地质学新进展-地球物质观.doc

29地质工程学科研究生学位课(地质学新进展)教案及讲义第二章 地球物质观教学目的 使学生掌握地球物质科学的基本概念和主要内容；使学生了解地球的圈层结构及其最新研究成果；使学生了解地球的物理和化学性质及其研究意义；使学生树立“地球是一个极不均一且高度活动的动态系统”的概念。教学重点 地球的物质组成，常见矿物和岩石的基本特征及其鉴别标志；地球的圈层结构及其形成与演化；地球的物理和化学性质，地球物理勘探与地球化学勘探；地球岩石圈变形的能量来源。教学步骤 课内安排10个学时，其中讲授4个学时，实习（标本鉴定与描述）4个学时（要求在课外再加4学时实习），课堂讨论2个学时。要求课外阅读相关文献资料，进一步加深对课堂所学内容的理解。参考文献陶世龙，万天丰，程捷.地球科学概论.北京：地质出版社.1999乐昌硕等.岩石学.北京：地质出版社.1989翟淳等.岩石学简明教程.北京：地质出版社.1987戈定夷等.矿物学简明教程.北京：地质出版社.1989曾融生.固体地球物理学.北京：科学出版社.1984地球物质科学是进年来提出的一门综合性边缘学科，它是在矿物学，岩石学，矿物物理学，岩石力学，地球化学和地球物理学等学科基础上发展起来的。它正在把地球科学家联合起来，运用现代物理学和化学的理论和实验技术，从物质的角度去研究地球，以便对重大的地球演化和动力学问题作出回答。一、地球的物质组成 宇宙是由物质组成的，元素，矿物，岩石是地球物质的三种基本存在形式。1. 元素化学元素在任何宇宙或地球化学系统中（如地球、大气圈、水圈、岩石圈）的平均含量称为丰度。通常把各元素在地壳中含量的百分比称为克拉克值，用重量百分数表示称为重量克拉克值，用原子百分数表示称为原子克拉克值。克拉克（1847-1931）是美国地质学家和化学家，经过40年对5159个岩石样品的化学分析，于1924年发表了第一份地壳元素丰度资料。其后几十年中，对地壳元素丰度几经修改补充。丰度和克拉克值通常用ppm 或g/t表示。克拉克值的研究结果显示出元素分布和分配存在以下规律： 地壳中元素分布具有明显的不均匀性。地壳中分布量大和分布量小的元素之间的克拉克值差别很大。按克拉克值递减的顺序排列，其次序为：O,Si,Al,Fe,Ca,Na,K,Mg,H,Ti,C,Cl.。前三种元素的总量占地壳元素的84.55%；前9种占99.18%；前13种占99.67%，其余80多种元素只占地壳总量的0.33%。下面这句话有助于记忆丰度最大的前8种元素的顺序：“Only Silly Artists In College Study Past Midnight”(oxygen, silicon, aluminum, iron, calcium, sodium, potassium, magnesium)唯艺院之痴者乃读以待旦。 元素丰度随原子序数增加而降低分布量大的元素一般接近周期表的开始，随着原子序数的增大，克拉克值一般越来越小。 地壳中偶数元素与奇数元素的分布量不同地壳中偶数元素的分布量高于奇数元素，并且相邻元素之间偶数元素的分布量一般高于奇数元素，稀土元素无例外地符合这一规则。 元素在时间和空间上分配不均匀其突出表现在一些成矿元素呈条带状分布，相对密集。例如，太平洋内带（Kz褶皱带）主要密集亲铜元素，如Cu、Pb、Zn、Ag、Bi（铋）、Sb（锑）、Au等；太平洋外带（Mz褶皱带）主要密集亲石元素，如W、Sn、Li、Be（铍）、TR（稀土）、Nb（铌）、Ta（钽）等。 不同地史时期成矿元素的变化规律是：前寒武纪主要成矿元素有Pt、Fe、Ni、Co、Au、U以及亲铁元素，占这些元素储量的一半以上；古生代主要成矿元素为U、Co、Ni、Pb及Pb族，其次为W、Sn、Mo、Hg等；中生代主要成矿元素是W、S、Au、Sb等; 新生代则以Hg、Mo、Cu、Pb、Sb为主。中、新生带成矿元素为亲石元素。2. 矿物地壳中的化学元素少数以自然元素（天然单质）产出，大部分以化合物形式出现。由地质作用形成的天然单质或化合物就是组成岩石和矿石的基本单元-矿物。