固体地球物理学概论(2015)

1、成绩评定办法及考试方式成绩评定办法及考试方式第一章第一章第一章第一章 地球物理学是以地球为研究对象地球物理学是以地球为研究对象, ,研究地球的各种物理现研究地球的各种物理现象，以及这些现象与地球运动、地球各层圈结构构造、地球物象，以及这些现象与地球运动、地球各层圈结构构造、地球物质的分布及迁移的关系的学科。质的分布及迁移的关系的学科。(Geophysics)(Geophysics) 地球物理学最早是物理学的一个分支。地球物理学最早是物理学的一个分支。广义上说广义上说，地球物，地球物理学研究的领域涉及天体物理学、地质构造物理学、大地测量理学研究的领域涉及天体物理学、地质构造物理学、大地测量学、海

2、洋物理学、大气物理学、空间物理学等。学、海洋物理学、大气物理学、空间物理学等。狭义上说狭义上说，地，地球物理学指的是固体地球物理学，即以研究固体地球的各种物球物理学指的是固体地球物理学，即以研究固体地球的各种物理特征与地球运动、地球内部结构构造、地球内部物质成分及理特征与地球运动、地球内部结构构造、地球内部物质成分及其分布等关系的学科。其分布等关系的学科。 地球物理学是地球科学的重要组成部分，地球物理学是地球科学的重要组成部分，地球物理学、地地球物理学、地质学和地球化学质学和地球化学被称为地球科学的三大支柱。被称为地球科学的三大支柱。第一章第一章第一章第一章 地球的形状、引力场的变化、物质密度

3、的变化与分布，等等地球的形状、引力场的变化、物质密度的变化与分布，等等 地磁场的分布和变化、地磁场的起源、地磁场的演变，等等地磁场的分布和变化、地磁场的起源、地磁场的演变，等等 地震发生机制与震源分布、地震波类型与传播、地震预报，等等地震发生机制与震源分布、地震波类型与传播、地震预报，等等 地温场的分布和变化、地热源及其分布，地热的传播，等等地温场的分布和变化、地热源及其分布，地热的传播，等等 地球电磁感应特征和变化、地电结构，等等地球电磁感应特征和变化、地电结构，等等第一章第一章 地球物理学是天文学、物理、化学、地质学之间的边缘学地球物理学是天文学、物理、化学、地质学之间的边缘学科，是一个涉

4、及多学科的、与其它学科相互交叉、相互渗透的科，是一个涉及多学科的、与其它学科相互交叉、相互渗透的学科。学科。 数学、物理学、地质学是研究地球物理学三大基础。数学、物理学、地质学是研究地球物理学三大基础。 现代仪器技术、电子技术、信息科学、运载工具技术的发现代仪器技术、电子技术、信息科学、运载工具技术的发展，是推动其发展的关键技术。展，是推动其发展的关键技术。 地球物理学已经成为人类社会发展的不可缺少的科学。地球物理学已经成为人类社会发展的不可缺少的科学。 应用地球物理应用地球物理资源勘察、灾害调查、环境监测、工程检测、军资源勘察、灾害调查、环境监测、工程检测、军事战略事战略第一章第一章 地球物

5、理学从地球物理学从1919世纪末到世纪末到2020世纪初已形成体系，但对地球物理现象的世纪初已形成体系，但对地球物理现象的观察和探讨，从远古就开始了。观察和探讨，从远古就开始了。 公元前六世纪，希腊人从亚那萨哥拉时代已把大地看成球体；公元前公元前六世纪，希腊人从亚那萨哥拉时代已把大地看成球体；公元前三世纪，古希腊的学者亚里士多德曾提出：运动物体的下落时间与其重量三世纪，古希腊的学者亚里士多德曾提出：运动物体的下落时间与其重量成比例；战国时期，我国发明了指南针，并开始应用于指引方向；公元三成比例；战国时期，我国发明了指南针，并开始应用于指引方向；公元三世纪我国东汉的地震学家张衡成功地进行了地震观

6、测；公元八世纪，我国世纪我国东汉的地震学家张衡成功地进行了地震观测；公元八世纪，我国唐代的天文学家张遂唐代的天文学家张遂( (僧一行僧一行) )独立得出地球圆周长，其误差约小于独立得出地球圆周长，其误差约小于2020； 公元公元1616世纪以来，作为物理学中热门，地球物理学得到较快的发展。世纪以来，作为物理学中热门，地球物理学得到较快的发展。伽利略从大量的实验中总结出：物体坠落的路径与它经历的时间的平方成伽利略从大量的实验中总结出：物体坠落的路径与它经历的时间的平方成正比，而与物体自身的重量无关；里舍正比，而与物体自身的重量无关；里舍( (在利用摆钟从巴黎到南美进行天文在利用摆钟从巴黎到南美进

7、行天文观测时发现重力加速度在各地并非恒值；牛顿的万有引力定律以及他推算观测时发现重力加速度在各地并非恒值；牛顿的万有引力定律以及他推算的地球扁率；的地球扁率；南斯拉大地震学家莫霍洛维奇南斯拉大地震学家莫霍洛维奇在在19091909年研究阿尔卑斯地区的年研究阿尔卑斯地区的区域地震波震相时发现了地壳与地幔的分界面区域地震波震相时发现了地壳与地幔的分界面莫霍莫霍(Moho)(Moho)界断面；界断面；第一章第一章 近近2020年来，国际上连续组织了四次由年来，国际上连续组织了四次由5050多个国家参加的全球大协作多个国家参加的全球大协作计划，使地球物理学获得了空前的巨大进展。这四次大协作计划是：计划

