[2017年整理]地球物理学课堂报告

地球表层水平运动对城市人类发展的影响081577洪欣阳【内容提要】地球在演变，地球表层也在运动。其势必对人类社会发展产生影响。而城市是现代社会政治、经济和生活的重心，随着世界经济一体化的进一步加剧，国内外城市化的进程迅速发展。可以预见，我国必将面对我国城市机体迅速扩大所产生的各类与地学研究有关的问题。地球的运动对人类未来发展的影响将主要产生于城市。本文中，主要从地球表层的水平运动的产生原应，人类对其的研究历史，以及对城市人类发展的影响等方面展开论述。【关键词】地壳水平运动城市发展城市地球物理学1地壳运动1概述由内应力引起地壳结构改变、地壳内部物质变位的构造运动叫地壳运动。地壳运动实际上是指岩石圈相对于软流圈以下的地球内部的运动。岩石圈下面有一层容易发生塑性变形的较软的地层，同硬壳状表层不相同的软流圈。软流圈之上的硬壳状表层包括地壳和上地幔顶部。地壳同上地幔顶部紧密结合形成岩石圈，可以在软流圈之上运动。岩石圈的运动不仅决定了地表轮廓和水圈的分布，还影响着生物圈的分布，并改变了大气环流，以致影响着整个地球表层环境。1地壳运动的分类地壳运动按运动的速度可分为长期缓慢的构造运动。较快速的运动。按运动方向可分为水平运动。指组成地壳的岩层，沿平行于地球表面方向的运动。也称造山运动或褶皱运动。该种运动常常可以形成巨大的褶皱山系，以及巨形凹陷、岛弧、海沟等。垂直运动。又称升降运动、造陆运动，它使岩层表现为隆起和相邻区的下降，可形成高原、断块山及拗陷、盆地和平原，还可引起海侵和海退，使海陆变迁。按运动规律来讲，地壳运动以水平运动为主，有些升降运动是水平运动派生出来的一种现象。1地壳运动产生的物理条件和力学机制总的来说，每一地质时期的地壳运动，都是地球内力和外力矛盾斗争的产物。内力来源于放射性元素蜕变产生的热能、地幔物质的热对流、地球自转所产生的动能等。地壳的水平运动和垂直运动，以及随之产生的褶皱、断裂、火山喷发、岩浆侵入、地震等等，都是地球内力作用的表现。内力作用是造山、造海，使地球表面崎岖不平，是地壳发展的主导因素。外力来源于地球以外的太阳能，包括风化、流水、冰川、风、波浪、海流等等，它们以缓慢的、不显著的方式对地球表面进行精雕细刻，时刻都在改变着由内力作用所形成的起伏形态，高山被夷平，洼地被充填，使地面趋于平缓。内力与外力是对立的，又互为影响，相互转化。比如，从局部地区来说，例如地壳上升，河流侵蚀复活，产生强烈的下切作用；地壳下沉，河流沉积作用加剧，这体现了内力变化影响到外力变化。又如久经侵蚀的高原山岭，高度和体积逐渐降低和减小，使地壳内部压力减少，从而失去平衡，引起地壳上升，这表明外力的变化导致内力的变化。从全球来说，每经历一次强烈地壳运动，海陆轮廓变迁，地面高低起伏，使地壳处于一个新的平衡状态。接着地壳运动转入一个长期的缓慢的变化阶段，外力开始占主导地位，通过风化流水等营力对地表的塑造，来改变地壳原来的平衡状态。当缓慢的运动长期进行，量变逐渐达到一定程度，就会破坏原来的平衡，孕育着一次新的质变，即新的强烈地壳运动的产生，预示地表又将经历一次翻天覆地的变化。1地壳水平运动的发现历史我们早已知道，传统地质学最早发现了地球表层的垂直升降运动。其证据是在高山上发现海相的沉积岩，并且有海中特有的贝类化石。这表明某些大陆地区的地壳在过去的地质年代中曾经是海洋。地质学中有所谓海进和海退之说，表明局部地壳是有升降变化的。但是传统地质学否认地球表层曾有过大尺度的水平运动。1910年，德国地球物理学家阿尔弗德雷魏格纳在病房的世界地图上发现，非洲的西海岸和南美洲的东海岸形状十分吻合，从而推测太古时代地球上的大陆是连在一起的巨大板块，后因大陆不断漂移，才形成今天的各个大陆。为了证明自己的发现，他进行了大量的考证工作，找到了许多事实，提出大陆漂移的假说。20世纪60年代以后，一系列的地学研究成果终于证明了地球表层在地球的历史中曾经有过大规模的水平位移，各大陆的相对位置曾有过显着的变化。