地球的物理性质圈层构造

第三节地球的物理性质,地球的重力地球的密度和压力地球的磁性地热地球的弹塑性,本节涉及到的英文术语,gravity;gravityanomaly;Bouguergravityanomaly;geomagneticfield;magneticdeclination;magneticinclination;magneticanomaly;geothermalfield;geothermalgradient;geothermalflow;geothermalanomaly;seismicwave;bodywave(Pwave,Swave);surfacewave,一、地球的重力,重力：地球对物体产生的引力和该物体随着地球自转而引起的离心力的合力。重力的方向大致指向地心。为什么？,地球重力的分布,10.69,9.81,地球重力的计算,假设条件:地球表面光滑,内部的密度均匀或是层状的,用正常的旋转椭球体来代替地球实际的形态正常重力值的计算:g0=9.780327(1+0.005302sin2-0.000005sin22),其中为纬度某点的重力值只与该点的纬度有关,沿经度没变化,其最大值和最小值分别位于两极和赤道。,重力场:地球内部及其附近存在重力作用的空间重力场强度:单位质量的物体在重力场中所受的重力。它在数值上(包括方向)等于重力加速度。,重力场,重力异常,将实测的重力值（g）减去该点的重力正常值（g0）,其差值即为重力异常(gravityanomaly)。,自由空气重力异常,把测点因高出平均海平面而减小的重力值加到实测值中,称为自由空气校正,以gh表示。自由空气(高度)重力异常:经自由空气校正后的重力值与正常重力值之差,称为自由空气重力异常。gF=(g+gh)-g0反映了地球表面的地形高程变化,中间层校正,中间层校正减去平均海平面以上到测点间的物质对物体产生的引力作用,或加上低于平均海平面的部分全部用地壳物质填平所产生的引力作用,称中间层校正,以gm表示。,布格校正和布格重力异常,高度校正和中间层校正统称为布格校正布格重力异常Bouguergravityanomaly:gB=(g+gh+gm)-g0反映了地球内部的物质分布状况,布格重力异常的分布规律,地球表面大陆部分通常为布格负异常,而海洋部分则大多为正异常。重力异常的应用重力勘探:如:石盐、煤、石油等矿产分布区,由于物质密度小,出现局部的重力负异常。,二、地球密度,地球质量5.9741021t,体积1.081012km3,平均密度为5.516g/cm3。实测地表岩石的平均密度为2.7-2.8g/cm3,海水的平均密度为1.028g/cm3,均小于地球的平均密度,地球内部必定存在密度更大的物质。,地球内部密度分布,布伦(1975)推导结果:地壳表层的密度为2.7g/cm3,地下33km处为3.32g/cm3,大约在2990km处密度由5.56g/cm3突增至9.98g/cm3,至6371km处,达12.51g/cm3。,地球内部密度的变化,三、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。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。,地球的压力,10km处压力为3000大气压;33km处为12000大气压;地心达360万大气压,四、地球的磁场,(一)地磁场和地磁要素(二)地磁异常和磁场变化,(一)地磁场和地磁要素,地磁场(geomagneticfield):地球周围环境存在着磁场。据磁力线的特征，地球外磁场类似于偶极子磁场，即无限小基本磁铁的特征（书中图1-12）。地磁极:偶极子磁轴与地面的交点。,磁场要素(3个),磁场强度总磁场强度(T):地球上某一点磁力的大小水平磁场强度(H)：总磁场强度的水平分量,指向磁北方向，在两磁极处为零。垂直磁场强度(Z)：总磁场强度的垂直分量,向下为+,向上为-。在磁赤道处为零，在磁赤道以北大于零，在磁赤道以南小于零。,磁场要素(3个),磁偏角(D):磁子午面与地理子午面间的夹角,磁北自地理北向东偏为+,西偏为-磁子午面：通过水平磁场强度(H)方向的铅直平面地理子午面：,磁场要素(3个),磁倾角(I):总磁场强度与水平面的交角，当T下倾时，I为+，反之为-。其大小随纬度增加。,磁场要素,（二）地磁异常和磁场的变化,地磁场的组成（据来源和变化规律）主要来源于地球内部的稳定磁场Ts主要来源于地球外部的变化磁场T,地球稳定磁场,地球稳定磁场的组成地球基本磁场中心偶极子磁场（T0)，代表了地磁场空间分布的主要特征非偶极子磁场(Tm),指实际的地磁场与地球中心偶极子磁场的偏离部分地磁异常:叠加在地球基本磁场之上，由地壳内的岩石矿物及地质体的磁性差异而引起的磁场,地磁异常的应用,地磁异常：实测地磁要素的数据与正常值(地球基本磁场)有显著的差别磁法勘探若地壳中存在磁性岩体和矿体，如磁铁矿、镍矿、超基性岩等，出现正异常若地壳中存在金矿、盐矿、石油、花岗岩等低磁或反磁性的矿物和岩体，则出现负异常,磁场的变化,长期变化：以数千年时间为周期的变化。