地球物理學原理北大版教材chpt1PrincipleofGeophysics-Preface

地球物理學原理

PrincipleofGeophysics

Chpt1Preface2020/12/181

地球物理學原理

PrincipleofGeophysicsOffice:Cellphone:主講人：唐新功長江大學地球物理與石油資源學院SchoolofGeophysicsandOilResources,YangtzeUniversity2011年9月2020/12/182Outlineforeachchapters（72學時）前言Preface 4地球與行星科學Earthandplanetscience 4天然地震Earthquakeseismology 12人工地震Seismicexploration8重力學Gravity 10地磁學Geomagnetism 8古地磁學Paleomagnetism4地電學Geoelectricity 12地熱學Geothermal 6大陸漂移、海底擴張和板塊構(gòu)造Continentdrift,SeafloorspreadingandPlatetectonics 42020/12/183Chinesereferences史哥編著，地球物理學基礎，北京大學出版社，2002曾融生著，固體地球物理學導論，科學出版社，1984傅承義，陳運泰，祁貴仲著，地球物理學基礎，科學出版社，1985張少泉編著，地球物理學概論，地震出版社，1987滕吉文編著，固體地球物理學概論，地震出版社，2003王家映主編，地球物理學，中國地質(zhì)大學出版社，1988劉運生，毛春長等編，地球物理學簡明教程，地震出版社，1996胡德昭，朱慧娟主編，地球物理學原理及應用，南京大學出版社，19952020/12/184EnglishreferencesWilliamLowrie,FundamentalofGeophysics,CambridgeUniversitypress,1997C.M.R.Fowler,ThesolidGeophysics,CambridgeUniversitypress,1990TurcuttandSchubert,Geodynamics,CambridgeUniversitypress,2002Parasnis,D.S.,PrinciplesofAppliedGeophysics,fifthedition,Champan&Hall,1997Scheidegger,A.D.,FoundationsofGeophysics,ElesvierScientificPublishingCompany2020/12/185LearnprinciplesofGeophysicsLearnEnglishvocabulariesaboutGeophysicsorGeosciencesubjectLearnhowtoreadforeignbooksonGeophysicsLearnhowtothinkproblemsinEnglishmannerCanreadjournalsorpaperswritteninEnglishinthefuturePurposeofthiscourse2020/12/186CharacteristicsofthecourseGiveanintroductiontotheentiresubjectofGeophysicsCombinationofbasicscienceandappliedscienceMaincourseofmajorofGeophysicsforundergraduatestudentinonesemesterAlotofknowledgeandconceptsRelativelyindependentforeachchaptersAvoidingtediousderivationofmathematicalformulaeMainlyusePPTImagination,thinking,discussionandinteractivityisencouraged2020/12/187Newwordsandphrasescrust地殼mantle地幔core地核Moho莫霍面lithosphere巖石圈athenosphere軟流圈rigid剛性的plastic韌性的mantleplume地幔熱柱tsunami海嘯mitigate減輕disaster災難catastrophe災難Ductile韌性的Mud-rockflow泥石流Viscous粘稠的Viscosity黏度2020/12/188OutlineofthefirstclassWhatisGeophysics?InnerstructureoftheearthNaturaldisasters(earthquake,volcano,tsunami,tornado,et.al)IntroductiontotheresearchhistoryofGeophysicsUnitsusedinthiscourseandgeologicaltime-scale2020/12/1892020/12/1810Geophysicsisasubjecttostudyinterioroftheearthandspaceenvironmentintheangleofphysics,whichuse

physicalprinciplesandmethod,advancedelectronictechnology,GPSandINSARtostudythegeophysicalfieldsincludingnaturalandman-madeseismicwave,gravity,magnetism,geoelectricity,geothermalandsoon.Toprotectagainstandmitigatenaturaldisasters.ToProtectandimprovetheenvironmentwelive.Tosupplynewtheory,newmethodandnewtechnologyfornationalenergyandresourcesexploration.WhatisaGeophysics2020/12/1811預防與減輕自然災害（地震、火山、滑坡等）

Predictionandmitigationfornaturaldisasters(earthquake,volcano,landslide,etc)資源、能源探測Mineralandenergyexploration(waterresource,mine,oilandgas,etc)（水資源、礦藏資源、石油天然氣等）考古Archeology工程地球物理CivilandEngineeringgeophysics軍事MilitaryPrincipleofgeophysicsContributionofGeophysicstosocietydevelopment2020/12/1812

SessionInformation2002SpringMeetingTuesdayAfternoonTimeSessionLocationTitle1330U22AWCC30GeophysicsandTerrorism

Presiding:

GvanderVink,IRISConsortium;MGCollins,U.S.CommitteeforIIASA

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]1340U22A-01WCC30SeismicEventsinAustraliaandtheAumShinrikyo

*CBHennet,GEvanderVink,DHarvey

INVITED

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]1355U22A-02WCC30TheNationalInstituteofJustice'sTechnologyEffortstoMeettheEvolvingNeedsoftheResponderCommunity

*DBoyd

INVITED

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]1410U22A-03WCC30SurfaceWaveImagingtoDetectTunnels

*RDMiller,RFBallard,CBPark,JXia

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]1425U22A-04WCC30CurrentLegislativeInitiativesandGeophysics

*SGStephan

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]1440U22A-05WCC30ForensicSeismologyandthe1995OklahomaCityTerroristBombing

*TLHolzer

INVITED

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]1525U22A-06WCC30Glaciersin21stCenturyHimalayanGeopolitics

*JSKargel,RWessels,HHKieffer

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]1540U22A-07WCC30ForensicSeismology:constraintsonterroristbombings

