概論二第3章 地球現(xiàn)狀2015

第三章地球的現(xiàn)狀3.1地球的形狀、大小和基本性質由于自轉所形成的離心力和萬有引力的共同作用，地球是一個兩極半徑比赤道半徑略小的（21km）旋轉橢球體。實際測量表明，地球不僅是兩極被壓扁，而且沿赤道也有某種程度差別，最大赤道半徑和最小赤道半徑差達213m，因此地球是一個三軸橢球體。由于地球自身的章動，南極半徑比北極半徑略小，因此地球的形態(tài)呈鴨梨狀。3.1.1地球的形狀實際上，地球表面形態(tài)非常復雜。與地球表面形態(tài)最接近的是地球體，其表面與重力方向處處垂直。在大洋水域，地球體表面與完全靜止狀態(tài)的大洋表面一致。如果把這一表面向大陸方向延伸，最終形成一個封閉球體，即構成了地球體。地球體是與大洋水面相一致的重力位表面(重力等位面，大地水準面)。地球體形態(tài)把去掉海水的地形高差擴大5倍后的地球表面形態(tài)，與地球體有較大的差別。北極南極赤道旋轉橢球面地球形態(tài)基本參數(shù)高程048-4-820406080面積百分比累計大陸平均高度大洋平均深度km地球表面各高程分布0.86km3.90km

3.1.2密度和壓力根據(jù)萬有引力定律和重力資料計算，地球的平均密度為5.52g/cm3。地殼的平均密度為2.8g/cm3，這個比地球平均密度小，因此可以推斷地球內部密度應有明顯增加。根據(jù)重力與地震資料可以算出地球內部壓力隨深度的變化：深度（km）密度（g/cm3）地球內部的密度分布地球內部重力加速度隨深度的變化加速度（m/s2）深度（km）3.1.3大地熱流與地熱梯度由于地球內部蘊涵有巨大的能量，這些能量在正常情況下通過大地熱流的形式向地表釋放，熱流的度量單位習慣上用每秒每平方厘米微卡表示（

cal/cm2s）。對大地熱流的研究表明，地球表面不同地區(qū)的熱流值有很大差異，其熱流值大小和該區(qū)的地殼活動性有關。資料顯示，在大陸最穩(wěn)定地區(qū)（克拉通），熱流值一般在0.9－1.2

cal/cm2s，局部地區(qū)可高達1.4cal/cm2s或低至0.6cal/cm2s。造山帶通常有較高熱流值，有些地區(qū)可達2－4cal/cm2s。廣闊大洋盆地熱流值與大陸穩(wěn)定區(qū)相近，平均為1.1cal/cm2s，大洋中脊則有較高熱流值，一般為2cal/cm2s，最高可達8cal/cm2s。全球平均熱流值約為1.5cal/cm2s。美國黃石國家公園熱泉黃石公園間隙熱噴泉－老信徒泉(老忠實泉，OldFaithful)黃石公園間歇噴泉區(qū)位于美國西部的黃石公園，是世界最大的間歇噴泉區(qū)，可見世界上最為壯觀的間歇噴泉活動。區(qū)內出露流紋巖、玄武巖等熔巖和火山碎屑巖，地熱活動十分強烈，溫泉、間歇泉密布，其中有大小間歇噴泉200多處，有60多處的噴射高度在3米以上，最大噴射高度可達60～70米。在黃石破火山口之下，大約在地下5～8千米深處存在一個巖漿房，熔融巖漿不斷為黃石公園強烈的水熱活動提供熱源。通過鉆井和礦井資料獲知，地球內部溫度隨著深度的增加而增大；單位深度內溫度的增加量稱為地熱梯度。世界不同地區(qū)，地熱梯度有很大差異：大陸中地熱梯度最大的在美國俄勒岡州，地熱梯度為150

