地球的物理性质

1、第二章 地球的物理性质第一节 地球的重力一、 地球重力场的一般特征地球的重力主要指地球对地表附近和地内物质的吸引力。重力。1F GP由于地球不是正球体，并有自转，所以地表的的重力除主要受地球质量的影响外，还受自转产生的离心力和各点与地心距离的影响，因此，实测的重力实际是地心吸引力与离心力的合力。赤道的重力为978.0318伽(厘米/秒2）重力（g）标准值随纬度（）的变化规律为：g=978.0318( l十0.0053024 sin2-0.0000059 sin22)2二、重力异常重力理论值-按公式g =978.0318( l十0.0053024 sin2-0.0000059 sin22) 求得

2、的重力值，实际是在海平面（海拔为0米）高度的，即相当于地球为理想的旋转椭球体，并且内部密度无横向变化时的理论重力值，也叫重力标准值。3 重力异常-在具体地区实际测量时，由于地形高度、周围地形以及地下局部岩石密度差异，都使实测重力值偏离正常理论值(标准值)，形成区域或局部的重力异常。为了比较各测站的的重力，必须进行一些校正，计算出各测站在海平面上的校正值，这种校正后的实测值与该测站的标准值往往也有差值，这种现象称之为重力异常（gravity anomaly）。正异常-实测值大于标准值为正异常（positive anomaly）负异常-实测值小于标准值为负异常（negative anomaly）。

3、4根据重力异常的范围大小又可分为：区域重力异常（regional gravity anomaly）（范围大于等于几千平方公里）局部重力异常（local gravity anomaly）（范围小于等于几百平方公里）。5 地表地形对实测重力值的影响包括两方面： 第一、测点高度 因其直接影响测点与地心距离，高差每增减 l米，重力差为0.3083 毫枷。可根据测点海拔计算予以消除，一律校正至海平面高度，经这样校正后的重力值与理论重力值之差，称为自由空气异常。 第二，测点周围地形的侧向影响 测点周围高于海平面的山体的质量对测点有引力，其垂直分量影响重力值；低于海平面则产生引力亏损。必须根据实际周围地形及

4、岩石密度 (一般地表附近取平均植2.67克厘米3)计算扣除。自由空气异常经这样校正后得出的异常称为布格重力异常。6第二节 地球的磁性一、地磁场和地磁要素地球是一个均匀磁化球体，分布特征和棒形磁铁的磁场相似，形成一个偶极子磁场。偶极子磁轴与地面的交点称为地磁极(geomagnetic pole)。地磁场的南北两极和地理南北两极并不在一处，而且相距颇远，而且磁轴也不通过地心。地磁轴和地球自转轴不相重合，交角约 11。地磁极与地理极之间的相对位置也在不断改变；地磁极的迁移可能是地内深部物质运动引起的。7地磁子午线-地磁场也有无数磁力线在地球表面上通过两地磁极，每一条这样的磁力线叫地磁子午线( geo

5、magnetic meridian)。磁偏角-由于地磁极和地理极不相吻合，因此，在大多数地方，地磁子午线与地理子午线之间也就有交角，这个交角叫磁偏角(magnetic declination)。我们用罗盘(Com pass)测方位时应加以校正才能得到地理方位。磁倾角-磁针与水平面之间的夹角叫磁倾角8磁场-磁力线分布的空间叫磁场(magnetic field)磁场强度-磁场内有磁力作用存在，磁力的大小叫磁场强度(magnetic intensity)。地磁要素( magnetic elements)-总磁场强度 F、水平分量 H、竖向分量Z、北向分量X、东向分量Y、磁偏角 D和磁倾角 I，共七个

