采矿地球物理学概论 第二章 地球物理基础.ppt

采矿地球物理学概论二 地球物理学简介 1 太阳系1 1太阳系太阳是银河系中众多恒星中的一颗 而银河系外尚有无数个河外星系 目前用最先进的天文望远镜能观察到100亿光年远的河外星系 太阳系包括太阳 九个行星和它们的卫星 数以万计的小行星 数十亿的慧星 无数的陨石以及巨量的尘埃和气体 第一节地球概述 哥白尼 1473 1543 以前 地球被认为是宇宙的中心 哥白尼提出地球和其它行星围绕太阳而转动的日心说理论 并且被伽利略 l564 1642 的天文观测所证实 开普勒 l571 1630 发现了行星运动的三个规律 1 行星围绕太阳在一椭圆形轨道 实际上是接近于正圆形 上运行 太阳为椭圆的一个焦点 2 行星在轨道上运行有一定规律 当靠近太阳时 运行速度就变快 当远离太阳时 运行速度就变慢 3 行星的旋转周期取决于行星与太阳的距离 距离太阳越远 行星旋转的越慢 牛顿发现了万有引力定律 从理论上证明了开普勒定律 准确地解释行星运动的规律 后来发现观测的天王星位置与计算的数据不符 亚当 Adams 18l9 1892 和李维利厄 LeVerrier 1811 1877 都认为这是由于另一个行星的引力所产生的影响 他们计算了该行星的位置 这就是后来在l846年用望远镜观测到的海王星 太阳系 行星 按其与太阳的距离 其顺序依次为水星 金星 地球 火星 木星 土星 天王星 海王星和冥王星 此外 行星 主要指大行星 的周围还有一些卫星 卫星的运转与这些行星围绕太阳的运转一样 木星卫星 土星卫星 天王星卫星 海王星卫星 1 轨道的规律性行星都以同一方向围绕太阳旋转 而且在自转方向与太阳 致 金星和天王星例外 通常称为同向性 行星的偏心率都很小 运行轨道都接近圆形 通常称为近圆性 行星的轨道均位于大约与太阳的赤道面成6 倾斜的同一平面上 通常称为共面性 太阳系的规律 2 轨道半径的规律性行星轨道半径遵循一定的规律 即所谓波特 Bode 定律 如以天文单位表示行星到太阳的距离 则行星轨道半径为rn 0 4 0 3 2n式中 n是行星距太阳的序数 水星的n为 金星的n为0 地球的n为l 其余类推 表2 1太阳系内一些星球的天文数据 注释 1 一个天文单位是地球到太阳的平均距离 为149598000km 地球到月球的平均距离为384403km 2 黄道面是地球绕日轨道的平面 3 地球的质量为5 975 1027g 记为1 0123单位 用它计算各星体的质量 返回 表2 2行星轨道半径值 3 质量和密度的分布规律性行星的大小和质量分布是两头小 中间大 即类地行星和远日行星小 巨行星大 内行星的平均密度较大 为4 0 5 5g cm3 其主要成分是铁 硅 氧 锰 硫 镍等 外行星的平均密度很小 约为0 7 1 6g cm3 所以估计是由轻的气体元素如氢 氦等组成 并且挥发物质丰富 4 自转规律太阳的自转呈现表面 赤道加速 现象 即自转速度随纬度增加而递减 在赤道处自转最快 与其质量相比 太阳的自转速度太慢 太阳系中星体的自转规律也可用角动量 转动惯量 角速度 的分配来描述 太阳的质量占了整个太阳系质量的99 9 但其角动量还不到整个太阳系的2 绝大部分角动量都分配到了行星上 1 2太阳系的起源演化论或一元论 演化论或一元论的太阳系起源模式 是假设太阳和行星形成于同一尘埃和气体云 星云 行星是恒星形成过程中必然的伴生物 这个形成过程是缓慢且连续不断的 灾变论或二元论 灾变论或二元论的模式 则设想行星形成于太阳之后 是由于第二个或第三个星体 通常是另一个恒星 的卷入而产生的某种灾变 或者是一些意外事件的结果 这个第二或第三星体从太阳中将物质带出来 再由这些物质形成行星 A 原始状态 稀薄的星际物质与气体 B 引力使得气体在云中心会聚 C 初始核子反映在云中心产生巨大的热 太阳出现 D 不同地方的星际物质在不同地方会聚产生九大行星 太阳系的形成 2 地球的年龄地球上已知最老的岩石 石英岩 一种由石英颗粒组成的沉积岩 后来遭受过温度 压力条件变化 出露于澳大利亚西南部 根据其中所含矿物 锆石 的形成年龄测定 证明已有41 42亿年历史 根据地质学研究 这种岩石和矿物只能来自地壳的硅铝质部分 而且必需经过地表水流的搬运 簸选和沉积 所以我们可以据此作出推论 地球的圈层分异在距今42亿年前已经完成 2 1放射性衰变规律研究岩石和矿物的放射性 在地质学和地球物理学的许多方面是很重要的 放射性衰变所产生的热可能是确定地球内部热学条件最重要的因素 某些元素的放射性衰变率为测定地质事件的年龄 特别是地壳中岩石形成的时代 提供了强有力的手段 由于所有岩石几乎都含有微量的放射性元素 因此可以应用放射性测量法来勘查放射性矿产资源及解决其它各类地质问题 在自然界 某些元素的原子核能够在不受外界条件影响下 自发地变成另 种元素的原子核 同时发射出射线 这种现象叫做放射性衰变 这种不依靠外力而自发衰变的元素天然放射性元素 所有原子序数Z 83的元素的同位素 也包括 