C/km，最小的則在南非，地熱梯度僅為6

C/km，大多數(shù)地區(qū)地熱梯度值在20－50

C/km范圍內變化。上述地熱梯度變化值可能只適應于上地殼。如果按30

C/km的地熱梯度估算，地表以下100km的深度位置上的溫度應該大約為3000

C；但從這一深度上升的巖漿，溫度大約只在1100－1200

C。超過這一溫度，在該深度下的巖石將熔融成巖漿，使地震橫波無法通過，這與觀測結果顯然是不相符的。地球內部較深處的溫度主要是根據(jù)一些間接資料估計的。在地幔、地核深處，用來計算溫度熱流值、巖石熱導率、地熱梯度等參數(shù)都是很難得到，甚至連巖石的準確成分都不很清楚。推測：地球內部地熱梯度大大減小，但溫度還是隨著深度增加而增加，地幔溫度在1000－3700

C之間，外核溫度在3700－4300

C之間，內核溫度約為5000

C。3.1.4地球的磁場TheEarth’sMagneticField(MerrillR.T.,1983):p82:North(south)magneticpole:Pointontheearth’ssurfacewherethemagneticinclinationisobservedtobe+90o(-90o)----《地磁學》北磁極/南磁極的定義Geomagneticnorth(south)pole:Pointwheretheaxisofthecalculatedbestfittingdipolecutsthesurfaceoftheearthinthenorthern(southern)hemisphere----《地磁學》地磁北/南極的定義地球磁場：磁層頂以下固體地球內部和外部所有場源產(chǎn)生的磁場總和.磁層頂以外的磁場稱為星際磁場(interplanetarymagneticfield,IMF)，場源為太陽（太陽風等離子體:plasma-solarwind)地球磁場的場源:磁化介質和電流體系(地表內源場，<2000km磁化介質)磁場測量特點：總量測量，不能分源測量！70400拉普拉斯方程的解

地球半徑1838年－Gauss—《地磁學概論》—數(shù)學分析（高斯理論）

內源場外源場主磁場

地球外核50000~70000nT偶極子場為主局部場居里點以上地殼100~10000nT不規(guī)則感應場

地殼、上地幔和海洋下述四種變化場的1/2一般具全球性規(guī)則磁暴場

磁層150~500nT近似均勻的外場，持續(xù)4-10h，恢復2-3天不規(guī)則磁暴場和亞暴場

電離層和磁層100-200nT全球場，極光帶最強，5-100min日變化電離層50-200nT，全球場，24、12、8h周期脈動磁層10-100nT，準全球場，1~300s（準周期）地磁場的基本組成地球就像一塊巨大的磁鐵，周圍環(huán)繞著磁力線，構成了地球的一個保護圈。地磁場的主磁場是一個偶極場，現(xiàn)代地磁南/北極位于地理南/北極附近，但并不重合。磁偏角：由于地磁軸與地理軸不重合，以及地殼內巖石所含磁性礦物組成和分布、及其磁化方向的不一致，導致了磁偏角的產(chǎn)生。磁偏角是以當?shù)亓_盤磁針方向（即當?shù)卮帕€方向）與地理經(jīng)度線的夾角定義的（或觀測點地磁場水平分量與地理北之間的夾角）。磁傾角：觀測點磁力線與水平面之間的夾角稱為磁傾角（或觀測點地磁場總強度矢量與水平面之間的夾角）。磁傾角由地磁赤道至兩極地區(qū)逐漸增大。地球磁場起源：在地球自轉過程中，由于液態(tài)外核產(chǎn)生了復雜的對流，產(chǎn)生了電流體系，從而導致了主磁場的產(chǎn)生和長期變化。地磁南/北極(GeomagneticN/Spole)南/北磁極(N/Smagnetic/dippole)地磁赤道(GeomagneticEquator)磁赤道(Magnetic/DipEquator)現(xiàn)代地磁場地球磁場的存在大大減少了太陽輻射對地球的影響；高緯度地區(qū)，電子沿磁力線的運動可以到達地離層高度，電子與電離的中性大氣粒子碰撞可以產(chǎn)生極光(aurora)。行星際磁場地磁場磁重聯(lián)現(xiàn)象磁層頂磁層頂?shù)厍虼艌鰰Φ貧染永锏葴孛嬷系膸r石產(chǎn)生影響，使巖石獲得剩余磁性；且剩余磁化方向與巖石形成時的地磁場方向一致：巖石對地質歷史時期地球磁場的記錄。對巖石剩余磁化及巖石形成歷史的研究發(fā)現(xiàn)，地球磁場（主磁場強度和方向）是不斷變化的；甚至發(fā)生過地磁南極變成了地磁北極、地磁北極變成了地磁南極，也就是發(fā)生了地磁場極性倒轉。極光：帶電粒子沿磁力線運動，與中性粒子碰撞的結果阿拉斯加極光共軛極光地磁極地磁極現(xiàn)在地磁場形態(tài)