矿物具有相对固定的化学成分，绝大部分固态矿物具有在一定物化条件下稳定的内部结构和构造，因而不同矿物有不同的物理性质。已发现矿物有3000余种，被利用的只有200余种；60年代以来，已能合成百余种“人造矿物”。1） 矿物的物理性质（鉴别特征） 形态单晶：晶体生长不受空间限制集合体：受限制 颜色，光泽，条痕颜色：自色、它色、假色 条痕：矿物粉末的颜色，可消除假色，减弱它色 光泽：金属、半金属、非金属（金刚、玻璃）、油脂光泽、珍珠光泽、丝绢光泽、土状光泽、沥青光泽 硬度标准摩氏硬度计：滑石，石膏，方解石，萤石，磷灰石，长石，石英，黄玉，刚玉，金刚石。指甲（2.5），小刀（5.5），玻璃片（6.5） 解理与断口 其它比重、透明度、发光性、脆性、延展性、导电性、磁性等。2） 矿物的分类及常见矿物作业 观察、描述常见矿物标本，写出实习报告。 自然元素石墨（C）：六方晶系，铁黑色；不透明；条痕灰黑色；金属光泽；硬度1；一组极完全解理；手摸有滑感；常呈鳞片状或致密块状。金刚石（C）：等轴晶系；纯者无色透明，常因微量的杂质混入而呈蓝、黄、灰、黑等色；金刚光泽；硬度10；八面体完全解理；性脆；导热好，热膨胀系数小；常呈八面体状。石墨与金刚石为同素异形体。 硫化物黄铁矿（ FeS2）：颜色为浅黄铜色；条痕为黑色；金属光泽；硬度66.5；无解理；性脆，断口参差状。大多呈块状集合体。黄铜矿（CuFeS2）：颜色铜黄，条痕为黑色；金属光泽；硬度34，小刀能刻划；无解理；性脆；具导电性。常为致密块状或粒状集合体。黄铜矿以颜色较深且硬度小可与黄铁矿相区别。方铅矿(PbS)：铅灰色；不透明；条痕灰黑色；金属光泽；三组完全解理；具导电性；常呈立方体晶形，粒状集合体。闪锌矿：颜色自浅黄到棕黑色不等（因含Fe量增高而变深）；透明至半透明；条痕为白色到褐色；光泽自金刚光泽到半金属光泽；硬度34；六组完全解理；不导电。常为致密块状或粒状集合体。 卤化物 萤石（氟石）（ CaF2 ）：等轴晶系，八面体解理完全，紫外线照射或加热情况下易发萤光；颜色多样，常呈透明以及紫红、蓝、绿和黑紫等色，在暗处可见白色略呈蜡黄的磷光；白色条痕；玻璃光泽；硬度4；解理完全，易沿解理面破裂成八面体小块。常能形成块状、粒状集合体。石盐（NaCl）：等轴晶系，六面体结晶；无色，透明，或被杂质染成其他颜色；白色条痕；玻璃光泽；硬度2；三组立方完全解理。易溶于水，味咸。晶体呈立方体，集合体呈粒状。 氧化物及氢氧化物石英（SiO2 ）：三方晶系，六方柱及菱面体聚形。纯净的石英无色透明，有时因包裹体或杂质而呈乳白、紫、茶褐、黑、玫瑰等色；条痕白色；无解理，断口呈贝壳状；玻璃光泽，断口呈油脂光泽。常发育成单晶并形成晶簇，或成致密块状或粒状集合体。褐铁矿 （ Fe2O3.nH2O）：铁锈红色、黄褐色至黑褐色；条痕为黄褐色至红褐色；土状光泽；硬度变化大；很少见解理。常呈多孔状、土状等。磁铁矿（Fe3O4）：颜色为铁黑色；不透明；条痕为黑色。半金属至金属光泽；硬度5.56.5；无解理；有磁性。常为致密块状或粒状集合体，也常见八面体单晶。据其晶形、黑色、条痕黑和强磁性可与其他矿物区分。 含氧盐磷酸盐磷灰石（ Ca5PO43F,Cl.OH）：六方晶系，六方柱状或针状。纯净磷灰石为无色或白色，少见。一般呈黄绿色。可以出现蓝色、紫色及玫瑰红色等；透明；白色条痕；玻璃光泽；硬度5；不完全解理，断口参差状，断面为油脂光泽。常为六方柱状之单晶，集合体为块状、粒状、肾状及结核状等。用含钼酸铵的硝酸溶液滴在磷灰石上，有黄色沉淀（磷钼酸铵）析出，是鉴别磷灰石的重要方法。硫酸盐石膏 （CaSO4.2H2O）：单斜晶系，为无色或白色,有时透明；白色条痕；玻璃光泽，纤维状石膏为丝绢光泽；硬度2；极完全解理，易沿解理面劈开成薄片，薄片具挠性。单晶体常为板状。集合体为块状、粒状及纤维状等。碳酸盐 方解石 （ CaCO3）：菱面体，三方晶系，纯净的方解石无色透明。因杂质渗入而常呈白、灰、黄、浅红（含Co、Mn）、绿（含Cu）、蓝（含Cu）等色。白色条痕；玻璃光泽；硬度3；三组完全解理，易沿解理面分裂成为菱面体。