(diǎn)的緯度角緯度角來(lái)確定。兩者之間的關(guān)來(lái)確定。兩者之間的關(guān)系為系為 .2tgtgI n 如果大陸是固定不動(dòng)的，從各大陸的古地

26、磁如果大陸是固定不動(dòng)的，從各大陸的古地磁學(xué)資料中就可以確定地球自轉(zhuǎn)極隨著時(shí)間流逝而學(xué)資料中就可以確定地球自轉(zhuǎn)極隨著時(shí)間流逝而發(fā)生的移動(dòng)。發(fā)生的移動(dòng)。理論上理論上自轉(zhuǎn)極移動(dòng)曲線自轉(zhuǎn)極移動(dòng)曲線只可能有一只可能有一條，因此無(wú)論在哪個(gè)大陸上所確定的地球自轉(zhuǎn)極條，因此無(wú)論在哪個(gè)大陸上所確定的地球自轉(zhuǎn)極移動(dòng)的曲線都應(yīng)該一致。移動(dòng)的曲線都應(yīng)該一致。n但但實(shí)際上實(shí)際上，不僅每個(gè)現(xiàn)代大陸計(jì)算的結(jié)果大不相，不僅每個(gè)現(xiàn)代大陸計(jì)算的結(jié)果大不相同，同一大陸內(nèi)部的不同地區(qū)也有明顯的差異，同，同一大陸內(nèi)部的不同地區(qū)也有明顯的差異，這只能是因?yàn)楦鬟@只能是因?yàn)楦鞔箨懺l(fā)生大陸曾發(fā)生過不同程度、不同方過不同程度、不同方向的向的聚

27、散聚散和和漂移漂移（第五章學(xué)習(xí)）所致。（第五章學(xué)習(xí)）所致。磁偏角在幾十到幾百年的時(shí)間內(nèi)，大致沿著緯線磁偏角在幾十到幾百年的時(shí)間內(nèi)，大致沿著緯線方向平穩(wěn)地向西移動(dòng)，這一性質(zhì)被稱作方向平穩(wěn)地向西移動(dòng)，這一性質(zhì)被稱作地磁場(chǎng)的地磁場(chǎng)的向西漂移向西漂移。漂移速率約每年為。漂移速率約每年為0.18 .此外，此外，地磁場(chǎng)還有地磁場(chǎng)還有時(shí)間尺度更短的時(shí)間尺度更短的晝夜變化晝夜變化。一。一天磁極所發(fā)生的位移平均天磁極所發(fā)生的位移平均100km 。3.3.2 磁極漂移與磁性倒轉(zhuǎn)事件磁極漂移與磁性倒轉(zhuǎn)事件地磁極地磁極還出現(xiàn)過還出現(xiàn)過 “反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)”，即南、北極互相顛即南、北極互相顛倒的現(xiàn)象倒的現(xiàn)象。在距今大約在距今大

28、約100100萬(wàn)年前，地磁場(chǎng)的方向和現(xiàn)在萬(wàn)年前，地磁場(chǎng)的方向和現(xiàn)在完全相同。這一時(shí)期稱作完全相同。這一時(shí)期稱作地磁場(chǎng)的正向期地磁場(chǎng)的正向期。但。但在更早的時(shí)代，通過對(duì)巖石磁法研究的結(jié)果，在更早的時(shí)代，通過對(duì)巖石磁法研究的結(jié)果，其磁化方向多數(shù)與現(xiàn)代地磁場(chǎng)的方向相反，稱其磁化方向多數(shù)與現(xiàn)代地磁場(chǎng)的方向相反，稱其為其為反向期反向期。 0 布容正向期 1年 賈拉米洛事件 2 松山反向期代 奧爾杜瓦事件百萬(wàn) 3 曼莫斯事件 高斯正向期年 吉爾伯特反向期 4圖 314 距今 400 萬(wàn)年以來(lái)的磁場(chǎng)變化四百萬(wàn)年來(lái)的磁性倒轉(zhuǎn)事件四百萬(wàn)年來(lái)的磁性倒轉(zhuǎn)事件n 地球地球從太陽(yáng)吸收的能量從太陽(yáng)吸收的能量每年大約為每年

29、大約為4.24.210102424 焦耳，超過地球上全部煤炭?jī)?chǔ)量焦耳，超過地球上全部煤炭?jī)?chǔ)量完全燃燒后所能夠獲得的熱能的完全燃燒后所能夠獲得的熱能的300300倍。倍。其中其中1/31/3左右的能量被左右的能量被大氣圈和地球表面大氣圈和地球表面反射掉反射掉，并直接分散到宇宙空間中去。剩，并直接分散到宇宙空間中去。剩下的下的2/32/3被地球表層系統(tǒng)吸收被地球表層系統(tǒng)吸收，再以各種，再以各種方式轉(zhuǎn)化為地球演化所需的能源。方式轉(zhuǎn)化為地球演化所需的能源。地球能量有外部和內(nèi)部?jī)蓚€(gè)來(lái)源4. 地球內(nèi)部的能量地球內(nèi)部的能量 4.1 4.1 地球內(nèi)部的能量地球內(nèi)部的能量 地球內(nèi)部熱能的地球內(nèi)部熱能的來(lái)源問題尚