約78萬年前地磁場形態(tài)地磁極性倒轉：過去160Ma的地磁極性年表（GPTS）古地磁定年：地層相對年齡的確定方法3.1.5地震波傳播和地球波速結構縱波(longitudinalwave)振動方向與傳播方向一致，P波：聲波橫波(transversewave)，又稱凹凸波，振動方向與傳播方向垂直，S波：電磁波、電波面波：沿介質界面?zhèn)鞑サ牡卣鸩ǖ卣鸩ㄔ诘厍騼炔康膫鞑サ厍虻牟ㄋ俳Y構地殼、地幔、地核構成了地球的內圈，內圈劃分主要依據(jù)地震波在地球內部傳播速度的變化來確定。低速帶巖石圈S波P波下地幔液態(tài)外核固態(tài)內核上地幔莫霍洛維奇面1909古登堡面19143.1.6地球的圈層結構外圈

大氣圈水圈生物圈內圈地殼地幔地核大氣圈大氣圈：厚度在幾萬千米以上，壓力每上升20千米減小10倍。溫度變化與大氣熱源有關。對流層：從地面到赤道上空17千米高度，兩極約9千米高度。氣溫來源于地面輻射，溫度隨高度增加而降低，可降至赤道-53oC，兩極-83oC。平流層：從對流層底部至50千米高度。溫度隨高度的增加上升至0oC以上，主要原因是因為臭氧吸收了紫外線輻射。15-50(km)臭氧層密度壓強溫度分子量擴展知識：按電離度，大氣可分為中性層(<70千米)、電離層(70-1000千米)、和磁層(>1000千米)極地高壓區(qū)盛行西風帶副熱帶高壓帶信風帶赤道無風帶極地環(huán)流圈中緯環(huán)流圈熱帶環(huán)流圈大氣環(huán)流圖全球大氣大規(guī)模運動的基本狀態(tài)平均經(jīng)圈環(huán)流平均緯圈環(huán)流水圈水圈：???地球表層的水體，大部分匯聚在海洋中；一部分分布在陸地上的河流、湖泊、冰川和土壤和巖石孔隙中；極少部分分布在大氣圈和生物圈中。由于海洋水具有很高的鹽度，很難被人類所開發(fā)利用，人類所能利用的水資源只占總水體體積不足3％的比例。生命離不開水，人類應該象珍惜自己生命一樣珍惜每一滴水。地球水圈水的分布單位：106km3水的循環(huán)系統(tǒng)生物圈大氣圈10km高空、地殼中3km的深處都有生物存在；生物可在-250—180