些较轻元素的同位素 均为天然放射性元素 自然界中的所有元素经过人为地用放射性元素照射后 都能显示出放射性的能力 具有这种放射性能力的元素叫做人工放射性元素 或者叫做人工放射性同位素 放射性元素的衰变规律是 每单位时间所衰变的原子数目与压力 温度等外部条例无关 仅与当时存在的衰变原子的数目成正比 设当时的原子数目为N 则dN dt N 2 2 这个方程式的解为N N0e t 2 3 其中N0是t 0时所存在的原子数目 系数 称为衰变常数 它反映了不同放射性元素的衰变特性 式 2 3 表明了放射性元素的衰变规律 在放射性衰变过程中 原子数目是按指数规律减少的 不同的放射性元素具有不同的 其值越大 衰减的越快 若令放射性元素的平均寿命为T 则 2 4 所以衰变常数等于衰变原子平均寿命的倒数 常用来表示衰变速率的量是半衰期 其涵义是原子数衰变到原来数目的一半所需要的时间 用符号T1 2来表示 由式 2 3 可导出T1 2与 之间的关系T1 2 Ln2 0 6931 2 5 上式表明 放射性元素的T1 2越大 其衰变的越慢 通常认为原子数衰变到原来数目的千分之一时 放射性衰变就结束了 这段时间大约为半衰期的十倍 铀的放射性同位素U 238和U 235 通过放射性同位素的衰变曲线确定岩石年龄 2 2岩石的放射性自然界中 几乎所有的岩石和矿物均含有一定数量的放射性元素 各种岩石都有微弱的放射性 起初把这种放射性完全归因于微量的铀和钍以及它们的放射性衰变产物 后来研究表明 钾的一种同位素 40K 也是放射性的 由于钾本身在地壳中赋存十分普遍 它对岩石放射性产生极重要的影响 2 3地球年龄在放射性现象发现之前 开尔芬 Kelvin 和大多数物理学家认为地球的年龄不过几千万年 然而地质学家们相信地球的年龄是几亿年 如果不是岩石的放射性提供了决定性的答案 关于地球年龄的争论也许现在还没有结束 表2 3一些最古老的岩石年龄 2 3地球年龄 铀和钍经过衰变只能形成206Pb 207Pb和208Pb 但含铅矿物中还存在非放射性的铅同位素204Pb 它与放射性来源的铅的比值随着时间而减小 直到某个时期 铅分离成铅矿或形成其它不含铀 钍的矿物时 这些比值就不再变化了 铅与铀 钍并存的时间越长 这些比值就越小 反过来 若铅矿越老 这些比值也越大 实测的结果也证明了这一点 估算地球年龄的地球初期情况的假设 1 在地球形成的初期 各种铅同位素的比值在各处都是相同的 2 从某时起 地球不同区域的铀 钍和铅部各有特征性的比值 这些比值只能随着放射性元素的衰变而改变 3 在以后的某个时期 含铅矿或其它不含铀 钍的铅矿分离出来 铅同位素的比值就不再变化 4 铅与铀 钍分离或成矿的时间可以独立地测定 例如测定其它附属矿物的年龄等 应该指出利用放射性元素衰变测定的地球年龄 是指某系中母体和子体没有互相进出时 即成为封闭系统以后到现在的时间 因此 所测定地球的年龄不是从宇宙尘埃开始集聚算起 而是从地球形成了地核和地慢以后到现在为止的时间 2 4地质年代的划分 续表2 4地质年代表 我们应该注意到前寒武纪的持续时间很长 大约40亿年 这段时间相当于地球年龄的87 放射性年代学的重要贡献之一就是在没有化石存在的前寒武纪岩石中测定地质事件的年龄 年龄测定的方法提供了这样的基础 可以把大陆的前寒武纪地区划分成一些部分 每部分都有自己构造活动的特征年龄 在许多大陆的古老地盾中 发现不少岩浆岩和沉积岩 其年龄约为25 28亿年 它表明在这段时间内 地壳十分活动 25亿年通常作为太古代和元古代的界限 岩石年龄测定的结果还说明 在10亿年及18亿年前 也有全球性的地壳活动存在 它们分别对应于中元古代的上下界限 2 5地壳的演化岩石放射性同位素的测定还能够阐明地壳的演化 由图2 1可知 不同年代的地幔岩石 其初始锶同位素比值87Sr0 86Sr自46亿年前的0 699缓慢地增加到现在的0 704 这是由于87Rb逐渐衰变为87Sr的结果 通常地壳中较年青的岩石 其87Sr0 86Sr比值一般较高 且变化梯度较大 这是由于上地幔在某一年代 如30亿年前 经历了变质 变质后的87Sr0 86Sr比值与变质前不同 87Sr0 86Sr比值将不按直线A增加 如果在10亿年前 这种矿物又遇到新的变质 其87Sr0 86Sr比值又会改变 它不是按直线B而是按直线C增加 变质的情况有所不同 因此会有不同斜率的直线C存在 但是它们都在同一点上与直线B相交 与直线A相交的岩石很可能属于幔源性质 而不与直线A相交的岩石则不是幔源的 图2 1伽 锶法研究矿物的演化历史 地质历史时期的生物进化 地球的平动 在宇宙空间中 地球随太阳系不停地向前运动 称为地球的平动 地球的进动 由于日 月对地球赤道凸出部分的吸引力随日 月位置而变化 在它们的作用下 地球转动轴在空间的取向发生变化 称为地球的进动 地球的章动 地球作为一个整体也相当于转动轴在摆动 称为地球的章动 3 地球的转动 3 1地球的自转地球自转是一种旋转运动 在赤道上自转线速度为465m s 