第一篇第五章地球科學(xué)的重大進(jìn)展

第五章、地球科學(xué)的重大進(jìn)展20世紀(jì)地球科學(xué)涌現(xiàn)了許多重大成果，其中揭示大地構(gòu)造特點(diǎn)和地殼運(yùn)動(dòng)與演化規(guī)律的大陸漂移學(xué)說、海底擴(kuò)張學(xué)說和板塊構(gòu)造學(xué)說尤其需要了解。地球科學(xué)是研究地球的狀況和演化規(guī)律的學(xué)說，主要分支有地理學(xué)、地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)、地球化學(xué)、海洋學(xué)等。

過去人們主要通過鉆探和采集火山噴發(fā)的物質(zhì)樣品探索地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這只能研究地下幾千米的地方，面對(duì)半徑6400千米的地球，鞭長(zhǎng)莫及。20世紀(jì)發(fā)展起來的地震波分析，即由于地震波在經(jīng)過不同地層的邊界時(shí)波速會(huì)發(fā)生明顯的中斷，可以通過觀測(cè)和分析地震發(fā)生之后穿過地層傳播的地震波研究地層的物理結(jié)構(gòu)；地震波反射成像技術(shù)；高溫實(shí)驗(yàn)技術(shù)；計(jì)算機(jī)仿真方法。

利用地震波可探測(cè)地球內(nèi)部的圈層構(gòu)造固體地球內(nèi)部可分為地殼、地幔、地核3個(gè)圈層地幔主要由密度中等的固態(tài)富鎂硅酸鹽巖石所組成地核主要由高密度的鐵鎳合金所組成，外核呈液態(tài)、內(nèi)核呈固態(tài)地球內(nèi)部各圈層的運(yùn)動(dòng)速度都不相同地球巖石圈是不安穩(wěn)的，地震就是其表現(xiàn)形式之一一、地球的構(gòu)造——地球的內(nèi)部圈層地球剖面圖2、利用地震波可探測(cè)地球內(nèi)部圈層構(gòu)造

地震波縱波(P波)

質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向一致的波。傳播時(shí)只引起物質(zhì)疏密的變化，不要求物質(zhì)具有固定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此在氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)物質(zhì)中都可以傳播。橫波(S波)

質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向相垂直的波。在液態(tài)或氣態(tài)物質(zhì)中，質(zhì)點(diǎn)沒有固定的位置，并且間距較大，無法傳遞剪切變形，橫波只能在固態(tài)物質(zhì)中傳播。面波(M波)

只在地球表面?zhèn)鞑?，?duì)固體地球表面的破壞作用最強(qiáng)?？v波、橫波在地球內(nèi)部的傳播方式地震波速的變化■波速的變化意味著介質(zhì)的密度和彈性性質(zhì)發(fā)生了變化■地震波可以發(fā)生反射和折射(波速突變)

不同介質(zhì)界面:不連續(xù)面(物態(tài)突變)■地球不是均質(zhì)的■地球組成物態(tài)不是一致的據(jù)此，可以判斷和劃分地球內(nèi)部圈層。3、地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)與地震波速的變化4、地幔熱對(duì)流模式5、地球內(nèi)部圈層的劃分

分界面莫霍洛維奇不連續(xù)面(莫霍面)地殼與地幔的分界面

P波:7.08.1km/sS波:4.24.4km/s古登堡不連續(xù)面（古登堡面）地幔與地核的分界面深度2885km

P波:13.647.98km/sS波:7.230km/s巖石圈(0-60/250km)軟流圈以上巖石強(qiáng)度較大的部分,包括地殼和上地幔頂部部分。軟流圈在上地幔內(nèi)部還存在一個(gè)地震波的低速層（60-250km）,巖石強(qiáng)度較低，可能局部熔融。

地球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)及各圈層的主要地球物理數(shù)據(jù)內(nèi)部圈層深度km地震波速度密度ρg·cm-3壓力PMPa重力gm·s-2溫度tC附注縱波Vp橫波Vs0335.67.03.44.22.62.90120098198314400-1000巖石圈(固態(tài))地殼

(莫霍面)地幔上地幔608.24.63.3419009841100低速層1007.934.363.4233009841200軟流圈(部分熔融)2506508.210.084.55.423.64.646800185009899951900(固態(tài))下地幔(古登堡面)288513.547.235.5613520010693700地核外核41707.989.53009.9811.42252000760(液態(tài)地核)過渡層515510.33012.253281004274300固-液態(tài)過渡帶內(nèi)核637110.8911.173.463.5012.5136170004500固態(tài)地核內(nèi)部圈層的主要特性圈層密度g·cm-3壓力MPa溫度C地殼2.6-2.82.9P=h·ρ·g27.5MPa/M1200