*TCWallace,KDKoper

INVITED

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]1555U22A-08WCC30ResourceAssessmentforAfghanistanandAlleviationofTerrorism

*JFShroderJr.,MPBishop,UKampJr.SHamidullah,JOlsenholler

INVITED

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]1610U22A-09WCC30BaselineforMonitoringWaterResourcesAlongKabulandIndusRiversofPakistanforPotentialTerroristContamination

*SHamidullah,STariq,MTShah,JFShroderJrMPBishop,UKampJrJOlsenholler

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]1625U22A-10WCC30SverdlovskAnthraxOutbreak:AnEducationalCaseStudy

*SJSteele,GvanderVink

INVITED

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]Geophysics&Terrorism2020/12/1813距離世貿(mào)大廈34公里遠的帕利塞德(Palisades)地震臺記錄到的9.11事件的地震波形

Theearthquakerecordgiveaprooffortheinvestigationof9.11disasterinUSAin2001.2020/12/1814庫爾斯克號沉沒事件的調(diào)查2020/12/1815地球物理學是地球科學的一個年輕的分支，是現(xiàn)代地球科學的重要組成部分。無論是板塊構(gòu)造理論的確立和地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，還是礦產(chǎn)、油氣資源的勘探以及對地震、火山等地質(zhì)災害成因的認識與預測這些與人類生存息息相關的重要課題的研究，地球物理學在其中起了決定性作用。PrincipleofGeophysicsGeophysicsisayoungbranchandmainpartofmoderngeosciences.Itplaysanimportantroleintheresearchesconcerningthehuman’ssurvivalandactivitiessuchasthetheoryofplatetectonics,discoveringofearthinterior,oilandgas,mineralresourcesaswellasthemitigationandpredicationfornaturaldisasterslikeearthquakesandvolcanoes.2020/12/1816FunctionandclassificationofGeophysicsGeophysicsisasubjectwhichhaswiderangeofapplications.Itsresearchresultsnotonlyhelpustorecognizetheearthandspaceenvironment,butalsosupportindustrydepartmentandhigh-techdomainwhichisimportantfornationaleconomicconstructions.Todaygeophysicshasbecomeoneofthepowerfulsubjectwhichwillproducecrucialinfluenceonthesurvivalanddevelopmentofhumanbeingsin21century.地球物理學是一門應用性很強的基礎學科，它的研究成果不僅有助于增進人類對所生息的地球及其空間環(huán)境的科學認識，而且支撐著眾多的國民經(jīng)濟建設中具有重要意義的產(chǎn)業(yè)部門或高科技領域，為太空時代的人類活動提供了必要的基礎。今天，地球物理學已成為地球科學中最具活力的學科之一，其研究成果將對21世紀人類的生存發(fā)展、太空環(huán)境的充分利用產(chǎn)生重要影響。地球物理學包括固體地球物理學和空間物理學兩個二級學科。固體地球物理學是以固體地球本體作為研究對象；而空間物理學則是以太陽系特別是日地空間物理環(huán)境為主要研究對象。2020/12/1817Geophysics（一級學科）SpacephysicsSolidGeophysics（二級學科）GeophysicsSeismicexploration

地震學Seismology

地球電磁學Geo-electromagnetism

地磁學Geomagnetism

重力與大地測量GravityandGeodesy

地球動力學Geodynamics

構(gòu)造物理TectonophysicsGeophysicsFunctionandclassificationofGeophysicsSolarsystemEarthitself2020/12/1818隨著工業(yè)發(fā)展（尋找石油天然氣、金屬與非金屬礦產(chǎn)）的需要，勘探地球物理學發(fā)展很快，已經(jīng)自成體系。但是，近年來，隨著地震觀測儀器的改善，計算技術的改進，世界標準臺網(wǎng)的建立，促進了定量地震學(quantitativeseismology)的發(fā)展。地球上地震、火山等自然災害日益猖獗，隨著人類工業(yè)發(fā)展對自然環(huán)境的破壞，導致環(huán)境惡化，地質(zhì)災害不斷，越來越引起了人類的關注，不斷地對地球物理學提出新的挑戰(zhàn)。普通地球物理學（研究尺度較大）和勘探地球物理學（研究局部問題）所使用的方法、原理、觀測儀器近似。兩者不存在矛盾。Principleofgeophysics2020/12/1819Geophysicistsaretrainedmathematicians,physicistsandcomputerspecialists.Theyallacquireagoodgroundingindescriptivegeologytoenablethemtoworkcloselywithgeologistsinordertogenerateimagesofpetroleumtrapsorsubsurfacestructuresfromthedatacollected.WhatisaGeophysicist2020/12/1820Geophysicistsuseavarietyofmethods,dependingonthegeologicalobjecttheywishtovisualize.Theseinclude:Earthquakeseismology,whichstudiesnaturalearthquakes.Seismicmethod,whichincludereflectionandrefractionmethod.Geomagnetism,whichstudiesEarth'smagneticfieldcausedbymagneticdifferencesbetweendifferentrocks.Gravimetry,whichemploysthesameproceduresasabove,whichstudiesearth'sgravityfieldcausedbyrockswithdifferentdensitiesorthevariationofdensitysurfaces.Electromagnetic,whichmeasuretheresistivitydifferencesofsubsurface.Geothermal,whichmeasurethetemperatureandtemperaturegradientofsubsurface.WhattoolsdoesaGeophysicistuse