自转方向是由西向东 地球的自转轴叫做地轴 地轴和地球表面的两个交点叫做地极 即南极和北极 地球不但自转 而且绕太阳公转 公转的轨道是椭圆的 所以太阳日在一年中不是等长的 取其一年的平均值 就得到一平均太阳日 这就是日常生活中所用的日 每日有86400平均太阳秒 但在天文观测中仍用恒星时 如果用24h表示太阳日的长度 则恒星日的长度为23h56min 太阳日的长度为24h50min 3 2地球的公转地球绕太阳公转的轨道是个接近正圆的椭圆 轨道全长是939120000km 长半轴a 149600000km 短半轴b 149578630km 半焦距c 2500000km 地球轨道的扁率 a b a和扁心率c a分别为l 7000和1 60 地球公转线速度约为30km s 角速度为每日99 由于太阳位于地球公转轨道的一个焦点上 因此日地距离的变化以一年为周期 如图2 2所示 每年1月经过近日点 7月经过远日点 图2 2日地距离和公转速度的周年变化 数字表示月份 地球绕太阳公转的轨道面称为黄道面 图2 3 由于赤道面与黄道面并不平行 它们之间的夹角为23 5 因此地球在黄道上绕太阳公转时太阳光直射地面的位置就会周期性的变化 太阳由南向北通过赤道的时间就是春分 太阳由北向南通过赤道的时间就是秋分 同理 太阳通过北回归线和南回归线的时间就是夏至和冬至 此时地球在黄道上的位置就是夏至点和冬至点 地球绕太阳一周的时间叫做一年 若以恒星为标准 这段时间叫做一恒星年 它有365 25636个平均太阳日 每百年约增加0 01s 这是地球公转的真正周期 若以春分点为标准 每百年约减少0 53s 因为季节变化取决于太阳相对于春分点的位置 所以民用和纪年一般都采用回归年 图2 3地球绕太阳运动 3 3地球的平动太阳除本身的自转外 也带着它的行星族 包括地球 以约20km s的速度向织女星方向前进 地球随整个太阳系在宇宙太空中不停地向前运动 即所谓平动 太阳系 包括地球 随着它周围的恒星群以大约30km s的速度绕银河系的质心旋转 其转动周期大约是250000000年 而银河系本身又正以大约600km s的速度向长蛇星座运动 3 4地球的进动由于旋转 地球的形态象一个扁球体 赤道附近向外凸出 而太阳和月球对此凸出部分的吸引力使地轴绕黄轴 黄道面的法线 转动 其方向与自转方向相反 即由东向西 图2 4 这种地球在运动过程中 地轴方向发生的运动叫做地球的进动 图2 4地球的进动及其周期a 公元前12900年 b 公元0年 c 公元12900年 由于地轴的不断进动 所以其指向也在发生极其微小的变化 现在它指向北极星 公元13600年 它就会指向织女星 如图2 5所示 地球进动的另一后果是赤道平面的位置也会相应地发生变化 其结果将导致春分 秋分 夏至 冬至四个点的改变 它们在黄道上也以每年50 26的速度向西进动着 图2 5北极星的变迁 3 5地球的章动太阳每年两次通过赤道 月球每月两次通过赤道 因而作用到地球上的引力十分复杂 由于这个缘故 在地轴长期旋进的过程中 又在它平均值的位置上附加了一个短周期的摆动 其主要部分的周期为18 6年 也就是说 地球转动轴在空间的运动不能简单地描述为沿一平滑圆锥面上的转动 地轴以很小的振幅在锥面内 外摆动 地球的这种运动叫章动 1 地球形状到17世纪才察觉到地球并非正圆 而是扁圆的 现代大地测量学上所谓的地球形状是指一个理论曲面的形状 这个曲面叫做大地水准面 它的定义就是平均海洋平面最逼近的那个重力等位面 实际上 它在海洋上与平均海面重合 但在大陆地区 它的一部分可能切入地下 因此从全球看 大地水准面并不是完全包在地球外面 而在某些地方被假想 海面 所覆盖 第二节地球的形状 由力学知识可知 地球的自引力是造成地球形状的唯一因素 如果没有其它外力的影响 地球只能是正球体 但是自转却使得地球变成一个扁球体 赤道半径为6378km 极向半径为6357km 如果没有其它因素的影响 地球会是一个标准的扁球体 但地球不是一个回转扁球体 它的纬线 包括赤道 不是严格的正圆 经线也不是真正的椭圆 地球的南北半径并不对称 其几何中心并不位于赤道平面 北半球较细 较长 南半球较粗 较短 如图2 6所示 图2 6大地水准面对参考扁球体的偏离 月球表面上看到的地球 2 地球表面形态地球表面最大的两个构造单元是大陆和海洋 海平面以上的大陆部分占地表面积的29 2 如果考虑包围大陆的大陆架 这一比例可增加到35 陆地表面形态的变化范围可从最低 392m的洼地到最高8848m的山峰 但平均高度不足1000m 海底地形也不平坦 有高达几千米 绵延几万公里的峻峭海岭 也有海底峡谷 高地 平顶山 珊瑚岛 深海沟等 海洋的平均深度稍小于3 8km 大陆与海洋之间的过渡带可分为活动的与不活动的两类 不活动的大陆边缘同海洋扩张有关 大陆边缘处常有大陆架和大陆坡 大陆架是由海岸线向海洋中延伸直到200m左右的坡度平缓的地带 海水下面的地壳性质和大陆是相同的 所以大陆架应是大陆的一部分 由大陆架再往深海延伸 