地球科学概论第八章地球的内部圈层

第八章地球的内部圈层教学重点：地震，地球内部圈层的划分及其物理性质。教学难点：地球内部圈层的运动特征。第一节地震•一、基本概念1.地震：因构造运动(自然原因或人为因素)引起的地壳发生的快速颤动。地震的大小等级由地震的震级和烈度来度量。2.震源：地震波的发源地。3.震中：震源在地面上的垂直投影区。4.震源深度：震中到震源的距离。•5.地震波：地震作用过程中向四外放出的弹性波，称作地震波。•6.震级：是按照震源放出能量的多少来划分的地震等级，释放的能量越多，震级越大。一般采用的里氏震级标准是用下式计算的：lgE=11.8+1.5ME为震源放出的总能量，M为震级。震级同能量成对数关系，震级每差一级，能量差32倍。•7.烈度：地震对地面及建筑物的破坏程度。地震烈度由弱到强分为10度或12度，我国使用的是12度烈度表。•烈度同震级大小、震源深浅、所在地区的岩石地质构造情况以及震中距离有关。同震级地震，浅源要较深源破坏性大，相应烈度也大；同一次地震，离震中越近，烈度越大，反之则小；岩石和地质构造情况也影响烈度的大小，岩石松软，断裂发育地段烈度相对大。•8.等震线：每次地震，由震中向外，地震烈度依次变小。将地震烈度相等的点连成封闭曲线，称作等震线。•9.地应力：岩石变形主要由地壳内力的作用引起，因此，整体来看，地壳内单位面积上的力，称为地应力，它主要由构造运动产生。地应力的变化可利用超声波、电感和形变电阻等方法测量出来。•二、地震的类型1.按震源深度分为三类：—浅源地震：震源深度小于70km；—中源地震：震源深度大于70km，小于300km；—深源地震：震源深度大于300km。•2.按成因分为四类：⑴构造地震：主要是由板块活动特别是板块边缘带的活动造成的。无论在张性的洋脊还是扭性的转换断层以及复杂多变的俯冲带，在它们形成之时和形成之后，当积累的能量足以使岩石产生破裂和位移时，能量突然释放，以地震波的形式传播出去，引起地震。岩石破裂时能量的释放一般以“弹性回跳”来解释，即当岩石受力产生弹性变形，一旦超过弹性极限而破裂时，断层两侧的岩石就要回到未变形前的位置而产生弹性跳动，同时释放能量。•非板块边缘的断层活动也可形成地震，不过数量较少。以上这种由构造运动所产生的地震即构造地震。•世界上90%以上的地震属于构造地震。⑵火山地震：在岩浆活动运移到接近地表而酿成火山喷发之前，也常常频繁发生地震，这类地震多属浅源地震，少数为中源地震，影响范围较小，称作火山地震。占7%。⑶陷落地震：在溶岩发育地区，由于溶洞塌陷引起的小规模地震，称作陷落地震。⑷诱发地震：由采矿活动、修建水坝等人工活动所诱发的地震。•三、与地震有关的现象地震作用是一种强烈而快速的内动力地质作用，发生于能量突然释放的一瞬间，但它积累能量的孕育时间却是漫长的。所以，地震是各种来源的能量最后转化为机械能突然释放，表现为地应力的缓慢积累和快速释放过程。地震前，由于地应力的变化可导致岩石物理状况发生一系列变化，表现为地电和地磁的变化。•地电变化常引起大地放电现象，有时可产生地光。随地应力变化，还可以出现地声，通过放大装置可以监听到。•地下岩石受力发生蠕变，可改变地下水的存在状态，甚至发生剧烈运动。由于地下的含水层受到强烈挤压和拉伸，导致水温、水位、水化学成分的改变，表现为水质浑浊，翻花冒泡和氡等化学元素含量剧烈变化，地表出现喷水、冒沙等现象。•地震作用是一种快速的构造运动，可引起地壳升降，在地面形成隆起与陷落，还可产生褶皱、断裂以及山崩、地滑等宏观地质现象。•地震发生在海底，称为海震。发生海震时，由于海底岩石突然破裂和位移以及地震波的作用引起上覆海水的运动，产生具有强大破坏力的海浪，称作海啸。海啸通常由震源在海底下50千米以内、里氏地震规模6.5以上的海底地震引起。•海啸波长可比海洋的最大深度还要大，在海底附近传播也没受多大阻滞，不管海洋深度如何，波都可以传播过去。