最主要的证据是全球地震带勾画出6大板块的轮廓，证明地球表层的岩石圈不是完整的一块。古地磁学的研究表明，由各大陆岩石磁性所得到的古地磁极位置不相重合，而根据各大陆不同地质年代的岩石磁性所绘制的极移曲线，在近代趋向重合于今地磁极位置。大洋中脊两侧的磁异常条带，表明海底地壳在不断从中脊向两侧扩张，各板块所负载的大陆岩石圈随之发生水平漂移。1地壳水平运动的表现151褶皱岩层的弯曲现象称为褶皱。岩层在构造运动，或在地应力作用下，改变岩层的原始产状，不仅使岩层发生倾斜，而且大多数形成各式各样的弯曲。褶皱是岩层塑性变形的结果，是地壳中广泛发育的地质构造的基本形态之一。褶皱的规模可以长达几十到几百千米，也可以小到在手标本上出现。地壳发生褶皱隆起，常常形成山脉。世界许多高大的山脉，如喜马拉雅山、阿尔卑斯山、安第斯山等，都是褶皱山脉。它们是由地壳板块相互碰撞、挤压，在板块交界处发生大规模褶皱隆起而形成的。根据褶曲轴面产状并结合两翼特点分类可分为（图111）（1）直立褶曲轴面直立，两翼向不同方向倾斜，两翼倾角相等，两翼对称，故又叫对称褶曲。（2）倾斜褶曲轴面倾斜，两翼向不同方向倾斜，两翼倾角不等，两翼不对称，故又叫不对称褶曲。（3）倒转褶曲轴面倾角更小，两翼向同一方向倾斜，其中一翼岩层发生倒转，两翼角相等或不等。（4）平卧褶曲也叫横卧褶曲，轴面水平或近于水平，两翼岩层的产状也近于水平；一翼层位是正常的，另一翼层位发生倒转。（5）翻卷褶曲轴面翻转向下弯曲，此种褶曲在外观上是向（背）斜，实际上是背（向）斜，通常由平卧褶曲转折端部分翻卷而成。图111褶皱变形素描图（据蓝淇锋，）上述五种褶曲，基本上反映了褶曲变形程度从轻微到强烈、从简单到复杂的过程以及水平挤压力的不同强度。但不能绝对化，有时与岩性和构造条件等有关。可见，褶曲的形态是多种多样的，但是，基本形式可以被总结为背斜和向斜两种。背斜岩层一般向上拱起，向斜岩层一般向下弯曲。在地貌上，背斜常成为山岭，向斜常成为谷地或盆地。但是，不少褶皱构造的背斜顶部因受张力，容易被侵蚀成谷地，而向斜槽部受到挤压，岩性坚硬不易被侵蚀，反而成为山岭。褶皱的应力分析（图112，图113）。图112褶皱的应力分析（1）据上图示，背斜顶部因受张应力作用，极易形成一组平行轴面的张裂隙，给外力侵蚀作用提供了条件，如果核部岩层较软，那就更相得益彰，最后侵蚀谷地。图113褶皱的应力分析（2）在向斜槽部，因受压应力作用，岩石往往挤压密实，难于破坏，如果核部岩层较硬，那就更难侵蚀风化，最后突起形成高山。152断裂地壳中的岩石（岩层或岩体），特别是脆性较大和靠近地表的岩石，在地壳运动产生的强大压力或张力，超过了岩石所能承受的程度，岩体就会容易产生断裂和错动。总称为断裂构造。通常根据断裂岩块相对位移的程度，把断裂构造分为节理和断层两大类。本文简要介绍断层。断层的要素有断层面，断层线，断盘和断距（位移）根据断层两盘相对位移的关系，断层可分为正断层，逆断层，平推断层和斜滑断层。（图114）图114断层的分类在地貌上，大的断层常常形成裂谷或陡崖，如著名的东非大裂谷、我国华山北坡大断崖等。断层一侧上升的岩块，常成为块状山地或高地，如我国的华山、庐山、泰山；另一侧相对下沉的岩块，则常形成谷地或低地，如我国的渭河平原、汾河谷地。在断层构造地带，由于岩石破碎，易受风化侵蚀，常常发育成沟谷、河流。2城市地球物理学21展开研究的必要性当前，城市的快速发展已成为全球的共同趋势。联合国的统计资料1表明，人口城市化的趋势在不断地加速发展。图1表示了这种发展趋势。图11世界城市人口占总人口的比例第二次世界大战以后，许多国家的城市需要重建，世界范围内的城市化进程加速，这些都要求对城市进行全面的研究和规划，促使大批地理学家投入城市研究或城市规划工作。城市化问题使得传统地球物理学的研究方法、研究对象和研究内容面临新的机遇和挑战。