海底的坡度突然增加 陡度大于1 l0 在不到50km的宽度内就达到深海 这个地带称做大陆坡 活动的大陆边缘同海底 如太平洋 扩张有关 在大陆边缘以外存在着深海沟 海沟与大陆之间则有岛弧或边缘山脉 大陆架在此处很窄或不存在 而岛弧所包围的海域可能很大 如日本海 深海沟是极重要的一种地表形态 大多数在太平洋 其它各洋较少 海沟最深处约为10000 11000m 位于西太平洋 3 地球内部构造 地球内部 根据地震波可以将其划分为 地壳 地幔和地核 3 1地球内部的分层根据地震波走时资料 可以计算地球内部P波和S波速度随深度的分布 它们是地球内部分层的最主要的依据 地球内部的其它物性参数大多是利用速度资料推导出来的 这里给出杰弗里斯 Jeffreys 1939 和古登堡 Guten bery 1957 计算的地球内部的速度分布 见图2 7 图2 7杰弗里斯和古登堡的地球内部的速度分布 1963年 布伦 Bullen 根据不同深度地震波速度的特征 把地球内部分为A B C D E F G七层 A层相当于地壳 B C D三层为地幔 E F G三层属地核 后来他又根据新的资料把D层分成D 和D 两层 见表2 5 这些分界面均位于速度或速度梯度有明显变化的部位 应该指出 上述这种划分是非常粗略的 现代的地球模型远比这详细和科学 但布伦的分层模式一直沿用至今 表2 5布伦的地球内部分层 返回 3 2地壳地壳是1909年莫霍洛维契奇 Mohorovicic 首先发现的 他在近地震观测中 发现地下几十公里的深处 存在着一个地震波速度的间断面 P波速度由界面上方的6 2km s增加到8 1km s左右 这个间断面以后就称为莫霍面 或M面 莫霍面以上的介质称为地壳 以下的介质称为地幔 地壳的构造很复杂而且厚度也不均匀 大陆下面的厚度为30 50km 最厚可达70km以上 如我国青藏高原 而海洋下面的地壳只有5 8km厚 莫霍面是一个显著的全球性间断面 但在有些地区 M面不明显 这个现象和海底扩张有关 在大陆地区 有些地方在M面之上还有一个间断面 叫做康拉德面 或C面 它将地壳分成两层 上层中的P波速度约为5 9 6 3km s 下层中的速度约为6 5 7 6km s 地球内部波速圈层厚度 可见一低速区 3 3地幔从莫霍面到地下2900km深处这一层被称之为地幔 地幔又可分为上地幔和下地幔两个部分 人们将上部由地壳基底至约400km深度的B层叫做上地幔 而把400 1000km间的C层叫做过渡层 在B层上部存在着一个低速层 这个低速层有人把它称为软流圈 在低速层的上部是岩石圈 也有人把B层的岩石圈与地壳A层统称为岩石圈 软流圈和岩石圈 即A B 是产生地质构造的主要源地 因此某些地质学家把它们合称为构造圈 下地幔是指1000 2900km的D层 相对来说下地幔是比较均匀的 但底部约厚200km的D 层中 速度梯度接近于零 所以该层的介质是不均匀的 3 4地核从地幔向下直至地球的中心称为地核 将2900 4980km的E层称为外核 外核与地幔的分界面是另一个速度间断面 古登堡面 或G面 P波通过该面后 速度从13 6km s突降到8 1km s 而S波进入外核后却不复存在 F层的深度范围是4980 5120km 是内外核的过渡带 G层也叫内核 其速度变化非常小 平均值约为11 2km s 近代研究表明 在内核中又出现S波 根据在液体中不存在S波这一基本事实 可知外核是液体 而内核是固体 由于横波不能通过液体 所以在液态核心出现一个横波屏蔽区 4 地球的成分虽然出露地表的岩石以沉积岩和变质岩为主 但地壳的主成分乃是火成岩 陆壳主要由富含二氧化硅和铝的花岗质岩石组成 洋壳主要由富铁镁的玄武质岩石组成 地壳主要由氧 硅 铝 铁 钙 镁 钠 钾等8种元素组成 它们占整个地壳重量的98 见表2 6 表2 6地球的平均成分 地球具有厚10 40km由富硅的硅酸盐岩石组成的地壳 其密度约为2 8g cm3 地幔被认为是类似于橄榄岩 超镁铁岩 的富镁铁硅酸盐所组成 在地幔之下是地核 主要由铁组成 地壳仅占地球体积的0 8 左右 地幔约占83 地核约占16 然而地核密度大 其质量约占地球质量的31 地幔为68 5 左右 地壳仅约0 5 原始的地球被一层浓厚的气体 主要是氢 氦 包围着 由于陨石物质的冲击 放射性物质的衰变生热及原始地球的重力收缩使得地球的温度升高 加上来自太阳的辐射能量 气体分子的动力增大 地球的引力不足以吸引它们 因此 这些质轻的气体分子很快地逃离地球的引力场 散逸到宇宙空间去了 所以地球的幼年时代 它的表面是光秃秃的 没有山脉也没有海洋 这个时期持续了约十亿年 地质学家把地球的这次脱气称为第一次脱气 5 地球的演化 由于地球温度升高 致使物质发生熔化 熔化后的物质呈液态 易于对流 在地球重力的作用下 密度大的铁镍物质下沉形成地核 密度小的硅酸盐物质上升成为地表 早期形成的放射性元素 使得地球内部的温度越来越高 靠近地核的固态物质熔解为液体 这样地球就有了一个液态核 