地球物理學(xué)原理北大版教材chpt1PrincipleofGeophysics-Preface

地球物理學(xué)原理

PrincipleofGeophysics

Chpt1Preface2020/12/181

地球物理學(xué)原理

PrincipleofGeophysicsOffice:Cellphone:主講人：唐新功長江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院SchoolofGeophysicsandOilResources,YangtzeUniversity2011年9月2020/12/182Outlineforeachchapters（72學(xué)時(shí)）前言Preface 4地球與行星科學(xué)Earthandplanetscience 4天然地震Earthquakeseismology 12人工地震Seismicexploration8重力學(xué)Gravity 10地磁學(xué)Geomagnetism 8古地磁學(xué)Paleomagnetism4地電學(xué)Geoelectricity 12地?zé)釋W(xué)Geothermal 6大陸漂移、海底擴(kuò)張和板塊構(gòu)造Continentdrift,SeafloorspreadingandPlatetectonics 42020/12/183Chinesereferences史哥編著，地球物理學(xué)基礎(chǔ)，北京大學(xué)出版社，2002曾融生著，固體地球物理學(xué)導(dǎo)論，科學(xué)出版社，1984傅承義，陳運(yùn)泰，祁貴仲著，地球物理學(xué)基礎(chǔ)，科學(xué)出版社，1985張少泉編著，地球物理學(xué)概論，地震出版社，1987滕吉文編著，固體地球物理學(xué)概論，地震出版社，2003王家映主編，地球物理學(xué)，中國地質(zhì)大學(xué)出版社，1988劉運(yùn)生，毛春長等編，地球物理學(xué)簡明教程，地震出版社，1996胡德昭，朱慧娟主編，地球物理學(xué)原理及應(yīng)用，南京大學(xué)出版社，19952020/12/184EnglishreferencesWilliamLowrie,FundamentalofGeophysics,CambridgeUniversitypress,1997C.M.R.Fowler,ThesolidGeophysics,CambridgeUniversitypress,1990TurcuttandSchubert,Geodynamics,CambridgeUniversitypress,2002Parasnis,D.S.,PrinciplesofAppliedGeophysics,fifthedition,Champan&Hall,1997Scheidegger,A.D.,FoundationsofGeophysics,ElesvierScientificPublishingCompany2020/12/185LearnprinciplesofGeophysicsLearnEnglishvocabulariesaboutGeophysicsorGeosciencesubjectLearnhowtoreadforeignbooksonGeophysicsLearnhowtothinkproblemsinEnglishmannerCanreadjournalsorpaperswritteninEnglishinthefuturePurposeofthiscourse2020/12/186CharacteristicsofthecourseGiveanintroductiontotheentiresubjectofGeophysicsCombinationofbasicscienceandappliedscienceMaincourseofmajorofGeophysicsforundergraduatestudentinonesemesterAlotofknowledgeandconceptsRelativelyindependentforeachchaptersAvoidingtediousderivationofmathematicalformulaeMainlyusePPTImagination,thinking,discussionandinteractivityisencouraged2020/12/187Newwordsandphrasescrust地殼mantle地幔core地核Moho莫霍面lithosphere巖石圈athenosphere軟流圈rigid剛性的plastic韌性的mantleplume地幔熱柱tsunami海嘯mitigate減輕disaster災(zāi)難catastrophe災(zāi)難Ductile韌性的Mud-rockflow泥石流Viscous粘稠的Viscosity黏度2020/12/188OutlineofthefirstclassWhatisGeophysics?InnerstructureoftheearthNaturaldisasters(earthquake,volcano,tsunami,tornado,et.al)IntroductiontotheresearchhistoryofGeophysicsUnitsusedinthiscourseandgeologicaltime-scale2020/12/1892020/12/1810Geophysicsisasubjecttostudyinterioroftheearthandspaceenvironmentintheangleofphysics,whichuse

physicalprinciplesandmethod,advancedelectronictechnology,GPSandINSARtostudythegeophysicalfieldsincludingnaturalandman-madeseismicwave,gravity,magnetism,geoelectricity,geothermalandsoon.Toprotectagainstandmitigatenaturaldisasters.ToProtectandimprovetheenvironmentwelive.Tosupplynewtheory,newmethodandnewtechnologyfornationalenergyandresourcesexploration.WhatisaGeophysics2020/12/1811預(yù)防與減輕自然災(zāi)害（地震、火山、滑坡等）

Predictionandmitigationfornaturaldisasters(earthquake,volcano,landslide,etc)資源、能源探測Mineralandenergyexploration(waterresource,mine,oilandgas,etc)（水資源、礦藏資源、石油天然氣等）考古Archeology工程地球物理CivilandEngineeringgeophysics軍事MilitaryPrincipleofgeophysicsContributionofGeophysicstosocietydevelopment2020/12/1812

SessionInformation2002SpringMeetingTuesdayAfternoonTimeSessionLocationTitle1330U22AWCC30GeophysicsandTerrorism

Presiding:

GvanderVink,IRISConsortium;MGCollins,U.S.CommitteeforIIASA

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]1340U22A-01WCC30SeismicEventsinAustraliaandtheAumShinrikyo

*CBHennet,GEvanderVink,DHarvey

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]1355U22A-02WCC30TheNationalInstituteofJustice'sTechnologyEffortstoMeettheEvolvingNeedsoftheResponderCommunity

*DBoyd

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]1410U22A-03WCC30SurfaceWaveImagingtoDetectTunnels

*RDMiller,RFBallard,CBPark,JXia

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]1425U22A-04WCC30CurrentLegislativeInitiativesandGeophysics

*SGStephan

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]1440U22A-05WCC30ForensicSeismologyandthe1995OklahomaCityTerroristBombing

*TLHolzer

INVITED

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]1525U22A-06WCC30Glaciersin21stCenturyHimalayanGeopolitics

*JSKargel,RWessels,HHKieffer

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]1540U22A-07WCC30ForensicSeismology:constraintsonterroristbombings

*TCWallace,KDKoper

INVITED

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]1555U22A-08WCC30ResourceAssessmentforAfghanistanandAlleviationofTerrorism

*JFShroderJr.,MPBishop,UKampJr.SHamidullah,JOlsenholler

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]1610U22A-09WCC30BaselineforMonitoringWaterResourcesAlongKabulandIndusRiversofPakistanforPotentialTerroristContamination