常发育成单晶，或晶簇、粒状、块状、纤维状及钟乳状等集合体。遇盐酸起泡。 白云石 （ CaMg(CO3)2）：三方晶系，灰白色，一般为白色，因含Fe常呈褐色；白色条痕；玻璃光泽；硬度3.54；完全解理。单晶为菱面体，晶面常弯曲，通常为块状或粒状集合体。硅酸盐正（钾）长石 （KAlSi3O8）：肉红色，白色；透明；白色条痕；硬度6；二组正交解理；晶体常呈短柱或厚板状，集合体呈粒状。 斜长石 （NaAlSi3O3-CaAl2Si2O8）：白色，灰白色；透明；白色条痕；硬度6-6.5；二组不正交解理。晶体呈板状，集合体呈粒状。普通角闪石（Ca,Na,K）2(Mg,Fe,Al)5 (Si,Al)4O112OH2）：绿黑至黑色；透明条痕略带绿色；玻璃光泽；硬度5.5-6；两组完全解理。晶体呈长柱状。普通辉石（Ca,Mg,Fe,Al)2 (Si,Al)2O6：黑色或褐黑色；透明；白色条痕；玻璃光泽；硬度5-6；中等解理；晶形呈短柱状，断面呈八边形，集合体为粒状。橄榄石(Mg,Fe,)2 SiO4：浅黄绿到橄榄绿色，随含铁量增高而加深；透明；白色条痕；玻璃光泽。硬度6.57。不完全解理。常为粒状集合体。黑云母K(Mg,Fe)3 AlSi3O10OH，F2：常呈褐黑色、绿黑色、黑色；玻璃光泽；解理面为珍珠光泽；硬度2.5；极完全解理；薄片具弹性。晶形呈假六方板、短柱状；集合体呈片状或鳞片状。白云母KAl2 AlSi3O10OH2：无色透明或因含少量杂质而呈淡灰浅绿等色；解理面具珍珠光泽；硬度2.5；有平行片状方向的极完全解理，易撕成薄片，薄片具弹性。单晶体为短柱状及板状，横切面常为六边形。集合体为鳞片状，其中晶体细微者称为绢云母。3. 岩石在地质作用下产生，由一种或多种矿物有规律组合而成的矿物集合体称为岩石。纯洁的大理岩属单矿岩（方解石）花岗岩为复矿岩。根据岩石成因分为三大类。1） 岩浆岩（火成岩） l 成因l 产状：岩基、岩株、岩盘、岩盆、岩墙、岩脉l 分类表2.1 岩浆岩的分类岩浆岩侵入岩喷出岩(火山岩)SiO2含量深成岩浅成岩酸性岩类花岗岩花岗斑岩流纹岩65%中性岩类闪长岩闪长玢岩安山岩52-65%基性岩类辉长岩辉绿岩玄武岩45-52%超基性岩橄榄岩（苦橄玢岩）苦橄岩5mm显晶质结构（多见于侵入岩）中粒结构： 25mm；细粒结构：2mm隐晶质结构（多见于喷出岩）玻璃质结构：全部由非晶质矿物组成，由于熔浆迅速冷却形成的一种较均匀的玻璃状态物质。据矿物颗粒的相对大小：等粒结构：岩石中同种主要矿物颗粒大小大致相等。不等粒结构：岩石中同种主要矿物颗粒大小不等。斑状和似斑状结构：为不等粒结构的一种特殊类型。组成岩石的主要矿物颗粒大小相差悬殊，大者称斑晶，小者称基质；其中基质为隐晶质或玻璃质者称斑状结构；基质为显晶质者称似斑状结构。构造：是组成岩浆岩的矿物集合体之间的排列和充填方式所反映出来的形态特征。岩浆岩的构造除与岩浆本身的性质有关外，还取决于形成环境，常见的岩浆岩构造有：块状构造：矿物分布均匀，岩石致密，无孔洞，是侵入岩常见的构造。气孔构造和杏仁构造：是喷出岩常见的构造，如果岩石中分布有大小不同、分布不均的圆形或椭圆形孔洞称气孔构造，如气孔被钙质或硅质充填，称杏仁构造。这种构造是融浆冷却时，尚未溢出的气体保留在岩石中形成的。流纹构造：由不同颜色、不同成分或拉长的气孔定向排列表现出来的一种流动构造。是酸性喷出岩常见的构造。主要矿物：组成岩浆岩的矿物可分为浅色矿物和暗色矿物两类：石英、钾长石、斜长石；橄榄石、辉石、角闪石、黑云母鉴别标志：其矿物成分，结构和构造特点可区分。沉积岩形成条件：母岩风化剥蚀搬运沉积成岩脱水压实胶结（泥质、Ca质、Fe质、Si质）结构：碎屑、泥质、结晶、生物。构造：层理、层面构造。鉴别标志：主要矿物：母岩风化碎屑、风化形成的粘土矿物、沉积过程中的新生矿物（化学沉淀物）、 胶结物。变质岩形成条件：主要在固态下进行的，由内动力地质作用（物化条件变化）引起的，使岩石的成分、结构、构造发生一系列变化的作用。结构：变晶结构（矿物重结晶）、变余结构。构造：板状、千枚状、片状、片麻状。