工程地質模塊一

模塊1地球和地質作用010203地球概述地球的圈層地球的物理性質PART

ONEPART

TWOPART

THREE04地質作用PART

FOUR目錄CONTENTS01地球概述地球是宇宙中繞著太陽旋轉的橢圓形球體，根據衛(wèi)星軌道分析發(fā)現(xiàn)地球并不是一個標準的旋轉橢球體，其外形呈梨形（見圖），赤道半徑為6378.160km，極半徑為6356.755km，平均半徑為6371.229km。北極突出18.9km，南極凹進約30km，中緯度在北半球凹進、在南半球凸出。地球表面是高低不平的，而且差距較大，大致可以劃分為大陸和海洋兩部分，其中，海洋面積占70.7%，陸地面積占29.3%。大陸平均高出海平面0.86km，海底平均低于海平面3.7km。1.1地球概述02地球的圈層地球是一個演化的行星，從一個原始物質均一的球體，經分異演化成為具有圈層構造的行星。地球的圈層分為外部圈層和內部圈層。外部圈層可進一步劃分為三個基本圈層，即水圈、生物圈、大氣圈；內部圈層也可進一步劃分為三個基本圈層，即地殼、地幔和地核。1.2地球的圈層地球外部各圈層之間相互聯(lián)系、相互制約，形成人類賴以生存和發(fā)展的自然環(huán)境，如圖所示。1.2.1外部圈層1.水圈水圈是由地球表層水體構成的連續(xù)但不規(guī)則的圈層。水圈的水處于不間斷的循環(huán)運動之中，它包括海洋、冰川、江河、湖泊、沼澤和地下水等。水在運動的過程中與地表巖石相互作用，促進了各種地質現(xiàn)象的發(fā)育，改變了地貌特征。2.生物圈生物圈是地球表層生物及其生存環(huán)境的總稱，生物包括動物、植物和微生物。生物圈占有大氣圈的底部、水圈的全部和巖石圈的上部，它是大氣圈、水圈和巖石圈相互滲透、相互影響的結果，是最活躍的圈層。生物在其生命活動過程中，通過光合作用、新陳代謝等方式產生一系列的生物地質作用，以改變地殼表層物質的成分和結構；同時生物的繁衍活動和遺體的堆積，也為形成有用礦物提供了物質基礎。1.2.1外部圈層3.大氣圈大氣圈包圍著地球，它是由氣體和懸浮物組成的復雜系統(tǒng)，它的主要成分是N2和O2，提供生物需要的CO2和O2。它是地球自然環(huán)境的重要組成部分，對地貌形態(tài)的變化產生極大的影響。大氣圈又劃分為五個圈層，即對流層（厚度為16～18km）、平流層（從對流層頂?shù)郊s50km高空）、中間層（從平流層頂?shù)郊s85km高空）、熱層（從中間層頂?shù)?00～800km高空）、散逸層（從熱層頂?shù)酵鈱涌臻g）。風霜雨雪、云霧冰雹等天氣變化多發(fā)生在對流層內，平流層中存在的大量臭氧可以強烈吸收太陽紫外線，對生物形成天然保護。1.2.1外部圈層地球內部是由不同形態(tài)、不同物質的圈層構成的。由于人類對地球內部無法進行直接的觀察，因此對地球內部圈層的劃分主要是依據地震波在地球內部傳播速度的變化情況。根據對地震資料的研究，發(fā)現(xiàn)地球內部地震波的傳播速度在兩個深度上做跳躍式變化，這種現(xiàn)象反映出地球內部物質以這兩個深度作為分界面（不連續(xù)面），上分界面被稱為“莫霍界面”，下分界面被稱為“古登堡界面”。1.2.2內部圈層根據這兩個分界面，把地球內部構造分為地殼、地幔、地核三個圈層，如圖所示。各圈層的化學成分、密度、壓力、溫度等都各不相同，它們組成同心圓的圈層構造，同類物質大致在相同的深度。1.2.2內部圈層1.地殼（0～33km）在地球形成初期，由于元素衰變、外界行星撞擊等，地球的平均溫度高達2000℃，導致地球內部的大部分物質開始熔融，低熔點組分即較原始物質密度小者向上浮動，形成原始的地殼。地殼由堅硬的巖層和巖層風化后所形成的土層組成。