•海啸的传播速度大约每小时五百到一千公里，而相邻两个浪头的距离也可能远达500到650公里，当海啸波进入陆棚后，由于深度变浅，波高突然增大，可达数十米，并形成“水墙”，破坏力极强。•四、地震的空间分布（一）、全球地震分布全球地震的分布具有一定的规律。大多数地震集中在以下四个地震带：环太平洋地震带、地中海—印度尼西亚地震带、洋脊地震带、大陆内活动断层地震带。1.环太平洋地震带：位于太平洋周围大陆边缘或岛屿附近，沿太平洋板块边界的海沟-岛弧带分布。分为两支：一支从勘察加半岛开始，向东经阿留申群岛，沿落基山脉，到南美的安第斯山，最后终止于南安的列斯环。另一支从勘察加半岛向西南到日本分为两支：东南支延至马利亚纳群岛，经关岛向西到雅浦岛；西南支经琉球群岛到台湾，再向南经印度尼西亚到苏拉威西岛的东北部，与地中海－印度尼西亚地震带汇合。环太平洋地震带的活动性最强，集中了全球约80%的浅源地震，90%的中源地震和差不多所有的深源地震。2.阿尔卑斯—喜马拉雅—印尼地震带（地中海—印度尼西亚地震带、欧亚地震带）大致沿地中海、土耳其、伊朗、喜马拉雅山脉、缅甸、印度尼西亚一线展布，与环太平洋地震带相接，沿亚欧板块与非洲板块和印度洋板块的结合带分布。该带集中了全球约15%的地震。主要是浅源和中源地震，我国位于该三角区内。3.洋脊地震带：分布在洋中脊，以大西洋和印度洋洋中脊最明显。地震类型均为浅源地震，且较少，很少超过六级。4.大陆内活动断层地震带：如东非裂谷、红海亚丁湾等，均为浅源地震。我国较为典型。（二）、中国地震分布我国是一个多震的国家，地震的分布可分为东部地震区、西部地震区及南北地震带，共23条地震带。⑴东部地震区：以北部的阴山-燕山山脉和南部的秦岭-大别山北麓为界，分成华北、华南及东北三个地震区。①华北地震区：包括山东、山西、河北、河南、陕西，辽宁南部，江苏及安徽北部。地震活动强烈，多次发生强震。②华南地震区：包括江苏及安徽南部、江西、浙江、福建、广东、广西、湖南、湖北、贵州及四川东部。地震分布不广，地震活动较弱。③东北地震区：活动较弱，破坏性地震少见。但这一地区是我国唯一有深源地震的地区。⑵西部地震区：西部地震区强震分布广，频度高。⑶南北地震带：北起贺兰山、六盘山，向南经秦岭、龙门山到川西滇东地区，这是地壳厚度突变带，地震活动强，多次发生破坏性地震。⑷台湾地震带和⑸喜马拉雅-滇西地震带地震强度大、频度高、浅源和中源地震都有。•五、地震预报：要求回答以下三个问题，即地点、时间、震级。对于地点和震级，根据地震地质观测，结合历史地震资料的研究可在一定程度上作出预报。至于准确的发震时间，目前的技术水平只能提供中长期预报，尚不能作出精确的临震预报。•现在预报地震主要有下列途径：⑴地震地质调查：经过大面积的地震地质调查，可以识别出可能发生地震的危险地带，并可宏观地估计发生地震的地点和地震强度。⑵研究小震活动规律：小震在时间和空间上常常与大震有密切的联系。研究大震发生前的小震活动规律对大震预报有重要意义。⑶测量地面形态变化：地震之前，岩石受构造应力的作用而变形，导致地面形态变化。这一变化达到一定程度预示地震可能来临。⑷观察地下水的变化：在大地震前地下水的水质、水位往往发生较大的变化。⑸研究电磁场的变化：在地震前岩石受构造应力的作用出现“压磁效应”，使磁性发生变化，从而引起地磁的局部变化。⑹观察动植物的异常反应：大地震前动植物往往反应异常。⑺地声和地光：地声（临震前地下传来的响声）和地光（大地震前天空出现的五颜六色的闪光、光带和光球）是地震的预兆之一。⑻岩石扩容现象的研究：岩石受应力作用但未破裂之前，体积已经发生膨胀，这也是重要的地震前兆。第二节地球的内部构造•对地球内部物质状况和结构特征的认识，依靠地震波的传播、热的传导、地磁和重力情况，以及对陨石等天体物的推测。•一、地震波地震波：是弹性波，分为体波，面波和自由震荡三种。地震波速与物体密度和弹性有关，其关系式为：Vp3=(K+4/3m)/r；Vs3=m/r式中，Vp为纵波速度，Vs为横波速度，r为物体密度，K为物体体变模量，m为切变模量。