2020/12/1821WhattoolsdoesaGeophysicistuse

2020/12/18222020/12/1823OutlineofthefirstclassWhatisGeophysics?InnerstructureoftheearthNaturaldisasters(earthquake,volcano,tsunami,tornado,et.al)IntroductiontotheresearchhistoryofGeophysicsUnitsusedinthiscourseandgeologicaltime-scale2020/12/1824Theinnerstructureoftheearth2020/12/18252020/12/18262020/12/1827Comparisonofclassicalandmoderndivisionsoftheearth2020/12/1828Crust,lithosphereandasthenosphere巖石圈是(下界大約為1300°等溫面的)地球表部剛性圈層；巖石圈板塊是由板塊邊界斷裂分開的巖石圈的剛性塊體，包括地殼和上地幔最上面的一部分。2020/12/1829Moho:boundarybetweenthecrustandmantle.Pwavevelocitytravelsatabout6.5km/sincrustandsuddenlyincreaseto8.2km/swhencrosstheMohoboundary,indicatingthattheyaredifferentregionswithdifferentchemicalcomposition.Thelowercrustisalwaysgabbroic(輝長巖質(zhì)的)(≈50%silica)andtheuppermantleiscomposedofperidotite(橄欖巖)(≈30%silica)Lithosphere:thestrong(rigid)andouterpartoftheearth.Itconsistsofboththecrustanduppermantle.Mohodiscontinuitylieswithinthelithosphere.Asthenosphere:arelativelysoft(lessrigid)regionoftheearthunderlyingthelithosphere.Pwavevelocitytravelsat8.2km/sslowdowntoabout7.5km/satdepth75~200km,indicatingthetransitiontothesofterasthenosphere.Crust,lithosphereandasthenosphere2020/12/1830Thetemperatureandpressureconditionsinthemantlecreateazoneofrelatively“soft”mantle,sandwichedbetweenthehardermantleaboveandbelow.Thesoftermantle(asthenosphere)allowstherigidplates(rigidmantle+crust=lithosphere)tomovehorizontallyatafewcm/yearatgeologicaltime,whichlikesaboatflowsoverthewater,indicatingtheasthenosphereisductile(塑性).“Sandwich”theory2020/12/1831Crust,lithosphereandasthenosphere“Sandwich”2020/12/1832PressureandtemperatureinEarth’supper700km2020/12/1833P-Trelationship

forperidotite

橄欖巖

2020/12/1834“Theearthquakeseemslikeabrightlampanditilluminatestheinnerstructureoftheeartheachtime”－－傅承義K.Aki2020/12/1835OutlineofthefirstclassWhatisGeophysics?InnerstructureoftheearthNaturaldisasters(earthquake,volcano,tsunami,tornado,et.al)IntroductiontotheresearchhistoryofGeophysicsUnitsusedinthiscourseandgeologicaltime-scale2020/12/1836Naturaldisasters地震

earthquake火山volcano海嘯

tsunami龍卷風

tornado泥石流

mud-rockflow沙漠化

desertification干旱

drought洪澇

flood2020/12/1837earthquake2020/12/1838地震（earthquake)地震(earthquake)是大地的震動，是地下巖層長期積累的應變能的突然釋放，其形成原因是由于地下斷層發(fā)生滑動引起的。地震一發(fā)生，往往瞬間就給人們帶來極大的災害。海洋中發(fā)生地震，還可能會導致海嘯。地震是極其頻繁的，全球每年發(fā)生地震約500萬次，平均每分鐘近10次地震。地震是最嚴重的自然災害，地震的破壞力和死亡人數(shù)居所有地質(zhì)災害之首。中國死亡人數(shù)占全世界的1/3左右。2020/12/1839SeismologyandEarthquakesSeismologyisthescienceofearthquakes.Itstudiesvibrationsthatmovesaswavesthroughtheearth.Earthquake:variations

withintheearthcausedbytheruptureandsuddenmovementofrocksthathavebeenstrainedbeyondtheirelasticlimit.Earthquakeisthetremors(/shock/vibration)occasionallyfeltattheearthsurface.Forhumanbeings,earthquakesareofgreatestimportancebecausetheycancauseconsiderabledamage.Itcausedbythesuddenlyreleaseofaccumulatedstressinveryshorttime.Earthquakestakeplaceveryfrequentlywithabout5milliontimesayearandnearly10timesperminute.Ifearthquakeoccursintheocean,tsunamidisastermaybeinduced.Earthquakesarethemostdamagedhazardsamongallofthenaturaldisastersinpeople’sdeath,amongthemapproximately1/3areChinesepeople.2020/12/1840Inthepast500years,morethan7millionpeoplegloballydiedinearthquakesandmillionsofpeoplehopelesslysawtheirhomesweredestroyed.Thehazardearthquakeshavebecomeoneofthemostimportantissueforincreasingpopulation,whichattractsscientistsandengineerstoresearchit.Earthquakeisnotonlyadisaster,butalsothesourceofgeologicalknowledge.Analysisofseismicwavescanprovideadetailed,andtosomeextent,theuniquewaytogettheinformationfromverydeepearth.Seismichazard2020/12/1841全球每年發(fā)生地震約500萬次！

但只有不到2%的地震能被人們感覺到，其中每年100多個破壞性地震，卻給人類造成了巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。強烈地震往往以其猝不及防的突發(fā)性和巨大的破壞力給社會帶來嚴重的危害。在各種自然災害造成的損失中（破壞力和死亡人數(shù)），地震損失占54%，地震是最嚴重的自然災害，是名副其實的“群災之首”。中國位于世界兩大地震帶－－環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，受太平洋板塊、印度板塊和菲律賓海板塊的擠壓，地震斷裂帶十分發(fā)育，主要地震帶有23條。在剛剛過去的20世紀里，中國共發(fā)生6級以上地震近800次，是世界上蒙受地震災害最為嚴重的國家之一。在防震減災的實踐中，認識地震和防震減災是一項復雜的社會系統(tǒng)工程。要有效地減輕地震災害，必須依靠全社會各方力量協(xié)調(diào)一致的努力。學習地震科學知識、提高全民的防震減災意識是首要前提。2020/12/1842Seismichazard