地殼的平均密度為2.6～2.9g/cm3。組成地殼的物質主要是地球中比較輕的硅鎂和硅鋁等物質。地殼厚度極不均勻，大陸地殼的平均厚度為33km，我國青藏高原的地殼厚度達70km左右。大洋地殼的平均厚度為5～8km。地殼約占地球體積的0.5%，質量占地球質量的0.8%。地殼的上層為硅鎂層，相對密度為2.6～2.7g/cm3；地殼的下層為硅鋁層，相對密度為2.8～2.9g/cm3。地殼最薄處約為1.6km(在海底海溝溝底處)，而其最厚處則約為70km。1.2.2內部圈層地球形成至今有45億～46億年的歷史，其地殼部分則是后來才形成的。按地殼中所含放射性元素的衰減規(guī)律，目前測得的地殼年齡約為38億年。人類的工程活動目前仍限制在地殼的范圍之內。組成地殼的化學元素有百余種，但各元素的含量極不均勻，最主要的化學成分如表所示。1.2.2內部圈層2.地幔（33～2900km）地幔是介于地殼和地核之間的圈層，主要由鉻、鐵、鎳、二氧化硅等物質組成。地幔約占地球體積的83.3%，質量占地球質量的67.8%，是地球的主體部分。根據地震波速的變化，地幔分為上地幔和下地幔。上地幔的平均密度為3.5g/cm3，上地幔的物質成分可能與隕石相當，它們是由含F(xiàn)e、Mg多的硅酸鹽礦物組成，其主要是橄欖質超基性巖石。在上地幔上部60～250km存在一個由塑性物質組成的圈層，被稱為軟流層。按地熱增溫率推算，軟流層的溫度可達700～1300℃，是高溫熔融的巖漿發(fā)源地。1.2.2內部圈層在上地幔上部60～250km存在一個由塑性物質組成的圈層，被稱為軟流層。按地熱增溫率推算，軟流層的溫度可達700～1300℃，是高溫熔融的巖漿發(fā)源地。軟流圈以上的固體圈層(包括地殼及軟流圈以上的上地幔部分)為巖石圈，它具有剛性特性。巖石圈下因存在著溫度高、塑性大的軟流層而易于移動，地球表層的構造運動主要是在巖石圈范圍內進行的。根據地質學中的板塊構造學說，地殼是由若干塊相互獨立的巨大構造單元——“板塊”組合而成的。1.2.2內部圈層這些巨大的板塊被一些構造活動帶和轉換斷層分割開來，彼此之間又分別以不同的速度向不同的方向在地幔軟流層上緩慢漂移。目前認為，對全球構造的基本格局起主導作用的有六大板塊，即太平洋板塊、歐亞板塊、美洲板塊、非洲板塊、大洋洲板塊和南極洲板塊。1.2.2內部圈層下地幔在地表下1000～2900km，除硅酸鹽外，主要由鐵鎂氧化物和硫化物組成，物質比重也明顯增大，密度高達5.1g/cm3。一般認為，下地幔的化學成分與上地幔相似，物質呈固態(tài)，可能比上地幔含有更多的鐵。3.地核（大于2900km）鐵占地球質量的1/3，鐵的熔融和下沉形成地核。按地震波波速的分布，地核可分為外地核、內地核和過渡層三層。（2）內地核。內地核的厚度約為1216km，其主要成分是鐵、鎳等重金屬及其氧硫化物，平均密度約為12.9g/cm3，又叫鐵鎳核心，物質呈固體狀態(tài)。（1）外地核。外地核在地表以下2900～4642km，據推測可能是液態(tài)的，主要由熔融狀態(tài)的鐵、鎳混合物及少量硅、硫等輕元素組成，其平均密度約為10.5g/cm3。（3）過渡層。過渡層位于內地核和外地核之間，厚度約為515km，物質狀態(tài)從液態(tài)過渡到固態(tài)。1.2.2內部圈層03地球的物理性質地球的物理性質反映了地球內部的物質組成和結構特征，其物理性質主要如下：1.密度地球的密度是地球的質量與體積之比。根據地震資料得知，地球密度是隨著深度的加深而增大的，并且在地下若干深度處密度呈跳躍式變化。澳大利亞學者布倫推導的結果顯示：地殼表層的密度為2.7g/cm3，地下33km處為3.32g/cm3，大約2990km處密度由5.56g/cm3突增至9.98g/cm3，至6371km處達11.51g/cm3。