6、量。无论根据哪三个分量都可确定该点地磁场强度的大小和方向9二、地磁场的变化和地磁异常 地磁场的变化具体表现为地磁要素的变化，有短期变化和长期变化两种。短期变化 由地球外部原因引起。 例如每天都有轻微而有规则的日变化，每年也有同样轻微的年变化。日-地相对位置和地轴倾斜所引起的。 还有一种突然性的比较剧烈的变化叫磁暴(magnetic storm)，平均每年发生10次左右，每次时间几小时到几天。与太阳活动时放出大量电磁辐射使地球大气强烈电离有关。10长期变化 起因于地球内部。 把地磁要素的短期变化消去，就得到基本地磁场(main magnetic field)的本来面目。人们发现，基本地磁场也有长

7、期的缓慢变化。自16世纪以来人们不断观察，发现磁偏角、磁倾角和磁场强度都在非常缓慢地全球性地变化。这种现象叫长期变化。 最重要的长期变化是地磁场有“向西迁移”(westward drift)现象。11地磁异常(magnetic anomaly) 利用多个磁测站、航空磁测和卫星磁测所得的数据进行地面磁测校订和计算获得的全球基本地磁场的数值，叫正常值。 在实际工作中如果发现实测地磁要素数值与正常值不一致，便说明在正常磁场里有一个局部异常磁场存在，使地磁要素产生偏差，这个现象叫地磁异常(magnetic anomaly)正异常-异常值大于正常值；负异常-异常值小于正常值。磁法勘探-利用地磁异常勘探有

8、用矿物的方法12三、古地磁剩磁和古地磁的概念 地壳的岩石是在地磁场中形成的，所以一开始都具有磁性，但其受到高温会消磁，在冷却过程中受到地磁场影响又具磁性，完全冷却后这种磁性就保留下来，以后地磁场变化了，这个磁性仍然保留，叫剩磁(remanent magnetization)。包括热剩磁和沉积剩磁。 剩磁可以指示当时的地磁场方向，所以叫古地磁( paleomagnetism)。13热剩磁 火山岩或熔岩常保留有剩磁，称为热剩磁(thermoremanent magnetization)。14沉积剩磁 含有多量磁性矿物的沉积岩也常有剩磁，已磁化的颗粒(例如含剩磁的熔岩碎屑)，下沉到海底时，便顺着地磁

9、场方向停积下来，以后变为沉积岩也就保留有古地磁。这种剩磁叫沉积剩磁15第三节 地 热一、地球内部温度及其变化根据地内温度分布状况可以分三个层：外热层、常温层、内热层。 1外热层(solar warming layer) 是地球表层，吸收太阳辐射热，其中绝大部分又辐射回空中，只有极少一部分透入地下以增高岩石温度。外热层的温度是向下减低的。2常温层(homothermal layer)是外热层最下界，温度常年保持不变，等于当地年平均温度。163内热层(interior warming layer) 在常温层下，温度随深度而逐渐增加。 计量这种增温的大小通常有两种表示方法：(1) 地温梯度(geot

10、hermal gradient，或地热增温率)，即深度每增加100米时所升高的温度。(2)地温深度(geothermal depth，或地热增温级)，即温度每升高1C所增加的深度。 地球上不同地区的地温梯度并不相同，与热源和岩石的热导率有关，在同一热源的情况下，热导率小的地区地温梯度较高。17二、地表热流和地热异常地热流-地球内部的热总是不断地传出地面，传播方式可以是传导、对流和辐射，其中以热传导方式由地球内部传到地表的热称为地热流(heat flow) 。地热流主要有以下两点规律： 1、地球表层活动带（括年青的山脉、大陆裂谷、洋脊、海沟陆侧的岛弧或海岸山脉以及某些深大断裂）一般地热较高。 2

11、、大陆与海底的地热流平均值基本相等。18地热异常区和地热勘探 热流值较大的地区(如热泉，火山等地区)叫地热异常区(thermal anomaly area)这些地区经过地热勘探(geothermal prospecting)，用钻孔把地下热水开发出来，用于发电(地热电站)、工业、农业、医疗卫生、生活饮用和提取稀有元素等。地热是主要天然动力资源之一。19三、地热的成因放射性元素的蜕变热 一般岩石多少都含有一定数量的放射性元素。主要是U、Th、K40基本上可以补偿地球向外发散的热量。地球本身的重力能 重力能对地球早期或起始温度具有重要意义。重力分异使重物质下沉，轻物质上浮，结果使地球核部具有更大的