由于硅酸盐的熔点高于铁镍的熔点 而硅酸盐的密度又低于铁镍的密度 所以当地球内部的温度足以使铁镍熔化时 硅酸盐仍为固体 它们浮到液态核的上面形成地幔 随后 地幔和地壳分化 以镁铁为主的硅酸盐构成地幔 以铝铁为主的硅酸盐构成地壳 当地幔获得足够的热量后 开始发生对流 初始的海底扩张使地内的散热作用加速 地幔固结了 但外核仍为液态 外核的对流是产生现今地球磁场的原因 地球内部的气体 在高温高压的作用下 被挤压到上层有空隙或是密度小的地方 从地壳的裂隙处喷出 这就是地球的二次脱气 在距今30亿年前 地球上出现了大规模的火山喷发 使得大量气体随火山岩浆喷出地面 从而形成了大气圈和水圈 原始大气圈的成分与现代大气圈不同 其主要成分是水蒸汽与含有强还原的化合物如氢 甲烷和氨 在大气圈的上部 太阳紫外线辐射使水分解成氧和氢 氢逸散到太空中 氧常用于氧化地面岩石或与其它气体结合 氨分解成氮和氢 其中氢逸散 甲烷分解成碳和氢 碳与氧结合成二氧化碳 大多数二氧化碳溶于海水或结合到植物与动物的组织中 大气圈上部水蒸汽的分解所产生的氧不足以形成今天的富氧大气圈 现在的富氧大气圈是植物的光合作用造成的 植物的光合作用发生在约20亿年前 到前寒武纪末期 约6亿年前 氧的含量为今天的1 100 到志留纪末期 氧的含量达到今天的1 10 水圈也有它自己的形成和演化过程 早期的海水是大气圈中水蒸汽的凝结物 因此 原始的水圈基本上是淡水 但是由于大气圈中富含二氧化碳而使海水具有较大的酸性 从原始的淡海水变成今天的咸海水 有一个逐渐的咸化过程 1 地震地震学的研究范围包括各种类型的大地运动 从大的天然地震到微小的地震脉动 地震学是地球物理学中发展最快 研究程度最高的一个分支学科 按照地震波源可将地震学分为两大类 天然地震学和爆炸地震学 前者是研究天然地震波 并利用它推断地球内部的物理性质和结构等 第三节地球的物理场 后者是研究人工激发的地震波 以获取区域构造和局部构造的信息 达到勘探和找矿的目的 二十世纪20年代后 爆炸地震学作为石油勘探的手段取得了巨大的成功 观测方法 仪器设备 处理及解释技术均发生了彻底的变化 按震源深度地震一般可分为三类 即浅源地震 中源地震和深源地震 破坏性巨大的浅源地震往往发生于板块内部 特别是发生在陆壳板块的内部 被认为是各种断层突发性活动的产物 中国境内发生的多数地震属于前者 而后两种多被认为主要只与板块作用过程有关 尤其是与板块边缘的俯冲 碰撞过程密不可分 岩石圈板块的运动有两种类型 一种是陆 陆碰撞 即碰撞发生于两个大陆板块之间 另一种是洋 陆俯冲 即在大陆板块和大洋板块之间进行 在陆 陆碰撞的情况下 地震主要沿着碰撞板块的结合带边缘分布 发生于碰撞形成的断层带内 图2 8a 由此引发的地震多数为浅源地震 也可有少量的中源地震发生 图2 8岩石圈板块运动类型 a陆 陆碰撞 b洋 陆碰撞 图2 9有断层闭锁段的地震断裂示意图 地震的弹性回跳假说 1 地层受到剪切作用而开始剪切变形 2 除闭锁段 由虚线椭圆围限部分 外 断层其他部分均以发生显著滑移 3 断层闭锁段被彻底剪断而发生瞬时滑移 地震因断层闭锁段的弹性回跳而产生 闭锁段也随之消失但要真正做到准确地预报地震 在相当长的时期内仍将是一件任重而道远的事 1 1地震波在地球内部 由人工激发或天然原因产生的地震 其能量以波动形式向周围传播 这就是地震波 在讨论地震波的传播问题时 需要应用弹性力学的原理 弹性力学中 通常将介质视为均匀 各向同性及完全弹性的连续介质 尽管这些假设具有很大的近似性 但使许多基本理论问题的讨论简单化了 我们所讨论的地震波 其波长一般大于数百米甚至数千米 因此 从宏观上看 完全可以将地球视为均匀和连续的介质 地震波理论中 将地球介质当作均匀 各向同性和完全弹性介质来处理 只是一种简化的假定 实践证明 这种假定可以简化分析过程 而且在多数情况下可以得到与观测数据近似的结果 严格地说 实际地层并不是完全弹性体 而是粘弹体 但这并不影响我们引用弹性力学的基本理论 地震波主要有两种类型 一类是能在整个地球介质内传播的体波 另一类是只能沿地球表面或分界面传播的面波 1 体波弹性波的传播 实际上是弹性介质中质点间应变的传递 弹性介质中只有两种基本的应变 体应变和切应变 与体应变相对应的称纵波 P波 与切应变相对应的称横波 S波 纵波是在胀缩力的作用下 周围介质只产生体积变化而无旋转运动 质点交替发生膨胀和压缩 质点的振动方向与波的传播方向一致 见图2 10a 图2 10地震纵波和横波引起的质点振动 横波是在旋转力的作用下 周围介质只产生转动而体积不发生任何变化 质点间依次发生横向位移 质点的振动方向与波的传播方向垂直 见图2 10b 只有在固体中才能传播横波 在各向同性介质中 地震波的传播速度仅与本身的物性有关 2 6 2 7 式中vp vs分别为纵 横波的传播速度 E为杨氏模量 为泊松比 为介质密度 由式 2 6 与 2 7 可求纵 横波的速度比 2 8 对于大多数岩石来说 0 25 vp 1 73vs 