8、，使地球物理学获得了空前的巨大进展。这四次大协作计划是： 1957195719581958年的国际地球物理年年的国际地球物理年(IGY)(IGY) 1960 196019701970年的国际上地幔计划年的国际上地幔计划(IUP)(IUP) 1974 197419801980年的国际地球动力学计划年的国际地球动力学计划(IGP)(IGP) 1981 198119891989年的国际岩石圈计划年的国际岩石圈计划(ILP)(ILP) 国际上地幔计划研究内容包括：国际上地幔计划研究内容包括： 1 1、全球性的地壳断裂系统、全球性的地壳断裂系统 2 2、大陆边缘地带及岛弧的构造、大陆边缘地带及岛弧的构造

9、 3 3、地幔的物质组成及地球化学过程、地幔的物质组成及地球化学过程 4 4、地壳与地幔的结构及其横向不均匀性、地壳与地幔的结构及其横向不均匀性 所用的手段包括：地震、地磁、古地磁、重力、海上地球物理测量所用的手段包括：地震、地磁、古地磁、重力、海上地球物理测量、地热、地质、深钻等。、地热、地质、深钻等。 其重要成果就是提出了一个其重要成果就是提出了一个“板块构造假说板块构造假说”第一章第一章 大地测量学的诞生与发展，使人类能够得到地球表面的起伏变化，大地测量学的诞生与发展，使人类能够得到地球表面的起伏变化，并用于生产建设和规划，并用于生产建设和规划， 地磁学的研究，使人类了解了地磁场，并用于

10、导航，地磁学的研究，使人类了解了地磁场，并用于导航， 地热学的研究，使人类了解如何直接利用能源，地热学的研究，使人类了解如何直接利用能源，. . 地震学的研究地震学的研究, , 开始开始“预报预报”地震灾害，地震灾害，. 基于地球物理学理论的探测技术基于地球物理学理论的探测技术应用地球物理学，为人类创造应用地球物理学，为人类创造财富，为人类财富，为人类“排忧解难排忧解难”，. . 第一章第一章 最初，地球物理学研究就是从对地球的观测开始的，所以最初，地球物理学研究就是从对地球的观测开始的，所以地球物理学研究是建立在对地球充分观测的基础上进行的。地球物理学研究是建立在对地球充分观测的基础上进行的

11、。 地球物理学的研究方法可分为以下几个方面：地球物理学的研究方法可分为以下几个方面： 观测观测 数据分析与处理数据分析与处理 模拟真实对象的理论模型计算与实验模拟真实对象的理论模型计算与实验 推测真实对象反演计算推测真实对象反演计算第一章第一章物性差异物性差异地球物理场的变化地球物理场的变化应用物理学和地质学的原理应用物理学和地质学的原理解释地球物理场变异的地质因素解释地球物理场变异的地质因素Geophysical anomalyPrinciple of physicsInterpretation of geology for geophysical anomalies计算机模拟计算机模拟 M

12、odelling of computer 实验地球物理实验地球物理 Experimental geophysics 第一章第一章 正演：正演：已知地球物理模型，求解地球物理响应（异常）已知地球物理模型，求解地球物理响应（异常） 反演：反演：根据地球物理响应（异常），推断地球物理模型，进根据地球物理响应（异常），推断地球物理模型，进 而结合地质学知识，推断地质结构和物质分布而结合地质学知识，推断地质结构和物质分布 正演过程正演过程(正问题正问题)具有唯一性具有唯一性 地质体存在物理性质地质体存在物理性质(物性物性)差异是地球物理场变异的基础差异是地球物理场变异的基础反演过程反演过程(反问题反问题

13、)存在不确定性（多解性存在不确定性（多解性)第一章第一章第一章第一章 积极主动是学好本课程的关键积极主动是学好本课程的关键 阅读参考书籍阅读参考书籍 听、记、问听、记、问 掌握基本概念掌握基本概念 领会分析问题和解决问题的方法领会分析问题和解决问题的方法 了解数学方法的应用了解数学方法的应用第二章第二章第二章第二章太阳太阳-恒星，是太阳系的中心，是质量和体积最大的星体。恒星，是太阳系的中心，是质量和体积最大的星体。 大行星大行星 水星（水星（Mercury)Mercury)、金星（、金星（VenusVenus）、地球（）、地球（EarthEarth）、）、 火星（火星（MarsMars）、木星

14、（）、木星（JupiterJupiter）、土星（）、土星（SaturnSaturn）、）、 天王星天王星(Uranus)(Uranus)、海王星、海王星(Neptune)(Neptune)、冥王星冥王星(Pluto)(Pluto) 小行星小行星 太阳系约有太阳系约有3000030000多个小行星，最大的小行星叫谷神（多个小行星，最大的小行星叫谷神（CeresCeres）, ,直径约直径约730km730km。 行星的卫星行星的卫星 彗星彗星第二章第二章第二章第二章月球月球彗星彗星小行星小行星木星的卫星木星的卫星第二章第二章DistancDistance e(AU)RadiusRadius(E

15、arths) MassMass(Earths) RotationRotation(Earths) # Moons# Moons OrbitalOrbitalInclinationInclination OrbitalOrbitalEccentricityEccentricity ObliquityObliquity DensityDensity(g/cm3) Sun 0 0 109 109 332,800 332,800 25.3625.36* * 9 9 - - - 1.410 1.410 Mercury Mercury 0.39 0.39 0.38 0.38 0.05 0.05 58.8

16、58.8 0 0 7 7 0.2056 0.2056 0.10.1 5.43 5.43 Venus Venus 0.72 0.72 0.95 0.95 0.89 0.89 244 244 0 0 3.394 3.394 0.0068 0.0068 177.4177.4 5.25 5.25 Earth Earth 1.0 1.0 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1 1 0.000 0.000 0.0167 0.0167 23.4523.45 5.52 5.52 Mars Mars 1.5 1.5 0.53 0.53 0.11 0.11 1.029 1.029 2 2