C，8000個大氣壓下存活。主要分布在陽光、空氣、水分和有機質充足的地表和淺海附近；地球上生命的存在至少有30多億年的歷史，但直到5.5億年前的寒武紀，地球上的生物才有了突飛猛進的發(fā)展；地球上的生物在漫長演化過程中已經(jīng)形成了相互依存的關系，即生物鏈。人類只不過是生物鏈中的一個環(huán)節(jié)，破壞了生物鏈的正常運轉，造成的惡果也只能是人類自己去吞食。生長在大洋深處的水螅生長在海底的發(fā)光生物地殼莫霍面：地球內部的一級地震界面，也是地殼和地幔的分界面。由南斯拉夫地震學家莫霍洛維奇1909年提出，在大陸地區(qū)位于地表以下30-75km處；在大洋地區(qū)位于5-12km處?？道旅妫旱貧ぶ械囊粋€地震界面，通常作為上下地殼的界面，康拉德面并非全球連續(xù)；P波：從4.5-5.0km/s突變?yōu)?.0km/s;上地殼的主要物質成分是以硅鋁質礦物組成的巖石，其密度大約為2.5g/cm3，也叫花崗巖層；下地殼的主要物質成分是鎂鐵質礦物組成的巖石，其密度大約為3.0g/cm3，也叫玄武巖層。這種觀點目前正受到嚴峻的挑戰(zhàn)，來自俄羅斯科拉半島超深鉆的資料表明，康拉德面以下巖石仍然是硅鋁質片麻巖或麻粒巖，這個結果正在改變地質學家對地殼的傳統(tǒng)認識。大洋地殼不存在康拉德面！洋中脊上方由于殼幔分異還未完成，沒有地震波速的突變。大陸與大洋地殼有顯著差異：成分、結構、時代、厚度。地殼均衡原理示意圖地殼厚度：在大陸的造山帶地區(qū)最厚，在大洋地區(qū)最薄，青藏高原的地殼厚度達到78km，而在大洋的一些地區(qū)甚至不到5km。地殼均衡原理：地殼厚度變化可以用阿基米德原理加以解釋，地殼在地幔之上如同漂浮在水面的木塊，在地幔某一深度面上，上覆巖石對地幔壓力處處相等，處于一種均衡狀態(tài)。地幔古登堡面：位于地表以下2900km處一級地震界面，是地幔與地核的分界面；上地幔：上部密度大約為3.3－3.4g/cm3，其物質成分一般認為是由橄欖石、輝石和石榴子石按不同比例組成的；下地幔：物質成分與上地?；鞠嗨?，所不同的是物質發(fā)生了化學鍵的轉變，由離子鍵轉變成共價鍵時，物質的密度可以提高18％。在2900km深處的地幔底部，其密度達到5.6－5.7g/cm3。地核地核：也可分為上下兩個部分，在深度4980km以上的部分稱為外核，以下部分稱為內核,由于S波不能在外核中傳播，所以外核應該是液態(tài)的；外核：密度由地幔底部的5.6－5.7g/cm3，急劇跳躍到9.7g/cm3，然后逐漸增加到11.5g/cm3，推測地球外核由氧化鐵組成，在巨大的壓力下它不僅是熔體，而且相變?yōu)槊芏雀蟮慕饘傧?；內核：物質密度最大，大約是12.5－13g/cm3，主要由鐵和鎳組成，也可能有其它元素存在。巖石圈和軟流圈板塊構造學說建立過程中，地質學家對地球圈層結構有了新的認識：在大約200千米深度上，有一個S波低速層。由此推測該層物質塑性程度較高，在動力作用下可以發(fā)生緩慢流動，并稱之為軟流圈。巖石圈：軟流圈之上的地殼和上地幔的堅硬部分。3.2地球的受力狀態(tài)地球上的每一個質點都受到萬有引力的作用，萬有引力來自兩個方面：一是地球上所有物質之間的引力，二是太陽和月亮的引力。太陽和月亮對地球上質點的萬有引力隨地球的自轉和公轉、月亮繞地球的旋轉而發(fā)生周期性變化。由于地球是旋轉橢球體，地球表面質點所受地球的萬有引力并不都是指向地心；只有兩極和赤道才指向地心，其它質點則需要通過橢球積分來計算。由于矢量的橢球積分比較復雜，且地球的扁率很?。煌ǔＧ闆r下，可以近似認為地球引力指向地心。地球自轉產(chǎn)生的力有兩種最基本形式：旋轉離心力和科氏力。地球自轉時地球上每一個質點都繞著自轉軸作圓周運動，同時產(chǎn)生離心力。地球兩極質點的線速度最小，所受離心力最??；赤道地區(qū)質點線速度最大，所受離心力也最大?？剖狭Φ男纬膳c物質在旋轉體上的運動方向有關。北半球河流的右岸總是受到強烈的侵蝕就是科氏力作用的結果。日月萬有引力和地球自轉離心力的合成形成了引潮力。其對地球作用的最明顯結果就是海水的潮汐過程。引潮力同樣可以造成地球固體物質的潮汐作用，稱為固體潮。由于地球自轉，引潮力對地球的作用還有扭矩，其結果是使地球物質產(chǎn)生向西的運動趨勢。