淺談幾個典型的地球物理學(xué)原理

1、淺談幾個典型的地球物理學(xué)原理摘 要：地球物理學(xué)是以從固體內(nèi)核至大氣圈邊界的整個地球?yàn)檠芯繉ο蟮牡氐V類學(xué)科，所涉及的根本原理涵蓋物理學(xué)、地球化學(xué)、地質(zhì)學(xué)等多個學(xué)科的綜合內(nèi)容，對學(xué)生的邏輯思維能力和數(shù)值計(jì)算能力要求很高。本文重點(diǎn)對解決地球物理學(xué)問題所必需的幾個根本原理進(jìn)行了總結(jié)性的論述。論文關(guān)鍵詞：典型；地球物理；原理從地球物理學(xué)的組成來看，主要分兩種，其一是研究大尺度和一般原理的，叫理論地球物理學(xué)；其二是勘查石油、金屬、非金屬礦或解決其它地質(zhì)問題的，叫應(yīng)用地球物理學(xué)。顯然，理論地球物理學(xué)是實(shí)際應(yīng)用的前提，而有關(guān)地球物理學(xué)的根本原理那么是理論內(nèi)容最根底的局部。一、地球形狀與重力分布的重力學(xué)根本原理

2、地球是太陽系中的一顆行星，它有自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)運(yùn)動。通俗說地球形狀是兩極稍扁，赤道略鼓的橢球體。對地球形狀的研究是大地測量學(xué)和固體地球物理學(xué)的一個共同課題，其目的是運(yùn)用幾何方法、重力方法和空間技術(shù)，確定地球的形狀、大小、地面點(diǎn)的位置和重力場的精細(xì)結(jié)構(gòu)，地球的形狀主要是由地球的引力和自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力決定的，且地球非常接近于一個旋轉(zhuǎn)橢球，其長半軸為6378136米，扁率為1298.257。 嚴(yán)格而言，地球形狀應(yīng)該是指地球外表的幾何形狀，但是地球自然外表極其復(fù)雜，所以從科學(xué)上，人們都把平均海水面及其延伸到大陸內(nèi)部所構(gòu)成的大地水準(zhǔn)面作為地球形狀的研究對象，因?yàn)榇蟮厮疁?zhǔn)面同地球外表形狀十分接近，又具有明顯的物

3、理意義。但是大地水準(zhǔn)面還不是一個簡單的數(shù)字曲面，無法在這樣的面上直接進(jìn)行測量和數(shù)據(jù)處理。而從力學(xué)角度看，如果地球是一個旋轉(zhuǎn)的均質(zhì)流體，那么其平衡形狀應(yīng)該是一個旋轉(zhuǎn)橢球體。于是人們進(jìn)一步設(shè)想用一個適宜的旋轉(zhuǎn)橢球面來逼近大地水準(zhǔn)面。要確定這一橢球，只需知道其形狀參數(shù)長半軸a，扁率和物理參數(shù)地心引力常數(shù)GM和旋轉(zhuǎn)角速度即可。同大地水準(zhǔn)面最為接近的橢球面稱為平均地球橢球面。如果能確定大地水準(zhǔn)面與該橢球面之間的偏差，亦即大地水準(zhǔn)面與橢球面之間的差距大地水準(zhǔn)面差距N和傾斜垂線偏差，那么大地水準(zhǔn)面的形狀可完全確定。地球的重力源于牛頓的萬有引力定律，即宇宙空間任意兩質(zhì)點(diǎn)，彼此相互吸引，其引力大小與他們的質(zhì)量成

4、積成正比，與他們之間的距離平方成反比。地面點(diǎn)重力近似值980Gal， 赤道重力值978Gal，兩極重力值983Gal。由于地球的極曲率及周日運(yùn)動的原因，重力有從赤道向兩極增大的趨勢。地球上重力的大小與方向只與被吸引點(diǎn)的位置有關(guān)，理論上應(yīng)該是常數(shù)，但重力是隨時間變化而變化，即相同的點(diǎn)在不同的時刻所觀測到的重力不相同。二、地震及彈性波在地球內(nèi)部的傳播規(guī)律地震波是地下傳播的震動，必然與巖石的彈性有關(guān)，一般都假定巖石是一種完全彈性體?？萍夹≌撐脑诘卣鸩ㄓ?jì)算中，地球介質(zhì)可以做為各向同性的完全彈性體來對待。而在地震波理論中，通常把地球介質(zhì)當(dāng)作均勻、各向同性和完全彈性介質(zhì)來處理，只是一種簡化的假定。實(shí)踐證明