*SHamidullah,STariq,MTShah,JFShroderJrMPBishop,UKampJrJOlsenholler

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]1625U22A-10WCC30SverdlovskAnthraxOutbreak:AnEducationalCaseStudy

*SJSteele,GvanderVink

INVITED

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]Geophysics&Terrorism2020/12/1813距離世貿(mào)大廈34公里遠(yuǎn)的帕利塞德(Palisades)地震臺(tái)記錄到的9.11事件的地震波形

Theearthquakerecordgiveaprooffortheinvestigationof9.11disasterinUSAin2001.2020/12/1814庫爾斯克號(hào)沉沒事件的調(diào)查2020/12/1815地球物理學(xué)是地球科學(xué)的一個(gè)年輕的分支，是現(xiàn)代地球科學(xué)的重要組成部分。無論是板塊構(gòu)造理論的確立和地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，還是礦產(chǎn)、油氣資源的勘探以及對地震、火山等地質(zhì)災(zāi)害成因的認(rèn)識(shí)與預(yù)測這些與人類生存息息相關(guān)的重要課題的研究，地球物理學(xué)在其中起了決定性作用。PrincipleofGeophysicsGeophysicsisayoungbranchandmainpartofmoderngeosciences.Itplaysanimportantroleintheresearchesconcerningthehuman’ssurvivalandactivitiessuchasthetheoryofplatetectonics,discoveringofearthinterior,oilandgas,mineralresourcesaswellasthemitigationandpredicationfornaturaldisasterslikeearthquakesandvolcanoes.2020/12/1816FunctionandclassificationofGeophysicsGeophysicsisasubjectwhichhaswiderangeofapplications.Itsresearchresultsnotonlyhelpustorecognizetheearthandspaceenvironment,butalsosupportindustrydepartmentandhigh-techdomainwhichisimportantfornationaleconomicconstructions.Todaygeophysicshasbecomeoneofthepowerfulsubjectwhichwillproducecrucialinfluenceonthesurvivalanddevelopmentofhumanbeingsin21century.地球物理學(xué)是一門應(yīng)用性很強(qiáng)的基礎(chǔ)學(xué)科，它的研究成果不僅有助于增進(jìn)人類對所生息的地球及其空間環(huán)境的科學(xué)認(rèn)識(shí)，而且支撐著眾多的國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中具有重要意義的產(chǎn)業(yè)部門或高科技領(lǐng)域，為太空時(shí)代的人類活動(dòng)提供了必要的基礎(chǔ)。今天，地球物理學(xué)已成為地球科學(xué)中最具活力的學(xué)科之一，其研究成果將對21世紀(jì)人類的生存發(fā)展、太空環(huán)境的充分利用產(chǎn)生重要影響。地球物理學(xué)包括固體地球物理學(xué)和空間物理學(xué)兩個(gè)二級(jí)學(xué)科。固體地球物理學(xué)是以固體地球本體作為研究對象；而空間物理學(xué)則是以太陽系特別是日地空間物理環(huán)境為主要研究對象。2020/12/1817Geophysics（一級(jí)學(xué)科）SpacephysicsSolidGeophysics（二級(jí)學(xué)科）GeophysicsSeismicexploration

地震學(xué)Seismology

地球電磁學(xué)Geo-electromagnetism

地磁學(xué)Geomagnetism

重力與大地測量GravityandGeodesy

地球動(dòng)力學(xué)Geodynamics

構(gòu)造物理TectonophysicsGeophysicsFunctionandclassificationofGeophysicsSolarsystemEarthitself2020/12/1818隨著工業(yè)發(fā)展（尋找石油天然氣、金屬與非金屬礦產(chǎn)）的需要，勘探地球物理學(xué)發(fā)展很快，已經(jīng)自成體系。但是，近年來，隨著地震觀測儀器的改善，計(jì)算技術(shù)的改進(jìn)，世界標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)網(wǎng)的建立，促進(jìn)了定量地震學(xué)(quantitativeseismology)的發(fā)展。地球上地震、火山等自然災(zāi)害日益猖獗，隨著人類工業(yè)發(fā)展對自然環(huán)境的破壞，導(dǎo)致環(huán)境惡化，地質(zhì)災(zāi)害不斷，越來越引起了人類的關(guān)注，不斷地對地球物理學(xué)提出新的挑戰(zhàn)。普通地球物理學(xué)（研究尺度較大）和勘探地球物理學(xué)（研究局部問題）所使用的方法、原理、觀測儀器近似。兩者不存在矛盾。Principleofgeophysics2020/12/1819Geophysicistsaretrainedmathematicians,physicistsandcomputerspecialists.Theyallacquireagoodgroundingindescriptivegeologytoenablethemtoworkcloselywithgeologistsinordertogenerateimagesofpetroleumtrapsorsubsurfacestructuresfromthedatacollected.WhatisaGeophysicist2020/12/1820Geophysicistsuseavarietyofmethods,dependingonthegeologicalobjecttheywishtovisualize.Theseinclude:Earthquakeseismology,whichstudiesnaturalearthquakes.Seismicmethod,whichincludereflectionandrefractionmethod.Geomagnetism,whichstudiesEarth'smagneticfieldcausedbymagneticdifferencesbetweendifferentrocks.Gravimetry,whichemploysthesameproceduresasabove,whichstudiesearth'sgravityfieldcausedbyrockswithdifferentdensitiesorthevariationofdensitysurfaces.Electromagnetic,whichmeasuretheresistivitydifferencesofsubsurface.Geothermal,whichmeasurethetemperatureandtemperaturegradientofsubsurface.WhattoolsdoesaGeophysicistuse

