海洋地质学-2第二章_地球与海洋

第二章 地球与海洋,2.1 地球的形状和大小,由于自转所形成的离心力作用，地球是一个两极半径比赤道半径略小的（21km）旋转椭球体。大地水准面：平均海平面和该面扩展到大陆下面构造的一个理论上的连续面。由于地球自身的章动，南极半径比北极半径略小，因此地球的形态呈鸭梨状。,根据卫星轨道分析测算：南极表面比基准面凹进25.8m，而北极的海面比基准面突出18.9m，赤道到南纬60之间北基准面略高，而赤道到北纬45之间比基准面略低。因此，地球的真正形状近似“梨形”。,地球体形态与尺寸,地球体形态与尺寸,赤道半径：6378.140km；两极半径：6356.755km平均半径：6371.004km；赤道周长：40075.036km,公元前250年，希腊天文学家埃拉托色尼斯计算出地球半径为6366.38kmA:亚历山大城B:塞恩城AB之间距离800km,当代大地测量应用的原理与上述方法相同，1979年根据国际大地测量的地区物理协会决议，采用地球大小的数据如下：,2.2 地球的圈层构造,外圈 大气圈 水圈 生物圈,内圈 地壳 地幔 地核,2.2.1 地 球 的 外 圈,大气圈、水圈和生物圈构成了地球的外圈，它们既形成各自独立的圈层，又是你中有我，我中有你，形成三个相互交织在一起的圈层。,大气圈,大气圈 厚度在几万km以上，压力每上升20km减小10倍。温度变化与大气热源有关。对流层 从地面起在赤道到17km高度，两极到9 km高度。气温来源于地面的辐射，温度随高度增加而降低，可降至赤道-53C，两极-83 C 。平流层 从对流层底部至50km高度。温度随高度的增加上升至0 C以上，主要原因是因为臭氧吸收了紫外线辐射。,大气成分,大气的成分随着力地面的高度不同而有所变化，在100km高度以下的大气就是人们常说的空气，它由18种气体混合组成。其主要成分是N2和O2，次要成分是CO2，O3和H2O等。,底层大气成分百分比,水圈是地球表层的水体，大部分汇聚在海洋中，还有一部分分布在陆地上的河流、湖泊、冰川和土壤、岩石的孔隙中，另有极小部分分布在大气圈和生物圈中。假如地球表面完全没有起伏，则全球将被2745m的海水所覆盖，如果地球上的冰川、冰盖全部融化，则海洋水位将会升高70m。,水 圈,地球水圈水的分布,单位：106km3,生物圈,生物圈 大气圈10km高空，地壳中3km的深处都有生物存在。可以在-250180C，8000个大气压下存活。主要分布在阳光、空气、水分和有机质充足的地表和浅海附近。地球上生命的存在至少有30多亿年的历史，但直到5.7亿年前的寒武纪，地球上的生物才有了突飞猛进的发展。地球上的生物在漫长的演化过程中已经形成了相互依存的关系，即生物链。人类只不过是生物链中的一个环节，破坏了生物链的正常运转，造成的恶果也只能是人类自己去吞食。,2.2.2 地球的内圈,依据万有引力定律，可以计算出地球的总质量为5.9741027g，总体积为1.0831027cm3，所以地球的平均密度为5.516g/cm3，然而，目前测得地球表层各种岩石的平均密度仅为2.65g/cm3，少量地表露出的超基性岩的密度仅为3.30g/cm3，如何解释地球的平均密度和表层密度之间的差异呢？,对于地球的外部圈层，一般可以用直接观察的方法进行研究。但对于地球的内部结构完全采用直接的方法研究很困难，目前，最深的钻井也只能达到11km。因此，现阶段研究地球内部构造及其物质状态，只能依靠一些间接的方法，其中最主要的方法就是分析研究地震波。,如何研究地球的内部结构？,纵波（P波）振动方向与传播方向一致。横波（S波）振动方向与传播方向垂直。,地震波,岩性与地震波波速关系,一般情况下，随着岩石密度增加，地震波波速升高，地震波的传播速度与岩性有一定关系（单位：m/s）：沉积岩：1500-6000变质岩：3500-6500花岗岩：4500-6500玄武岩：4500-8000,地 球 的 波 速 结 构,地壳、地幔、地核构成了地球的内圈，内圈的划分主要依据地震波在地球内部传播的变化来确定的。,纵波和横波在地球内部传播的速度不但随深度增加而增大，而且在同一深度的波速相同而当其通过某个深度时候，波速又会发生急剧变化，并产生折射、反射现象。