30、無(wú)定論來(lái)源問題尚無(wú)定論。一般認(rèn)為，。一般認(rèn)為，由巖石中由巖石中放射性元素衰變釋放的熱放射性元素衰變釋放的熱是地?zé)岬闹饕獊?lái)是地?zé)岬闹饕獊?lái)源。這種熱能據(jù)估算可以達(dá)到每年源。這種熱能據(jù)估算可以達(dá)到每年2.142.1410102121焦耳。焦耳。其次，因其次，因地球本身的重力作用地球本身的重力作用過程也可以轉(zhuǎn)化出大過程也可以轉(zhuǎn)化出大量熱能，其總熱量可能十分接近于放射性熱能。量熱能，其總熱量可能十分接近于放射性熱能。此外，此外，地球自轉(zhuǎn)的動(dòng)能地球自轉(zhuǎn)的動(dòng)能和和地球物質(zhì)不斷進(jìn)行的化學(xué)地球物質(zhì)不斷進(jìn)行的化學(xué)作用作用等都可以產(chǎn)生大量熱能。等都可以產(chǎn)生大量熱能。4.2 地幔部分熔地幔部分熔融融地幔部分熔融地幔部

31、分熔融指指地幔上部的部分巖石地幔上部的部分巖石因受到復(fù)因受到復(fù)雜的地質(zhì)作用而雜的地質(zhì)作用而發(fā)生部分熔解發(fā)生部分熔解，顯示為高度可，顯示為高度可塑甚至液態(tài)的現(xiàn)象。塑甚至液態(tài)的現(xiàn)象。動(dòng)態(tài)模擬發(fā)現(xiàn)巖石流動(dòng)應(yīng)力為動(dòng)態(tài)模擬發(fā)現(xiàn)巖石流動(dòng)應(yīng)力為20-1020-10MPaMPa這大這大大降低了對(duì)地幔物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)限制大降低了對(duì)地幔物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)限制, ,為地殼運(yùn)動(dòng)為地殼運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)。的動(dòng)力學(xué)提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)。n地球的質(zhì)量與密度地球的質(zhì)量與密度 半徑測(cè)量與引力常數(shù)計(jì)算 w地球的彈塑性與振動(dòng)地球的彈塑性與振動(dòng) 固體潮.橢球體與塑性變形w地球的重力場(chǎng)地球的重力場(chǎng) 重力均重力均衡衡 地表 深部 地心 w地球的磁場(chǎng)

32、地球的磁場(chǎng) 古地磁學(xué)古地磁學(xué) 特征 起源 演化 w地球的能量地球的能量 w物理性質(zhì)的應(yīng)用物理性質(zhì)的應(yīng)用重力勘探、磁法勘探 5. 地球內(nèi)部圈層的地球內(nèi)部圈層的 結(jié)構(gòu)與圈層耦合結(jié)構(gòu)與圈層耦合ABN球球 g/cm3 15 10 5 2000 4000 6000 km 內(nèi) 核 外 核 地 幔 地 殼圖 3 2 一 種 地 球 內(nèi) 部 物 質(zhì) 密 度 變 化 的 推 斷 模 型n地殼地殼 莫霍面莫霍面 軟流圈軟流圈地幔地幔古登堡面古登堡面 地核地核3 1 地地 球球 內(nèi)內(nèi) 部部 主主 要要 物物 理理 性性 質(zhì)質(zhì) 和和 圈圈 層層 劃劃 分分 表表圈 層 名 稱代 號(hào)深 度（ km ）Vp (km /s

33、)V s(km /s)密 度(g /cm3)特 征其 它上 地 殼 A15.83.22.65地 殼下 地 殼AA2 陸 洋 殼 殼 15； 0-2 6.83.92.90固 態(tài) ， 陸 殼 區(qū) 橫 向 變 化 大 ，許 多 地 區(qū) 夾 有 中 間 低 速 層 。 固 態(tài) 莫 霍 面蓋 層B18.14.53.37 固 態(tài) 巖 石 圈低 速 層B28.04.43.36 塑 性 為 主軟 流 圈 構(gòu) 造 圈均 勻 層BB38.74.73.48 固 態(tài) ， 波 速 較 均 勻上地幔過 渡 層C 33； 12 80 220 400 6709.110.34.95.63.723.99 固 態(tài) ， 波 速 梯