1、1985年墨西哥大地震中，大部分建筑倒塌。

2、地震后站在廢墟上的印度小女孩。

3、1976年危地馬拉的舊危地馬拉城在地震后變?yōu)閺U墟。

4、亞美尼亞城在1988年地震中基本被完全摧毀。2020/12/18432020/12/18442020/12/18451994年美國洛杉磯Northridge大地震

1995年日本阪神大地震

2020/12/18462020/12/18472020/12/18482020/12/1849地震的傳說

Thelegendstoryofearthquakes臺灣傳說中，認為地底下有一只大地牛，平常在睡覺，當它翻身的時候，牽動大地振動，就會發(fā)生地震。2020/12/1850新西蘭傳說地下住著一位女神，名叫“地母”。當?shù)啬赴l(fā)怒的時候，會揮動手腳，造成大震動，于是便發(fā)生地震。地震的傳說

Thelegendstoryofearthquakes2020/12/1851北美洲的原住民以為地球是由一只巨大的烏龜所支撐，烏龜向前走，大地就開始顫抖。地震的傳說

Thelegendstoryofearthquakes2020/12/1852日本認為地震的罪魁禍首是一只在地底下的大鯰魚(catfish)。大鯰魚平常也在睡覺，一旦開始翻身，大地就會振動，造成地震。地震的傳說

Thelegendstoryofearthquakes2020/12/1853volcanoesVolcanoesareconesbuiltupbytheaccumulationoferuptivematerialsfrombelow.Theeruptionsofvolcanoesfromtheventscanbecatastrophic.Inthevolcaniceruption,notonlymoltenrock(‘lava’)butwater(atsteam)andpoisonousgasesmaybebroughtforth.Thelavamaybeintheformofviscousfluidwithveryhightemperatureandburnnearlyeverythingpassingthrough.Volcanoesmaybedormantforhundredsofyearsandthensuddenlyeruptagain.Theeruptionmaylastfromafewhourstoafewmonthsand,then,longdormantperiodsmayagainoccur.2020/12/1854volcanoesAnimportantproblemisthepredicationoferuptions,whichissimilartothatofearthquakepredication.Bothofthemaredifficulttilltoday.Thecharacterofaneruptionismuchdeterminedbytheamountofpressureofgasandtheviscosityofthelava.Mostdangerousoneisbothofthemarehigh.2020/12/18552020/12/18562020/12/18572020/12/18582020/12/18592020/12/18602020/12/18612020/12/18622020/12/18632020/12/1864Theformationandclassificationofthevolcano全球的火山分布和地震帶是一致的。板塊發(fā)生碰撞時，巖石互相推擠所產(chǎn)生的壓力會以地震的方式釋放出來。大多數(shù)的火山就出現(xiàn)在這些板塊的邊緣地區(qū)。因為部分熔融的熔巖可以在板塊移動時，由縫隙中涌出地表。2020/12/1865TheformationandclassificationofthevolcanoAlthoughvolcanoesarealwayssinglemountains,theyaremostlyfoundinareaswhichareorogeneticallyactive.Theworlddistributionofvolcanoesisaccordancewiththeearthquakezone.Therearethreetypesofvolcanoes:1、Mid-oceanridge.

巖漿沿著拉張帶上涌形成海底火山巖（玄武巖(basalt)質(zhì)）；2、Subductionzone.板片巖石脫水而部分熔融，安山巖(andesite)質(zhì)；3、Hotspot.火山巖漿沿板塊內(nèi)的地幔柱噴發(fā)至地表而形成火山（玄武巖質(zhì)）。2020/12/1866Globaldistribution

ofmajorvolcanoes地球上已知的活火山共約518座,它們集中在以下四個地帶:

(1)環(huán)太平洋火山帶，從南北美洲、阿拉斯加、阿留申群島，經(jīng)勘察加半島、日本群島、菲律賓群島直至新西蘭。這一帶的活火山300余座,約占全球的60%。環(huán)太平洋帶上的火山主要噴發(fā)中、酸性巖漿,尤以噴發(fā)安山質(zhì)巖漿為特征。

(2)紅海沿岸和東非帶。此帶共有活火山22座，自中生代裂谷形成以來，火山活動頻繁。

(3)地中海-印度尼西亞火山帶。這一帶共有活火山70余座。其中地中海沿線有13座,印度尼西亞有60余座。這一火山帶噴發(fā)的巖漿從基性到酸性均有,性質(zhì)多變。

(4)洋底火山帶。分布于大西洋(22座)、太平洋(15座)、印度洋(4座)、冰島及詹邁揚島(15座)。有的火山在水下噴發(fā),有的已露出水面,成為火山島嶼。

此外，根據(jù)太空探測獲得的資料顯示，火山活動也是太陽系各行星最重要的地質(zhì)運動之一。2020/12/18672020/12/1868內(nèi)蒙長白山瓊州灣Tibet騰沖中國現(xiàn)今沒有火山活動，但中國新生代是一個多火山的國家，分布有范圍廣泛的新生代火山巖。中國火山分布在成因上與兩大板塊邊緣有關：一是受太平洋板塊向西俯沖的影響，形成我國東部大量的火山。另一是受印度板塊碰撞的影響，形成了青藏高原及周邊地區(qū)的火山的分布?！熬盼濉逼陂g，在有關專家的大力呼吁下、在國家和地方政府的大力支持下，這種局面已完全改善，火山監(jiān)測與研究事業(yè)正越來越多的受到人們的關注。我國現(xiàn)已有3處活火山受到監(jiān)測，分別是：吉林長白山天池火山、云南騰沖火山和黑龍江五大連池火山。隨著國力的提高，今后將有更多的活火山受到監(jiān)測。DistributionofvolcanoesinChina2020/12/1869Distributionofearthquakes,volcanoes