可见P波比S波的传播速度要快得多 2 面波面波是体波在地球表面或界面因干涉而产生的 常见的面波有瑞利 Rayleigh 波和拉夫 Love 波两种 瑞利波是一种沿空气与介质分界面 即地球表面或自由界面 传播的波 见图2 11 其质点振动有水平和垂直两个方向 运动轨迹为一个逆进椭圆 椭圆轨道的长轴垂直于地面 短轴与波的前进方向一致 长轴大致为短轴的一倍半 瑞利波的能量主要集中地表 瑞利波的传播速度vR较低 约为同一介质中横波速度vs的0 92倍 图2 11瑞利波的传播方向和质点振动方向 它的传播速度随频率升高而降低 即vR vR 1 a f 2 9 式中a为随频率而改变的常数 vR 为频率趋于无穷大时的速度 这种速度随频率而异的现象叫做频散 拉夫波是在低速层 横波速度为vs1 覆盖于波速较高的半无限空间 横波速度为vs2 情况下产生的 见图2 12 拉夫波沿界面传播时 其质点的振动方向与波的传播方向垂直 而振动平面与界面平行 所以 拉夫波本质上是一种SH波 同瑞利波一样 拉夫波也存在频散现象 它的传播速度vL介于vs1和vs2之间 图2 12拉夫波的传播方向和质点振动方向 在爆炸地震学中 主要是进行地质普查和勘探 P波是最重要的波 S波的作用也在提高 在天然地震学中 P波和S波对于研究地球的内部都很重要 近来 面波波散的研究在了解地球表层及内部的速度结构方面 已成为一种有效的手段 1 2天然地震地震是一种自然现象 就其成因可分为构造地震 火山地震和崩塌地震三类 无论从规模还是数量上讲 构造地震都占了地震的绝大多数 地下发生地震的地点叫做震源 震源在地面上的投影叫做震中 震源其实不是一个点 而是一个区域 所以震中也不是一个点而是一个区域 叫做震中区 按照震源深度h的不同 地震可以分为浅震 h300km 破坏性最大的一般是深震 地震多的地区叫做地震区 地震区的震中常呈带状分布 所以也叫做地震带 全球性的地震带有三个 环太平洋地震带 海岭地震带和欧亚地震带 环太平洋地震带环绕太平洋周围 是地球上地震活动最强烈的地带 它集中了全球80 以上的浅震和几乎所有的深震 所释放的地震能量约占全部能量的80 但其面积仅占世界地震区总面积的一半 海岭地震带分布在环球海岭的轴部和两海岭之间的破碎带上 加利福尼亚和东非地震带可能是海岭地震带的延伸 海岭地震带的特点是宽度很小 一般只有数十公里 海岭地震的强度不大 且皆为浅震 欧亚地震带包括地中海 土耳其 伊朗以及喜马拉雅弧的地震带 它与第三纪阿尔卑斯褶皱带基本一致 所以也称阿尔卑斯地震带 欧亚地震带的地震活动性仅次于环太平洋地震带 常造成很大的灾害 释放的地震能量约占全部能量的15 我国也是地震多发区 破坏性地震大都聚集在一些狭窄地带内 而且地震发生的时间 强度和空间分布也都有一定的规律 并与地质构造有关 按照地震活动性和地质构造特征 可把我国分成23个地震活动带 见图2 13 图2 13我国的地震活动带 返回 表示地震的强弱有两种方法 一种是表示地震本身的大小 它的量度叫做震级 另一种是表示地震影响或破坏的大小 它的量度叫做烈度 震级和烈度都是表示地震的强弱的 震级是地震固有的属性 它仅与地震释放的能量有关 而与观测点的远近或地面土质情况无关 可利用地震波的最大振幅 平均周期和震中距来计算震级 震级即可以用体波也可以用面波来计算 但对同一地震 计算出的体波震级和面波震级是不同的 不同震级的地震所释放的能量见表2 7 表2 7地震释放的能量 地震烈度是地面某点观测的地震效应的量度 它不但与地震的震级有关 而且与震中距离 震区地质条件 建筑物的类型等都有关系 人们根据地震所产生的自然现象 对建筑物的破坏及人的感觉将地震烈度分为十二个等级 烈度主要是反映地震所造成的破坏情况 对于采取抗震措施是很有用的 1 3震源机制全世界90 以上的地震属于构造地震 关于构造地震的成因有各种学说 其中断层学说已经成为一种被普遍接受的学说 与断层成因相应的机制理论成为弹性回跳理论 其基本观点是 当地壳变形时 能量以弹性应变能的形式储存在岩石中 直到某一点积累的形变超过了极限 岩石就发生破裂 或者说产生了断层 断层两盘回跳到平衡位置 储存在岩石中的应变能便释放出来 一部分应变能转化为热 一部分用于使岩石破碎 还有一部分转化为使大地震动的弹性波能量 这个理论是雷德 Reid 在1906年旧金山地震后分析了震前和震后观测到的中加利福尼亚跨圣安 德烈斯断层两侧的三角测量网的变化后于1910年提出的 在断裂前 断层附近的剪切应变如图2 14a b c所示 经历了正常状态 应力集中 岩层破裂等阶段 地震时岩层发生弹性回跳恢复正常 见图2 14d 图2 14弹性回跳理论示意图 返回 2 地磁场2 1地球磁场的基本特征和地磁要素固体地球是一个磁性球体 有自身的磁场 根据地磁力线的特征来看 地球外磁场类似于偶极子磁场 即无限小基本磁铁的特征 但其磁轴与地球自转轴并不重合 而是呈11 5 的偏离 地磁极的位置也不是固定的 它逐年发生一定的变化 例如磁北极的位置 1961年在74 