,1,000km,地 壳,厚度：大陆30-70km(35)；大洋5-8km(6)。康拉德面：上下地壳的界面，非全球连续。上地壳的主要物质成分是以硅铝质矿物组成的岩石，其密度大约为2.5g/cm3，也叫花岗岩层。下地壳的主要物质成分是镁铁质矿物组成的岩石，其密度大约为3.0g/cm3，也叫玄武岩层。大洋地壳位于大洋底，它缺失硅铝层，仅有硅镁层。,地 幔,古登堡面 位于地表以下2900km处。上地幔上部存在一个地震波传播速度减慢的层（60-250km），一般又称为软流层，推测是由于放射性元素量集中，蜕变放热，使岩石高温软化，并局部熔融造成的，很可能是岩浆的发源地。软流层以上的地幔是岩石圈的组成部分。地幔岩：上地幔物质是又橄榄石（55%）+辉石（35%）+石榴石（10%）组成的混合物。下地幔温度、压力和密度均增大，物质呈可塑性固态。,地 核,地核也可以分为上下两个部分，在深度4980km以上的部分称为外核，以下部分称为内核, 由于S波不能在外核中传播，所以外核应该是液态的。外核的密度由地幔的底部的5.65.7 g/cm3，急剧跳跃到9.7 g/cm3，然后逐渐增加到11.5 g/cm3，推测地球外核由氧化铁组成，在巨大的压力下它不仅是熔体，而且相变为密度更大的金属相。内核物质的密度最大，大约是12.513g/cm3，主要由铁和镍组成，也可能有其它元素存在。,岩石圈和软流圈,板块构造学说建立的过程中，地质学家对地球的圈层结构有了一些新的认识，在大约60-250km深度范围上有一个S波的低速层，科学家们因此推测该层物质的塑性程度较高，在动力的作用下可以发生缓慢的流动，并称之为软流圈。在软流圈之上的上地幔的坚硬部分和地壳称之为岩石圈。,2.3 地球的表面特征,地球表面积为5.1108Km2.由于地表凹凸不平，凹下去的部分被液态水所淹没形成海洋，占总面积的70.8%，约为3.62108Km2,凸出去的陆地部分只占地表总面积的29.2%，约为1.49108Km2。海陆面积之比为2.5:1。,海陆分布特征,1.除南极洲外，所有的大陆似乎都是成对的。2.大部分大陆北部较宽，南部较窄。3.南北半球各大陆西部凹进，而东岸突出。4.大多数岛屿分布在大陆东岸，断续相连，呈弧形分布。,地表（海陆）的垂直起伏,世界上最高的山峰是我国与尼泊尔接壤的珠穆朗玛峰，海拔8844.43m；大陆最低处在死海，海拔-392m；海洋中最深的地方是西太平洋的马里亚纳海沟：11034m。由上可知，地表最大垂直起伏约为20km。,8844.43,2.4海洋,地球上互相连通的广阔水域构成统一的世界海洋,可将其分为主要部分和附属部分.主要部分为洋,附属部分为海、海湾和海峡。洋（大洋）是海洋的主体部分，一般远离大陆，面积广阔，约占海洋总面积的90.3%；深度大，一般大于2000m；海洋要素如温度、盐度等不受大陆影响，盐度平均为35，且年度变化小；具有独立的潮汐系统和强大的洋流系统。,海的概念和类型,海是海洋的边缘部分。海的深度较浅，平均深度一般在3000m以内。占海洋总面积的11%。其温度和盐度等海洋水文要素受大陆影响很大，并有明显的季节变化；没有独立的潮汐和洋流系统，潮汐多有大洋传入，但涨落显著，海流有自己的环流形式。内（陆）海：伸入大陆内部的海，面积小，其水文特征受大陆强烈影响，如渤海和波罗的海边缘海：位于大陆边缘，以半岛、岛屿或群岛与大洋分隔，但水流交换通畅，如南海、东海和日本海。陆间海：位于大陆之间的海，面积和深度都较大，如地中海和加勒比海,世界大洋由四大洋组成：太平洋、大西洋、印度洋和北冰洋（南大洋）,太平洋（Pacific Ocean）是地球最大的海洋，覆盖着地球约46%的水面。跨度从南极大陆海岸延伸至白令海峡，西面为亚洲、大洋洲，东面则为美洲，跨越135纬度，南北最宽15500公里。包括属海的面积为18134.4万平方公里，不包括属海的面积为16624.1万平方公里。,太平洋（Pacific Ocean）,大西洋（Atlantic Ocean），是世界第二大洋，占地球表面积的近20%，平均深度3627米，最深处波多黎各海沟深达8605米。从赤道南北分为北大西洋和南大西洋。北面连接北冰洋，南面则以南纬66度与南冰洋接连，东面为欧洲和非洲，而西面为美洲。