主要矿物：石榴子石、滑石、石墨、金云母、蛇纹石、绿泥石、刚玉等。二、地球的物理性质1. 地球的形态和大小自学2. 地球的重力与重力勘探重力g, 引力F，离心力P, 则：gFP=GMm/r2m2rg赤道978.0318伽 （伽即cm/s2）g南极983.2177伽 国际重力公式（1971年国际地球物理协会）：g=978.0318(1+0.0053024sin2-0.000059sin22)其中为地球纬度，几个常数据卫星轨迹研究和天文测量成果确定。此公式计算出的是平均状态下的地球所产生的重力场，称正常重力。由于地球物质分布不均匀，密度、地形等均有较大变化，实测重力值会偏离正常重力值，于是产生重力异常。经过高度校正、地形校正和测定点下标高内岩石重力校正得出的重力异常称为布格异常，计算式为：gbg0.3083hbg (毫伽)其中，h为海拔高度（m ），b 0.1119h+t （t 为地形校正因子，可查表得出；0.1119表示密度为2.67g/cm3的1m高岩石所产生的重力）。l 正异常l 负异常l 区域重力异常：大陆，大洋，山区，平原-地球内部结构l 局部重力异常：几几百km2 探矿 以区域重力异常作为标准值（背景值），区域内金属矿产分布区表现为局部重力正异常；煤、油、气分布区表现为局部重力负异常。3. 放射性与放射性勘探元素通过放出放射线（，）转变为另一种元素的性质称放射性。这种过程称衰变。具有放射性的元素称为放射性元素。放射性元素衰变一半所需要的时间是恒定的：比如，238U经过系列衰变后变成稳定的206Pb，10 g 238U 衰变之后只剩下5g时，需要44.98亿年；而1g238U衰变之后只剩下0.5g时同样需要44.98亿年。元素衰变有能量释放，地球内部放射性元素所产生的主要是热能放射热。放射热的主要来源是U、Th（钍）和钾的同位素40K。在花岗岩中含量较高，玄武岩中次之，橄榄岩中最小，上部圈层中高。放射性元素局部密集会产生放射性异常区，使用仪等仪器可寻找放射性矿床。4. 地温与地热流l 变温层（或外热层）：040m深度范围，昼夜、周年变化。l 常温层：不受太阳热变化影响。l 增温层：（或内热层）：受地球内部热能影响。l 地温梯度：3/100m （大陆）； 48/100m（大洋）l 地温级： x m/地内5080km以下：0.51.2 /100m；100km深处：地温不超过1500；在2900km处约2700；地心3200。l 地热流：单位时间内通过单位面积的热量：QKZ (Q 与 Z成正比，与增温方向相反)式中 Q热流，单位cal/cm2.s, 用HFU表示； K导热率； Z地温梯度。大陆、大洋热流平均值基本相等；洋脊热流高于海沟；太平洋热流高于大西洋和印度洋。l 地热来源： 地球的残余热按康德的观点，残余热按拉普拉斯观点，地内物质受压增温 地球位能降低产生的热能地球形成后，地内物质发生分异，轻物质上升，重物质下降，重力位能降低，产生大量热，使地球增温1500度。 放射性元素产生热量由于放射性元素的含量在地球上部比下部高，所以由它产生的热量主要密集在地球的上部圈层；40亿年前地球的放射热大约是现代的4倍，所以地球早期的岩浆活动比现在强烈得多。5. 地磁与磁法勘探1）磁场和地磁三要素l 磁场：有磁力作用的空间。地球是一个均匀磁化的球体，其形成的磁场是一个偶极子磁场（无穷小的，两极无限接近的磁铁称为磁偶极子，由此产生的磁场称偶极子磁场），其范围可延伸到100000km以上的高空。l 磁场强度：对一个单位磁极所作用的力(单位奥斯特(Oe) ,表示磁场对一个单位磁极所作用的力为1dyn时的磁场强度)。地球的磁场强度很弱，只有0.6 Oe ，在地球赤道处约为0.3 Oe ，在磁南极处约为0.7Oe。地磁轴是变动的，磁极是不断迁移的。l 磁偏角l 磁倾角2）地磁场变化和地磁异常地磁场变化即地磁三要素变化。l 短期变化：地外原因引起的日变化（场强变动几十毫伽（1毫伽=1/10 Oe），磁偏角变动几分）、年变化以及由太阳强烈活动引起的磁暴（强度变化几千毫伽，磁针摆动不止，无线电通讯中断，高纬地区出现极光，每年发生几十次持续几小时到几天）。