400-1000外熱層：晝夜、季節(jié)、多年變化，深度至10-數(shù)10m常溫層：相當(dāng)于當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁卦鰷貙樱旱責(zé)嵩鰷芈?地溫梯度

一般:3C/100m

海底:4-8C/100m

大陸:0.9-5C/100m地幔3.32-5.561352003700地核9.98-12.51361700

4500地球內(nèi)部各圈層物理特征

及變化規(guī)律物態(tài)：固-液交替變化密度：隨深度增加壓力：隨深度增加溫度：隨深度增加重力：隨深度變化二、大陸漂移與海底擴(kuò)張及證據(jù)1、大陸漂移

韋格納（1880-1930）地質(zhì)學(xué)家、氣象學(xué)家——大陸漂移學(xué)說◆韋格納注意到南美和非洲之間的海岸線凹凸互相對(duì)應(yīng)能拼合起來，又了解到巴西與非洲有許多生物種屬相似，因此開始思索大陸是不是會(huì)有長(zhǎng)距離的水平移動(dòng)?！?912年發(fā)表了論文《大陸水平移動(dòng)》?！?915年出版了《海陸起源》，闡述了大陸飄移說的基本思想。地球原來只有一個(gè)原始大陸—泛大陸，周圍是原始海洋。從一億九千萬年前的侏羅紀(jì)到五千萬年前的第三紀(jì)，泛大陸逐漸分離?！魶_擊了大陸固定論。1930年11月在探險(xiǎn)中犧牲。2、赫斯的“海底擴(kuò)張”學(xué)說歷史背景

◆19世紀(jì)的有名的幾次海洋綜合探險(xiǎn)調(diào)查，迅速擴(kuò)大和加深了人類對(duì)海洋的認(rèn)識(shí)。1871年“獵犬號(hào)”進(jìn)行了為期五年的環(huán)球探險(xiǎn)◆1872年“挑戰(zhàn)者號(hào)”進(jìn)行了為期四年的探險(xiǎn)，圍繞海洋學(xué)、海洋生物學(xué)、海洋地質(zhì)學(xué)等幾個(gè)方面對(duì)三大洋進(jìn)行了全面的考察，寫了50卷調(diào)查報(bào)告?！舳未髴?zhàn)以后，海洋地質(zhì)學(xué)成了熱門，深海探測(cè)技術(shù)迅速發(fā)展。海洋地質(zhì)學(xué)廣泛的使用了回聲探測(cè)技術(shù)、水下電視、紅外照相機(jī)及立體攝影等。◆現(xiàn)代深潛器一般都配備了攝象設(shè)備，測(cè)量用的各種傳感器，以及搜集標(biāo)本的采樣器和靈活的機(jī)械手等，深潛器都有動(dòng)力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，運(yùn)轉(zhuǎn)自如而且安全性都很好。大洋中脊—深海溝系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)◆人們發(fā)現(xiàn)了具有全球規(guī)模的大洋中脊—深海溝系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)了大洋中脊兩側(cè)成對(duì)稱分布的巖石磁條帶，還發(fā)現(xiàn)了沿大洋中脊和深海溝分布的強(qiáng)烈的洋底熱流異常，正是這些大量的事實(shí)促使新的科學(xué)理論產(chǎn)生了?！?960年美國(guó)的赫斯發(fā)表《海洋盆地的歷史》，赫斯認(rèn)為海底沿中洋脊的頂部裂開，新的海底就在這里形成，并向洋脊頂部的兩側(cè)擴(kuò)張。洋底地質(zhì)實(shí)際上正是地幔對(duì)流的直接體現(xiàn)，地幔對(duì)流的上升點(diǎn)在大洋中脊，然后分成兩股向兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，正是這種巨大的力量在大洋中脊中間沿軸線形成巨大的中央裂谷。韋格納與赫斯的主張韋格納曾經(jīng)主張，各個(gè)大陸都是被獨(dú)立的推動(dòng)的，因此大陸的運(yùn)動(dòng)就像一只船在柔軟的洋底上行駛?！艉账箙s假設(shè)大陸并不是作為一個(gè)獨(dú)立體系而運(yùn)動(dòng)的，大陸象木筏凍結(jié)在同樣堅(jiān)硬的海底地殼上并隨海底一起運(yùn)動(dòng)，美國(guó)的羅伯特.迪茨稱這一過程為“海底擴(kuò)張”?！粞髿漠a(chǎn)生到消失大約2億—3億年左右，處在不斷的更新之中，所以人們找不到更古老的大洋巖石。3、大陸漂移與海底擴(kuò)張的證據(jù)計(jì)算機(jī)擬合與地質(zhì)學(xué)證據(jù)?大洋中脊兩側(cè)對(duì)稱分布的巖石磁條帶?中洋脊—深海溝系統(tǒng)?洋底熱流異常?古生物?古氣候計(jì)算機(jī)擬合與