1.3地球的物理性質2.重力重力是指地球對物體產生的引力和該物體隨地球自轉而引起的慣性離心力的合力。在赤道地心引力最小，離心力最大，故重力值最??；而在兩極附近重力值最大。重力加速度的變化范圍為g=9.78～9.83m/s2。重力加速度在地表為9.82m/s2，到下地幔的底部(2900km)達到最大值10.37m/s2。在地核中重力加速度開始迅速減小，到6000km深度時為1.26m/s2，到地球核心時達到零。1.3地球的物理性質3.地壓地壓是指地球內部的壓力，主要是靜壓力。它是由上覆巖石的重量引起的，且隨深度的增加而逐漸增大（見表）。地壓還包括由地殼運動引起的地應力。在各地區(qū)，由于當?shù)氐刭|條件的差異，具體地段的壓力可能較表列數(shù)據略有增減。1.3地球的物理性質4.地溫地溫又稱地熱，系指地球內部的熱量。地球的溫度有兩種情況：一種是地球外部的溫度，其熱力來自太陽輻射能；另一種是地球內部的溫度，其熱力來源于地球內部放射性元素衰變釋放的熱能，以及重力分異能、化學能和地球轉動能等。根據地溫的來源和分布，地下溫度帶可分為以下三層：1.3地球的物理性質（1）變溫帶。地表層不很深的部位，其平均深度大約為15m，溫度來自太陽輻射能。（2）常溫層。溫度與當?shù)氐某Ｄ昶骄鶞囟纫恢碌牡貛?。?）增溫層。常溫層以下，溫度來源于放射性元素衰變產生的熱能以及重力能、地球旋轉能轉化的熱量。地溫在100km深處大約為1300℃，這個溫度值恰恰是地幔上部玄武巖的熔點。地球上大部分地區(qū)，從常溫帶向下平均每加深100m，溫度升高3℃左右，這種每加深100m溫度增加的數(shù)值，叫作地熱增溫率或地溫梯度。由于各地地質構造、巖石導熱性能、巖漿活動、放射性元素的存在以及水文地質等因素的差異，不同地區(qū)的地熱增溫率是不同的。一個地區(qū)的實際地熱增溫率大于平均地熱增溫率時，稱該地區(qū)有地熱異常。地熱異常區(qū)蘊藏著豐富的熱水和蒸汽資源，是開發(fā)新能源的廣闊天地。1.3地球的物理性質（1）磁偏角。磁偏角是指地磁子午線與地理子午線之間的夾角。在我國大部分地區(qū)，地磁偏角的范圍為-10°～＋2°。（2）磁場強度。磁場強度是指地球上某一點單位磁極所受的磁力大小，一般隨緯度增高而增強。（3）磁傾角。磁傾角是指磁針與水平面的夾角。各地的磁傾角不一致。地質羅盤上磁針有一端往往捆有細銅絲，使磁針保持水平，以校正磁傾角的影響。5.地磁地球類似一個巨大的球形磁體，在它周圍存在著磁場，稱地磁。地磁場有磁南極和磁北極之分。公元前3世紀的戰(zhàn)國時期，我國就已利用磁性發(fā)明了指南儀器——司南。后來人們發(fā)現(xiàn)地磁極與地理極的位置是不一致的，兩者交角為11.5°。地磁的三要素如下：1.3地球的物理性質根據地磁三要素的分布規(guī)律可以計算出某地地磁三要素的理論值。但是，由于地下物質分布不均，某些地區(qū)實測數(shù)值與理論計算值不一致，這種現(xiàn)象叫地磁異常。因此，地磁異常的研究對查明深部地質構造和尋找鐵、鎳礦床有著特殊的意義。地磁場是隨時間變化的，地質歷史時期的磁場稱為古地磁場。引起地磁異常的原因，一方面是地下有磁性巖體或礦體存在；另一方面是地下巖層可能發(fā)生劇烈變位。通過對巖石中剩余磁性大小和方向的研究，可以追溯地質歷史時期地球磁場的特性、變化和磁極移動情況，對研究大規(guī)模的構造運動歷史、古氣候及探索地球起源有著重要意義。1.3地球的物理性質04地質作用在漫長的地質歷史發(fā)展中，地球一直處在不斷的運動、變化和發(fā)展之中，形成了不同的地表形態(tài)。有些地方因遭受擠壓而抬起形成高山，有些地方因凹陷下沉而形成海洋；高山不斷遭受剝蝕會被夷為平地，海洋又會不斷被泥土充填變成平原；堅硬巖石破碎成為松軟泥沙，而松軟泥沙不斷沉積壓密形成新的巖石。