l 长期变化：全球地磁场位置整体向南迁移，.年。l 地磁异常与磁法勘探正常值：全球基本地磁场数值，据航空磁测和卫星磁测所得数据经地面磁测校正得出。地磁异常：异常磁场使地磁要素偏离正常值。正异常：与磁铁矿、镍矿、铬矿、超基性岩浆岩有关；负异常：与低磁性或反磁性矿物和岩石有关，如金、铜、石油、盐、花岗岩等。3）古地磁l 古地磁场：在地史年代被磁性矿物记录下来的地磁场。l 热剩磁：冷却过程中获得的磁性记录；l 沉积剩磁：矿物沉积过程中获得的磁性记录。l 古地磁的研究意义：板块构造学说的依据之一。三、地球的圈层结构外地圈：大气圈，水圈，生物圈内地圈：地壳，地幔，地核1. 地内圈层的形成假说 逐渐凝聚说在星云冷却过程中，Fe、Ni凝聚成地核硅酸盐凝聚成地幔沸点较低的元素凝聚成岩石圈，需几百几千年。 后来分异说均匀的星际物质（固体）因放射热而局部熔融重力分异，需几百万年才开始分异，分异过程很慢，地核逐渐增大。地内圈层结构的形成时间大致在4640亿年前。2. 地内圈层的划分划分依据：地震波速度的变化地震波在任一点的传播速度和该点介质的体变模量（K）、介质密度（）、介质的切变模量（）有关：Vp=(K+4/3)/ （纵波）Vs=/p （横波）液体无反抗变形的能力，故Vs等于零，即横波不能通过液体和气体。地震波在地内传播速度发生突变的界面，称为地震不连续面。莫霍面深度为060km，平均35km，是地壳与地幔的分界；古登堡面深度约2900km，为地幔与地核的分界。表2.2 地内圈层结构和特点分层不继续面深度（半径）km位置深度km纵波速度km/s横波速度km/s密度g/cm3压力（大气压）地壳海平面（6371）地面5.53.22.710155.63.2康拉德面（6351）206.43.72.87.64.22.9莫霍面（6338）339000地幔上地幔地下50250有低速度带8.14.63.32807.84.53.371507.94.43.421908.14.4+3.472708.4+4.63.53拜尔勒面（5958）4138.975.03.6414000高里村高速层720（最深震源）2700090011.36.34.50雷波蒂面（5387）98411.426.34.6438200下地幔180012.56.85.132713.67.35.6013.647.35.66古登堡面（3471）29001368000地核外核速度降低8.19.71（1667）470311.73180000过渡层498010.412.0512011.215.0内核（1216）5154约16约330000052009.617.9（中心）637111.3约36000003. 内地圈的性质1）地壳l 硅铝层：花岗岩质层；l 硅镁层：玄武岩质层。l 大陆地壳：厚、高、轻、双层；l 大洋地壳：薄、低、重、单层。2）地幔由铁镁含量很高的硅酸盐类矿物组成。50250km之间的低速带软流圈。莫霍面是化学成分和晶体结构变化面（辉长岩榴辉岩），岩石圈与软流圈之间的物理状态是从硬到软的突变。3）地核l 成分：以Fe、Ni为主，含少量的S和Sil 物态：外核是流体，过度层和内核是固体）对壳、幔结构的新认识l 地壳双层结构三层结构俄罗斯在科拉半岛的超深钻在km深处未见康拉德面，而在1011km深度见弱化裂隙带，往往充填有流体，解释了低速层的存在。由速度参数将地层划分为三个速度层：上层（5.56.3km/s）相当于以前的花岗质层；中层（6.46.7km/s）部分地或全部地纳入“玄武岩质层”；下层（6.87.6km/s）过去归入“玄武质层”。在一些地区，地壳和上地幔内出现低速层、高速层或更为复杂的速度结构，其横向上被不同深度的断裂构造切割。一些地区的地震测深表明，莫霍面是一个厚达数千米的复杂高、低速互层的过渡带。l 上地幔分层结构模式也在改写之中地幔和地壳一样，也具有垂向和侧向的不均匀性。软流圈可能是不连续的，即使在连续的情况下，也可能有不同的性质。“地球是一个极不均一且高度活动的动态系统”。4. 