34、度 大D 11.76.54.73 地 幔下 地 幔 DD 289113.77.35.55 固 態(tài) ， 下 部 波 速 梯 度 大 古 登 堡 面 中 間 圈 外 核E 47718.010.0009.9011.87 液 態(tài) 過 渡 層F 515010.2012.06 液 態(tài) ， 波 速 梯 度 小 地 核內(nèi) 核G 637111.011.33.53.712.7713.09 固 態(tài) 內(nèi) 圈地球內(nèi)部波速圈層厚度，可見一低速區(qū)根據(jù)地震波可以將其劃分為：地殼，地幔和地核非梨亦非球非梨亦非球“雞蛋雞蛋”？地殼地殼地幔地幔地核地核蛋殼蛋殼蛋白蛋白蛋黃蛋黃地球就是地球，是獨(dú)一無(wú)二，具有圈層結(jié)地球就是地球，是獨(dú)一

35、無(wú)二，具有圈層結(jié)構(gòu)的地球。構(gòu)的地球。n雞蛋（雞蛋（cmcm）長(zhǎng)軸長(zhǎng)軸/短軸短軸 = 5.5/ 4= 1.375 扁平率扁平率=(長(zhǎng)長(zhǎng)-短短)/長(zhǎng)軸長(zhǎng)軸 =0.273 蛋殼：蛋殼：0.051/100 蛋清：蛋清：21/2.5 蛋黃：蛋黃：2.71/1.7n地球地球( (km)km)長(zhǎng)軸長(zhǎng)軸/短軸短軸 =6378/6356=1.003 扁平率扁平率=(長(zhǎng)長(zhǎng)-短短)/長(zhǎng)軸長(zhǎng)軸 =0.003 地殼：地殼：331/200 地幔：地幔：30001/2弱弱 地核：地核：33001/2強(qiáng)強(qiáng)地球與雞蛋的比較地球與雞蛋的比較n內(nèi)核中地震波傳播在沿內(nèi)核中地震波傳播在沿自轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)軸軸方向的波速方向的波速要大于其它方要大

36、于其它方向。向。 內(nèi)核中地震波速的傳播是內(nèi)核中地震波速的傳播是 軸（叫軸（叫內(nèi)核快軸內(nèi)核快軸）對(duì)稱各向異）對(duì)稱各向異性的；性的； 內(nèi)核快軸與地球自轉(zhuǎn)軸內(nèi)核快軸與地球自轉(zhuǎn)軸不重合不重合，且兩者夾角在不斷變化。且兩者夾角在不斷變化。 內(nèi)核快軸對(duì)于內(nèi)核自身，在內(nèi)核快軸對(duì)于內(nèi)核自身，在短期內(nèi)不應(yīng)有明顯的變化，短期內(nèi)不應(yīng)有明顯的變化，故應(yīng)該是故應(yīng)該是地核與整體地球之地核與整體地球之間間存在著旋轉(zhuǎn)速度的差異存在著旋轉(zhuǎn)速度的差異。 蘇維加等蘇維加等(1996)(1996)和宋曉東等和宋曉東等(1996)(1996)分別估算出分別估算出內(nèi)核差異內(nèi)核差異旋轉(zhuǎn)速率約在旋轉(zhuǎn)速率約在1.1-3.21.1-3.2/ /

37、年之年之間間。5.2內(nèi)核差異旋轉(zhuǎn)內(nèi)核差異旋轉(zhuǎn)O 大陸邊緣的地理輪廓可大陸邊緣的地理輪廓可以拼合以拼合大陸漂移大陸漂移O 洋脊兩側(cè)的地磁條帶基洋脊兩側(cè)的地磁條帶基本對(duì)稱本對(duì)稱海底擴(kuò)張海底擴(kuò)張 地幔對(duì)流地幔對(duì)流：傳送帶模式傳送帶模式大陸殼 縫合帶 大陸殼 a . 陸陸碰撞 大洋殼 海溝 大陸殼 拉張 俯沖帶 擠壓 b . 陸洋碰撞 圖3 1 5 構(gòu)造地震的兩種模式 （星形為地震可能出現(xiàn)的部位）巖石圈板塊運(yùn)動(dòng)巖石圈板塊運(yùn)動(dòng)兩個(gè)證據(jù)引出了一個(gè)模型兩個(gè)證據(jù)引出了一個(gè)模型 P.81圖圖3-17b圈層耦合圈層耦合：是地球圈層在物質(zhì)和運(yùn)：是地球圈層在物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)的耦合過程。它是當(dāng)今地球科學(xué)中動(dòng)的耦合過程。它是當(dāng)今地球科學(xué)中一個(gè)熱點(diǎn)話題。一個(gè)熱點(diǎn)話題。 圈層耦合的方式圈層耦合的方式有多種不同的觀點(diǎn)。有多種不同的觀點(diǎn)。5.3 圈層耦合圈層耦合板 物理氣候系統(tǒng) 太 塊 陽(yáng) 驅(qū) 驅(qū) 動(dòng) 動(dòng) 過 生命系統(tǒng) 過程 程地球化學(xué)循環(huán)系統(tǒng)5.4 地