第一章地球

1第一章地球1地球的形状、大小地球是目前已知宇宙中唯一存在生命的太阳系的一颗行星，是我们全人类赖以生存的家园。地球上有高山、深谷，起伏不平，它的形状由大地水准面反映。大地水准面是平均海平面和该面扩展到大陆下面构成的一个理论上的连续面。早在我国古代（公元9年）以前，就有“天圆如张盖，地方如棋局”的天圆地方说，那时认为地球是方形的。到了东汉，张衡的浑天说认为“天如蛋壳，地如蛋黄”，肯定了大地是球形的。1672年，法国天文学家里舍认为地球是一个扁的椭球体。牛顿更认为地球是旋转椭球体。“不识庐山真面目，只缘身在此山中”。卫星上天以后，根据卫星轨道分析测算，地球并非标准的旋转椭球体，因为北极凸出约10米，南极凹进约30米，中纬度在北半球凹进，在南半球凸出。因此有人形象地喻之为梨形球体。根据国际大地测量与地球物理联合会1980年公布的地球形状和大小的主要数据如下：表1-1地球的形状参数赤道半径a6378.137km两极半径c6356.752km平均半径r6371.012km扁率(d=(a-c)/c)1/298.257赤道周长40075.7km子午线周长40008.08km表面积5.101×108km2体积10832×108km3从以上数据得到的地球形状为扁率不大的三轴椭球体。2.地球的表面形态一、地球还是水球？如果你能飞入太空并回头遥望地球，你就会觉得与其把它叫做“地球”，还不如把它叫做2“水球”。地球表面积的70.8%为海洋，陆地仅占29.2%，海洋与陆地之比约为2.5:1。因此将地球称为“水球”也许更恰当。二、陆半球与水半球大陆和大洋在地球表面的分布是不均匀的，65%的陆地集中在北半球，因此又称为“陆半球”。但它们却被大西洋、印度洋的海水包围着，陆地仅占该半球的39%。南半球陆地面积仅占该半球的19%，因此称为“水半球”。三、表面起伏不平地球的表面是起伏不平的，陆地和海底都是如此。地表的最高点在亚洲喜马拉雅山脉的珠穆朗玛峰，海拔8848.13m；最低点位于太平洋西侧的马里亚纳海沟，在海面以下11034m；因此，地表最大垂直起伏约20km。陆地的平均高度为875m，海洋的平均深度为3729m。地表有二级面积较大、起伏较小的台阶，其一是海洋中深4000～5000m的大洋盆地，占地球总面积的22.6％；其二是大陆上低于1000m的平原、丘陵和低山，占地球总面积的20.8％。四、大陆地形特征按照高程和起伏特征，陆地地形可分为山地、丘陵、平原、高原和盆地等类型。（一）山地（mountains）山地是海拔高度在500m以上的低山、1000m以上的中山和3500m以上的高山分布地区的总称。线状延伸的山体称山脉，成因上相联系的若干相邻的山脉称山系。大陆上现代最高、最雄伟的山系主要有两条：阿尔卑斯山-喜马拉雅山系和环太平洋山系。（二）丘陵（hills）丘陵是指海拔小于500m、顶部浑圆、坡度较缓、坡脚不明显的低矮山丘群。如我国的胶东丘陵、川中丘陵等。世界上丘陵分布较广的地区位于俄罗斯西部的东欧平原上。（三）平原（plain）平原是海拔低于200m、宽广平坦或略有起伏的地区。如我国的松辽平原、华北平原、长江中下游平原等。世界上最大的平原是南美的亚马孙河平原，面积达560×104km2。（四）高原（plateau）高原是海拔高程在500m以上、面积大、顶面较为平坦或略有起伏的地区。我国青藏高原海拔4000m以上，是世界上最高的高原。世界上最大的高原是巴西高原，面积达500×104km2。（五）盆地（basin）四周为山地或高原、中央低平的地区称盆地。如我国的四川盆地、塔里木盆地、准噶尔盆地等。一些中、小型盆地地形中积水便成为湖泊或洼地。世界上最大的盆地是非洲的刚果盆地。3（六）洼地陆地上高程在海平面以下的地区。如我国新疆吐鲁番盆地，最低处在海平面以下154米，整个盆地有4050平方公里低于海平面，是世界上面积最大的内陆洼地之一。两侧由大断裂控制的线状洼地叫裂谷，如东非裂谷。