2020/12/1821WhattoolsdoesaGeophysicistuse

2020/12/18222020/12/1823OutlineofthefirstclassWhatisGeophysics?InnerstructureoftheearthNaturaldisasters(earthquake,volcano,tsunami,tornado,et.al)IntroductiontotheresearchhistoryofGeophysicsUnitsusedinthiscourseandgeologicaltime-scale2020/12/1824Theinnerstructureoftheearth2020/12/18252020/12/18262020/12/1827Comparisonofclassicalandmoderndivisionsoftheearth2020/12/1828Crust,lithosphereandasthenosphere巖石圈是(下界大約為1300°等溫面的)地球表部剛性圈層；巖石圈板塊是由板塊邊界斷裂分開的巖石圈的剛性塊體，包括地殼和上地幔最上面的一部分。2020/12/1829Moho:boundarybetweenthecrustandmantle.Pwavevelocitytravelsatabout6.5km/sincrustandsuddenlyincreaseto8.2km/swhencrosstheMohoboundary,indicatingthattheyaredifferentregionswithdifferentchemicalcomposition.Thelowercrustisalwaysgabbroic(輝長巖質(zhì)的)(≈50%silica)andtheuppermantleiscomposedofperidotite(橄欖巖)(≈30%silica)Lithosphere:thestrong(rigid)andouterpartoftheearth.Itconsistsofboththecrustanduppermantle.Mohodiscontinuitylieswithinthelithosphere.Asthenosphere:arelativelysoft(lessrigid)regionoftheearthunderlyingthelithosphere.Pwavevelocitytravelsat8.2km/sslowdowntoabout7.5km/satdepth75~200km,indicatingthetransitiontothesofterasthenosphere.Crust,lithosphereandasthenosphere2020/12/1830Thetemperatureandpressureconditionsinthemantlecreateazoneofrelatively“soft”mantle,sandwichedbetweenthehardermantleaboveandbelow.Thesoftermantle(asthenosphere)allowstherigidplates(rigidmantle+crust=lithosphere)tomovehorizontallyatafewcm/yearatgeologicaltime,whichlikesaboatflowsoverthewater,indicatingtheasthenosphereisductile(塑性).“Sandwich”theory2020/12/1831Crust,lithosphereandasthenosphere“Sandwich”2020/12/1832PressureandtemperatureinEarth’supper700km2020/12/1833P-Trelationship

forperidotite

橄欖巖

2020/12/1834“Theearthquakeseemslikeabrightlampanditilluminatestheinnerstructureoftheeartheachtime”－－傅承義K.Aki2020/12/1835OutlineofthefirstclassWhatisGeophysics?InnerstructureoftheearthNaturaldisasters(earthquake,volcano,tsunami,tornado,et.al)IntroductiontotheresearchhistoryofGeophysicsUnitsusedinthiscourseandgeologicaltime-scale2020/12/1836Naturaldisasters地震

earthquake火山volcano海嘯

tsunami龍卷風(fēng)

tornado泥石流

mud-rockflow沙漠化

desertification干旱

drought洪澇

flood2020/12/1837earthquake2020/12/1838地震（earthquake)地震(earthquake)是大地的震動(dòng)，是地下巖層長期積累的應(yīng)變能的突然釋放，其形成原因是由于地下斷層發(fā)生滑動(dòng)引起的。地震一發(fā)生，往往瞬間就給人們帶來極大的災(zāi)害。海洋中發(fā)生地震，還可能會(huì)導(dǎo)致海嘯。地震是極其頻繁的，全球每年發(fā)生地震約500萬次，平均每分鐘近10次地震。地震是最嚴(yán)重的自然災(zāi)害，地震的破壞力和死亡人數(shù)居所有地質(zhì)災(zāi)害之首。中國死亡人數(shù)占全世界的1/3左右。2020/12/1839SeismologyandEarthquakesSeismologyisthescienceofearthquakes.Itstudiesvibrationsthatmovesaswavesthroughtheearth.Earthquake:variations

withintheearthcausedbytheruptureandsuddenmovementofrocksthathavebeenstrainedbeyondtheirelasticlimit.Earthquakeisthetremors(/shock/vibration)occasionallyfeltattheearthsurface.Forhumanbeings,earthquakesareofgreatestimportancebecausetheycancauseconsiderabledamage.Itcausedbythesuddenlyreleaseofaccumulatedstressinveryshorttime.Earthquakestakeplaceveryfrequentlywithabout5milliontimesayearandnearly10timesperminute.Ifearthquakeoccursintheocean,tsunamidisastermaybeinduced.Earthquakesarethemostdamagedhazardsamongallofthenaturaldisastersinpeople’sdeath,amongthemapproximately1/3areChinesepeople.2020/12/1840Inthepast500years,morethan7millionpeoplegloballydiedinearthquakesandmillionsofpeoplehopelesslysawtheirhomesweredestroyed.Thehazardearthquakeshavebecomeoneofthemostimportantissueforincreasingpopulation,whichattractsscientistsandengineerstoresearchit.Earthquakeisnotonlyadisaster,butalsothesourceofgeologicalknowledge.Analysisofseismicwavescanprovideadetailed,andtosomeextent,theuniquewaytogettheinformationfromverydeepearth.Seismichazard2020/12/1841全球每年發(fā)生地震約500萬次！

但只有不到2%的地震能被人們感覺到，其中每年100多個(gè)破壞性地震，卻給人類造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。強(qiáng)烈地震往往以其猝不及防的突發(fā)性和巨大的破壞力給社會(huì)帶來嚴(yán)重的危害。在各種自然災(zāi)害造成的損失中（破壞力和死亡人數(shù)），地震損失占54%，地震是最嚴(yán)重的自然災(zāi)害，是名副其實(shí)的“群災(zāi)之首”。中國位于世界兩大地震帶－－環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，受太平洋板塊、印度板塊和菲律賓海板塊的擠壓，地震斷裂帶十分發(fā)育，主要地震帶有23條。在剛剛過去的20世紀(jì)里，中國共發(fā)生6級(jí)以上地震近800次，是世界上蒙受地震災(zāi)害最為嚴(yán)重的國家之一。在防震減災(zāi)的實(shí)踐中，認(rèn)識(shí)地震和防震減災(zāi)是一項(xiàng)復(fù)雜的社會(huì)系統(tǒng)工程。要有效地減輕地震災(zāi)害，必須依靠全社會(huì)各方力量協(xié)調(diào)一致的努力。學(xué)習(xí)地震科學(xué)知識(shí)、提高全民的防震減災(zāi)意識(shí)是首要前提。2020/12/1842Seismichazard

1、1985年墨西哥大地震中，大部分建筑倒塌。

2、地震后站在廢墟上的印度小女孩。

3、1976年危地馬拉的舊危地馬拉城在地震后變?yōu)閺U墟。

4、亞美尼亞城在1988年地震中基本被完全摧毀。2020/12/18432020/12/18442020/12/18451994年美國洛杉磯Northridge大地震