這種由于自然動力引起地球（主要是巖石圈和地幔）的物質組成、內部結構及地表形態(tài)發(fā)生變化的作用，稱為地質作用。由地質作用所引起的各種自然現(xiàn)象，稱為地質現(xiàn)象。引起地質作用的自然力，稱為地質營力。1.4地質作用少數(shù)地質作用表現(xiàn)為短暫而迅速，如地震、山洪、火山噴發(fā)等；而大多數(shù)的地質作用則表現(xiàn)為長期緩慢的改變，不易被察覺，但這種長期的地質作用經過長時間的累積往往會造成更為巨大的后果，如高山被剝蝕夷平、海洋被淤填等。例如，喜馬拉雅山地區(qū)在幾千萬年以前是一片汪洋，由于地殼不斷抬升才形成了現(xiàn)在的世界屋脊。1.4地質作用產生地質作用的地質營力的能量來源有來自地球內部的，稱為內能；有來自地球外部的，稱為外能。內能主要有地內熱能、重力能、地球旋轉能等；外能主要有太陽輻射熱、潮汐能和生物能等。1.4.1地質作用的能量來源1.內能（1）地內熱能。據計算，地內每年產生的總熱量與經地表每年散失的總熱量相抵后還有剩余，這部分剩余熱能便是巖漿活動和變質作用的主要能量來源。①放射性熱能是由地球內部的放射性元素蛻變而產生的。②重力分異產生的熱能是地球物質在地心引力作用下按不同比重發(fā)生分異的過程中，由釋放出的位能轉化成的熱能。1.4.1地質作用的能量來源③沖擊、壓縮產生的熱能是地球在由星際物質聚積而成的過程中，微星體高速沖擊地球時的巨大動能轉變而來的。另外，原始地球在自身重力作用下壓縮，體積逐漸收縮而產生壓縮熱。地球內部物質發(fā)生化學變化，結晶時會釋放熱，構造運動的機械能也可以轉為熱能。（2）重力能。重力能是地心引力給予物體的位能。（3）地球旋轉能。地球旋轉能是地球自轉產生的力給予地球表層物質的能。它包括離心力、離極力和科里奧利力。①離心力的大小隨緯度而異，兩極為零，赤道最大。地表離心力的水平力平行于地表相應點沿經向的切線，并指向低緯度，其大小在兩極和赤道均為零，在中緯度最大。②離極力的方向指向赤道，促成表層物質向赤道運動。③科里奧利力影響著地球表層物質沿緯向或經向的運動。1.4.1地質作用的能量來源（3）生物能。生物能是生命活動經過能量轉換而產生的能。其中，人類大規(guī)模改造自然的活動，更是重要的能的表現(xiàn)形式。（4）其他能源。地表還有來自外層空間的宇宙射線、隕石沖擊能，以及地表發(fā)生化學反應和結晶釋放的熱。2.外能（1）太陽輻射熱。太陽輻射熱是太陽向地球輸送的熱，其中60%被大氣、大陸和海洋吸收，成為大氣圈、水圈和生物圈賴以活動、發(fā)育，并相互進行物質、能量交換的主要能源，并由此產生了一系列外營力，如風、流水、冰川、波浪等。（2）潮汐能。潮汐能是因日、月對旋轉著的地球的各點的引力不斷變化而產生的能。在它的作用下，地球上的海水會發(fā)生潮汐現(xiàn)象。潮汐具有機械能，是海洋中的地質營力之一。1.4.1地質作用的能量來源根據地質作用的動力來源和作用部位的不同，可將地質作用分為內動力地質作用和外動力地質作用。內動力地質作用是由地球內部的能量引起的，且主要作用在地殼表層的地質作用，也稱為內力地質作用；外動力地質作用是由地球外部的能量引起的，且主要作用在巖石圈的地質作用，也稱為外力地質作用。按照地質作用的形式，還可以對地質作用做進一步劃分（見表，續(xù)表見下頁）。1.4.2地質作用的種類1.4.2地質作用的種類1.內動力地質作用的種類（1）構造作用。由地球內力引起的巖石圈（主要是地殼）的變形和變位，稱為構造運動，也稱為地殼運動所以，水平運動也被稱為造山運動。垂直運動常形成規(guī)模不等的隆起和凹陷，引起海侵、海退，導致海陸發(fā)生變化。按運動的方向，構造運動可以分為水平運動和垂