如现在地球磁场的强度约为81025csc（高斯）电磁单位，这一磁矩每100年约减少5%。按这种趋势，在2000a后，地球的磁矩将变为0。地磁极向西漂移也是长期变化。短期变化：昼夜变化等，主要是固体地球外部的各种电流体系引起的。,地磁场的变化的特点,偶极子场的变化对长期变化的贡献少,而长期变化与非偶极子场的变化密切相关。地球磁场向西漂移：如伦敦的磁偏角在1600-1700年的100年间自90E一直向西偏移到40W，共向西漂移了130，磁倾角约增大20。1700-1800年间，继续向西漂移，但磁倾角减小。地球磁矩的衰减变化，是地球磁极倒转的征兆。,地磁场倒转,地磁极出现“反转”,即南、北极互相颠倒的现象。地磁场正向期与现代地磁场方向一致的时期地磁场反向期与现代地磁场方向相反的时期,磁极漂移与磁性倒转事件,磁偏角在几十到几百年的时间内，大致沿着纬线方向平稳地向西移动，这一性质被称作地磁场的向西漂移。速率可以达到约每年0.18，绕地球一圈大致需要1800年。此外，地磁场还有时间尺度更短的昼夜变化。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。在距今大约100万年前的第四纪，地磁场的方向和现在完全相同。与之相应，这一时期称作地磁场的正向期。但比第四纪更早的时代，通过对岩石磁法研究的结果，其磁化方向多数与现代地磁场的方向相反，因此也称其为反向期。正向期和反向期在地球历史上交替出现，表明地史时期中曾有过多次地磁场反转事件。,五、地热,(一)地球的热源1.放射性元素生热2.地球的重力热3.其他热源,五、地热,(二)地温场和地球的温度地温场:(Geothermalfield)(或地热场):是指地球内部各层中温度的分布状态,是地球内部空间各点在某一瞬间的温度值的总和。地温梯度:(Geothermalgradient）沿等温面的法线朝向地球中心方向上单位距离内温度所增加的数值,又称地热增温率,其倒数称地热增温级。地热增温率约为2-30/100m。,五、地热,(二)地温场和地球的温度地壳浅层的温度分布从地表向下大致可分为三层：变温层、恒温层、增温层。,四、地热,地壳深处的温度推算(普雷斯，1974）100km（上地幔局部熔融开始）1000-12000C400km(上地幔橄榄石尖晶石相变带)15000C700km(上下地幔界面)19000C2900km(地幔地核分界面)37000C5100km（内、外核分界面）43000C6371km(地心)45000C,地球内部温度变化,五、地热,（三）地热流及地热异常地热流是指单位时间内通过地球表面单位面积所散失的热流量。也称大地热流密度。,地球内部的能量,地球从太阳吸收的能量每年大约为4.21024焦耳，超过地球上全部煤炭储量完全燃烧后所能够获得的热能的300倍。其中1/3左右的能量被大气圈和地球表面反射掉，并直接分散到宇宙空间中去。剩下的2/3被地球表层系统吸收，再以各种方式转化为地球演化所需的能源。地球内部热能的来源问题尚无定论。一般认为，由岩石中放射性元素衰变释放的热是地热的主要来源。这种热能据估算可以达到每年2.141021焦耳。其次，因地球本身的重力作用过程也可以转化出大量热能，其总热量可能十分接近于放射性热能。此外，地球自转的动能和地球物质不断进行的化学作用等都可以产生大量的热能。cm3花岗岩中释放的热来烧开一杯水大约需要亿年时间。但是从全球规模上看，如果地球中的放射性元素含量和它们在地壳中的含量相当，那么地球所释放的热量不仅足够使整个地球熔化，而且能够使它全部被气化且蒸发掉,五、地热,（三）地热流及地热异常全球热流值分布的显著特征大陆平均热流值和海洋平均热流值非常接近或近乎相等无论在大陆还是在海洋不同的观测点的观测值往往有很大差别,六、地球的弹塑性,弹性表现:地震波能在地球内部传播;固体潮塑性表现:旋转椭球体;褶皱变形地震波的分类体波（B波）:纵波(Pwave)和横波(Swave)面波（L波）：传播速度:纵波横波面波,地震波的类型,第四节地球内部的圈层结构,掌握：一、地球内部圈层及其划分依据二、地球内部圈层的基本特征了解三、地壳的物质组成,本节涉及的英文术语,陨石（meteorite）古登堡面（Gutenbergdiscontinuity）莫霍面（Mohodiscontinuity）地壳（crust）地幔（mantle）地核（core）岩石圈（lithosphere）软流圈（asthenosphere）元素（element）矿物（mineral）岩石（rock）岩浆岩（magmatite）沉积岩（sedimentaryrock）变质岩（metamorphicrock）,一、地球内部圈层及其划分依据,宇宙地质的依据实验证明宇宙物质具有内在的统一性。