1995年日本阪神大地震

2020/12/18462020/12/18472020/12/18482020/12/1849地震的傳說

Thelegendstoryofearthquakes臺(tái)灣傳說中，認(rèn)為地底下有一只大地牛，平常在睡覺，當(dāng)它翻身的時(shí)候，牽動(dòng)大地振動(dòng)，就會(huì)發(fā)生地震。2020/12/1850新西蘭傳說地下住著一位女神，名叫“地母”。當(dāng)?shù)啬赴l(fā)怒的時(shí)候，會(huì)揮動(dòng)手腳，造成大震動(dòng)，于是便發(fā)生地震。地震的傳說

Thelegendstoryofearthquakes2020/12/1851北美洲的原住民以為地球是由一只巨大的烏龜所支撐，烏龜向前走，大地就開始顫抖。地震的傳說

Thelegendstoryofearthquakes2020/12/1852日本認(rèn)為地震的罪魁禍?zhǔn)资且恢辉诘氐紫碌拇篥T魚(catfish)。大鯰魚平常也在睡覺，一旦開始翻身，大地就會(huì)振動(dòng)，造成地震。地震的傳說

Thelegendstoryofearthquakes2020/12/1853volcanoesVolcanoesareconesbuiltupbytheaccumulationoferuptivematerialsfrombelow.Theeruptionsofvolcanoesfromtheventscanbecatastrophic.Inthevolcaniceruption,notonlymoltenrock(‘lava’)butwater(atsteam)andpoisonousgasesmaybebroughtforth.Thelavamaybeintheformofviscousfluidwithveryhightemperatureandburnnearlyeverythingpassingthrough.Volcanoesmaybedormantforhundredsofyearsandthensuddenlyeruptagain.Theeruptionmaylastfromafewhourstoafewmonthsand,then,longdormantperiodsmayagainoccur.2020/12/1854volcanoesAnimportantproblemisthepredicationoferuptions,whichissimilartothatofearthquakepredication.Bothofthemaredifficulttilltoday.Thecharacterofaneruptionismuchdeterminedbytheamountofpressureofgasandtheviscosityofthelava.Mostdangerousoneisbothofthemarehigh.2020/12/18552020/12/18562020/12/18572020/12/18582020/12/18592020/12/18602020/12/18612020/12/18622020/12/18632020/12/1864Theformationandclassificationofthevolcano全球的火山分布和地震帶是一致的。板塊發(fā)生碰撞時(shí)，巖石互相推擠所產(chǎn)生的壓力會(huì)以地震的方式釋放出來。大多數(shù)的火山就出現(xiàn)在這些板塊的邊緣地區(qū)。因?yàn)椴糠秩廴诘娜蹘r可以在板塊移動(dòng)時(shí)，由縫隙中涌出地表。2020/12/1865TheformationandclassificationofthevolcanoAlthoughvolcanoesarealwayssinglemountains,theyaremostlyfoundinareaswhichareorogeneticallyactive.Theworlddistributionofvolcanoesisaccordancewiththeearthquakezone.Therearethreetypesofvolcanoes:1、Mid-oceanridge.

巖漿沿著拉張帶上涌形成海底火山巖（玄武巖(basalt)質(zhì)）；2、Subductionzone.板片巖石脫水而部分熔融，安山巖(andesite)質(zhì)；3、Hotspot.火山巖漿沿板塊內(nèi)的地幔柱噴發(fā)至地表而形成火山（玄武巖質(zhì)）。2020/12/1866Globaldistribution

ofmajorvolcanoes地球上已知的活火山共約518座,它們集中在以下四個(gè)地帶:

(1)環(huán)太平洋火山帶，從南北美洲、阿拉斯加、阿留申群島，經(jīng)勘察加半島、日本群島、菲律賓群島直至新西蘭。這一帶的活火山300余座,約占全球的60%。環(huán)太平洋帶上的火山主要噴發(fā)中、酸性巖漿,尤以噴發(fā)安山質(zhì)巖漿為特征。

(2)紅海沿岸和東非帶。此帶共有活火山22座，自中生代裂谷形成以來，火山活動(dòng)頻繁。

(3)地中海-印度尼西亞火山帶。這一帶共有活火山70余座。其中地中海沿線有13座,印度尼西亞有60余座。這一火山帶噴發(fā)的巖漿從基性到酸性均有,性質(zhì)多變。

(4)洋底火山帶。分布于大西洋(22座)、太平洋(15座)、印度洋(4座)、冰島及詹邁揚(yáng)島(15座)。有的火山在水下噴發(fā),有的已露出水面,成為火山島嶼。

此外，根據(jù)太空探測獲得的資料顯示，火山活動(dòng)也是太陽系各行星最重要的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)之一。2020/12/18672020/12/1868內(nèi)蒙長白山瓊州灣Tibet騰沖中國現(xiàn)今沒有火山活動(dòng)，但中國新生代是一個(gè)多火山的國家，分布有范圍廣泛的新生代火山巖。中國火山分布在成因上與兩大板塊邊緣有關(guān)：一是受太平洋板塊向西俯沖的影響，形成我國東部大量的火山。另一是受印度板塊碰撞的影響，形成了青藏高原及周邊地區(qū)的火山的分布?！熬盼濉逼陂g，在有關(guān)專家的大力呼吁下、在國家和地方政府的大力支持下，這種局面已完全改善，火山監(jiān)測與研究事業(yè)正越來越多的受到人們的關(guān)注。我國現(xiàn)已有3處活火山受到監(jiān)測，分別是：吉林長白山天池火山、云南騰沖火山和黑龍江五大連池火山。隨著國力的提高，今后將有更多的活火山受到監(jiān)測。DistributionofvolcanoesinChina2020/12/1869Distributionofearthquakes,volcanoes