5、，這種假定可以使分析大大簡單，并且在多數(shù)情況下可以得到與觀測結(jié)果頗為符合的結(jié)果。 研究地震波在地球內(nèi)部傳播的問題，主要有動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)兩種方法。動力學(xué)方法是直接求解波動方程，研究平面波在平界面上的反射、折射，均勻半空間及平行分層空間中的地震面波，以及球?qū)ΨQ模型的地球的自由振蕩。該方法相對繁瑣，本書不做介紹。我們介紹的是第二種方法：運(yùn)動學(xué)方法，就是將波動方程的求解簡化成波傳播的射線理論，用地震射線這一概念，研究地震波在地球內(nèi)部傳播的運(yùn)動學(xué)特征。地震波在地球內(nèi)部的傳播研究，主要是基于以下幾個根本原理，其一是惠更斯原理，即在均勻彈性介質(zhì)中，點(diǎn)振源產(chǎn)生球面波向周圍傳播，當(dāng)距離r 趨向無窮大時，球面波前

6、的半徑很大，曲率很小，此時球面波蛻變成了平面波；其二是費(fèi)馬原理，即地震波沿射線的旅行時間傳播與沿其它任何路徑的旅行時間相比為最小，換言之，波總是沿所使用旅行時間最少的路徑傳播，又叫費(fèi)馬最小原理和射線原理。總結(jié)來講，惠更斯是從波前面的角度來描述波在介質(zhì)空間中傳播的規(guī)律，而費(fèi)馬原理那么從波射線的角度來描述波的傳播規(guī)律。三、地球磁現(xiàn)象和地球電性質(zhì)地球磁現(xiàn)象是指地球周圍空間分布的磁場。地球磁場近似于一個位于地球中心的磁偶極子的磁場。它的磁南極S大致指向地理北極附近，磁北極N大致指向地理南極附近。其磁力線分布特點(diǎn)是赤道附近磁場的方向是水平的，兩極附近那么與地表垂直，地球外表的磁場受到各種因素的影響而隨時

7、間發(fā)生變化，地磁的南北極與地理上的南北極相反。地磁場包括根本磁場和變化磁場兩個局部。根本磁場是地磁場的主要局部，起源于地球內(nèi)部，比擬穩(wěn)定，屬于靜磁場局部。變化磁場包括地磁場的各種短期變化，主要起源于地球內(nèi)部，相比照擬微弱。地球變化磁場可分為平靜變化和干擾變化兩大類型。地磁場強(qiáng)度大約是0.5-0.6高斯。根據(jù)大氣電現(xiàn)象的探測，從靜電角度來看，地球和大氣近似形成一個漏電的球狀電容器。由大氣電測量說明：接近地球外表的電場是垂直指向地球外表，在晴天情況下，其數(shù)值約為 E=100V/m，而地球外表上的電荷密度-8.85x10-10C/m2，由此可計(jì)算得知，地球外表上攜帶總負(fù)電荷量為4.51x105C，大

8、氣的電流密度約為-3x10-12 A/m2?？傠娏骷s為1350安培，大氣中消耗的總電功率P=5.2億瓦。整個地球由于自轉(zhuǎn)使正負(fù)電荷分開，正電荷分布在地核，負(fù)電荷分布在地表，進(jìn)而在外層產(chǎn)生一個環(huán)形電流，電流方向自東向西電流方向與負(fù)電荷運(yùn)動方向相反，由此產(chǎn)生了由南向北的地磁。四、結(jié)語了解地球物理學(xué)的根本理論和根本原理，有助于學(xué)生自我知識框架的建立，同時對地球物理學(xué)的整體內(nèi)容有非常好的梳理作用，筆者也建議廣闊在校學(xué)生能夠從最根底的內(nèi)容開始研究，以便于后期在深造上具備一定的優(yōu)勢。參考文獻(xiàn)：【1】滕吉文. 中國地球物理學(xué)研究面臨的機(jī)遇、開展空間和時代的挑戰(zhàn). 地球物理學(xué)進(jìn)展，2007，04：1101-1112.【2】湯井田，任政勇，化希瑞. 地球物理學(xué)中的電磁場正演與反演. 地球物理學(xué)進(jìn)展，