五、海底地形特征海洋调查表明，被海水覆盖的海底地形和大陆地形一样复杂多样，既有高山深谷，也有平原丘陵，而且规模非常庞大，外貌更为奇特壮观。根据海底地形的总体特征，海底大致可分为大陆边缘、大洋盆地和大洋中脊三个大型地形单元。其中大洋盆地的面积约占海洋面积的1/2，大洋中脊则约占1/3。（一）大陆边缘（continentalmargin）大陆边缘是大陆与大洋盆地之间的过渡地带。由海岸向深海方向，大陆边缘常包括大陆架、大陆坡和大陆基。岛弧与海沟也可归于大路边缘。大陆边缘的面积占海洋的22.3%。（1）大陆架（continentalshelf）大陆架是海与陆地接壤的浅海平台，其范围是由海岸线向外海延伸至海底坡度显著增大的转折处。大陆架部分的海底坡度平缓，一般小于0.3°，平均约0.1°。其水深一般不超过200m，最深可达550m，平均为130m。大陆架的宽度差别很大，平均为75km，欧亚大陆的北冰洋沿岸可达1000km以上。（2）大陆坡（continentalslope）大陆架外侧坡度明显变陡的部分称为大陆坡。其平均坡度为4.3°，最大坡度可达20°以上；水深一般200～2000m；平均宽度为20～40km。因此，大陆坡比大陆架更陡、更深、更窄。大陆坡上常发育有海底峡谷，峡谷的下切深度可以达数百米乃至千米以上，两壁陡峭，海底峡谷横切大陆坡，有些海底峡谷可切过整个大陆架与现代大河河口相接。（3）大陆基（continentalrise）大陆基是大陆坡与大洋盆地之间的缓倾斜坡地。坡度通常为5′～35′，水深一般2000～4000m，展布宽度可达1000km。大陆基主要分布于大西洋和印度洋边缘，在海沟发育的太平洋边缘不发育。（4）岛弧（islandarc）与海沟（trench）岛弧是大洋边缘延伸距离很长、呈弧形展布的岛群。如在太平洋北部和西部边缘有阿留申、千岛、日本、琉球、菲律宾、马里亚纳、汤加-克马德克等群岛。海沟是大洋边缘的巨型带状深渊，其长度常达1000km以上，宽度近100km，深度多在6000m以上。海沟常与岛弧4平行伴生，发育在岛弧靠大洋一侧的边缘，与岛弧组成一个统一的海沟一岛弧系。如在前述太平洋西侧的各岛弧东侧边缘都存在海沟。海沟也可以与大陆海岸的弧形山脉相邻，这种情况可以看成是岛弧与大陆连接在一起的情形。如太平洋东侧南美大陆边缘的秘鲁-智利海沟等。大陆边缘分为三类。第一类是由大陆架、大陆坡和大陆基组成，这类大陆边缘主要分布于大西洋，称为大西洋型大陆边缘；第二类是由大陆架、大陆坡和海沟-岛弧系组成，主要分布于西太平洋，称为西太平洋型大陆边缘；第三类是由大陆架、大陆坡和陆地上的弧形山脉组成，主要分布于东太平洋，称为东太平洋型大陆边缘，又称安第斯型。（二）大洋中脊（mid－oceanicridge）大洋中脊是绵延在大洋中部（或内部）的巨型海底山脉，它具有很强的构造活动性，经常发生地震和火山活动。大洋中脊在横剖面上一般呈较对称的中间高、两侧低的形态；中部通常高出深海底2000～3000m；其峰顶距海面一般2000～3000m（个别地点可露出海面，如冰岛、亚速尔群岛等）；宽度可达2000～4000km。大洋中脊轴部常有一条纵向延伸的裂隙状深谷，称中央裂谷。该裂谷一般宽数十公里，深可达1000～2000m。大洋中脊常被一系列与轴线斜交或垂直的断裂错开，如大西洋中脊被错开可达300-500Km。大洋中脊在三大洋中的分布各有特点。太平洋内，它的位置偏东，两坡平缓，一般称为东太平洋洋隆；大西洋内，山系位于正中部位，轮廓与两岸平行，呈S弯曲。印度洋中脊也大体位于大洋中部，洋脊形状分三枝三大洋的洋中脊是彼此互相联结的一个整体，是全球规模的洋底山系。它起自北冰洋，纵贯大西洋，东插印度洋，东连太平洋海隆，北上直达北美洲沿岸。全长达8万多公里，相当陆地山脉的总和。(三)大洋盆地（oceanicbasin）大洋盆地是介于大陆边缘与大洋中脊之间的较平坦地带，平均水深4000～5000m。大洋盆地的面积约占海洋的一半大洋盆地主要可分为深海丘陵和深海平原两类次级地形。