andmud-rocksinChina2020/12/1870Thecautionofvolcanoes火山的形成涉及一系列物理化學過程。地殼上地幔巖石在一定溫度壓力條件下產(chǎn)生部分熔融并與母巖分離，熔融體通過孔隙或裂隙向上運移，并在一定部位逐漸富集而形成巖漿囊。隨著巖漿的不斷補給，巖漿囊的巖漿過剩壓力逐漸增大。當表殼覆蓋層的強度不足以阻止巖漿繼續(xù)向上運動時，巖漿通過薄弱帶向地表上升。在上升過程中溶解在巖漿中揮發(fā)成分逐漸溶出，形成氣泡，當氣泡占有的體積分數(shù)超過75％時，會導致爆炸性噴發(fā)，氣體釋放后巖漿粘度降到很低，流動很快?；鹕絿姵龅乇砬暗倪^程歸納為三個階段：巖漿形成與初始上升階段、巖漿囊階段和離開巖漿囊到地表階段。2020/12/1871火山（Volcano）Theeruptionsofvolcanoeshavedualfunctions.Ononeside,itcausesconsiderabledamages.Ontheotherside,itbenefitspeoplebysupplyingfertilizersoil,mineralresourcesandeventouristresources.2020/12/1872Thehazardofthevolcano最具威力、最壯觀的火山爆發(fā)常常發(fā)生在俯沖帶。這里的火山可能在沉寂達數(shù)百年之后再度爆發(fā),而一旦爆發(fā),威力就特別猛烈。這樣的火山爆發(fā)常常會給人類帶來滅頂之災。危害1－影響全球氣候?；鹕奖l(fā)時噴出的大量火山灰和有毒的火山氣體，對氣候造成極大的影響。有時在太空達數(shù)月之久不散去，使這些地區(qū)的氣溫下降。危害2－破壞環(huán)境?；鹕奖l(fā)噴出的大量火山灰和暴雨結(jié)合形成泥石流能沖毀道路、橋梁，淹沒附近的鄉(xiāng)村和城市，使得無數(shù)人無家可歸。泥土、巖石碎屑形成的泥漿可象洪水一般淹沒了整座城市。

巖石雖被火山灰云遮住了，但火山剛爆發(fā)時仍可看到被噴到半空中的巨大巖石。自從地球形成以來，火山爆發(fā)一直不斷，隨著地球人口的增加，越來越多的人居住在斷層或活火山旁等危險地區(qū)?；鹕奖l(fā)不僅干擾人們的生活，更可能奪走他們的生命和財產(chǎn)。2020/12/1873海嘯（tsunami）海嘯通常由震源在海底下50千米以內(nèi)、里氏地震規(guī)模6.5級以上的海底地震引起。海嘯波長比海洋的最大深度還要大，在海底附近傳播也沒受多大阻滯，不管海洋深度如何，波都可以傳播過去，海嘯在海洋的傳播速度大約500～100km/h，而相鄰兩個浪頭的距離也可能遠達500到650公里，當海嘯波進入陸棚后，由于深度變淺，波高突然增大，它的這種波浪運動所卷起的海濤，波高可達數(shù)十米，并形成“水墻”。由地震引起的波動與海面上的海浪不同，一般海浪只在一定深度的水層波動，而地震所引起的水體波動是從海面到海底整個水層的起伏。另外，人為的水底核爆也能造成海嘯。2020/12/18741960年，發(fā)生在智利的9.5級地震，引發(fā)的海嘯波及到日本，造成100多人死亡。

根據(jù)新浪網(wǎng)，這次地震及海嘯死亡人數(shù)接近7萬，三分之一是兒童。

斯里蘭卡和印度的巨大傷亡，如果他們加入了海嘯預警系統(tǒng)，可以減輕。海嘯抵達斯里蘭卡和印度用了兩個小時。2020/12/18752020/12/1876ThehazardoftsunamiEarthquakesandtsunamiscanbringtremendousdamagetohumanbeings.Tilltoday,whatwecandoisonlytheobservationorpredictiontomitigatethedamageloss,butnottocontrolthemtohappen.地震海嘯給人類帶來的災難是十分巨大的。目前，人類對地震、火山、海嘯等突如其來的災變，只能通過預測、觀察來預防或減少它們所造成的損失，但還不能控制它們的發(fā)生。2020/12/18772020/12/18782020/12/18792020/12/18802020/12/18812004年12月26日印尼9.0級地震SumatraEarthquakesin20042020/12/18822004年12月26日印尼9.0級地震SumatraEarthquakesin20042020/12/18832004年12月26日印尼9.0級地震SumatraEarthquakesin20042020/12/18842004年12月26日印尼9.0級地震SumatraEarthquakesin20042020/12/1885SumatraEarthquakestookplaceattheplateboundary

2020/12/18862020/12/1887SeismicityoftheNortheastIndianOcean1900-20042020/12/18882004年12月26日印尼9.0級地震SumatraEarthquakesin20042020/12/18892020/12/18902020/12/18912020/12/1892龍卷風（Tornado）龍卷風是一種渦旋：空氣繞龍卷的軸快速旋轉(zhuǎn)，受龍卷中心氣壓極度減小的吸引，近地面幾十米厚的一薄層空氣內(nèi)，氣流被從四面八方吸入渦旋的底部。并隨即變?yōu)槔@軸心向上的渦流。發(fā)生在海上的龍卷風稱為“水龍卷”，通常持續(xù)的時間比陸龍卷長，但威力較緩和。龍卷風長期以來一直是個謎，正是因為這個理由，所以有必要去了解它。龍卷風的襲擊突然而猛烈，產(chǎn)生的風是地面最強的。由于它的出現(xiàn)和分散都十分突然，所以很難對它進行有效的觀測。龍卷風是云層中雷暴的產(chǎn)物。2020/12/1893龍卷風的危害1995年在美國俄克拉何馬州發(fā)生的一場陸龍卷，屋頂之類的重物被吹出幾十英里之遠。較輕的碎片可能會飛到300多千米外才落地。

