地球的物理性質(zhì)與圈層結(jié)構(gòu)

地球的物理性質(zhì)與圈層結(jié)構(gòu)第1頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一提示：

物理性質(zhì)和圈層結(jié)構(gòu)是互為因果的；

它們對地球的運(yùn)動和演化有決定性的制約作用；

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)略地學(xué)家是如何巧妙地揭開地球內(nèi)部奧秘的。第2頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一§1.地球的密度與彈性密度=質(zhì)量÷體積第3頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一若一頭大象的質(zhì)量以平均3t計(jì),則地球的質(zhì)量M=5.9472×1024t=1.984×1024即約等于2萬億兆頭大象第4頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一怎樣判斷地球是球體

第5頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一1．地球非嚴(yán)格的旋轉(zhuǎn)橢球體

2．地球內(nèi)部物質(zhì)分布是不均勻的

第6頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一地球的質(zhì)量及其計(jì)算密度=質(zhì)量÷體積質(zhì)量=體積×密度

牛頓定律：F=mg;G=fmM/r2

M=gr2/f如何求得地球半徑呢——幾何學(xué)常識+天文學(xué)測量

一段圓弧的長度與其對應(yīng)的圓心角成比例弧AB對應(yīng)的圓心角正是AB兩點(diǎn)對應(yīng)的天頂角

AB第7頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一求地球的引力常數(shù)

——附加引力法第8頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一根據(jù)體積和引力常數(shù)，計(jì)算出地球的平均密度為

5.516g/cm3

但實(shí)際測量卻發(fā)現(xiàn)，地表常見沉積巖的平均密度只有2.60g/cm3地表出露的花崗巖的密度為

2.85g/cm3第9頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一地球內(nèi)部密度的確定——地震波

原理——地震波通過不同密度介質(zhì)時(shí)的波速不同，在越過兩種不同介質(zhì)時(shí)還會發(fā)生折射現(xiàn)象ANB第10頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一經(jīng)驗(yàn)公式與結(jié)論：

=0.27Vp+1.07

地內(nèi)密度測量有三處突變，反映了密度（和物質(zhì)）的不連續(xù)；由地表到地心，密度依次遞增；

由橫波不能通過外核，推斷出外核是液態(tài)的。第11頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

彈性——變形與受力成正比；

塑性——外力消失后部分變形不能恢復(fù)；

粘性——外力消失后變形還可能繼續(xù)地球的彈—塑—粘性同一物體在不同的受力-變形條件下,可以分別表現(xiàn)出不同的物性.第12頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

海洋潮汐：日—月引力的結(jié)果

固體潮：同樣的原因作用于固體地球的結(jié)果

巖石褶皺：地殼的塑性變形表現(xiàn)

地球的彈—塑性及其轉(zhuǎn)動趨勢：月—地靠攏

地球的粘性：斯堪底那維亞冰后期的抬升第13頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一地球的振蕩與擺動

漲縮振蕩扭轉(zhuǎn)振蕩第14頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一§2.地球的重力場

地球的重力在不同地區(qū)，不同深度的部位都不相同；

在地球內(nèi)部，不同深度部位上的重力會受到不同因素的綜合影響；

在地心處，計(jì)算重力的公式與其它部位的計(jì)算有所不同。第15頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一地球的重力構(gòu)成

由于離心力只有重力的約1/300，故在一般情況下，多以重力近似代替引力第16頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一地球的重力分布

地表的重力分布:G地表=fmM/r2

G地表：離地心越遠(yuǎn)越小地下的重力分布：G地下=fmM/r2

G地下：大小看M，r2

誰占主導(dǎo)地心的重力計(jì)算：

第17頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一重力均衡模式重力均衡原理：

單位截面上的任一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，補(bǔ)償面以下的物質(zhì)處于均質(zhì)狀態(tài)．

第18頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一第19頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一地球的壓力

地球某處的壓力是由上覆地球物質(zhì)的重量產(chǎn)生的靜壓力。在地球表層、地殼和接近地心附近時(shí)壓力增長較平穩(wěn)，在下地幔和外核部分增長得較快。利用密度分布的規(guī)律來估算地球內(nèi)部的壓力狀況，以截面為1cm2的巖石柱作為壓力的計(jì)算表示法，可得到

第20頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

地磁場的特征，地磁場的起源和地磁場在地學(xué)中的應(yīng)用，是地球物理學(xué)領(lǐng)域中的三個(gè)基本問題§3.地球的磁場第21頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一地球的磁場

第22頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一地磁場的雙軸發(fā)電機(jī)模型

當(dāng)兩個(gè)圓盤在弱的外部磁場中旋轉(zhuǎn)時(shí)，與軸和外緣相交的兩根導(dǎo)線的回路中產(chǎn)生方向相反的兩種電流。這兩種電流形成磁場而極性相反。圓盤旋轉(zhuǎn)頻率的差異造成具有一種極性的場占優(yōu)勢；當(dāng)頻率比值改變時(shí)，便出現(xiàn)磁場反轉(zhuǎn)

第23頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一雙軸發(fā)電機(jī)由何組成？——外核對流及其理由居里點(diǎn)的限制；磁場變化的時(shí)間尺度

由固體（巖石）運(yùn)動形成的磁場不能有以天，年，百年等為時(shí)間尺度的變化，可以確定地球磁場不會與固體圈層有關(guān)。因此只能是外核的運(yùn)動造成的。

第24頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

磁場的存在會導(dǎo)致巖石發(fā)生磁化，而磁場的變化會在磁化的巖石中留下記錄。由于具有不同的剩磁特征，巖石成為研究古磁場的特殊“化石”。從對巖石的磁性、特別是對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。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。在地磁極與地球自轉(zhuǎn)極性一致的前提下，某地的磁傾角I可以由該點(diǎn)的緯度角θ