地球外圈的形成原始大气成分主要是CO2和水汽及少量氨(NH3)、甲烷（CH4）、氯(Cl2)等，与现代火山喷出的气体成分相同。当地球形成以后，原始大气中的水汽凝成雨水降落地面形成原始海洋，剩余气体主要是CO2(与金星和火星的大气成分一致)。但现代大气成分并非如此（N占75%，O23%，CO2 占0.03%）。原因有二：一是大气中的一部分CO2溶于水中与a化合成石灰岩；二是陆上和洋中植物的光合作用摄取了一部分CO2 。此外，在成煤和石油时把析出而把留下了。因此，大气中的CO2大大减少，光合作用放出，大气中的增加，和NH3化合放出，使大气中的N2增加。 海洋水量占水圈总量的96.5%左右。海水来源于火山活动的水汽，海水量随火山活动的强弱变化。生物在海洋和大气形成以后才开始出现。在南非的年龄约32亿年的致密燧石层中发现的原始细菌被认为是地球上已知的最早生物，推断生物创始于35甚至40亿年前。原始大气和海洋中存在H、O、N、C，在太阳辐射、闪电、冲击波等作用下，由这些元素的简单化合物结合成更复杂的化合物，进而出现了生命。5. 地球外圈的划分和特征 地球外圈是根据物质性状划分的。1）大气圈上限在3000km以上，下限可达地下60100km，几乎全部集中在地面到100km高度范围内，其中有3/4又集中在地面到10km高度范围内。大气圈在1000km向外逐渐稀薄，过渡为宇宙气体，所以无明确的上界。l 大气成分：在100km高度以下的大气即“空气”，由18种气体组合而成；2 78.084，O2 20.946%，还有CO2、O3、H2O等。低层大气中除气体外还有大量微粒，它们是微小的气体和固体粒子，如土粒、盐粒、花粉和细菌。全国600多个城市，大气环境符合国家一级标准的有1/6。根据大气温度、密度等可将大气圈从上而下分为对流层、平流层、中间层、热成层和外逸层。l 对流层：从地面起到温度下降至最低处，其高度在赤道为18km，两极为9km，中纬度为10.5km。愈高气温愈低，大气降温率为/ km。一切气象现象均发生在对流层中。对流层的顶面叫对流层顶，气温至此降至最低，再向上温度回升。l 平流层：从对流层顶到50km高度的范围内，其顶面称平流层顶。平流层的厚度在赤道小于两极(与对流层相反)。气温随高度增加，甚至达0以上，说明它已不受红外辐射的影响。增温的原因主要是有臭氧的存在，特别是在2030km的范围内臭氧集中，大量吸收太阳的红外辐射，致使气温升高。平流层中大气主要呈水平流动。平流层顶只是一个气温转折的层面，其上为中间层，自此向上，温度又逐渐递减。大气圈在距地面300km的高度为电离子层(相当于中间层的顶面)。资料光明日报1999年有篇文章说：英独立报近日以“官方消息:天正从我们头顶上塌下来”为题报道了英国科学家的发现：自1958年以来，电离层距地面的高度已经降低了8.045km。这一现象非常敏感地反映了全球的环境的变化，极有可能是气候变暖趋势造成的。地面温度每上升23，就会使大气层上部的温度冷却50，从而导致大气压减弱，顶部高度降低。臭氧层吸收大量的太阳紫外线辐射，是地球生物圈的保护层。但近年来，臭氧层空洞的发现令人忧虑。2）水圈海洋水占96.538%，湖泊咸水和地下咸水占0.935%，大气水占0.001%，淡水占2.526%。在淡水中，冰川水占68.72%，地下淡水占30.07%，其它淡水占1.21%。在其它淡水中，永冻土底冰占71.0%，湖泊淡水占21.6%，土壤中含水占3.9%，沼泽水2.7%，河水0.5%，生物水0.3%。中国北方大部分地区属淡水资源缺乏或严重缺乏地区。我国水资源人均占有量为世界平均占有量的1/4。3）生物圈 地面以上10km，地面以下5km。l 全国原始森林每年减少5000km2；l 近20年来，全国约有200种植物灭绝；l 地球上每年热带雨林减少17万km2，约占总面积的0.9%；l 地球上每年约有7万km2的土地变成沙漠，100多种生物灭绝。四、地球的内能及地内物质运动从以上地球物质组成与分布可见，地球是极不均一的，因而也必然是高度活动的动态系统。