龍卷的襲擊突然而猛烈，產(chǎn)生的風是地面上最強的。在美國，龍卷風每年造成的死亡人數(shù)僅次于雷電。它對建筑的破壞也相當嚴重，經(jīng)常是毀滅性的。在強烈龍卷風的襲擊下，房子屋頂會像滑翔翼般飛起來。一旦屋頂被卷走后，房子的其他部分也會跟著崩解。因此，建筑房屋時，如果能加強房頂?shù)姆€(wěn)固性，將有助于防止龍卷風過境時造成巨大損失。2020/12/18942020/12/1895泥石流mud-rockflow2020/12/1896

Mud-rockflow泥石流是介于流水與滑坡之間的一種地質(zhì)作用。典型的泥石流由懸浮著粗大固體碎屑物及粘稠泥漿組成。在適當?shù)牡匦螚l件下，大量的水體浸透山坡或溝床中的固體堆積物質(zhì)，使其穩(wěn)定性降低，飽含水分的固體堆積物質(zhì)在自身重力作用下發(fā)生運動，就形成了泥石流。泥石流是一種災害性的地質(zhì)現(xiàn)象。泥石流經(jīng)常突然爆發(fā)，來勢兇猛，可攜帶巨大的石塊，并以高速前進，具有強大的能量，因而破壞性極大。泥石流所到之處，一切盡被摧毀。右圖就是一幅泥石流所造成破壞的照片。2020/12/1897OutlineofthefirstclassWhatisGeophysics?InnerstructureoftheearthNaturaldisasters(earthquake,volcano,tsunami,tornado,et.al)IntroductiontotheresearchhistoryofGeophysicsUnitsusedinthiscourseandgeologicaltime-scale2020/12/1898ResearchhistoryTheearthissufferedfromearthquakesinitswholelife.Theearliestdocumentedearthquakecanberetroactived(追溯)toseveralthousandyearsago.在中國，最早的可追溯到公元前1831年的山東省地震，該記載僅提到“泰山震”，但從公元前780年起中國北部的地震記載就已經(jīng)相當完整了。公元132年，張衡（東漢）發(fā)明了世界上第一臺地震儀－－侯風地動儀。并在138年記錄到隴西的地震。principleofgeophysics2020/12/18992020/12/18100Principleoftheseismograph.Theinertiaofthesuspendedmasstendstokeepitmotionless,whiletherecordingdrum,whichisanchoredtobedrock,vibratesinresponsetoseismicwaves.Thus,thestationarymassprovidesareferencepointfromwhichtomeasuretheamountofdisplacementoccurringastheseismicwavepassesthroughthegroundbelow.2020/12/18101Researchhistory19世紀末20世紀初，T.Grag等人研制成功地震儀，并且獲得了地震記錄圖。1935年，里系特（C.F.Richter）和古登堡（B.Gutenberg)制作了震級表，使得地震標度定量化。1938年，Richter、Gutenberg、H.Jeffreys、K.E.Bullen等人根據(jù)全球地震觀測數(shù)據(jù)，反演了地球內(nèi)部的地震波速度分布，供地震研究長期使用。20世紀發(fā)展起來的板塊理論使地震的分布和板塊構(gòu)造聯(lián)系起來，推動了地震震源機制解和板塊機制結(jié)合研究，大大加深了人類對地震成因的認識。Principleofgeophysics2020/12/18102Researchhistoryofgeophysics人類對地球物理學的觀察，從遠古時代就開始了。東漢時期的張衡，是從事地震觀測的地球物理學家，發(fā)明了世界上第一臺地震儀－－侯風地動儀。并且知道地球是球形的。天地之體，形如鳥卵