andmud-rocksinChina2020/12/1870Thecautionofvolcanoes火山的形成涉及一系列物理化學(xué)過程。地殼上地幔巖石在一定溫度壓力條件下產(chǎn)生部分熔融并與母巖分離，熔融體通過孔隙或裂隙向上運(yùn)移，并在一定部位逐漸富集而形成巖漿囊。隨著巖漿的不斷補(bǔ)給，巖漿囊的巖漿過剩壓力逐漸增大。當(dāng)表殼覆蓋層的強(qiáng)度不足以阻止巖漿繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，巖漿通過薄弱帶向地表上升。在上升過程中溶解在巖漿中揮發(fā)成分逐漸溶出，形成氣泡，當(dāng)氣泡占有的體積分?jǐn)?shù)超過75％時(shí)，會(huì)導(dǎo)致爆炸性噴發(fā)，氣體釋放后巖漿粘度降到很低，流動(dòng)很快。火山噴出地表前的過程歸納為三個(gè)階段：巖漿形成與初始上升階段、巖漿囊階段和離開巖漿囊到地表階段。2020/12/1871火山（Volcano）Theeruptionsofvolcanoeshavedualfunctions.Ononeside,itcausesconsiderabledamages.Ontheotherside,itbenefitspeoplebysupplyingfertilizersoil,mineralresourcesandeventouristresources.2020/12/1872Thehazardofthevolcano最具威力、最壯觀的火山爆發(fā)常常發(fā)生在俯沖帶。這里的火山可能在沉寂達(dá)數(shù)百年之后再度爆發(fā),而一旦爆發(fā),威力就特別猛烈。這樣的火山爆發(fā)常常會(huì)給人類帶來滅頂之災(zāi)。危害1－影響全球氣候?；鹕奖l(fā)時(shí)噴出的大量火山灰和有毒的火山氣體，對氣候造成極大的影響。有時(shí)在太空達(dá)數(shù)月之久不散去，使這些地區(qū)的氣溫下降。危害2－破壞環(huán)境?；鹕奖l(fā)噴出的大量火山灰和暴雨結(jié)合形成泥石流能沖毀道路、橋梁，淹沒附近的鄉(xiāng)村和城市，使得無數(shù)人無家可歸。泥土、巖石碎屑形成的泥漿可象洪水一般淹沒了整座城市。

巖石雖被火山灰云遮住了，但火山剛爆發(fā)時(shí)仍可看到被噴到半空中的巨大巖石。自從地球形成以來，火山爆發(fā)一直不斷，隨著地球人口的增加，越來越多的人居住在斷層或活火山旁等危險(xiǎn)地區(qū)?；鹕奖l(fā)不僅干擾人們的生活，更可能奪走他們的生命和財(cái)產(chǎn)。2020/12/1873海嘯（tsunami）海嘯通常由震源在海底下50千米以內(nèi)、里氏地震規(guī)模6.5級(jí)以上的海底地震引起。海嘯波長比海洋的最大深度還要大，在海底附近傳播也沒受多大阻滯，不管海洋深度如何，波都可以傳播過去，海嘯在海洋的傳播速度大約500～100km/h，而相鄰兩個(gè)浪頭的距離也可能遠(yuǎn)達(dá)500到650公里，當(dāng)海嘯波進(jìn)入陸棚后，由于深度變淺，波高突然增大，它的這種波浪運(yùn)動(dòng)所卷起的海濤，波高可達(dá)數(shù)十米，并形成“水墻”。由地震引起的波動(dòng)與海面上的海浪不同，一般海浪只在一定深度的水層波動(dòng)，而地震所引起的水體波動(dòng)是從海面到海底整個(gè)水層的起伏。另外，人為的水底核爆也能造成海嘯。2020/12/18741960年，發(fā)生在智利的9.5級(jí)地震，引發(fā)的海嘯波及到日本，造成100多人死亡。

根據(jù)新浪網(wǎng)，這次地震及海嘯死亡人數(shù)接近7萬，三分之一是兒童。

斯里蘭卡和印度的巨大傷亡，如果他們加入了海嘯預(yù)警系統(tǒng)，可以減輕。海嘯抵達(dá)斯里蘭卡和印度用了兩個(gè)小時(shí)。2020/12/18752020/12/1876ThehazardoftsunamiEarthquakesandtsunamiscanbringtremendousdamagetohumanbeings.Tilltoday,whatwecandoisonlytheobservationorpredictiontomitigatethedamageloss,butnottocontrolthemtohappen.地震海嘯給人類帶來的災(zāi)難是十分巨大的。目前，人類對地震、火山、海嘯等突如其來的災(zāi)變，只能通過預(yù)測、觀察來預(yù)防或減少它們所造成的損失，但還不能控制它們的發(fā)生。2020/12/18772020/12/18782020/12/18792020/12/18802020/12/18812004年12月26日印尼9.0級(jí)地震SumatraEarthquakesin20042020/12/18822004年12月26日印尼9.0級(jí)地震SumatraEarthquakesin20042020/12/18832004年12月26日印尼9.0級(jí)地震SumatraEarthquakesin20042020/12/18842004年12月26日印尼9.0級(jí)地震SumatraEarthquakesin20042020/12/1885SumatraEarthquakestookplaceattheplateboundary

2020/12/18862020/12/1887SeismicityoftheNortheastIndianOcean1900-20042020/12/18882004年12月26日印尼9.0級(jí)地震SumatraEarthquakesin20042020/12/18892020/12/18902020/12/18912020/12/1892龍卷風(fēng)（Tornado）龍卷風(fēng)是一種渦旋：空氣繞龍卷的軸快速旋轉(zhuǎn)，受龍卷中心氣壓極度減小的吸引，近地面幾十米厚的一薄層空氣內(nèi)，氣流被從四面八方吸入渦旋的底部。并隨即變?yōu)槔@軸心向上的渦流。發(fā)生在海上的龍卷風(fēng)稱為“水龍卷”，通常持續(xù)的時(shí)間比陸龍卷長，但威力較緩和。龍卷風(fēng)長期以來一直是個(gè)謎，正是因?yàn)檫@個(gè)理由，所以有必要去了解它。龍卷風(fēng)的襲擊突然而猛烈，產(chǎn)生的風(fēng)是地面最強(qiáng)的。由于它的出現(xiàn)和分散都十分突然，所以很難對它進(jìn)行有效的觀測。龍卷風(fēng)是云層中雷暴的產(chǎn)物。2020/12/1893龍卷風(fēng)的危害1995年在美國俄克拉何馬州發(fā)生的一場陸龍卷，屋頂之類的重物被吹出幾十英里之遠(yuǎn)。較輕的碎片可能會(huì)飛到300多千米外才落地。