由上式可见，波速与密度成反比，与弹性模量成正比；在固体中纵波和横波都可以传播，而在液体中，因切变模量等于零，故横波不能通过液体。•体波：是在介质中传播的，故称体波。其质点呈直线运动。体波分为纵波和横波。—纵波：是质点震动方向与地震波传播方向平行的地震波。—横波：是质点震动方向与地震波传播方向垂直的地震波。在地表介质中，纵波的传播速度是横波的1.73倍，故地震时先感觉到上下颤动。•面波：当体波传播到介质表面或两介质之间的界面时就会发生折射或反射，其中一部分转化成沿着界面传播的地震波，称作面波。面波的质点震动比较复杂，传播速度更慢，只有横波速度的3/4，但速度随着频率而有变化。•自由振荡：是由大地震激发的整个地球的弹性震动。•体变模量：是物体在围压下体积能够缩小的程度。体变模量越大的物体其体积越难缩小。液体很难压缩体积，所以体变模量很大。•切变模量：是物体在定向压力下形状能够改变的程度。切变模量越小的物体其形状越易改变。液体没有反抗变形的能力，所以切变模量为零。•固体潮：用精密仪器测量，可以发现地球表面在日月引力作用下，会象海水在日月引力下发生潮汐那样发生升降运动。升降幅度可达7—15cm，称之为固体潮。•松弛：当固体受力变形时，在总变形（弹性变形和塑性变形）保持固定的条件下，弹性变形会随着时间逐渐消失，塑性变形逐渐增大，物体内部的应力随着时间逐渐降低，这种现象称作松驰。根据对地震波的研究发现，其传播速度总体上是随深度增加而递增，但其中出现2个明显的一级波速不连续界面，1个明显的低速带和几个次级的波速不连续面，表明地球内部物质不是均一的。地震波速跳跃式变化带则为圈层的界面。1.莫霍面（莫霍洛维奇面）：是地壳与地幔之间的界面。地震波纵波波速由莫霍面上的约7.0千米每秒迅速增加到8.1千米每秒，横波由莫霍面上的约4.2千米每秒迅速增加到4.4千米每秒。全球平均深度为33千米，而在洋壳处仅约7千米。2.古登堡面：是地幔与地核之间的界面。纵波波速由古登堡面上的约13.6千米每秒迅速降低到7.98千米每秒，横波消失。位于地下深处约2885千米。3.康拉德面：是上、下地壳的分界面。大陆地区地震波在15千米（平原地区）至30千米（年轻山系或高原地区）深处的一个不连续面。4.内外核及其过渡带：在古登堡面下还有一个地震波速突变带，纵波波速又逐渐上升，横波（由纵波转换产生）又复出现，说明地核内部存在固体物质。外核为液体，内核为固体。1962年人们进一步认识到地核从液态到固态之间有一个性质逐渐变化的过渡带。5.低速层：一般在60~250km之间，接近地幔的顶部。地震波速比上层减小5~10%，上下没有明显的界面，波速变化是渐变的。低速层厚度在不同地区有较大变化，横波的低速层是全球性普遍发育的，纵波的低速层在某些地区可以缺失或处于较深部位。二、地球内部圈层的划分：地壳、地幔、地核。•A地壳：从地表到莫霍面，由固体岩石组成。地壳的体积仅占地球的千分之三左右，地壳厚度变化大，陆上平均35km，最厚达70km；海洋地壳薄，最厚8km，最薄5km。—在垂直方向，大陆地壳还可分为上、下两层，其间存在一个次级界面（康拉德界面）。上地壳平均密度约2.7g/cm3，平均厚度约10km，上地壳的平均成分相当于花岗岩，又称花岗质层。主要成分为O、Si、Al、K、Na等较轻元素。下地壳平均密度3.0g/cm3，平均成分相当于玄武岩，又称玄武质层。主要成分为O、Si、Fe、Mg等较重元素。•在横向上，地壳也是不均一的，最显著的表现是大洋与大陆的差别，因此地壳在横向上又分为陆壳和洋壳两部分。陆壳：约占地壳面积的1/3多一点，陆壳具有明显的双层结构，即存在上、下地壳。洋壳：位于海洋之下，占地壳面积2/3弱，其上为约4km厚的海水，洋壳基本缺失上地壳。•B.地幔：位于地壳之下，莫霍面与古滕堡面之间。厚度约2885km。体积占地球体积的83%。质量为4030x1021千克，占地球质量的67.7%。成分接近于石铁