來確定。兩者之間的關(guān)系為古地磁與大陸漂移

第25頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一如果大陸是固定不動的，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)間流逝而發(fā)生的移動。理論上自轉(zhuǎn)極移動曲線只可能有一條，因此無論在哪個(gè)大陸上所確定的地球自轉(zhuǎn)極移動的曲線都應(yīng)該一致。但實(shí)際上，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，這只能是因?yàn)楦鞔箨懺l(fā)生過不同程度、不同方向的聚散和漂移所致。第26頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一磁極漂移與磁性倒轉(zhuǎn)事件

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，這一性質(zhì)被稱作地磁場的向西漂移。此外地磁場還有時(shí)間尺度更短的晝夜變化。

地磁極還出現(xiàn)過“反轉(zhuǎn)”即南、北極互相顛倒的現(xiàn)象。在距今大約100萬年前，地磁場的方向和現(xiàn)在完全相同。這一時(shí)期稱作地磁場的正向期。但在更早的時(shí)代，通過對巖石磁法研究的結(jié)果，其磁化方向多數(shù)與現(xiàn)代地磁場的方向相反，稱其為反向期。第27頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一四百萬年來的磁性倒轉(zhuǎn)事件

第28頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

地球從太陽吸收的能量每年大約為4.2×1024焦耳，超過地球上全部煤炭儲量完全燃燒后所能夠獲得的熱能的300倍。其中1/3左右的能量被大氣圈和地球表面反射掉，并直接分散到宇宙空間中去。剩下的2/3被地球表層系統(tǒng)吸收，再以各種方式轉(zhuǎn)化為地球演化所需的能源?！厍蚰芰坑型獠亢蛢?nèi)部兩個(gè)來源§4.地球內(nèi)部的能量第29頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一地球內(nèi)部的能量地球內(nèi)部熱能的來源問題尚無定論。一般認(rèn)為，由巖石中放射性元素衰變釋放的熱是地?zé)岬闹饕獊碓础＿@種熱能據(jù)估算可以達(dá)到每年2.14×1021焦耳。其次，因地球本身的重力作用過程也可以轉(zhuǎn)化出大量熱能，其總熱量可能十分接近于放射性熱能。此外，地球自轉(zhuǎn)的動能和地球物質(zhì)不斷進(jìn)行的化學(xué)作用等都可以產(chǎn)生大量熱能。第30頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一楔子：地球物理性質(zhì)的應(yīng)用

重力異常：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理論重力值。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)上還存在著顯著差異。這些都使得實(shí)測的重力值與理論值之間有明顯的偏離，在地學(xué)上稱之為重力異常。利用這一原理，可以通過發(fā)現(xiàn)各地的局部重力異常來進(jìn)行找礦和勘查地下地質(zhì)構(gòu)造。第31頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一地球的物理性質(zhì)

地球的質(zhì)量與密度

——半徑測量與引力計(jì)算地球的彈塑性與振動

——固體潮.橢球體與塑性變形

地球的重力場?重力均衡

——地表?深部?地心地球的磁場?古地磁學(xué)

——特征?起源?演化地球的能量物理性質(zhì)的應(yīng)用第32頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一§5.地球內(nèi)部圈層的

結(jié)構(gòu)與圈層耦合第33頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一地殼

莫霍面

軟流圈地幔古登堡面

地核地球的圈層結(jié)構(gòu)

水圈

生物圈大氣圈加熱，分異與分層是圈層形成的原因第34頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一非梨亦非球——“雞蛋”？地殼

地幔

地核

蛋殼

蛋白

蛋黃

第35頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一地球就是地球，是獨(dú)一無二，具有圈層結(jié)構(gòu)的地球雞蛋（cm）

長軸/短軸=5.5/4=1.375扁平率=(長-短)/長軸=0.273蛋殼：0.05——1/100蛋清：2——1/2.5蛋黃：2.7——1/1.7地球(km)

長軸/短軸=6378/6356=1.003扁平率=(長-短)/長軸=0.003地殼：33——1/200地幔：3000——1/2弱地核：3300——1/2強(qiáng)地球與雞蛋的比較

第36頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一第37頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一內(nèi)核差異旋轉(zhuǎn)

內(nèi)核中地震波傳播在沿自轉(zhuǎn)軸方向的波速要大于其它方向。內(nèi)核中地震波速的傳播是軸對稱各向異性的；該快軸與地球自轉(zhuǎn)軸不重合，且兩者夾角在不斷變化。

——快軸對于內(nèi)核自身在短期內(nèi)不應(yīng)有明顯的變化，故應(yīng)該是地核與整體地球之間存在著旋轉(zhuǎn)速度的差異。第38頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一地幔部分熔融

地幔部分熔融指地幔上部的部分巖石因受到復(fù)雜的地質(zhì)作用而發(fā)生部分熔解，顯示為高度可塑甚至液態(tài)的現(xiàn)象。動態(tài)模擬發(fā)現(xiàn)巖石流動應(yīng)力為20—100MPa．這大大降低了對地幔物質(zhì)的運(yùn)動限制,為地殼運(yùn)動的動力學(xué)提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)。第39頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一巖石圈板塊運(yùn)動——兩個(gè)證據(jù)引出了一個(gè)模型

第40頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

圈層耦合是當(dāng)今地球科學(xué)中一個(gè)熱點(diǎn)話題；

對圈層耦合的方式有多種不同的觀點(diǎn)；第41頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一第42頁，共44頁，2