龍卷的襲擊突然而猛烈，產(chǎn)生的風(fēng)是地面上最強(qiáng)的。在美國，龍卷風(fēng)每年造成的死亡人數(shù)僅次于雷電。它對建筑的破壞也相當(dāng)嚴(yán)重，經(jīng)常是毀滅性的。在強(qiáng)烈龍卷風(fēng)的襲擊下，房子屋頂會(huì)像滑翔翼般飛起來。一旦屋頂被卷走后，房子的其他部分也會(huì)跟著崩解。因此，建筑房屋時(shí)，如果能加強(qiáng)房頂?shù)姆€(wěn)固性，將有助于防止龍卷風(fēng)過境時(shí)造成巨大損失。2020/12/18942020/12/1895泥石流mud-rockflow2020/12/1896

Mud-rockflow泥石流是介于流水與滑坡之間的一種地質(zhì)作用。典型的泥石流由懸浮著粗大固體碎屑物及粘稠泥漿組成。在適當(dāng)?shù)牡匦螚l件下，大量的水體浸透山坡或溝床中的固體堆積物質(zhì)，使其穩(wěn)定性降低，飽含水分的固體堆積物質(zhì)在自身重力作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)，就形成了泥石流。泥石流是一種災(zāi)害性的地質(zhì)現(xiàn)象。泥石流經(jīng)常突然爆發(fā)，來勢兇猛，可攜帶巨大的石塊，并以高速前進(jìn)，具有強(qiáng)大的能量，因而破壞性極大。泥石流所到之處，一切盡被摧毀。右圖就是一幅泥石流所造成破壞的照片。2020/12/1897OutlineofthefirstclassWhatisGeophysics?InnerstructureoftheearthNaturaldisasters(earthquake,volcano,tsunami,tornado,et.al)IntroductiontotheresearchhistoryofGeophysicsUnitsusedinthiscourseandgeologicaltime-scale2020/12/1898ResearchhistoryTheearthissufferedfromearthquakesinitswholelife.Theearliestdocumentedearthquakecanberetroactived(追溯)toseveralthousandyearsago.在中國，最早的可追溯到公元前1831年的山東省地震，該記載僅提到“泰山震”，但從公元前780年起中國北部的地震記載就已經(jīng)相當(dāng)完整了。公元132年，張衡（東漢）發(fā)明了世界上第一臺(tái)地震儀－－侯風(fēng)地動(dòng)儀。并在138年記錄到隴西的地震。principleofgeophysics2020/12/18992020/12/18100Principleoftheseismograph.Theinertiaofthesuspendedmasstendstokeepitmotionless,whiletherecordingdrum,whichisanchoredtobedrock,vibratesinresponsetoseismicwaves.Thus,thestationarymassprovidesareferencepointfromwhichtomeasuretheamountofdisplacementoccurringastheseismicwavepassesthroughthegroundbelow.2020/12/18101Researchhistory19世紀(jì)末20世紀(jì)初，T.Grag等人研制成功地震儀，并且獲得了地震記錄圖。1935年，里系特（C.F.Richter）和古登堡（B.Gutenberg)制作了震級(jí)表，使得地震標(biāo)度定量化。1938年，Richter、Gutenberg、H.Jeffreys、K.E.Bullen等人根據(jù)全球地震觀測數(shù)據(jù)，反演了地球內(nèi)部的地震波速度分布，供地震研究長期使用。20世紀(jì)發(fā)展起來的板塊理論使地震的分布和板塊構(gòu)造聯(lián)系起來，推動(dòng)了地震震源機(jī)制解和板塊機(jī)制結(jié)合研究，大大加深了人類對地震成因的認(rèn)識(shí)。Principleofgeophysics2020/12/18102Researchhistoryofgeophysics人類對地球物理學(xué)的觀察，從遠(yuǎn)古時(shí)代就開始了。東漢時(shí)期的張衡，是從事地震觀測的地球物理學(xué)家，發(fā)明了世界上第一臺(tái)地震儀－－侯風(fēng)地動(dòng)儀。并且知道地球是球形的。天地之體，形如鳥卵