——張衡

牛頓力學的建立，也是來自于自由落體運動的啟示。按照時間順序，分六個時期介紹：2020/12/18103十四世紀以前公元前4世紀，亞里斯多德指出大地是球形，并且估算了地球的圓周值（即緯度變化1°所對應地面的長度，不是pi）；公元前3世紀，伊拉多生斯（EratoSthenes）得到了地球的圓周值；公元前8世紀，我國的張遂（僧一行）獨立得到了地球圓周值，其誤差小于20％；與中國、希臘和阿拉伯相比，歐洲的地球物理工作起步較晚，大概是在環(huán)球航行之后開始的。Researchhistoryofgeophysics僧一行2020/12/18104十四世紀以前1527年，菲涅爾（Fernel）在巴黎利用馬車車輪的旋轉(zhuǎn)計算出了圓周值；1617年，Snell提出了三角測量的概念；1669年，法國人Picard用望遠鏡測量角度，重新得到了圓周值，誤差精度達0.1%；隨著大地測量精度的提高，開始考慮地球扁率和旋轉(zhuǎn)效應。牛頓對此做出了杰出貢獻。牛頓的第一個貢獻：用萬有引力公式，第一個估算了地球的質(zhì)量，并且對太陽系的其他行星的平均密度做出了天才的估計。牛頓的第二個貢獻：第一個估算了地球的扁率。牛頓Researchhistoryofgeophysics2020/12/18105十八世紀的工作（英法競爭）英國的約翰.密歇爾（JohnMichell）設計了測定2個物體之間引力的儀器，從而測量了萬有引力常數(shù)G值；但是他沒有完成就逝世了，實驗由他的學生卡文迪許成功地完成；法國人通過測量證明地球的扁的。在測量中，布格（Bouguer）開創(chuàng)了重力測量學，奠定了現(xiàn)代大地測量學的基礎。理論方面，克萊羅（Clairaut）導出了地球內(nèi)部密度隨扁率變化的二階微分方程，在以后的長達100多年里，很多地球物理問題都是建立在牛頓和克萊羅的基礎上。該時期很多偉大的法國數(shù)學家都對固體地球物理學做出過突出貢獻：包括：達朗倍爾，庫侖，拉格朗日，勒讓德，拉普拉斯，泊松，Cauchy等，從而把地球物理學嚴格建立在了數(shù)學的基礎上。拉普拉斯Researchhistoryofgeophysics2020/12/18106十九世紀的工作這個世紀，人類更多地把數(shù)學、地球質(zhì)量和半徑、扁率等結(jié)合在了一起，更加準確地確定了地球扁率，精度在幾％以內(nèi)，并且估算了地球內(nèi)部密度的分布，但是比較粗糙。雖然十九世紀為探索地球內(nèi)部密度分布花費了巨大精力，但是還沒有達到成熟可信的程度，直到20世紀，地震學的研究得到了地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)，才從根本上解決了地球內(nèi)部密度分布問題。Researchhistoryofgeophysics2020/12/18107二十世紀的工作（偉大的工作）1755年后，約翰.密歇爾（JohnMichell）制成了簡便的地震儀，并且投入使用，從此真正開始了地震學的定量化階段。1987年，法國人Oldham在地震圖上識別出了P波和S波，開始了人類認識地球分層結(jié)構(gòu)的歷史。1909年，南斯拉夫地震學家莫霍洛維奇發(fā)現(xiàn)了莫霍面，即地殼與地幔的界面，后來被證明這是個全球性的界面。1914年，德國人古登堡（Gutenburg）找到了核幔邊界，深度為2900km；1936年，丹麥的萊曼（Lehmann）女士發(fā)現(xiàn)了地核分為內(nèi)核和外核；Researchhistoryofgeophysics2020/12/18108地核發(fā)現(xiàn)者－奧爾德姆(Oldham)2020/12/18109地球內(nèi)核發(fā)現(xiàn)者－丹麥的萊曼（Lehmann）萊曼論文中引用的2個俄國地震圖記錄的新西蘭1929年的地震圖和3層地震模型地震波傳播示意圖2020/12/18110Lehmann的模型同時解釋了P波陰影區(qū)(shadowzone)的形成原因。Researchhistoryofgeophysics2020/12/18111KRAEMER(1902)BOLT(InsidetheEarth,1973)DZIEWONSKI(~1990,fromwww)Earth’sinteriorhasfascinatedscientistsforcenturies地球1維結(jié)構(gòu)地球3維結(jié)構(gòu)2020/12/18112二十世紀的工作（偉大的工作）1946-1950年，澳大利亞的布倫（Bullen）指出內(nèi)核為固態(tài)；1940年，Jeffreys和Bullen經(jīng)過多次試驗給出了一個地震走時表，即著名的J-B走時表。從這個表可以得到P波和S波速度隨深度的變化。Researchhistoryofgeophysics2020/12/18113二十世紀的工作二十世紀五十年代，根據(jù)地球物理研究的結(jié)果，人們已經(jīng)對于地球內(nèi)部的分層結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成和物理狀態(tài)有了一個大致的了解。此時人們逐漸認識到許多地學現(xiàn)象，特別是地下資源分布問題，若不研究地殼深處以至地幔上部是不能完滿解釋的。所以在六十年代之初，國際間就連續(xù)組織了四次大協(xié)作：1957～1958年，“國際地球物理年”（InternationalGeophysicalYear）,簡稱TGY;1960～1970年“國際上地幔計劃”（InternationalUppermantleProgram）,簡稱IUP；1974～1980年“國際地球動力學計劃”（InternationalGeodynamicsProgram）,簡稱IGP；1981～1989年又組織了一個“國際巖石圈計劃（InternationalLithosphereProgram）(ILP)”，這個是當代固體地球科學最具有多學科性和規(guī)模最大的國際合作計劃。Researchhistoryofgeophysics2020/12/18114二十世紀的工作80年代開始的全球地學大斷面(GlobalGeosciencesTransection--GGT)，在全球做了13條地學大剖面，基本上橫跨了全球主要的大斷裂。所用的手段包括：地震、地磁、重力、電磁、海上地球物理測量、地熱、地質(zhì)、科學深鉆等?！鞍宋濉焙汀熬盼濉焙汀笆濉逼陂g，在國家自然科學基金委員會的重點支持下，我國科學家在固體地球物理學的許多研究領域中取得了一系列國際領先水平的成果，使我國在某些研究領域已處于組織和領導的地位，并且培養(yǎng)了一大批優(yōu)秀的中青年學術帶頭人。Researchhistoryofgeophysics2020/12/18115二十世紀的工作四次國際協(xié)作，對全球地球物理學產(chǎn)生了深刻的影響。第一次協(xié)作后，建立了全球范圍的規(guī)范化的、布局基本合理的地震、重力、地磁、地熱等觀測臺網(wǎng)，為大規(guī)模研究提供了基礎資料；第二次協(xié)作后，提出了“板塊構(gòu)造學說”，這是一次地球科學的革命；第三次協(xié)作后，探討了板塊的驅(qū)動力問題；第四次協(xié)作，探討了巖石圈的現(xiàn)狀、形成、演化和動力學過程，重點研究了大陸板內(nèi)的地球物理學現(xiàn)象，其中，板內(nèi)地震(intraplateearthquakes)居主要地位。Researchhistoryofgeophysics2020/12/18116二十世紀的工作當前，國際合作的研究主要集中在地球動力學(geodynamics)這個科學問題上，即探討地球內(nèi)部的物理過程和地球的空間運動。Researchhistoryofgeophysics2020/12/18117全球地球模型（一維）(globalearthmodel-1Dearthmodel)：隨著觀測技術（儀器）和計算技術的不斷改進，人們對地球內(nèi)部細結(jié)構(gòu)的認識也日益提高。用全球標準臺網(wǎng)資料可以得到地球的參考模型（ReferenceEarthModel）1981年，杰旺斯基（A.D.Dziewonski）和安德森（D.L.Anderson）提出了一個基本參考地球模型（PREM模型－PreliminaryReferenceEarthModel）。比Bullen的模型大大前進一步，它以參量形式給出了P波和S波的速度分布，并且給出了品質(zhì)因數(shù)Q值的分布，以及地球的非彈性和各向異性。Researchhistoryofgeophysics2020/12/18118D.L.Aanderson&A.M.Dziewonski獲得1998年度Crafoord獎PREM模型(PreliminaryReferenceEarthModel)