20世纪初，地震波证实了地球铁核的存在，证明了2900KM深度存在地核与地幔的边界。30年代，地球物理方法发现了地球内核的存在，在此基础上，科学家提出了地球内部分层模型。20世纪中期，各种地球物理勘探方法初步形成。4050年代，地球物理学的主要研究对象是勘探固体矿产资源，6070年代在此基础上增加了石油和天然气，8090年代又增加了水资源。随着工业化进程的加快，环境问题也日益成为地球物理学的研究对象。总而言之，20世纪地球物理学的研究对象是以自然资源为主。20世纪末的全球性城市化发展趋势，使21世纪的地球物理学不可避免地要面对诸多的城市问题。80年代以来，由于地球科学各分支学科的日益成熟和全球环境问题的日益突出，人们认识到地球各圈层相互作用以及人类活动的重要性，地球科学的发展开始进入地球系统科学的新时代。城市地球物理学的发展在这样的时代背景下产生。传统地球物理学的主要研究对象是自然现象，而城市地球物理学则主要研究自然现象与人类活动的相互作用。因此，在城市地球物理学研究中，除了自然科学问题之外，还应强调科学与社会的结合、各相关学科的综合及与各社会部门的协调。而凭借着城市地球物理学的发展，我们对很多问题也会有更新，更全面的看法与结论。3地壳水平运动对人类城市社会发展的影响及对人类认识地球的作用。31加快城市建设的速度了解地质构造规律，对于城市中人们的很多工程建设有很大帮助。比如，在工程建设方面，如隧道工程通过断层时必须采取相应的工程加固措施，以免发生崩塌。等等。32为城市发展提供有力的资源保障。城市发展需要大量资源与矿藏。而在了解了地球水平运动及其他相关的知识后，对我们找油，找矿的效率就可大大提高，从而推进了城市发展的速度如我们知道，含石油、天然气的岩层，背斜是良好的储油构造；向斜构造盆地，利于储存地下水，常形成自流盆地。水库等大型工程选址，应避开断层带，以免诱发断层活动，产生地震、滑坡、渗漏等不良后果。33有效预警城市灾害的发生，减少损失。我们知道，地壳无时不在运动，但一般而言地壳运动速度缓慢，不易为人感觉。特别情况下，地壳运动可表现快速而激烈，那就是地震活动，并常常引发山崩、地陷、海啸等等。而受这些灾害最大的影响的，即是人口密度高，高新知识产业集中的城市了。如图所示，地震造成的损失也主要集中在城市设施，如工业，服务业等。因此近年来，许多国家都将预警重点放在了城市。图地震造成的损失另外，根据国家汶川地震专家在国务院新闻办公室举行的发布会上所说，汶川地震的震源深度为15公里左右。通过现场地震地质构造的考察及多种观测资料的分析，位于龙门山的映秀北川断裂即是汶川地震的发震主断裂。从龙门山及其外围地区多年连续观测的地球物理资料来看，此次地震之前尚未能认定有显著异常，未能给出短期和临震预报。有人说汶川地震是青藏高原惹的祸，表面如此，实际上是印度板块惹的祸。汶川地震给科学家上了一课，过去往往关注那些位移量大的地区，如鲜水河断裂等，每年位移量是龙门山的好几倍，地震也频繁，可是位移量由大变小的地区，即使位移量不大，也应当高度关注，因为应力和应变正在聚集之中，可能爆发大地震，汶川就是如此。由此可见，如果我们能重视对于地壳运动，尤其是水平运动的变化，那么就有可能对像这样的天灾人祸做出正确的预警，它所造成的损失就会大大地降低，将会更有利于我们人类的发展于进步。4结语地壳的运动不仅在自然力作用下发生变化，而且人类活动作为地球上有关过程的一种作用力也对其有一定的影响。相对的，地壳运动所产生的影响也不仅仅限于自然，而是对人类的生活也会产生影响。进入21世纪，我们应该从人地关系的角度审视环境的变化，为人类社会与自然环境的协调发展提供科学理论基础，使人居环境得到最大限度地改善，同时又要保持地球的“健康”演化，使地球物理学研究在人类社会发展中体现出自身的价值。如，如何合理地利用地球资源，帮助工业界解决难题，改善地球的可居住性等等。