——張衡

牛頓力學(xué)的建立，也是來自于自由落體運(yùn)動(dòng)的啟示。按照時(shí)間順序，分六個(gè)時(shí)期介紹：2020/12/18103十四世紀(jì)以前公元前4世紀(jì)，亞里斯多德指出大地是球形，并且估算了地球的圓周值（即緯度變化1°所對應(yīng)地面的長度，不是pi）；公元前3世紀(jì)，伊拉多生斯（EratoSthenes）得到了地球的圓周值；公元前8世紀(jì)，我國的張遂（僧一行）獨(dú)立得到了地球圓周值，其誤差小于20％；與中國、希臘和阿拉伯相比，歐洲的地球物理工作起步較晚，大概是在環(huán)球航行之后開始的。Researchhistoryofgeophysics僧一行2020/12/18104十四世紀(jì)以前1527年，菲涅爾（Fernel）在巴黎利用馬車車輪的旋轉(zhuǎn)計(jì)算出了圓周值；1617年，Snell提出了三角測量的概念；1669年，法國人Picard用望遠(yuǎn)鏡測量角度，重新得到了圓周值，誤差精度達(dá)0.1%；隨著大地測量精度的提高，開始考慮地球扁率和旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。牛頓對此做出了杰出貢獻(xiàn)。牛頓的第一個(gè)貢獻(xiàn)：用萬有引力公式，第一個(gè)估算了地球的質(zhì)量，并且對太陽系的其他行星的平均密度做出了天才的估計(jì)。牛頓的第二個(gè)貢獻(xiàn)：第一個(gè)估算了地球的扁率。牛頓Researchhistoryofgeophysics2020/12/18105十八世紀(jì)的工作（英法競爭）英國的約翰.密歇爾（JohnMichell）設(shè)計(jì)了測定2個(gè)物體之間引力的儀器，從而測量了萬有引力常數(shù)G值；但是他沒有完成就逝世了，實(shí)驗(yàn)由他的學(xué)生卡文迪許成功地完成；法國人通過測量證明地球的扁的。在測量中，布格（Bouguer）開創(chuàng)了重力測量學(xué)，奠定了現(xiàn)代大地測量學(xué)的基礎(chǔ)。理論方面，克萊羅（Clairaut）導(dǎo)出了地球內(nèi)部密度隨扁率變化的二階微分方程，在以后的長達(dá)100多年里，很多地球物理問題都是建立在牛頓和克萊羅的基礎(chǔ)上。該時(shí)期很多偉大的法國數(shù)學(xué)家都對固體地球物理學(xué)做出過突出貢獻(xiàn)：包括：達(dá)朗倍爾，庫侖，拉格朗日，勒讓德，拉普拉斯，泊松，Cauchy等，從而把地球物理學(xué)嚴(yán)格建立在了數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上。拉普拉斯Researchhistoryofgeophysics2020/12/18106十九世紀(jì)的工作這個(gè)世紀(jì)，人類更多地把數(shù)學(xué)、地球質(zhì)量和半徑、扁率等結(jié)合在了一起，更加準(zhǔn)確地確定了地球扁率，精度在幾％以內(nèi)，并且估算了地球內(nèi)部密度的分布，但是比較粗糙。雖然十九世紀(jì)為探索地球內(nèi)部密度分布花費(fèi)了巨大精力，但是還沒有達(dá)到成熟可信的程度，直到20世紀(jì)，地震學(xué)的研究得到了地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)，才從根本上解決了地球內(nèi)部密度分布問題。Researchhistoryofgeophysics2020/12/18107二十世紀(jì)的工作（偉大的工作）1755年后，約翰.密歇爾（JohnMichell）制成了簡便的地震儀，并且投入使用，從此真正開始了地震學(xué)的定量化階段。1987年，法國人Oldham在地震圖上識(shí)別出了P波和S波，開始了人類認(rèn)識(shí)地球分層結(jié)構(gòu)的歷史。1909年，南斯拉夫地震學(xué)家莫霍洛維奇發(fā)現(xiàn)了莫霍面，即地殼與地幔的界面，后來被證明這是個(gè)全球性的界面。1914年，德國人古登堡（Gutenburg）找到了核幔邊界，深度為2900km；1936年，丹麥的萊曼（Lehmann）女士發(fā)現(xiàn)了地核分為內(nèi)核和外核；Researchhistoryofgeophysics2020/12/18108地核發(fā)現(xiàn)者－奧爾德姆(Oldham)2020/12/18109地球內(nèi)核發(fā)現(xiàn)者－丹麥的萊曼（Lehmann）萊曼論文中引用的2個(gè)俄國地震圖記錄的新西蘭1929年的地震圖和3層地震模型地震波傳播示意圖2020/12/18110Lehmann的模型同時(shí)解釋了P波陰影區(qū)(shadowzone)的形成原因。Researchhistoryofgeophysics2020/12/18111KRAEMER(1902)BOLT(InsidetheEarth,1973)DZIEWONSKI(~1990,fromwww)Earth’sinteriorhasfascinatedscientistsforcenturies地球1維結(jié)構(gòu)地球3維結(jié)構(gòu)2020/12/18112二十世紀(jì)的工作（偉大的工作）1946-1950年，澳大利亞的布倫（Bullen）指出內(nèi)核為固態(tài)；1940年，Jeffreys和Bullen經(jīng)過多次試驗(yàn)給出了一個(gè)地震走時(shí)表，即著名的J-B走時(shí)表。從這個(gè)表可以得到P波和S波速度隨深度的變化。Researchhistoryofgeophysics2020/12/18113二十世紀(jì)的工作二十世紀(jì)五十年代，根據(jù)地球物理研究的結(jié)果，人們已經(jīng)對于地球內(nèi)部的分層結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成和物理狀態(tài)有了一個(gè)大致的了解。此時(shí)人們逐漸認(rèn)識(shí)到許多地學(xué)現(xiàn)象，特別是地下資源分布問題，若不研究地殼深處以至地幔上部是不能完滿解釋的。所以在六十年代之初，國際間就連續(xù)組織了四次大協(xié)作：1957～1958年，“國際地球物理年”（InternationalGeophysicalYear）,簡稱TGY;1960～1970年“國際上地幔計(jì)劃”（InternationalUppermantleProgram）,簡稱IUP；1974～1980年“國際地球動(dòng)力學(xué)計(jì)劃”（InternationalGeodynamicsProgram）,簡稱IGP；1981～1989年又組織了一個(gè)“國際巖石圈計(jì)劃（InternationalLithosphereProgram）(ILP)”，這個(gè)是當(dāng)代固體地球科學(xué)最具有多學(xué)科性和規(guī)模最大的國際合作計(jì)劃。Researchhistoryofgeophysics2020/12/18114二十世紀(jì)的工作80年代開始的全球地學(xué)大斷面(GlobalGeosciencesTransection--GGT)，在全球做了13條地學(xué)大剖面，基本上橫跨了全球主要的大斷裂。所用的手段包括：地震、地磁、重力、電磁、海上地球物理測量、地?zé)?、地質(zhì)、科學(xué)深鉆等?！鞍宋濉焙汀熬盼濉焙汀笆濉逼陂g，在國家自然科學(xué)基金委員會(huì)的重點(diǎn)支持下，我國科學(xué)家在固體地球物理學(xué)的許多研究領(lǐng)域中取得了一系列國際領(lǐng)先水平的成果，使我國在某些研究領(lǐng)域已處于組織和領(lǐng)導(dǎo)的地位，并且培養(yǎng)了一大批優(yōu)秀的中青年學(xué)術(shù)帶頭人。Researchhistoryofgeophysics2020/12/18115二十世紀(jì)的工作四次國際協(xié)作，對全球地球物理學(xué)產(chǎn)生了深刻的影響。第一次協(xié)作后，建立了全球范圍的規(guī)范化的、布局基本合理的地震、重力、地磁、地?zé)岬扔^測臺(tái)網(wǎng)，為大規(guī)模研究提供了基礎(chǔ)資料；第二次協(xié)作后，提出了“板塊構(gòu)造學(xué)說”，這是一次地球科學(xué)的革命；第三次協(xié)作后，探討了板塊的驅(qū)動(dòng)力問題；第四次協(xié)作，探討了巖石圈的現(xiàn)狀、形成、演化和動(dòng)力學(xué)過程，重點(diǎn)研究了大陸板內(nèi)的地球物理學(xué)現(xiàn)象，其中，板內(nèi)地震(intraplateearthquakes)居主要地位。Researchhistoryofgeophysics2020/12/18116二十世紀(jì)的工作當(dāng)前，國際合作的研究主要集中在地球動(dòng)力學(xué)(geodynamics)這個(gè)科學(xué)問題上，即探討地球內(nèi)部的物理過程和地球的空間運(yùn)動(dòng)。Researchhistoryofgeophysics2020/12/18117全球地球模型（一維）(globalearthmodel-1Dearthmodel)：隨著觀測技術(shù)（儀器）和計(jì)算技術(shù)的不斷改進(jìn)，人們對地球內(nèi)部細(xì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)也日益提高。用全球標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)網(wǎng)資料可以得到地球的參考模型（ReferenceEarthModel）1981年，杰旺斯基（A.D.Dziewonski）和安德森（D.L.Anderson）提出了一個(gè)基本參考地球模型（PREM模型－PreliminaryReferenceEarthModel）。比Bullen的模型大大前進(jìn)一步，它以參量形式給出了P波和S波的速度分布，并且給出了品質(zhì)因數(shù)Q值的分布，以及地球的非彈性和各向異性。Researchhistoryofgeophysics2020/12/18118D.L.Aanderson&A.M.Dziewonski獲得1998年度Crafoord獎(jiǎng)PREM模型(PreliminaryReferenceEarthModel)