同樣，地球固體物質也會產(chǎn)生自東向西的運動。巖石圈位于固體地球最外層，所受扭矩最大，發(fā)生向西運動的可能性也最大。引潮力原定義：地球表面靜止物體所受重力是地球對物體萬有引力中不能產(chǎn)生加速度的那個分力，能產(chǎn)生加速度作用效果的分力，是物體隨地球自轉所需的向心力。重力作用的趨勢就是使密度大的物質向地心方向遷移，也是地球在漫長演化歷史中形成了現(xiàn)今密度分層的原因。新定義：把宇宙中星球視為質點之后，在靜力學范圍內，以放置物體的支持物或物體自身為非慣性參照物，物體所受各萬有引力與各慣性力的合力叫重力。GF地f地F向新定義：G＝F地＋f地原定義：F地＝G＋F向重力3.3地球的能量系統(tǒng)地球并非一個封閉體系，她每時每刻都在宇宙中運動著，同時也在宇宙中進行著能量與物質交換。能量和物質總是緊密地聯(lián)系在一起的，伴隨著物質的獲得或喪失，地球系統(tǒng)也同時獲得或喪失了能量。在地球的能量系統(tǒng)中起主要作用的能量形式大致可以分為三大部分：太陽能、放射能和物理能。太陽能：地球從太陽輻射中獲得的能量。雖然地球從太陽輻射中所獲得的太陽能只是太陽輻射能的22億分之一，但地球平均每秒鐘仍可獲得1.8×1017焦耳的太陽能。太陽輻射使植物和依靠光合作用繁殖的藻類生物大量繁殖，構成生物鏈的基礎，并在一定條件下可以轉化成煤和石油儲存起來。太陽能還可以使大氣發(fā)生環(huán)流形成風能，使水蒸汽上升構成水的勢能。因此，太陽能是地球生物活動（包括人類在內）的主要能源。放射能：地球中的放射性物質在衰變過程中所產(chǎn)生的熱能。由于地球所含放射性元素很多，放射性物質總量也很大，由放射性物質所產(chǎn)生的熱能達到1.2×1014焦耳/秒。中子中子物理能：主要包括地球的旋轉能（包括自轉和公轉）和引力能。地球的旋轉能在一定時間尺度內基本保持在一定總量范圍里。地球公轉所具有的能量在太陽系中處于平衡狀態(tài)；只有在與其他天體相互作用時才發(fā)生改變。因此，對地球本身的物質運動和平衡的影響要么是一種長周期的作用，要么是一種災難性的作用。據(jù)地球的自轉速度計算，現(xiàn)今地球自轉的能量約為2.14×1029焦耳。這樣巨大的能量哪怕有億分之一的變化，也將產(chǎn)生相當于34,000次8級地震的能量變化，引起地球劇烈變動。地球的重力是地球物質產(chǎn)生的萬有引力和自轉離心力合力，構成了地球重力場。重力能是一種勢能，只有物質在重力場中發(fā)生位移時才產(chǎn)生能量變化。引潮力：是太陽和月亮的引力對地球共同的作用力。由于地球自轉和太陽、月亮與地球的相對位置會發(fā)生周期性變化，引潮力也發(fā)生周期性變化。引潮力在地球上最明顯的結果是引起海水的潮汐變化，其功率大約為1.4×1012焦耳/秒。引潮力作用——錢塘江大潮此外，地球的能量系統(tǒng)中還有化學能、結晶能、生物能等其它能量形式，并在地球演化中起到一定的作用。辰砂礦物結晶過程中也會釋放能量主要由剛性巖石組成的巖石圈熱導率很低：根據(jù)地殼的平均熱流值計算，地殼的平均散熱量為1.8×1013焦耳/秒。因此仍有大量熱能在地球內部積聚，構成了地球內動力地質作用的能量基礎。地球內部能量：積累到一定程度后就會轉化成物質運動的形式釋放，導致了火山、地震和構造運動等內動力地質作用的發(fā)生。3.4地球的物質系統(tǒng)地球物質是由元素組成的，由于地球經(jīng)歷了漫長的演化歷史，各圈層的物質組成也存在很大的差異。地殼中各種元素的分布情況直接關系到人類的生存環(huán)境，了解地殼中各種元素及其同位素的分布情況，特別是元素的平均含量及各種元素的地球化學行為，對闡明元素的富集、擴散、遷移規(guī)律及其對人類生存的影響具有重要意義。3.4.1地球的物質組成固體地球的主要元素組成占地球質量百分比98％鐵、氧、硅、鎂鎳、硫、鈣、鋁地核的主要元素地殼與地幔的主要元素鐵和鎳金屬狀態(tài)氧、硅、鋁、鐵、鎂大氣圈的主要元素水圈的主要元素氮、氧氧、氫生物圈的主要元素氧、碳、氫地殼中主要元素(質量百分數(shù))美國地調局化學家F.W.Clark(1847－1931)首次(1908)確定了地殼中元素的平均含量----地殼元素豐度：地殼中元素平均重量百分比（克拉克值）。占據(jù)98%的地殼重量的8種元素：