,大西洋（Atlantic Ocean），,印度洋（Indian Ocean）是世界的第三大洋。位于亚洲、大洋洲、非洲和南极洲之间。约占世界海洋总面积的20%。印度洋的平均深度仅次于太平洋，位居第二，包括属海的平均深度为3839.9m。,印度洋（Indian Ocean）,北冰洋（Arctic Ocean）是世界最小最浅和最冷的大洋。大致以北极圈为中心，位于地球的最北端，被亚欧大陆和北美大陆环抱着，有狭窄的白令海峡与太平洋相通；通过格陵兰海和许多海峡与大西洋相连，是世界大洋中最小的一个，面积仅为1475万Km，不到太平洋的10%。它的深度为1097m，最深为5499m。,北冰洋（Arctic Ocean）,南大洋,太平洋、大西洋和印度洋靠近南极洲的那一片水域，在海洋学上具有特殊意义。它具有自成体系的环流系统和独特的水团结构，既是世界大洋底层水团的主要形成区，又对大洋环流起着重要作用。因此，从海洋学（而不是地理学）的角度，一般把三大洋在南极洲连成的一片水域称为南大洋。联合国教科文组织关于南大洋的定义：从南极大陆到南纬60为止的海域，或从南极大陆起到亚热带辐合线明显时的连续海域。,海水的起源,海水的形成与地球物质整体演化有关。一般认为海水是地球内部物质排气作用的产物，即水汽和其它气体是通过岩浆活动和火山作用不断从地球内部排出的。现代火山排出的气体中，水汽占75%以上，据此推测，地球原始物质中水的含量应当较高。地球早期火山作用排出的水汽凝结为液态水，积聚成原始海洋，还有些火山气体溶解于水，从而转移到原始海洋中，而另一些不溶或微溶于水的气体则组成了原始大气圈。,海水的化学成分和物理性质,海水的盐度,单位质量（1000克）海水中所含盐类物质（氯化钠和氯化镁）的质量。世界大洋的平均盐度为3.5（1）影响海水盐度的主要因素：气候因素海水盐度的高低主要取决于气候因素，即降水量与蒸发量的关系。降水量大于蒸发量，盐度较低，反之较高。洋流因素同一纬度海区，有暖流经过盐度偏高；寒流经过盐度偏低。河流径流注入因素有大量河水汇入的海区，盐度偏低。,另外，高纬度海区结冰量融冰量的大小、海区的封闭度、与附近海区海水的交换量等也能影响到海水的盐度高低。结冰量、融冰量的大小（有结冰现象发生的海区，盐度偏高；有融冰现象发生的海区，盐度偏低）、海区的封闭度（海区封闭度越强，盐度会趋于更高或更低）、,海水的盐度,表层海水盐度的分布规律,规律：从南北半球的副热带海区分别向两侧的高纬度和低纬度递减。（呈马鞍型曲线）,海水热量的收入和支出：收入主要是太阳辐射，支出主要是海水的蒸发。收支基本平衡，但不同季节，各个海区收支并不平衡，,低纬度： 收入大于支出中高纬度：支出大于收入,海水温度,垂直分布规律：1000米以内，水温随深度而递减；1000米以下，变化不大，基本保持低温状态。水温不低于0C,海水的压力,海水的压力是有上层海水的重力产生的。海水的压力随深度的增加而增加，深度每增加10m，压力就增加一个大气压。水深1000m处，压力为100个大气压，这种压力可以使木材的体积压缩一倍而下沉。水深7600m处的压力可以使空气变成水一样的密度。,海洋生物,海洋是生命的摇篮，是生物的发源地。不完全统计，海洋生物有26万种，其中海洋植物约10万种，海洋动物约16万种。按其生活方式可分为三大类：底栖生物游泳生物浮游生物,海底下的另外一个世界,1977年，“阿尔文”号上的地质学家深入海底首次发现热液活动区及其伴生的一些古怪的海底生物，生物学家们根本不相信，因为按当时的认识，这些生物是不可能存在的。后来证明它们确实是海底极端环境下的生命，科学家就开始思考它为什么能够产生和存活，这就带来了关于生命起源的新的科学命题。,海底热液周围的生物： 黑暗世界中的生命,海底热液成因：海水从地壳裂隙渗入地下遭遇炽热的熔岩成为热液，将周围岩层中的金、银、铜、锌、铅等金属溶入其中后从地下喷出，被携带出来的金属经化学反应形成硫化物，这时再遇冰冷海水凝固沉积到附近的海底，最后不断堆积成“烟囱”。在“烟囱”的周围，生活着许多耐高温、耐高压、不怕剧毒、无需氧气的生物群落。这些生物群落有助于科研人员研究极端环境下生物的生存进化方式以及生命起源问题全球分布情况,热液产地是深海“沙漠中的绿洲”，生物密度高