17、1.850 1.850 0.0934 0.0934 25.1925.19 3.95 3.95 Jupiter Jupiter 5.2 5.2 11 11 318 318 0.411 0.411 16 16 1.308 1.308 0.0483 0.0483 3.123.12 1.33 1.33 Saturn Saturn 9.5 9.5 9 9 95 95 0.428 0.428 18 18 2.488 2.488 0.0560 0.0560 26.7326.73 0.69 0.69 Uranus Uranus 19.2 19.2 4 4 17 17 0.748 0.748 15 15 0.7

18、74 0.774 0.0461 0.0461 97.8697.86 1.29 1.29 Neptune Neptune 30.1 30.1 4 4 17 17 0.802 0.802 8 8 1.774 1.774 0.0097 0.0097 29.5629.56 1.64 1.64 Pluto Pluto 39.5 39.5 0.18 0.18 0.002 0.002 0.267 0.267 1 1 17.15 17.15 0.2482 0.2482 119.6119.6 2.03 2.03 第二章第二章 轨道的规律性轨道的规律性l共面性：行星轨道平面几乎平行，且与太阳赤道面平行。共面性：行

19、星轨道平面几乎平行，且与太阳赤道面平行。l同向性：行星公转方向，除金星、天王星和冥王星以外，都与太阳同向性：行星公转方向，除金星、天王星和冥王星以外，都与太阳自转方向一致，为逆时针方向。自转方向一致，为逆时针方向。l近圆性：行星轨道偏心率小，除水星（近圆性：行星轨道偏心率小，除水星（0.2060.206）和冥王星（）和冥王星（0.2480.248）以外，均小于以外，均小于0.10.1。 日距分布特征日距分布特征BodeBode定律定律 r rn n = 0.4 + 0.3 = 0.4 + 0.3 2 2n n ( (天文单位：天文单位：AUAU） 其中其中n n为行星秩序数，水星取为行星秩序数

20、，水星取，金星取，金星取0 0，地球取，地球取1 1，火星取，火星取2 2，小，小行星取行星取3 3，冥王星取，冥王星取8 8。第二章第二章第二章第二章第二章第二章第二章第二章 太阳系天体的自转太阳系天体的自转 行星的自转可分两种情况，类地星自转速率差异较大，金星需行星的自转可分两种情况，类地星自转速率差异较大，金星需244244天，天，火星只需火星只需1.031.03天；巨行星和远日星自转较快，均不到天；巨行星和远日星自转较快，均不到1 1天。天。 太阳自转有太阳自转有“赤道加速赤道加速”现象，即赤道处自转约现象，即赤道处自转约25.425.4天，两极附近天，两极附近约约3535天，其内部旋

21、转速度更快，可能比表面快十几甚至几十倍。天，其内部旋转速度更快，可能比表面快十几甚至几十倍。 第二章第二章质量与密度分布特征质量与密度分布特征 太阳占了太阳系总质量的太阳占了太阳系总质量的99.85%99.85%，行星占，行星占0.135%0.135%，其它占，其它占0.015%0.015%。若将行星分为三类，即。若将行星分为三类，即 类地星（水星、金星、地球、火类地星（水星、金星、地球、火星）、巨行星（木星、土星）和远日星（天王星、海王星），则星）、巨行星（木星、土星）和远日星（天王星、海王星），则有有 质量分布：类地星巨行星质量分布：类地星巨行星 远日星远日星 密度分布：类地星密度分布：类

22、地星 巨行星巨行星 远日星远日星（5 5）太阳系的年龄）太阳系的年龄 根据同位数测定，地球、月球和陨石的年龄约在根据同位数测定，地球、月球和陨石的年龄约在4545亿年左右亿年左右，如果太阳系中所有的行星和陨石在同一时期形成，太阳系的年，如果太阳系中所有的行星和陨石在同一时期形成，太阳系的年龄也应为龄也应为4545亿年。亿年。第二章第二章日冕：日冕： 太阳大气的最外层稀薄部分太阳大气的最外层稀薄部分, ,由太阳表面伸展出数百万公里由太阳表面伸展出数百万公里, ,包含着包含着铁、镍和其他气体的极高度电离的原子铁、镍和其他气体的极高度电离的原子, ,这表明温度有几百万度这表明温度有几百万度, ,日全

23、食日全食时肉眼观看它的外貌像是环绕月亮黑色圆盘的珍珠灰色光环时肉眼观看它的外貌像是环绕月亮黑色圆盘的珍珠灰色光环, ,但在其他时但在其他时候要用日冕仪才可观测到。候要用日冕仪才可观测到。日冕日冕第二章第二章太阳内部结构示意图太阳内部结构示意图太阳内部结构示意图太阳内部结构示意图第二章第二章太阳黑子图片太阳黑子图片太阳黑子图片太阳黑子图片第二章第二章水星及其表面图片水星及其表面图片水星及其表面图片水星及其表面图片第二章第二章金星图片金星图片金星图片金星图片第二章第二章地球的卫星摄影图片地球的卫星摄影图片地球的卫星摄影图片地球的卫星摄影图片第二章第二章地球与月球地球与月球地球与月球地球与月球第二章

24、第二章航天飞机摄影图片航天飞机摄影图片“非洲角非洲角”航天飞机摄影图片航天飞机摄影图片“非洲角非洲角”第二章第二章火星图片火星图片火星图片火星图片第二章第二章木星图片木星图片木星图片木星图片第二章第二章土星图片土星图片土星图片土星图片第二章第二章天王星图片天王星图片天王星图片天王星图片第二章第二章海王星图片海王星图片海王星图片海王星图片第二章第二章冥王星图片冥王星图片 冥王星图片冥王星图片第二章第二章陨石图片陨石图片陨石图片陨石图片第二章第二章星云图片星云图片星云图片星云图片第二章第二章 2.1.3 2.1.3 太阳系的起源太阳系的起源 自从自从17751775年康德根据牛顿的万有引力定律提出