O、Si、Al、Fe、Ca、Mg、Na、K。

氧的克拉克值接近于半數(shù)(46.6%)，原子數(shù)>60.5%，體積93.8%，Si位于第二位(27.7%,20.5%,0.9%)。

氧、硅是地殼中最多最常見的元素?？死?F.W.Clark，1847-1931)曾據(jù)5159個采自世界各地的巖石樣品的化學分析數(shù)據(jù)，求出代表16km厚地殼層中50種元素的平均含量與總質量的比值，成為地殼元素豐度(abundance)。為表彰其卓越貢獻，國際地質學會將其命名為克拉克值(Clarkvalue)，用其質量分數(shù)(%,g/t)

地殼中的元素在極少情況下是以單質的存在的（如金、金剛石等），絕大多數(shù)情況是以化合物的形態(tài)存在的；這些化合物的形成除了受元素本身的結構和化學性質所決定外，還受到外界的物理化學條件所控制。不管是單質還是化合物，它們都是以獨立礦物的形式在地殼中存在的，并構成的地殼的主體－巖石；極少數(shù)微量元素，由于豐度很低，很難以獨立礦物形式存在，這類元素常以類質同象的形式或膠體吸附的形式存在于其它礦物中。碳元素在高溫高壓下形成的單質礦物——金剛石浸染狀集合體金黃色強金屬光澤硬度2.5比重19.30Nativegold自然金NativeCopperCrystals

自然銅晶體地殼中最常見的化合物——石英Pyrite

黃鐵礦金屬光澤Vanadinite

釩鉛礦祖母綠：含Be的硅酸鋁礦物礦物：由地質作用形成的，在正常情況下呈結晶質元素或無機化合物，是組成巖石的基本單元。晶體：其內部原子或離子在三位空間呈周期性重復排列的固態(tài)物質。下列物質中那些是礦物？人造水晶，人造金剛石，水，冰，天然氣，石油，煤，花崗巖，石墨，金剛石，長石，石英，黑云母，自然金，大理巖3.4.2元素的地球化學行為

元素的地球化學行為除了與元素本身性質密切相關外，還與元素及其化合物的賦存環(huán)境有關。不同的物理化學條件，元素會表現(xiàn)出不同的行為特征，形成不同的化學平衡。如碳元素在正常情況下形成石墨，在高溫高壓條件下可以形成金剛石；又如石膏和硬石膏在不同條件下的化學平衡：

CaSO4+2H2O

CaSO4

?

H2O+H2O

CaSO4?2H2O元素示蹤：根據(jù)元素的行為特征，可以進行各種示蹤研究，尤其是穩(wěn)定同位素的示蹤作用，為研究地球的物質循環(huán)、運動等方面的研究，提供了可借鑒的方法。如：碳循環(huán)、氧循環(huán)、鈹同位素、釹同位素示蹤等。3.4.3地球物質的運動形式宏觀運動：以地球物質的集合體形式發(fā)生的，其規(guī)?？梢源蟮降蒯α?、板塊運動等，并可以在瞬間釋放