深海丘陵为高度几十至几百米的海底山丘组成的起伏高地，深海平原是坡度很小（平均小于1/1000°）的洋底平缓地形。此外，大洋盆地中常可见规模不大、地势比较突出的孤立高地，称为海山。顶部平坦的海山称为平顶海山，其成因一般认为是海山顶部接近海面时被海浪作用夷平而成。有些海山呈链状分布，延伸可达上千公里，称为海岭。海山顶部如露出海面以上即成为大洋中的岛屿。53地球的主要物理性质地球物理性质包括地球内部的密度、压力、重力、地磁、弹性及地热等。对上述特性进行研究，分析它们的变化规律，可推测地球内部的物质成分、结构以及温度压力状态，并可作为划分地球内部圈层勾走的依据。一、地球的重力（一）重力的概念和重力异常重力，是由于地球的吸引而使物体受到的力，生活中常把物体所受重力的大小简称为物重。在一般使用上，常把重力近似看作等于万有引力。但实际上重力是地心引力和地球自转产生的惯性离心力的合力。离心力比地心引力小得多，离心力的最大值（赤道处）只是该处地心引力的1/289。因此重力的方向仍大致指向地心。地球周围受到重力影响的空间称重力场，地表上某一点的重力场强度相当于该点的重力加速度。从实测重力值得知，它在地表各处存在着变化。在赤道为9.780318m/s2，在两极则为9.832177m/s2，比赤道增加了0.032％。总之，地面重力变化时随纬度增加而增加，随高度增加而减小。由各地重力的测量结果表明，有些地方实际的重力或多或少不同于按照理论公式所计算出的正常数值。这种情况，称为“重力异常”。重力异常是由于地球内部的物质分布不均匀及大地水准面和所取的地球形状不符合所引起。因此，人们可以利用重力异常来研究地球的形状和地球的内部结构。重力异常同地质构造和矿床有关。因而可以用来探测地下矿藏。地球由于受到日、月引潮力的作用，重力加速度也会因之发生微小的周期变化，最大时可达十分之几毫伽。（二）地球内部的重力变化地球的重力加速度在地球内部也随深度而变化。在地球内部，地球自转引起的惯性离心力随深度的增加而减少，这样，地球内部的重力可以简单地看成是地球的引力。一般认为，从地表到地下2,900公里深处,重力大致随深度而增加，在2,900公里处重力达到最高值，约1,000伽。从地表下2,900公里到地心，重力急剧减小，到地心为0。这种变化反映了地内物质密度的变化情况。二、地球的密度和压力（一）地球的密度和地内密度的变化6由万有引力定律算出地球的质量为5.974×1021吨，根据地球的形状参数知地球的体积为1.08×1012Ｋｍ3,以计算得到的地球质量除以地球体积，算得地球的平均密度为5.516g/cm3。实际测量却表明，在地表出露的岩石中，砂岩、页岩、石灰岩等沉积岩的平均密度为2.6g/cm3，花岗岩的密度为2.85g/cm3，海水的平均密度为1.028g/cm3,都远小于地球的平均密度。因此推断地球内部大部分物质的密度都必须大于地球的平均密度。地内密度的变化情况目前是根据地震波在地内的传播速度来推断的，目前公认的地内密度变化模型是由澳大利亚学者布伦（K·E·Bullen）推到的。模型满足下列条件：1.与地球的平均密度相符；2.与地球环绕其旋转轴的转动惯量相符；3.与地内地震波传播速度的深度变化曲线相符；4.与迄今为止所知的地内物质成分的认识相符。计算结果表明，地球内部的密度由表层的2.7～2.8g/cm3向下逐渐增加到地心处的12.51g/cm3，并且在一些不连续面处有明显的跳跃，其中以古登堡面（核-幔界面）处的跳跃幅度最大，从5.56g/cm3剧增到9.98g/cm3；在莫霍面（壳-幔界面）处密度从2.9g/cm3左右突然增至3.32g/cm3。这些变化反应了地球内部物质成分和状态的变化。（二）地球内部压力及其变化地球内部的压力是指不同深度上单位面积上的压力，实质上是压强。在地内深处某点，来自其周围各个方向的压力大致相等，其值与该点上方覆盖的物质的重量成正比。地内的这种压力又称为静压力或