25、星云说以来，先后出现年康德根据牛顿的万有引力定律提出星云说以来，先后出现了几十种假说。归结起来，主要有了几十种假说。归结起来，主要有“灾变说灾变说”、“俘获说俘获说”、“原始星云原始星云说说”、“次生星云说次生星云说”。 灾变说灾变说 灾变说认为，太阳是先形成的，由于某个事件，如一个恒星与太阳相灾变说认为，太阳是先形成的，由于某个事件，如一个恒星与太阳相撞或距离很近时，从太阳中撞或距离很近时，从太阳中拉出拉出一部分物质，并赋予巨大的转动角动一部分物质，并赋予巨大的转动角动量，这些物质后来逐渐形成了行星及其卫星。量，这些物质后来逐渐形成了行星及其卫星。 俘获说（陨石说）俘获说（陨石说） 俘获说也

26、是认为太阳是先形成的，但与灾变说不同的是，它认为原始俘获说也是认为太阳是先形成的，但与灾变说不同的是，它认为原始行星物质是来自其它星际，被太阳的引力俘获而来的，如陨石。行星物质是来自其它星际，被太阳的引力俘获而来的，如陨石。第二章第二章 原始星云说原始星云说 原始星云说属于原始星云说属于“渐变说渐变说”范畴。这种学说认为，太阳系乃由同一原范畴。这种学说认为，太阳系乃由同一原始星云物质形成，行星和卫星是由一度围绕太阳的星云盘物质凝聚而成的始星云物质形成，行星和卫星是由一度围绕太阳的星云盘物质凝聚而成的，并非某种偶然突变性事件的结果。，并非某种偶然突变性事件的结果。 17551755年，康德根据牛

27、顿的万有引力定律，提出了关于太阳系起源的星年，康德根据牛顿的万有引力定律，提出了关于太阳系起源的星云说。他认为形成太阳系的物质基础是星云，即大团的旋转着的气体和尘云说。他认为形成太阳系的物质基础是星云，即大团的旋转着的气体和尘埃，形成太阳系的动力是自引力，即星云各部分的相互吸引的引力。康德埃，形成太阳系的动力是自引力，即星云各部分的相互吸引的引力。康德认为处在混沌之中的宇宙初始物质由于引力作用集结起来，更大的和更密认为处在混沌之中的宇宙初始物质由于引力作用集结起来，更大的和更密集的一些质点开始把周围较小的和比较不密的质点吸引过去，以后较小的集的一些质点开始把周围较小的和比较不密的质点吸引过去，

28、以后较小的物质凝团继续向业已形成的中心体靠近，由于相撞使中心体获得了更大的物质凝团继续向业已形成的中心体靠近，由于相撞使中心体获得了更大的转动惯量和热量，并产生了巨大的灼热天体转动惯量和热量，并产生了巨大的灼热天体太阳。随着旋转速度加大太阳。随着旋转速度加大，大量微小尘埃物质在旋转着的原始太阳的赤道上集中起来，形成了扁平，大量微小尘埃物质在旋转着的原始太阳的赤道上集中起来，形成了扁平的星云盘。之后，在星云盘的边缘部分形成了物质集中的中心，并从这些的星云盘。之后，在星云盘的边缘部分形成了物质集中的中心，并从这些中心产生了行星和环绕行星的卫星。在中心产生了行星和环绕行星的卫星。在4141年以后，拉

29、普拉斯提出了和康德年以后，拉普拉斯提出了和康德相似的相似的“原始星云说原始星云说”。 第二章第二章 在在2020世纪中叶出现的各种星云说中，霍伊尔世纪中叶出现的各种星云说中，霍伊尔(F(FHoyle)Hoyle)的学说较有代的学说较有代表性。霍氏认为，太阳系开始时是一团凝缩的星云，温度不高，转动角速表性。霍氏认为，太阳系开始时是一团凝缩的星云，温度不高，转动角速度因逐渐收缩而加快。当初始的太阳星云收缩到现今水星轨道之内不远处度因逐渐收缩而加快。当初始的太阳星云收缩到现今水星轨道之内不远处，就出现了自转不稳定，星云外部不再收缩，两极渐扁，物质因此而抛出，就出现了自转不稳定，星云外部不再收缩，两极

30、渐扁，物质因此而抛出，形成一个环绕，形成一个环绕“原始太阳原始太阳”的盘状物，其质量仅为太阳的百分之一。中的盘状物，其质量仅为太阳的百分之一。中心的心的“原始太阳原始太阳”与圆盘脱离以后，继续收缩，不再分裂，最后形成太阳与圆盘脱离以后，继续收缩，不再分裂，最后形成太阳。圆盘与太阳脱离后，质量不再增加，最后形成行星。圆盘与太阳脱离后，质量不再增加，最后形成行星。 由于继续收缩的太阳具有磁场，而圆盘星云内有电离气体，太阳与圆由于继续收缩的太阳具有磁场，而圆盘星云内有电离气体，太阳与圆盘内缘产生一种磁致力矩，使太阳的角动量转移给圆盘，因而由圆盘形成盘内缘产生一种磁致力矩，使太阳的角动量转移给圆盘，因

31、而由圆盘形成的行星具有较大的角动量。在原始太阳从的行星具有较大的角动量。在原始太阳从5050倍太阳半径收缩到倍太阳半径收缩到1 1倍太阳半径倍太阳半径的过程中，表面温度保持为的过程中，表面温度保持为35003500度左右，在地球轨道附近地区，沸点低的度左右，在地球轨道附近地区，沸点低的挥发性物质相继逃逸，而不易挥发的铁，镁、硅等元素则凝聚为尘粒，通挥发性物质相继逃逸，而不易挥发的铁，镁、硅等元素则凝聚为尘粒，通过碰撞粘合而形成块状物质，直径小于过碰撞粘合而形成块状物质，直径小于1 1米的固体留在类地行星的区域而形米的固体留在类地行星的区域而形成类地行星。在木星、土星轨道附近的地区，沸点低的物质