正如恩格斯指出的那样：“运动是物质的存在方式，无论何时何地，都没有也不可能有没有运动的物质”。 是什么促使物质运动的呢? 太阳辐射能、生物能、日月引力能等均属“外能”。自学总结 地球岩石圈变形的“外能”。这里重点分析地球本身的能，即内能。1. 旋转能地球不停地旋转，使不同纬度上产生不同的离心力。赤道离心力最大，高纬度的物质向赤道附近运移而使赤道鼓了起来。据计算，地球所产生的旋转能有2.11026尔格。1996年，旅美学者宋小东在NATURE杂志发表论文，认为地核外有液态圈层，因此地球各圈层差异旋转，积聚旋转能，从而引起岩石圈变形。2. 重力能与地壳均衡密度较大的元素下沉组成地核，密度较小的元素则相对上升形成地幔和地壳。有人计算，仅Fe一种元素在重力作用下大量下沉时所释放的运动能(由于重力势能降低)转化为热能就有21037尔格。地球的重力能总计约有1038尔格。地壳均衡既不是一种力，也不是一种过程，而是地壳各部分之间建立一种重力平衡状态的普遍趋势。l 普拉特认为：地壳的底界是水平的，山体密度小，而平原密度大，山和平原都漂浮在密度更大的物质上面。l 艾利认为：山和低地下的岩石密度是一样的，山下面必须有山根，因而，地壳低界是不平的。l 现代观点：地壳在重力作用下，力求达到重力均衡。在山地和平原，为了补赏上部的质量剩余，莫霍面突向地幔；在大洋，为了补赏上部水体质量的不足，莫霍面抬升。在150km深度上所承受的上部压力大致相等。高山、高原地区，一般为重力负异常，这是因为剥蚀速度超过了地壳均衡调态的速度;在平原、海盆一般为重力正异常，因为沉积过快，均衡调整滞后了。3. 热能据估算，每年由地内放射性元素蜕变可释放出1.43.01021J。如果再加上因地球旋转和构造变动所产生的机械能、重力作用以及元素化学反应和岩浆结晶等各种自然变化所产生的能量，其总值大约为2.74.31021J。地球每年的热消耗(如热流)约为1.01021J。对比可见，“收入”大于“支出”，多余下来的热能使岩石圈局部熔化，成为产生岩浆活动和变质运动的主要能源。地内物质的热对流驱动板块运动。4. 结晶能和化学能地幔与地壳，上地幔与下地幔之间化学成分的转变和结晶相变所产生的结晶能与化学能、熔融岩浆冷却后结晶时产生的结晶能、岩浆作用与变形作用中进行的一系列化学反应产生的化学能，都可以转化成热能，使温度局部升高，甚至使物质融化。实验表明，固态Na与Cl2相互作用形成一克分子NaCl时，要释放出97.7大卡热量；FeS2氧化形成一克分子FeSO4时释放311.2大卡热量；FeSO4氧化形成一克分子Fe2(SO4)3时会释放43大卡热量。硬石膏水化形成一克分子石膏放出5大卡热量。按照相转换理论，地内物质在不同的温、压条件下将发生相转换。莫霍面即是由辉长岩向其致密化学相榴辉岩转化的相界面。这是一种固态-固态的相转换。相转换可引起地球深处的膨胀或收缩，从而导致地壳和浅层发生隆起或沉降。五、地化异常及其意义近代地质学把地球、地壳看成是物理作用下的化学体系，即不但要在矿物和岩石的水平上观察，而且要从元素和同位素的水平上去研究它们在地球尤其是在地壳中的分布、分配、迁移、富集和分散的规律及其运动的历史，这就是地球化学的研究领域。对地球和地外天体化学元素的比较研究，有助于探索天体的起源及解释地史时期的重大事件。例如撞击事件在地球化学上有明显的标志：一些易挥发组分(如Na等元素)有很大的丢失，而某些元素则相对密集形成异常。如有些陨石坑中铱元素含量大大超过地壳中的平均含量(0.1ppb以下)而达到几个ppb.资料 铁陨石的铱含量比地壳铱含量高约21044105倍；球粒陨石铱含量也要高约61032104倍；在意大利、西班牙等地K-R界限上的粘土层中，铱含量比背景值高20200倍。利用地球化学理论，研究成矿元素在地表和地下的区域性分布及时间上的变化规律，寻找地球化学异常，从而有效地指导找矿，这就是地球化学勘探的任务。六、地球物质状态研究新进展自学 材料：黄定华等.凝聚态地质问题.地学前缘.2000，7（2）：509516要求：写读书报告（1.凝聚态物理学的基本概念；2.凝聚态物理学的核心及其科学技术意义；3.