DonL.Anderson

EleanorandJohnR.McMillan

ProfessorofGeophysics,Emeritus

Ph.D.,CaliforniaInstituteofTechnologyAdamM.Dziewonski

FrankB.Baird,Jr.ProfessorofScience2020/12/18119

我國的地球科學發(fā)展較晚，到了清末，京師大學堂（后改為北京大學）才設立地質(zhì)學科。1911年南京中央政府設立地質(zhì)科，1916年擴大為地質(zhì)調(diào)查所。1918－1920年西北海原發(fā)生2次大地震，地質(zhì)調(diào)查所翁文灝率隊前往考察。1930年李善邦先生在北京鷲峰設立中國第一個地震觀測臺。但是直到解放前，我國的地球物理工作仍然十分薄弱，舊中國留給我們一個貧瘠的家底。1949年以后，地球物理事業(yè)得到了快速發(fā)展。1949年11月1日中國科學院成立，同時成立地球物理研究所。趙九章、陳宗器、顧功敘、傅承義、李善邦、秦馨菱、劉慶齡、曾融生等老一輩科學家為我國的地球物理事業(yè)的發(fā)展作出了重要貢獻。1956年和1958年，在北京大學和中國科技大學設立了地球物理學專業(yè)，開始培養(yǎng)地球物理學人才。Researchhistoryofgeophysics(china)2020/12/18120

到了1966年，我國已基本建成初具規(guī)模的地球物理觀測系統(tǒng)（包括地震、地磁、重力），并且編制了中國地震震中圖、中國地磁圖、中國布格重力異常圖等基本圖件，為今后的科學研究、經(jīng)濟建設的發(fā)展提供了重要依據(jù)。十年動亂期間，地球物理工作也受到很大波及，但是在中央關懷下，地震工作得以幸存，并且獲得發(fā)展。十年動亂之后，我國的地球物理事業(yè)獲得了極大的發(fā)展，大致分為以下幾個方面：Researchhistoryofgeophysics(china)2020/12/18121Researchhistoryofgeophysics(China)Applicationofnewmethodandtechnologyinoilexploration;Longrangeplanningofcoastalgeophysicalprospectinganddevelopmentofeastandsouthsea;Aeromagneticsurveyanditsinterpretation;Interpretationofsatelliteimagesanditsapplicationsingeophysics;Hypocenterphysicsandresearchesoffracturemechanicsofearthmedia;DevelopmentandusageofgeothermalinChina;Deepstructuresandgeodynamicsofcrustanduppermantle;Earthquakepredictionandprecaution.石油勘探新技術、新方法的應用；中國沿海物探遠景規(guī)劃與東海南海開發(fā)；航空磁測及解釋；衛(wèi)星圖像判讀及其在地球物理學中的應用；震源物理及地殼介質(zhì)的破裂力學研究；中國地熱的開發(fā)和利用；地殼上地幔深部構(gòu)造與動力學研究；地震預報與預防等。2020/12/18122地球物理學雖然與其他學科有著密切聯(lián)系，但是它們有著質(zhì)的區(qū)別。一、反演方法（inversion)地球物理學是用儀器在地表面或極淺部進行觀測的，那么如何使用這些大量的資料了解地下的情況呢？“上天容易入地難”，我們可以根據(jù)地表觀測的資料（地震波、電磁場、密度、熱流值等），反推地下的情況，這在地球物理上叫做反演或反問題（Inversionproblem）。反演的一個突出問題就是多解性(nonuniqueness)。造成多解性的原因主要有算法不穩(wěn)定，觀測誤差以及觀測資料十分有限等，減小多解性的方法就是盡量增加資料的約束，比如使用合理的初始和邊界條件、盡量結(jié)合多種地球物理方法的結(jié)果等。二、地球物理模型(geophysicalmodels)真實地球極為復雜，若不進行簡化，根本無法計算和研究。這就是地球物理研究中經(jīng)常使用的模型方法。地球模型就是以數(shù)學公式或數(shù)值形式表征某種地球物理性質(zhì)或規(guī)律，它是對復雜問題的合理抽象和高度簡化。根據(jù)研究問題的不同，即使對同一個研究對象也可以有不同的模型。比如對于地球的速度模型，從最初的三層模型（地殼、地幔、地核）、七層模型（從地面到地心，分為A~G層）、九層模型（Bullen’smodel），到最近的PREM模型等，說明隨著觀測水平和解釋方法的增加，模型也會不斷的改進和完善。Researc