32、可以保留，因成类地行星。在木星、土星轨道附近的地区，沸点低的物质可以保留，因而使得土星、木星的化学成分与原始星云以及太阳相近，而使得土星、木星的化学成分与原始星云以及太阳相近，H H、HeHe最多。在天最多。在天王星、海王星的空间附近，由于逃逸速度小，王星、海王星的空间附近，由于逃逸速度小，H H和和HeHe大部分逃逸，剩下的多大部分逃逸，剩下的多为为C C、N N、O O与与H H2 2O O等物质。等物质。 (续）第二章第二章第二章第二章1324第二章第二章第二章第二章a an+1 n+1 / / a an n= 1.69= 1.69 0.26 0.26第二章第二章2.2 2.2 地球的转

33、动与轨迹地球的转动与轨迹 在广阔的宇宙空间中，地球作为一个行星在不停地运动。它不仅绕着在广阔的宇宙空间中，地球作为一个行星在不停地运动。它不仅绕着一条轴线自西向东自转，同时也沿着近似圆形的轨道绕着太阳转动。由于一条轴线自西向东自转，同时也沿着近似圆形的轨道绕着太阳转动。由于日、月的吸引和地球惯量矩的季节性变化及其它目前还不甚清楚的原因，日、月的吸引和地球惯量矩的季节性变化及其它目前还不甚清楚的原因，故地球的转动速度是不均匀的。研究地球的转动实际上就是研究地球转动故地球的转动速度是不均匀的。研究地球的转动实际上就是研究地球转动的不均匀性。的不均匀性。第二章第二章 地球旋转轴叫地轴。地轴同地球表面

34、的交点就是南北极。地地球旋转轴叫地轴。地轴同地球表面的交点就是南北极。地轴的无限延长就是天轴。轴的无限延长就是天轴。如果以地心为球心，以无限大为半径构如果以地心为球心，以无限大为半径构成的球面叫天球成的球面叫天球，则天轴和天球的交点叫天极。，则天轴和天球的交点叫天极。第二章第二章天球赤道天球赤道: : 将地球的赤道平面向外延伸，与天球相割所成的天球将地球的赤道平面向外延伸，与天球相割所成的天球大圆就叫做天球赤道，也称天赤道，大圆就叫做天球赤道，也称天赤道，黄道黄道: : 将地球绕太阳运转的轨道面无限延伸，与天球相割而成的将地球绕太阳运转的轨道面无限延伸，与天球相割而成的天球大圆叫做黄道。天球大

35、圆叫做黄道。白道：将月球绕地球公转轨道面无限延伸，与天球相割而成的天白道：将月球绕地球公转轨道面无限延伸，与天球相割而成的天球大圆叫做白道。球大圆叫做白道。天极天极: : 将地球的极轴延长，交于天球上的两点将地球的极轴延长，交于天球上的两点N N、S S，这两点就叫，这两点就叫天极，即天球赤道的两极点，分别位于北天和南天的中心，称天极，即天球赤道的两极点，分别位于北天和南天的中心，称为天北极和天南极。为天北极和天南极。第二章第二章春分和秋分点、夏至和冬至点春分和秋分点、夏至和冬至点黄道与天球赤道相交的黄道与天球赤道相交的V V、A A两个点，分别叫做两个点，分别叫做春分点和秋分点春分点和秋分点

36、，即太阳由南向北通过天球赤道面的点叫春分点即太阳由南向北通过天球赤道面的点叫春分点 ( (约在约在3 3月月2121日日) )，这，这是空间位置的一个重要参考点是空间位置的一个重要参考点 ( (或参考方向或参考方向) )。黄道与天球赤道相距最远的两个点即与点黄道与天球赤道相距最远的两个点即与点V V、A A相距相距90900 0的的L L、 M M两个两个点，分别叫做点，分别叫做夏至点和冬至点夏至点和冬至点。第二章第二章第二章第二章2.2.1 2.2.1 地球的自转与公转地球的自转与公转 地球的自转与公转，是地球诸多运动中最显著的运动，这是一个天文地球的自转与公转，是地球诸多运动中最显著的运动

37、，这是一个天文学问题，也是一个地球物理学问题。在天文学中是将地球作为一颗行星，学问题，也是一个地球物理学问题。在天文学中是将地球作为一颗行星，在太阳系的形成过程中，地球获得的角动量主要分配于地球绕太阳公转、在太阳系的形成过程中，地球获得的角动量主要分配于地球绕太阳公转、地一月转动系统和地球的自转中。地一月转动系统和地球的自转中。 地球的自转地球的自转 地球自转一周是一日。在天文学上日的定义有三种，即恒星日，太阳地球自转一周是一日。在天文学上日的定义有三种，即恒星日，太阳日和太阴日。恒星日是以恒星为参考点，太阳日和太阴日则是分别以太阳日和太阴日。恒星日是以恒星为参考点，太阳日和太阴日则是分别以太

38、阳和月亮为参考点计算的一天的长度。如果把地球中心和一个遥远的恒星连和月亮为参考点计算的一天的长度。如果把地球中心和一个遥远的恒星连成一线，那么地球自转一周的过程中，这条直线要先后同地球的每一经线成一线，那么地球自转一周的过程中，这条直线要先后同地球的每一经线相割。两次相割同一经线所需的时间，叫恒星日，如果这一直线是连结地相割。两次相割同一经线所需的时间，叫恒星日，如果这一直线是连结地球中心和太阳中心，那么，这一段时间就叫太阳日，如果这一直线是连结球中心和太阳中心，那么，这一段时间就叫太阳日，如果这一直线是连结的地球中心和月球中心，这段时间就是太阴日。的地球中心和月球中心，这段时间就是太阴日。