研究地壳的运动规律，趋势等也是其中重要的一环。为此，作为地球物理学研究的一部分，地球地壳运动的研究也应该作出其应有的贡献。【参考文献】1UNITEDNATIONSWORLDDEMOGRAPHICESTIMATESANDPROJECTIONS19502025MNEWYORKPRESSOFUNITEDNATIONS,19902NATIONALSTATITICSBUREAUOFCHINA50YEARSOFCITYDREAMSNCHINADAILY,NATIONALDAYSPECIAL50THANNIVERSARY,199910011国家统计局50年的城市梦N中国日报国庆50周年专刊，1999100113地质学基础宋春青，张振春第四节褶皱构造4中国科协学科发展研究系列报告20082009地球物理学科发展报告5ZHOUGANZHIURBANAREAATYPICALOPENCOMPLICATEDMACROSYSTEMAINSONGJIAN,EDPROCEEDINGOFWORKGROUPONQIANXUESENSCONTRIBUTIONANDACADEMICIDEASCBEIJINGCHINASCIENCEANDTECHNOLOGYPRESS,2001周干峙城市及其地区一个典型的开放的复杂巨系统A见宋健主编钱学森的科学贡献暨学术思想研讨会论文集C北京中国科学技术出版社，2001测量学模拟试卷得分评卷人复查人1经纬仪测量水平角时，正倒镜瞄准同一方向所读的水平方向值理论上应相差（A）。A180B0C90D270215000地形图的比例尺精度是（D）。A5MB01MMC5CMD50CM3以下不属于基本测量工作范畴的一项是（C）。A高差测量B距离测量C导线测量D角度测量4已知某直线的坐标方位角为220，则其象限角为（D）。A220B40C南西50D南西405由一条线段的边长、方位角和一点坐标计算另一点坐标的计算称为（A）。A坐标正算B坐标反算C导线计算D水准计算6闭合导线在X轴上的坐标增量闭合差（A）。A为一不等于0的常数B与导线形状有关C总为0D由路线中两点确定7在地形图中，表示测量控制点的符号属于（D）。A比例符号B半依比例符号C地貌符号D非比例符号8在未知点上设站对三个已知点进行测角交会的方法称为（A）。A后方交会B前方交会C侧方交会D无法确定9两井定向中不需要进行的一项工作是（C）。A投点B地面连接C测量井筒中钢丝长度D井下连接10绝对高程是地面点到（C）的铅垂距离。A坐标原点B任意水准面C大地水准面D赤道面11下列关于等高线的叙述是错误的是（A）A高程相等的点在同一等高线上B等高线必定是闭合曲线，即使本幅图没闭合，则在相邻的图幅闭合C等高线不能分叉、相交或合并一、单项选择题（每小题1分，共20分）在下列每小题的四个备选答案中选出一个正确的答案，并将其字母标号填入题干的括号内。D等高线经过山脊与山脊线正交12下面关于非比例符号中定位点位置的叙述错误的是（B）A几何图形符号，定位点在符号图形中心B符号图形中有一个点，则该点即为定位点C宽底符号，符号定位点在符号底部中心D底部为直角形符号，其符号定位点位于最右边顶点处13下面关于控制网的叙述错误的是（D）A国家控制网从高级到低级布设B国家控制网按精度可分为A、B、C、D、E五等C国家控制网分为平面控制网和高程控制网D直接为测图目的建立的控制网，称为图根控制网14下图为某地形图的一部分，各等高线高程如图所视，A点位于线段MN上，点A到点M和点N的图上水平距离为MA3MM，NA2MM，则A点高程为（A）A364MB366MC374MD376M15如图所示支导线，AB边的坐标方位角为，转折角如图，则CD边30125AB的坐标方位角为（B）CDABCD3075301530453029516三角高程测量要求对向观测垂直角，计算往返高差，主要目的是（D）A有效地抵偿或消除球差和气差的影响B有效地抵偿或消除仪器高和觇标高测量误差的影响C有效地抵偿或消除垂直角读数误差的影响D有效地抵偿或消除读盘分划误差的影响17下面测量读数的做法正确的是（C）A用经纬仪测水平角，用横丝照准目标读数ANM373635100301303010030DCBAB用水准仪测高差，用竖丝切准水准尺读数C水准测量时，每次读数前都要使水准管气泡居中D经纬仪测竖直角时，尽量照准目标的底部18水准测量时对一端水准尺进行测量的正确操作步骤是（D）。