54 N 101 W 位于北格陵兰附近地区 1975年已漂移到了76 06 N 100 W的位置 地磁力线分布的空间称作地磁场 由磁针指示的磁南 北极 为磁子午线方向 其与地理子午线之间的夹角称磁偏角 D 磁针在地磁赤道上呈水平状态 由此向南或向北移动时 磁针都会发生倾斜 其与水平面之间的夹角称作磁倾角 I 磁倾角的大小随纬度增加 到磁南极和磁北极时 磁针都会竖立起来 地磁场以代号F表示 它的强度单位为 A m 地磁场强度是一个矢量 可以分解为水平分量H和垂直分量Z 地磁场的状态则可用磁场强度F 磁偏角D和磁倾角I这三个要素来确定 图2 16地磁正异常对埋藏的矿床和深部地质构造的指示 图2 17地球的磁场 在世界范围内选择若干个地磁测站 测量该处的地磁要素数据 然后推算出世界各地的基本地磁场数据 并以此作为地磁场的正常理论值 在实际工作中 会发现某地区实测地磁场要素的数据与正常值有显著的差别 这种现象称作地磁异常 和重力异常类似 如果差值为正 称正异常 差值为负时称负异常 一般情况下 正异常多是由于地下赋存着高磁场性的矿物或岩石 如磁铁矿 镍铁矿和超基性岩类等 负异常则多由地下赋存的石油 盐矿 铜矿和花岗岩等低磁性或反磁性矿物或岩石引起 根据这种认识 利用地磁异常来寻找地下矿产和了解深部地质构造等情况的方法 称为磁法勘探 这种方法不仅可以在地面上操作 还可以利用飞机和卫星等各种不同的飞行器在高空进行 2 2地磁场起源的成因假说地球磁场的成因至今还没有最终的定论 在地球科学上 产生过各种猜测和假说 其中较重要的有三种 铁磁体假说 热电假说 双圆盘发电机假说 图2 18热电假说模型 2 3地磁场反转与大陆漂移现在地球磁场的强度约为M 81025cgs电磁单位 这一磁矩的大小每100年间约减少5 按此趋势 在2000年后 地球的磁矩应变为零 在地球的磁场中 象这样存在着以数千年时间为周期的变化称为长期变化 磁场的存在会导致岩石发生磁化 而磁场的变化会在磁化的岩石中留下记录 岩石磁化的方式则随岩浆岩 变质岩和沉积岩等岩石类型的不同而异 比如 熔岩从地下喷出时的温度是在磁性物质的居里点以上 然后在熔岩冷却的过程中 磁性矿物沿着当时当地的磁场方向被磁化 这种当岩石冷却时所获得的磁性称为热剩磁 一般情况热剩磁是稳定的 在此后即使岩石所在地的外部磁场发生变化 也不会使热剩磁发生变化 由于具有不同的剩磁特征 岩石成为研究古磁场的特殊 化石 从对岩石的磁性 特别是对它们剩磁方向的研究 可以弄清楚岩石磁化时在地球上的位置 所以将依据岩石磁性来研究地史时期地磁场的状态 磁极变化和大陆漂移的学科称为古地磁学 图2 19岩石中保留了地球磁极记录 古地磁研究在板块构造理论的兴起了十分关键的佐证作用 在地磁极与地球自转极性一致的前提下 某地的磁倾角I可以由该点的纬度角来确定 两者之间的关系为tgI 2tg 2 16 如果大陆是固定不动的 从各大陆的古地磁学资料中就可以确定地球自转极随着时间流逝而发生的移动 理论上自转极移动曲线只可能有一条 因此无论在哪个大陆上所确定的地球自转极移动的曲线都应该一致 但实际上 不仅每个现代大陆计算的结果大不相同 同一大陆内部的不同地区也有明显的差异 这只能是因为各大陆曾发生过不同程度 不同方向的聚散和漂移所致 地磁极不仅曾发生过漂移 还出现过反转 即南 北极互相颠倒的现象 对从距今8000万年以来的古地磁学研究发现 地磁场的反转大约平均每40万年就要发生一次 当然并不存在严格的固定周期 研究结果表明 在2000年前的古地磁场强度约为现代的1 5倍 此后磁场强度以每100年5 的比率单调地减小 图2 20距今700万年以来的磁场变化并且还将在今后一段时间内持续下去 图2 20距今7000万年以来的地磁年表 3 密度重力场地球是一个椭球体 根据大地测量的结果 地球的赤道半径为6378km 极向半径为6357km 扁率为1 298 3 平均半径6371km 体积为1 083 1021m3 地球的质量可以根据万有引力定律及牛顿第二定律求得 牛顿第二定律指出 物体的重力加速度与作用于物体的力F成正比 与其质量m成反比 a F m 2 17 就自由落体来说 a是由于重力g而产生的重力加速度 从而F mg 2 18 与万有引力定律合并 得出F mg G m M R2 2 19 消项并改写得出M gR2 G 2 20 式中 M代表地球的质量 g为重力加速度 9 8m s2 及为地球的平均半径R G 6 67 10 14m 3 kg s2 为引力常数 据上式得出地球的质量为5 975 l024kg 除以地球体积后 所获得地球的平均密度为5 52 103kg m3 地球的平均密度远高于地壳的平均密度 因此地球内部物质的密度必定比地表物质大得多 图2 21地球密度分布图 3 1地球上的重力地球上某处的重力是该处所受到的地心引力与地球自转离心力的合力 图2 22两物体间的引力公式 根据牛顿定律G fM r2 重力加速度与地球的质量成正比 而与半径的平方成反比 