39、第二章第二章 恒星日是地球自转的真正周期恒星日是地球自转的真正周期。因为恒星的位置在天球上是固定。因为恒星的位置在天球上是固定的。而太阳日和太阴日则不然，它的。而太阳日和太阴日则不然，它们不是地球自转的真正周期，因为们不是地球自转的真正周期，因为太阳和月球相对地球是运动着的。太阳和月球相对地球是运动着的。太阳在天球上的运动是地球绕日公太阳在天球上的运动是地球绕日公转的反映。月球在天球上的运动是转的反映。月球在天球上的运动是月球绕地公转的反映。月球绕地公转的反映。 如果用如果用2424时时0000分表示一个恒星分表示一个恒星日的长度，那么太阳日的长度就是日的长度，那么太阳日的长度就是2424时时

40、0404分，太阴日的长度是分，太阴日的长度是2424时时5454分。分。 （续）第二章第二章 地球公转的轨迹地球公转的轨迹 地球在不停地自转过程中带着自己的卫星地球在不停地自转过程中带着自己的卫星月球绕太阳公转。严格月球绕太阳公转。严格地说来，地球所围绕的并不是太阳或太阳中心，而是太阳和地球的共同质地说来，地球所围绕的并不是太阳或太阳中心，而是太阳和地球的共同质量中心。据计算，这个共同的质心距太阳的质心仅量中心。据计算，这个共同的质心距太阳的质心仅450km450km。因此，可以把地。因此，可以把地球公转说成地球绕太阳的运动。地球公转轨道是一个椭圆，其半长轴球公转说成地球绕太阳的运动。地球公转

41、轨道是一个椭圆，其半长轴a=149.6a=149.610106 6km,km,半短轴半短轴b=149.579b=149.57910106 6kmkm，半焦距，半焦距c=2.5c=2.510106 6kmkm非常接近非常接近正圆。正圆。 由于太阳位于地球公转轨道的一个焦点上，因此地日距离的变化以一由于太阳位于地球公转轨道的一个焦点上，因此地日距离的变化以一年为周期。十分明显，参考点不同，一年的长度也不一样。若把太阳中心年为周期。十分明显，参考点不同，一年的长度也不一样。若把太阳中心和一个位于地球公转轨道平面的恒星连成一直线，那么，地球两度经过这和一个位于地球公转轨道平面的恒星连成一直线，那么，地

42、球两度经过这一直线的时间就是一恒星年。恒星年是地球公转的真正周期。一直线的时间就是一恒星年。恒星年是地球公转的真正周期。第二章第二章 除恒星年以外，在天文学上还有回归年、近点年和食年等不同的定除恒星年以外，在天文学上还有回归年、近点年和食年等不同的定义。如以春分点，近日点和黄白交点义。如以春分点，近日点和黄白交点( (黄道和白道在天球上的交点黄道和白道在天球上的交点) )为参为参考点，即得回归年、近点年和食年。由于春分点、近点和黄白交点在天考点，即得回归年、近点年和食年。由于春分点、近点和黄白交点在天球上不是固定的，因此，以这些点为参考点所测得的年也不是地球公转球上不是固定的，因此，以这些点为

43、参考点所测得的年也不是地球公转的真正周期。据测定的真正周期。据测定 恒星年恒星年: 365: 365日日6 6时时9 9分分1010秒；秒； 回归年回归年: 365: 365日日5 5时时4848分分4646秒；秒； 近点年近点年: 365: 365日日6 6时时1212分分5353秒；秒； 食食 年年: 346: 346日日1414时时5252分分5353秒。秒。（续）第二章第二章近近日日点点远远日日点点第二章第二章2.2.2 2.2.2 地轴的进动与章动地轴的进动与章动 地轴的进动地轴的进动 月球轨道平面比较接近地球轨道平面，而黄平面和赤道面又有较大的月球轨道平面比较接近地球轨道平面，而黄

44、平面和赤道面又有较大的交角。因此太阳和月球时而在地球赤道平面这边，时而又在赤道平面那边交角。因此太阳和月球时而在地球赤道平面这边，时而又在赤道平面那边出现，这种对地球赤道隆起部分施加的不平衡的吸引力，特使地球以黄轴出现，这种对地球赤道隆起部分施加的不平衡的吸引力，特使地球以黄轴为轴作周期性的圆锥形运动，即所谓进动。为轴作周期性的圆锥形运动，即所谓进动。 由于地球自转的方向是由西向东，因此地轴的进动的方向是由东向西由于地球自转的方向是由西向东，因此地轴的进动的方向是由东向西。地轴进动的速度是每年。地轴进动的速度是每年50.2650.26，故地轴旋进的周期为，故地轴旋进的周期为(360(360 6

45、060 6060 /50.26/50.26) 25,786() 25,786(年年) )。这是一种极为缓慢的运动。由于地轴在不断进动。这是一种极为缓慢的运动。由于地轴在不断进动，所以其指向也在发生极其微小的变化，现在它指向北极星附近，公元，所以其指向也在发生极其微小的变化，现在它指向北极星附近，公元1360013600年，它就会指向织女星。年，它就会指向织女星。 由于地轴在不断进动，因而赤道平面的位置也会相应地发生变化。其由于地轴在不断进动，因而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、夏至和冬至四个点的改变，它们在黄道上也以每结果将导致春分、秋分、夏至和冬至四个点的改变，它们

46、在黄道上也以每年年50.2650.26的速度向西进动着。的速度向西进动着。第二章第二章第二章第二章 地轴的章动地轴的章动 研究表明，地轴这种象陀螺一样以研究表明，地轴这种象陀螺一样以2578625786年为周期的旋进运动年为周期的旋进运动( (或称岁或称岁差差) )的主要原因是月球对地球赤道隆起部分所施加的吸引力。的主要原因是月球对地球赤道隆起部分所施加的吸引力。 实际上，太阳、月球和地球的位置是在不断发生变化的。太阳每年两实际上，太阳、月球和地球的位置是在不断发生变化的。太阳每年两次通过赤道，月亮每月两次通过赤道，因而作用到地球上的引力十分复杂。次通过赤道，月亮每月两次通过赤道，因而作用到地