DonL.Anderson

EleanorandJohnR.McMillan

ProfessorofGeophysics,Emeritus

Ph.D.,CaliforniaInstituteofTechnologyAdamM.Dziewonski

FrankB.Baird,Jr.ProfessorofScience2020/12/18119

我國的地球科學(xué)發(fā)展較晚，到了清末，京師大學(xué)堂（后改為北京大學(xué)）才設(shè)立地質(zhì)學(xué)科。1911年南京中央政府設(shè)立地質(zhì)科，1916年擴(kuò)大為地質(zhì)調(diào)查所。1918－1920年西北海原發(fā)生2次大地震，地質(zhì)調(diào)查所翁文灝率隊(duì)前往考察。1930年李善邦先生在北京鷲峰設(shè)立中國第一個(gè)地震觀測臺(tái)。但是直到解放前，我國的地球物理工作仍然十分薄弱，舊中國留給我們一個(gè)貧瘠的家底。1949年以后，地球物理事業(yè)得到了快速發(fā)展。1949年11月1日中國科學(xué)院成立，同時(shí)成立地球物理研究所。趙九章、陳宗器、顧功敘、傅承義、李善邦、秦馨菱、劉慶齡、曾融生等老一輩科學(xué)家為我國的地球物理事業(yè)的發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。1956年和1958年，在北京大學(xué)和中國科技大學(xué)設(shè)立了地球物理學(xué)專業(yè)，開始培養(yǎng)地球物理學(xué)人才。Researchhistoryofgeophysics(china)2020/12/18120

到了1966年，我國已基本建成初具規(guī)模的地球物理觀測系統(tǒng)（包括地震、地磁、重力），并且編制了中國地震震中圖、中國地磁圖、中國布格重力異常圖等基本圖件，為今后的科學(xué)研究、經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展提供了重要依據(jù)。十年動(dòng)亂期間，地球物理工作也受到很大波及，但是在中央關(guān)懷下，地震工作得以幸存，并且獲得發(fā)展。十年動(dòng)亂之后，我國的地球物理事業(yè)獲得了極大的發(fā)展，大致分為以下幾個(gè)方面：Researchhistoryofgeophysics(china)2020/12/18121Researchhistoryofgeophysics(China)Applicationofnewmethodandtechnologyinoilexploration;Longrangeplanningofcoastalgeophysicalprospectinganddevelopmentofeastandsouthsea;Aeromagneticsurveyanditsinterpretation;Interpretationofsatelliteimagesanditsapplicationsingeophysics;Hypocenterphysicsandresearchesoffracturemechanicsofearthmedia;DevelopmentandusageofgeothermalinChina;Deepstructuresandgeodynamicsofcrustanduppermantle;Earthquakepredictionandprecaution.石油勘探新技術(shù)、新方法的應(yīng)用；中國沿海物探遠(yuǎn)景規(guī)劃與東海南海開發(fā)；航空磁測及解釋；衛(wèi)星圖像判讀及其在地球物理學(xué)中的應(yīng)用；震源物理及地殼介質(zhì)的破裂力學(xué)研究；中國地?zé)岬拈_發(fā)和利用；地殼上地幔深部構(gòu)造與動(dòng)力學(xué)研究；地震預(yù)報(bào)與預(yù)防等。2020/12/18122地球物理學(xué)雖然與其他學(xué)科有著密切聯(lián)系，但是它們有著質(zhì)的區(qū)別。一、反演方法（inversion)地球物理學(xué)是用儀器在地表面或極淺部進(jìn)行觀測的，那么如何使用這些大量的資料了解地下的情況呢？“上天容易入地難”，我們可以根據(jù)地表觀測的資料（地震波、電磁場、密度、熱流值等），反推地下的情況，這在地球物理上叫做反演或反問題（Inversionproblem）。反演的一個(gè)突出問題就是多解性(nonuniqueness)。造成多解性的原因主要有算法不穩(wěn)定，觀測誤差以及觀測資料十分有限等，減小多解性的方法就是盡量增加資料的約束，比如使用合理的初始和邊界條件、盡量結(jié)合多種地球物理方法的結(jié)果等。二、地球物理模型(geophysicalmodels)真實(shí)地球極為復(fù)雜，若不進(jìn)行簡化，根本無法計(jì)算和研究。這就是地球物理研究中經(jīng)常使用的模型方法。地球模型就是以數(shù)學(xué)公式或數(shù)值形式表征某種地球物理性質(zhì)或規(guī)律，它是對復(fù)雜問題的合理抽象和高度簡化。根據(jù)研究問題的不同，即使對同一個(gè)研究對象也可以有不同的模型。比如對于地球的速度模型，從最初的三層模型（地殼、地幔、地核）、七層模型（從地面到地心，分為A~G層）、九層模型（Bullen’smodel），到最近的PREM模型等，說明隨著觀測水平和解釋方法的增加，模型也會(huì)不斷的改進(jìn)和完善。Researc