因此地表的重力随着纬度值的增大而增加 测量的结果也表明 在赤道海平面上的重力加速度为9 780318m s2 在两极地区的海平面上为9 832177m s2 后者比前者确实增加了0 53 同理 地表的重力加速度还随着海拔高度的增大而减小 两者之间呈反比关系 海拔高程每升高1km 重力加速度就减少0 31m s2 而在地球内部 由于要同时考虑质量 密度 和半径两方面的变化 情况与地表相比不尽一致 一方面 深度增加使半径减小 使重力加速度增大 另一方面 随着深度增加 地球内的质量也在减少 因为上部物质产生的附加引力向上 这导致重力加速度随之变小 因此在地球内部 重力究竟是变大或变小 取决于谁的影响占主导地位 在地球的上部层位 由于地球物质的密度较小 引起的质量变化要小于半径变化造成的影响 故重力随着深度的增加而缓慢增大 到2891km即古登堡面附近达到极大值10 68m s2 在越过2891km界面后 地球物质的密度变化造成的影响开始大于半径引起的变化 地球的重力也随之急剧减小 最后 根据球体公式V 4 r3 3和密度公式 M V 通过简单的数学变换 可以将由牛顿定律所求出的地心处重力表示为 2 21 从式中可以看出 因为地心处的半径r 0 所以尽管在地心处的物质密度增加到最大值 地心处的重力仍递变为零 进行重力研究时 将地球视作一个圆滑的均匀球体 以其大地水准面为基准 计算得出的重力值称作理论重力值 实际上 不仅地球的地面起伏甚大 内部的物质密度分布也极不均匀 在结构上还存在着显著差异 这些都使得实测的重力值与理论值之间有明显的偏离 在地学上称之为重力异常 对某地的实测重力值 通过高程及地形校正后 再减去理论重力值 差值称作重力异常值 如为正值 称正异常 如为负值 则称为负异常 前者反映该区地下的物质密度偏大 后者则说明该区地下物质密度偏小 地球物理勘探中的重力勘探方法 就是利用这一原理 通过发现各地的局部重力异常来进行找矿和勘查地下地质构造的 图2 23重力正异常 图2 24重力负异常 图2 25重力异常在找矿中的应用 3 2重力均衡地壳均衡补偿理论 按照重力均衡原理 在单位截面上 任一个垂直柱体中 无论其高低 的岩石总质量应该是一个常数 这个柱体以一个特殊的 补偿 面为基底 补偿面以下的物质处于均质状态 这样地壳的高度变化将以流体静力平衡的方式支撑着 普拉特认为 地壳较高部分是由于它们具有较低的密度而受到抬升的结果 换言之 在补偿面以上各地的岩石密度是不同的 这种补偿方式为基础的普拉特模型可以称作密度补偿模型 艾利认为地球表层各处的物质组成是相同的 地壳和其下伏地幔的关系如同木块浮在水面上的关系那样 如果地表某处的高程比其它地区高出越多 它往下插的深度就会比其它地区大得越多 如果某个地区的岩石块体显示出较高的地表高程 其地下的 根 也会比其它块体要向下扎得更深一些 这种补偿模式因此被称作深部补偿模式 深部补偿模式预言的结果与许多地区的地震测深结果是一致的 即大陆地壳与大洋地壳的下插深度相比 要远远大于大陆与洋底之间的高程差 但现代研究表明 实际地壳均衡补偿过程比这两种理想模型都要复杂 应该是这两者按一定比例结合的结果 这意味着地壳确实存在着 如普拉特模型所指出的 横向物质分布的不均一性 但地表显示的陆洋地形高差 则部分是由密度补偿 约占37 部分是由深部补偿 约占63 的结果 图2 26重力均衡的深部补偿模式 3 3地球的压力地球的压力是一个与重力直接相关的地球物理性质 地球某处的压力是由上覆地球物质的重量产生的静压力 静压力的大小与所处的深度 上覆物质的平均密度及重力加速度呈正相关关系 但由于物质的密度随深度的增加是一种非线性递增的关系 压力 深度图也不是一条直线而是一条曲线 在地球表层 地壳和接近地心附近时压力增长较平稳 在下地幔和外核部分增长得较快 利用密度分布的规律来估算地球内部的压力状况 以截面为1cm2的岩石柱作为压力的计算表示法 可得到P h 100 2 22 p 压力 h 深度 密度 利用此式 可以算出从地表到地下24km内 压力从1 105pa增加到0 6 109pa 到670km处 压力增大到24 109pa 到2891km时 压力增大到约136 109pa 最后在6371km即地心处 压力会上升到最大值364 109pa 4 温度场4 1地球内部的温度火山喷发 温泉以及矿井随深度而增温的现象表明地球内部储存有很大的热能 可以说地球是一个巨大的热库 但从地面向地下深处 地热增温的现象随着深度的改变是不均匀的 地面以下按温度变化的特征可以划分为三层 图2 27地球内部的温度 压力分布 外热层 变温层 该层地温主要是受太阳光幅射热的影响 其温度随季节 昼夜的变化而变化 故也称作变温层 日变化造成的影响深度较小 一般仅1 1 5m 年变化影响较大 其影响的范围可达地下20 30m 常温层该层地温与当地的年平均温度大致相当 且常年基本保持不变 其深度大约为20 40m 一般情况下在中纬度地区较深 在两极和赤道地区较浅 在内陆地区较深 在滨海地区较浅 增