用凝聚态思想和方法研究地质问题的可能性、可行性和必要性；4.典型的凝聚态地质问题；5.凝聚态地质学展望）七、地球物质科学研究的新进展第13届 V.M.Goldschmidt国际地球化学会议(简称 Goldschmidt 2003)于2003年9月712日在日本仓敷( Kurashiki)召开。会议内容反映了当前地球物质科学研究的前沿，涉及的内容十分广泛，从地球的圈层到行星宇宙 ,从生命的起源到岩浆和变质地球化学 ,从宏观到纳米举凡地球科学的重大问题无所不包。使我们可以了解到以下几方面的信息：1. 学科间融合的新动向当前地球科学正朝着地球系统科学的方向发展。岩石圈、水圈、大气圈和生物圈都是相互作用、相互关联的，所以学科间的相互融合，是地球物质科学深入发展的标志。如：生命科学与地球科学的融合。首先，地质微生物学的兴起。是地质学与生命科学的边缘领域，近年来发展迅速。国际地球化学学会主席、瑞士苏黎世高等工业学校( ETH)的 Mckenzie认为自从35亿年前早期生命出现以来，微生物的活动一直影响着地球的浅层岩石圈、水圈和大气层。微生物的活动调节着可溶性物质和气态物质，并使之转化为无机的矿物，如方解石、黄铁矿和磷酸盐，为地质历史中生命的活动提供了证据。此外，生命活动也导致多种同位素的分馏，如碳、硫、氮，以解释和示踪地球历史上生命的演化 ,从而可以利用地球化学和矿物学的标志去解释地质记录。生命的起源一直是地球科学不断探索的重要目标，通过深海和大陆的科学钻探计划 ( IODP和 ICDP)，生物圈的概念已经不仅仅限于地表，地下生物圈更是地球科学和生命科学的结合点。现今研究的特点是密切地球物质科学与生命科学的联系。目前正在进行的中国大陆科学钻探，也在 1068m深处的榴辉岩岩芯中发现了生存在极端条件下的微生物，为我国地下生物圈的研究提供了重要信息2. 行星和陨石行星和陨石地球化学一向受到广泛关注。次此会议的研究内容涉及各类陨石的同位素组成及矿物组合的演化。新墨西哥大学 Reedy等报道的火星的多元素图像。是奥德赛火星探测器在2002年初开始发送回来的，在火星的北极、南极都发现了H,推测在火星极地表层几米内有水存在。原始的光谱成果中发现还有 K、Th、Si、Fe,其 K、Th的含量是辉玻无球粒陨石 ( Shergotite,是含辉石和玻璃质的陨石 )的3倍， w( K) /w( Th)值与辉玻无球粒陨石相当，但有变化，可以说明其原生和次生变化过程；铁含量变化达 2倍 ,硅则变化较少。3. 矿物的晶内扩散作用与变质过程在变质的热演化过程中，矿物的晶内扩散作用会诱发成分环带的生成或使之发生某种变化，它将引起矿物年代计的重新调整。加拿大的 J.Ganguly通过对不列颠哥伦比亚的 Valhalla杂岩中石榴子石 Sm-Nd体系的研究，揭示出其峰期变质年龄为( 673) Ma和高温冷却速率，而后者与根据 Fe-Mg成分环带所求得的冷却速率一致；美国德州大学的 Carlson研究了 Llano隆起中经过复变质作用的石榴子石，其晶内扩散导致部分吸回的石榴子石中常量元素浓度梯度的产生 ,凡在吸回过程中优先进入晶体的元素 (如 Mn)富集于其边部，而那些优先进入变质反应的元素则从晶体中心向边部递减。所以，吸回的残余石榴子石中元素浓度变化的显著程度取决于吸回的速率和晶内扩散的速率。他用数值模拟的方法，模拟了这种吸回扩散过程，并获得了扩散系数的最优数值。4. 生命的起源和地球的演化法国的 Westall研究了澳大利亚的Pilbara和南非的 Barberton绿岩带，发现其中的热液硅化的火山碎屑沉积是浅水滨海相沉积，其表面有丛状的微生物化石，是一种群居的碳质微生物的化石，与现代的丝状菌、弧菌类和球样菌十分相似。这些微生物生活在水下或地面热水泉或热水喷口附近或者潮间带滨海蒸发环境。有一些菌丛生活在非常浅水的环境(透光带)，说明了一种垂直生长、趋光性或厌氧、光合作用的环境和行为。这些痕迹记录在 3500Ma的建造中，其起源可能在4000 Ma左右。总之，生命的起源一直是地球科学不断探索的重要目标，将生命科学研究成果应用