地質(zhì)學(xué)證據(jù)劍橋大學(xué)的愛德華.布拉德、J.E埃弗列特和A.G.史密斯用計(jì)算機(jī)做過大陸擬合的最佳化與誤差檢驗(yàn)。擬合的邊緣部分不吻合平均值不超過一度。擬合處是沿大陸坡（淺灰區(qū)域）500潯的等深線。白色是縫隙處，黑色是重疊處。南美洲和非洲的拼合

（根據(jù)巖石和構(gòu)造特征）兩板塊向兩面分離，裂谷擴(kuò)大全球洋中脊（部分）大洋中脊兩側(cè)對(duì)稱分布的巖石磁條帶洋脊兩側(cè)對(duì)稱的巖石磁化條帶中洋脊—深海溝系統(tǒng)中洋脊—海底火山中洋脊系統(tǒng)分布圖洋底熱流異常地球是一個(gè)不斷向外散發(fā)熱量的球體。地球表面熱流量的平均值在不同地區(qū)是不一樣的。古冰川與大陸漂移左圖晚古生代冰川在復(fù)原的岡瓦納大陸上的分布右圖晚古生代冰川在現(xiàn)代大陸上的分布，箭頭示古冰川流動(dòng)方向三、板塊構(gòu)造1、板塊構(gòu)造學(xué)說板塊構(gòu)造學(xué)說的基本思想是在固體地球的上層，存在比較剛性的巖石圈及其下伏的較塑性的軟流圈；地表附近較剛性的巖石圈可劃分為若干大小不一的板塊，它們可在塑性較強(qiáng)的軟流圈上進(jìn)行大規(guī)模的運(yùn)移；海洋板塊不斷新生（增生），又不斷俯沖、消減到大陸板塊之下；板塊內(nèi)部相對(duì)穩(wěn)定，板塊邊緣則由于相鄰板塊的相互作用而成為構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的地帶；板塊之間的相互作用控制了巖石圈表層和內(nèi)部的各種地質(zhì)作用，同時(shí)也決定了全球巖石圈運(yùn)動(dòng)和演化的基本格局。

2、全球板塊構(gòu)造圖3、全球12個(gè)主要板塊的分布1-中脊軸線；2-轉(zhuǎn)換斷層；3-俯沖邊界；4-碰撞邊界4、板塊移動(dòng)板塊俯沖帶與巖漿作用和地震的關(guān)系6、板塊邊緣的巖石物質(zhì)都會(huì)受到

擠壓而破碎

兩面的板塊性質(zhì)可能相同，即同為大陸性板塊或同為海洋性板塊；兩個(gè)一個(gè)類別，板塊邊緣的巖石物質(zhì)，都會(huì)受到擠壓而破碎，以至熔融，刺激深部板塊的性質(zhì)也可能不相同，即分別為大陸性板塊和海洋性板塊。無論是哪巖漿涌升，帶來火山活動(dòng)作用；另一方面，被擠壓的巖層，亦會(huì)張裂和隆起，是為斷層作用及褶曲作用；能量則通過地震和火山爆發(fā)等活動(dòng)而釋放。

7、大陸板塊與海洋板塊碰撞

當(dāng)大陸板塊與海洋板塊相遇，兩個(gè)板塊緩緩靠近，或一個(gè)追及另一個(gè)時(shí)，密度較大的海洋板塊地殼，會(huì)俯沖至較輕的大陸地殼之下，巖石被拖曳至地幔，熔融于軟流圈中；俯沖作用并形成海溝。8、大陸板塊互相碰撞9、大陸板塊相碰撞若為兩個(gè)大陸板塊相碰撞，原有的分隔海面便會(huì)逐漸消失，擠壓形成巨大山脈及縫合線?！舾呗柕南铂斃派矫}，