铁陨石：主要由铁镍组成，相对密度8.0-8.5或更大。石陨石：主要由橄榄石、辉石等铁镁硅酸盐矿物组成，相对密度为3-3.5或更大。铁石陨石：为上述两种的过渡类型。meteorite,一、地球内部圈层及其划分依据,地质学依据通过研究深源岩石及其形成时的温压条件来了解地球内部圈层的信息。,一、地球内部圈层及其划分依据,地球物理依据据地震波波速在地内的变化将地球内部划分成若干圈层结合宇宙地质和地表地质资料对比分析，推断各圈层的物质成分不连续面（discontinuity）：地震波的速度在某些深度发生明显的改变，这个深度可以作为上下物质的分界面，称为不连续面。,古登堡面(Gutenbergdiscontinuity)(Gutenberg1914年提出):地幔与地核的分界。,深度:2900km深度处，纵波P波速急剧降低,横波S波到此中止(固态转为液态)。,雷曼面(Lemanndiscontinuity)(Lemann1936年发现):内核与外核的分界。,5000km深度处，纵波P波速在此急剧升高,莫霍面(Mohodiscontinuity)(莫霍洛维奇1909年发现):地壳与地幔的分界。,深度:大陆地表之下平均33km;大洋地下5-8km；纵波P波速突然增加,地内温度突然升高。,地球的内部圈层,地球,地壳:大陆地壳,-33km莫霍面（1909）,地幔:60-250km软流圈,-2900km古登堡面（1914）,地核:内核和外核5000km,非梨亦非球“鸡蛋”？,地壳,地幔,地核,蛋壳,蛋白,蛋黄,地球就是地球，是独一无二，具有圈层结构的地球,鸡蛋（cm）长轴/短轴=5.5/4=1.375扁平率=(长-短)/长轴=0.273蛋壳：0.051/100蛋清：21/2.5蛋黄：2.71/1.7,地球(km)长轴/短轴=6378/6356=1.003扁平率=(长-短)/长轴=0.003地壳：331/200地幔：30001/2弱地核：33001/2强,地球与鸡蛋的比较,二、地球内部圈层基本特征,岩石圈岩石圈的三层结构地壳（大陆地壳，大洋地壳）上地幔顶部（B层）软流圈地幔圈地核,（一）岩石圈(lithosphere):,软流圈之上的固体地球部分岩石圈的厚度在不同地区变化很大。大洋岩石圈厚度一般为60km左右，最厚不超过100km；大陆部分大部分岩石圈均超过100km，平均为120km。整个岩石圈平均厚度为100km。包括地壳（上、下地壳）、上地幔的盖层或硅镁层（固态）,岩石圈的结构,地壳,地壳是岩石圈上部的次级圈层。据地壳的演化历史和结构可分为大陆型地壳和大洋型地壳。大陆型地壳指大陆及大陆架部分的地壳,具有上部硅铝层(花岗质层)和下部硅镁层(玄武质)层的双层结构,以康德拉面为分界；大洋型地壳往往缺失硅铝层,仅发育硅镁层,不具双层结构。,大陆地壳和大洋地壳的区别,大洋地壳的年龄图,2亿年,50万年,大陆地壳硅铝层和硅镁层的区别,岩石圈地幔硅镁层,在莫霍面之下软流圈之上的固体圈层,由于地壳的厚度变化较大，因此莫霍面是起伏不平的，该层的厚度变化也较大。在大洋区厚度约50km,而大陆区约80km,平均65km。平均密度3.33g/cm3,物质成分与石陨石相当，一般认为是含铁镁较多的硅酸盐矿物组成的超基性岩。,岩石圈的三层结构,硅铝层-康拉德面Conrad岩石圈硅镁层-莫霍面Moho地幔硅镁层康拉德面和莫霍面标志着岩石圈内部物质在化学成分和及晶体结构方面的变化，而不是物质从硬到软的一种突然转变。,（二）软流圈,软流圈概念：又称低速带，是指地下60-250km之间地震波速度减低的地带特性：全球范围内普遍存在，厚薄不一。平均密度3.5g/cm2，物质成分与石陨石相当，由于温度接近于岩石的熔点，岩石又并未熔化，而其塑性和活动性增强,软流圈的作用,1、大规模岩浆活动的策源地2、中源地震的发源地3、岩石圈漂浮的载体4、全球岩石圈循环的基础,大陆根示意图,（三）地幔圈,概念：特指软流圈之下至古登堡Gutenberg面的部分，厚度2650km。分两层：上层：厚度750km，密度增至4.1g/cm2，物质成分与石陨石相当，主要由铁镁硅酸盐组成下层：厚度1900km，平均密度5.1g/cm2，物质结构无变化，铁含量增加，相当于石铁陨石。,（四）地核,概念：自地下2898km至地心的部分，厚度3500km特征：以雷曼Lemann界面为界，可分为外核和内核外核：厚1742km，平均密度10.4g/cm2，P波速度急剧下降，S波不能通过，说明物质呈液态内核：厚1200km，平均密度12.9g/cm2，S、P波均能通过，表明物质呈固态过渡层：515km，层内波速复杂，能测到坡速不大的横波，表明液态已开始向固态转化地核的物质成分相当于铁陨石，而外核还有一些轻元素如硫或硅。,地球的圈层结构,（二）地球内部圈层划分,地壳:大陆地