47、球上的引力十分复杂。由于这个缘故，在地轴长期的旋进过程中，又在它原有位置上附加了一个由于这个缘故，在地轴长期的旋进过程中，又在它原有位置上附加了一个短周期的摆动，这个摆动叫做章动。短周期的摆动，这个摆动叫做章动。 章动的周期为章动的周期为18.618.6年年, ,也就是说，地轴的进动不是一个简单的锥面，地也就是说，地轴的进动不是一个简单的锥面，地轴沿锥面里外摆动，使锥面带上一个轴沿锥面里外摆动，使锥面带上一个荷花荷花式的花边，其摆动的振幅最式的花边，其摆动的振幅最大只不过大只不过9.2069.206。 第二章第二章地轴进动轨迹地轴进动轨迹地轴进动、章动地轴进动、章动合成轨迹合成轨迹地轴地轴黄轴

48、黄轴第二章第二章 2.2.3 2.2.3 地球的平动地球的平动 地球一面不停地自转，一面又带着月球绕太阳公转。而太阳本身除自地球一面不停地自转，一面又带着月球绕太阳公转。而太阳本身除自转外，又带着它的行星族转外，又带着它的行星族( (包括地球包括地球) )以每秒约以每秒约20km20km的速度向织女星方向奔的速度向织女星方向奔驰。地球随整个太阳系在宇宙太空个不停地向前运动，即所谓平动。驰。地球随整个太阳系在宇宙太空个不停地向前运动，即所谓平动。 从相对论的观点来看从相对论的观点来看, ,地球在宇宙太空中的运动并没有到此为止。太阳地球在宇宙太空中的运动并没有到此为止。太阳系系( (包括地球包括地

49、球) )随着它周围的恒星群以大约每秒随着它周围的恒星群以大约每秒300km300km的速度绕银河系的质心的速度绕银河系的质心旋转，太阳系绕银中心转动一周大约旋转，太阳系绕银中心转动一周大约2 2亿亿5 5千万年。而银河系本身又正以每千万年。而银河系本身又正以每秒秒600km600km的速度向长蛇星座运动的速度向长蛇星座运动。 第二章第二章2.3 地球内部圈层结构地球内部圈层结构 多年来对地球内部的研究，在全球范围内已积累了丰富的资料，根多年来对地球内部的研究，在全球范围内已积累了丰富的资料，根据地震波速度的变异，地球内部可概略地分为据地震波速度的变异，地球内部可概略地分为地壳、上地幔、下地幔和

50、地壳、上地幔、下地幔和内核、外核内核、外核几个大的圈层，这些层圈之间都存在一个物性分界面，自外几个大的圈层，这些层圈之间都存在一个物性分界面，自外向内可为：向内可为： 地壳-壳幔界面上地幔 =上、下地幔之间的过渡层 下地幔-幔核界面 外核-内外核边界 内核第二章第二章第二章第二章第二章第二章第二章第二章第二章第二章(1)(1)壳幔边界壳幔边界 在地表下面在地表下面5-60km5-60km深度处，深度处，P P波速度从波速度从6-7km/s6-7km/s，跳到，跳到8km/s8km/s以上，它是以上，它是地壳与地幔的分界面，这个界面是克罗地亚地震学家莫霍洛维奇地壳与地幔的分界面，这个界面是克罗地

51、亚地震学家莫霍洛维奇(Mohorovicic)(Mohorovicic)在在19091909年研究阿尔卑斯地区的区域地震年研究阿尔卑斯地区的区域地震P P波震相时发现的，波震相时发现的，因此，这个界面又称为莫霍间断面因此，这个界面又称为莫霍间断面( (通常用通常用MohoMoho或或M M表示表示) )。 (2)(2)上、下地幔的过渡层上、下地幔的过渡层 从从19561956年开始澳大利亚地震学家布伦年开始澳大利亚地震学家布伦(Bullen)(Bullen)对地幔做了进一步地分对地幔做了进一步地分层的研究，地幔中在层的研究，地幔中在400km400km和和670km670km深处存在两个不连续

52、面，认为地幔由上深处存在两个不连续面，认为地幔由上地幔、过渡层（速度变化不均匀）和下地幔地幔、过渡层（速度变化不均匀）和下地幔( (速度变化均匀速度变化均匀) )组成。组成。 一般认为，岩石圈是地表至上地幔顶部，平均厚度约为一般认为，岩石圈是地表至上地幔顶部，平均厚度约为100km100km，其下部，其下部为厚度不等软流圈（或低速带），而过渡带位于为厚度不等软流圈（或低速带），而过渡带位于350350670km670km深度之间，之下深度之间，之下为下地幔。为下地幔。第二章第二章（续一） (3)(3)幔核边界幔核边界 在地幔内部，速度随深度而增加，在大约在地幔内部，速度随深度而增加，在大约29

53、00km2900km处，处，P P波速度突然从波速度突然从13km/s13km/s下降到下降到8km/s8km/s左右，在地球内部出现第二大间断面。这是美国的地震左右，在地球内部出现第二大间断面。这是美国的地震学家古登堡学家古登堡(Gutenberg)(Gutenberg)于于19141914年通过大量天然地震震相分析首先提出的，年通过大量天然地震震相分析首先提出的，该界面又称为古登堡界面。该界面又称为古登堡界面。 (4)(4)内、外核边界内、外核边界 从从2900km2900km以下进入地核，以下进入地核，P P波速度逐渐回升，波速度逐渐回升，S S波速度因不能通过而恒波速度因不能通过而恒为