A对中整平瞄准读数A整平瞄准读数精平C粗平精平瞄准读数D粗平瞄准精平读数19矿井平面联系测量的主要任务是（D）A实现井上下平面坐标系统的统一B实现井上下高程的统一C作为井下基本平面控制D提高井下导线测量的精度20井口水准基点一般位于（A）。A地面工业广场井筒附近B井下井筒附近C地面任意位置的水准点D井下任意位置的水准点得分评卷人复查人21水准测量中，为了进行测站检核，在一个测站要测量两个高差值进行比较，通常采用的测量检核方法是双面尺法和。22直线定向常用的标准方向有真子午线方向、_磁北方向_和坐标纵线方向。23地形图符号一般分为比例符号、_半依比例符号_和不依比例符号。24井下巷道掘进过程中，为了保证巷道的方向和坡度，通常要进行中线和_的标定工作。25测量误差按其对测量结果的影响性质，可分为系统误差和_偶然误差_。26地物注记的形式有文字注记、_和符号注记三种。27象限角的取值范围是090。28经纬仪安置通常包括整平和对中。29为了便于计算和分析，对大地水准面采用一个规则的数学曲面进行表示，这个数学曲面称为参考托球面。二、填空题（每空2分，共20分）30光电测距仪按照测量时间的方式可以分为相位式测距仪和差分。得分评卷人复查人31竖盘指标差竖盘分划误差32水准测量利用水准仪测定两点间的高差33系统误差由客观原因造成的具有统计规律性的误差34视准轴仪器望远镜物镜和目镜中心的连线得分评卷人复查人35简述测回法测量水平角时一个测站上的工作步骤和角度计算方法。对中，整平，定向，测角。观测角度值减去定向角度值三、名词解释（每小题5分，共20分）四、简答题（每小题5分，共20分）36什么叫比例尺精度它在实际测量工作中有何意义图上01毫米在实地的距离。可以影响地物取舍37简述用极坐标法在实地测设图纸上某点平面位置的要素计算和测设过程。38高斯投影具有哪些基本规律。得分评卷人复查人39在12000图幅坐标方格网上，量测出AB20CM,AC16CM,AD39CM,AE52CM。试计算AB长度DAB及其坐标方位角AB。40从图上量得点M的坐标XM1422M,YM8671M；点A的坐标为XA4234M,YA8500M。试计算M、A两点的水平距离和坐标方位角。ABDCEBA1200140016001800五、计算题（每小题10分，共20分）测量学标准答案与评分说明一、一、单项选择题（每题1分）1A；2D；3C；4D；5A；6C；7D；8A；9C；10C；11A；12D；13B；14A；15B；16A；17C；18D；19A；20A二、二、填空题（每空2分，共20分）21变更仪器高法22磁北方向23半依比例符号（或线状符号）24腰线25偶然误差26数字注记27大于等于0度且小于等于90度（或0,90）28对中29旋转椭球体面30脉冲式测距仪三、三、名词解释（每题5分，共20分）31竖盘指标差在垂直角测量中，当竖盘指标水准管气泡居中时，指标并不恰好指向其正确位置90度或270度，而是与正确位置相差一个小角度X,X即为竖盘指标差。32水准测量利用一条水平视线并借助于水准尺，测量地面两点间的高差，进而由已知点的高程推算出未知点的高程的测量工作。33系统误差在相同的观测条件下，对某量进行了N次观测，如果误差出现的大小和符号均相同或按一定的规律变化，这种误差称为系统误差。34视准轴望远镜物镜光心与十字丝中心（或交叉点）的连线。四、四、简答题（每题5分，共20分）35（1）在测站