12、质量，同时放出位能。释放的位能主要将转为热能。还有潮汐磨擦，地球自转变慢等都可使部分能量转为热能。20第四节 地球的弹性和塑性一、固体地球的弹性和塑性地球具有弹性 表现在能传播地震波，因为地震波是弹性波。用精密仪器可观测到地球固体表层在日月引力下有潮汐现象，可以引起地壳升降7.15厘米，叫固体潮(Earth tide)，说明固体地球具有弹性。固体地球在一定条件下还表现为塑性体 很多岩体发生剧烈而复杂的弯曲却没有断裂开，是岩体的塑性表现。21地球弹性和塑性，在不同条件下可以转化 在作用速度快、持续时间短的力(如地震波、潮汐力)的作用下，地球表现为弹性体； 在作用缓慢、持续时向长的力(如地球旋转力

13、、重力)的条件下则表现为塑性体。 这种条件是相对的，与地球物质的松弛时间有关。22二、地震波的性质地球内部的弹性状况是通过地震波在地球内部传播速度来确定的。地震波有体波、面波和自由振荡三种，都是弹性波。体波(body wave)又分为纵波和横波两种。它们的质点振动都是直线运动。都在介质体中传播，所以叫体波。纵波-质点振动方向与地震波传播方向平行的叫纵波(P wave)，横波-质点振动方向与地震波传播方向垂直的叫横波(S wave)。23面波(surface wive)-当体波传播到介质表面或两介质间的界面时就会反射或折射，同时有一部分转化为沿界面或表面传播，便是面波，质点振动比较复杂，传播速度

14、慢，只有横波速度的34。自由振荡(free oscillation)-是由极大地震所激发的整个地球的弹性振动。24物体弹性特征通常用两种基本弹性系数来表示：体积弹性模量或叫体变模量 体变摸量是物体在围压下体积能缩小的程度，体变模量值愈大的物体其体积愈难缩小。刚性模量或叫切变模量 切变模量是物体在定向压力下形状能改变的程度，液体没有反抗变形的能力，所以切变模量为零。25地震波速的快慢与物体的密度和弹性有关， 它们的关系是： Vp2 = (K+4/3)/ Vs2 =/ 公式中 Vp 为纵波速度， Vs 为横波速度，为物体密度，K为物体体变摸量， 为切变模量。 P波速度较S波快 波速与密度成反比，与

15、弹性模量成正比 在固体中纵波和横波都可传播，而在液体中，因切变模量等于零，故横波不能通过液体。26第五节 地球的其它物理性质一、地球的放射性1、放射性物质在地球内部的分布 地表岩石、水、大气、生物中都有放射性元素存在，地球内部深处也有，它们存在于各种岩石中，但主要集中在地壳，特别集中在酸性岩浆岩中。 最具有地质意义的是寿命长的放射性元素铀、钍、钾，它们的半衰期长，可与地球年龄相比，能够用它们来测定地质年龄，也在蜕变过程中释放热量，是地球内部主要热源之一。272、放射性的表现和放射性异常 放射性异常区-放射性强度局部增高的地段，叫做放射性异常区( anomaly area of radioactivity)。 放射性勘探-使用一些专门仪器来探测和进一步研究、查明放射性矿床，叫放射性勘探(radioactivity pros pecting)。28二、地球的电性1、地电的来源和在地内的分布 地球内部的电性主要视地内物质的电导率而定。电导率则变化大，地壳的电导率与温度、岩石成分、结构构造、物态、空隙度，空隙水的矿化度等有关。2、地电场的变化和地电异常 大地电流的强度和方向均有变化，这是因为大地电