54、零，直到大约为零，直到大约5300km5300km深处深处S S波才出现，波才出现，P P波速度也呈现明显跳跃，成为波速度也呈现明显跳跃，成为地球内部的第三大间断面。从而可见，外核物质为液态，内核物质则为固地球内部的第三大间断面。从而可见，外核物质为液态，内核物质则为固态。这是丹麦地震学家莱曼态。这是丹麦地震学家莱曼(Lehmann)(Lehmann)女士在女士在19361936年首先发现的，并记为年首先发现的，并记为L L面。面。第二章第二章（续二） 上述地球分层，即主要简单的划分，从本世纪开始至上述地球分层，即主要简单的划分，从本世纪开始至5050年代已大体确年代已大体确定，而且习惯上采用

55、定，而且习惯上采用A-GA-G字母广以命名：字母广以命名：A(A(地壳地壳) )，B(B(上地幔上地幔) )，C(C(过渡层过渡层) )，D(D(下地幔下地幔) )，E(E(外核外核) )，F F间断面，间断面，G(G(内核内核) )。 最近最近3030年来，对地球结构的认识逐步深入，目前在横向变化、非弹性年来，对地球结构的认识逐步深入，目前在横向变化、非弹性和各向异性诸方面的研究不断深化，使地球模型逐渐发展和完善。在地球和各向异性诸方面的研究不断深化，使地球模型逐渐发展和完善。在地球分层模型的发展过程中，曾先后出现佐普列兹盖格模型、杰弗里斯模型、分层模型的发展过程中，曾先后出现佐普列兹盖格模

56、型、杰弗里斯模型、古登堡古登堡(Gutenberg)(Gutenberg)模型、布伦模型、布伦(Bullen)(Bullen)模型、安德森模型、安德森哈特模型以及初哈特模型以及初步地球参考模型步地球参考模型(PREM)(PREM)。这些模型彼此有联系，也有一些区别，其中布伦。这些模型彼此有联系，也有一些区别，其中布伦模型和初步地球参考模型使用较广。模型和初步地球参考模型使用较广。第二章第二章第二章第二章2.4 地球内部物质组成地球内部物质组成 目前，许多学者都是借助于宇宙的丰度和已知的观测事实，以及地目前，许多学者都是借助于宇宙的丰度和已知的观测事实，以及地球物理资料来构筑地球物质模型，主要考

57、虑以下四个方面：球物理资料来构筑地球物质模型，主要考虑以下四个方面： 地球作为宇宙天体的一个成员并由宇宙物质演化而来，地球的元地球作为宇宙天体的一个成员并由宇宙物质演化而来，地球的元素丰度应与宇宙的元素丰度大致相同，因此可以根据宇宙丰度构成地球素丰度应与宇宙的元素丰度大致相同，因此可以根据宇宙丰度构成地球基本成分的简单模型；基本成分的简单模型； 地球基本成分及其分布必须符合深部地震资料所反映的物质密度、地球基本成分及其分布必须符合深部地震资料所反映的物质密度、波速等物理参数；波速等物理参数； 地球成分分布必须与地球总的质量和惯性矩相协调；地球成分分布必须与地球总的质量和惯性矩相协调； 地球元素

58、分布必须符合地球内部温度、压力分布的状况。地球元素分布必须符合地球内部温度、压力分布的状况。 第二章第二章 2.4.1 2.4.1 地壳物质组成地壳物质组成 硅铝质、镁铁质岩石硅铝质、镁铁质岩石 根据矿物学研究，长石根据矿物学研究，长石( (钾长石、斜长石钾长石、斜长石) )是地壳中最丰富的矿物，其是地壳中最丰富的矿物，其次是石英和含结晶水的矿物。地壳平均密度约为次是石英和含结晶水的矿物。地壳平均密度约为2.7-2.8g/cmg/cm3 3，基于较富集，基于较富集矿物的速度和矿物的速度和Vs/VpVs/Vp比值的差异，故利用地震波的速度便可以有效地进行判比值的差异，故利用地震波的速度便可以有效

59、地进行判别。由于蛇纹石化作用，橄榄石的波速可降低，在下地壳中蛇纹石化的超别。由于蛇纹石化作用，橄榄石的波速可降低，在下地壳中蛇纹石化的超镁铁岩是一种不稳定因素，有一些地区的镁铁岩是一种不稳定因素，有一些地区的MohoMoho界面可能不在玄武岩层的底界面可能不在玄武岩层的底部，而是在上地幔顶部的蛇纹石化带底部。部，而是在上地幔顶部的蛇纹石化带底部。 海洋和大陆地壳成分有所不同。大陆地壳含石英和长石较丰富，故大海洋和大陆地壳成分有所不同。大陆地壳含石英和长石较丰富，故大陆地壳内部密度一般小于海洋地壳。若陆地壳内部密度一般小于海洋地壳。若MohoMoho界面是岩石学界面，即为硅铝界面是岩石学界面，即

60、为硅铝质的或镁铁质的陆壳岩石与超铁镁岩的地幔岩石之间的边界。若质的或镁铁质的陆壳岩石与超铁镁岩的地幔岩石之间的边界。若MohoMoho界面界面是化学分界面，地壳最大厚度可能出现在玄武榴辉岩的边界处，由此，可是化学分界面，地壳最大厚度可能出现在玄武榴辉岩的边界处，由此，可以把一个相位间断面以把一个相位间断面( (玄武一榴辉岩玄武一榴辉岩) )转变为化学间断面转变为化学间断面( (玄武一橄榄岩玄武一橄榄岩) ) 。 第二章第二章 2.4.2 2.4.2 地幔物质组成地幔物质组成 地幔的最上部也由坚硬的硅酸盐岩石组成，它们和地壳一起构成了地地幔的最上部也由坚硬的硅酸盐岩石组成，它们和地壳一起构成了地