固体地球物理学概论第一章

固体地球物理学概论地空学院固体地球物理系张胜业[e-mail]2014年2月武汉•教材与参考书•1、刘远生、毛春长等编：《地球物理学简明教程》；•2、王家映编：《地球物理学》；•3、张少泉编著：《地球物理学概论》；•4、张胜业、潘玉玲主编：《应用地球物理学原理》，2004年；课程主要内容•一、引言•二、地球的起源（天文学、行星学）•三、地球的转动和形状•四、地球的重力场（重力学、大地测量学）•五、地震学与地球的速度结构（地震学）•六、地球磁场（地磁学）•七、地球电与电磁效应（地电学）•八、地球的温度场（地热学）第一章引言一、什么是地球物理学？定义：地球物理学是以地球为研究对象的一门应用物理学。从上可知：地球物理学的研究对象－地球。地球物理学的理论基础－物理学。•地球物理学的研究内容：•利用物理学的电学、磁学、热学、运动学和动力学等方面的原理和方法•研究地球各部分的物理条件、物理性质、物理状态•从空间和时间两个方面找出以上各方面的发展和联系，以寻求其变化规律。•这门学科自20世纪之初就已成体系。到60年代以后，发展极为迅速。•它包含了许多分支学科，涉及海、陆、空三个领域，•是天文、物理、化学、地质学之间的一门边缘科学。•地球物理学和地质学、地球化学一样在地球科学中占重要地位。•地球物理学研究的范围包括从最深部的地核直至大气圈边界的整个地球。•地球物理学，若从广义上理解，除固体部分，还包括研究地面形状的大地测量学，研究海洋运动规律的海洋物理学，以及研究高空和星际空间物理学。•不过，一般谈地球物理学是指固体地球部分。故称为固体地球物理学。•在实际应用中，人们已经部分地接受了这种方法，甚至默认地球物理学是指研究“固体地球”这部分的物理学这一狭义的定义。二、地球物理学组成及研究内容•固体地球物理学可分为两个大的方面：研究大尺度和一般原理的，叫理论地球物理学（或普通地球物理学）；•勘察石油、金属、非金属矿或解决其它地质问题的，叫应用地球物理学（或勘探地球物理学）。•理论地球物理学着眼于基础理论方面的研究，研究的主要内容有：•（1）研究地球形状与重力分布的重力学；•（2）研究地震及弹性波在地球内部传播规律的地震学；•（3）研究地球磁现象的地磁学；•（4）研究地球电性质的地电学；•（5）研究地球内部热过程和热状态的地热•学；•（6）深部探测和地球动力学等。•前5项为传统分支，后一项为新的十分活跃的分支。•图1-1给出了地球物理学的形成和发展，其中，还重点给出了地球物理学与邻近学科的关系。图1-1地球物理学的形成和发展天文学物理学地质学地球空间物理学大气物理学固体地球物理学大地测量学海洋物理学应用地球物理理论地球物理重力学地磁学地电学地热学地震学地球起源地球年龄地球自转地球形状地球动力•应用地球物理学的发展远远超过理论地球物理学•在地球物理学迅速发展的今天，应用地球物理学采用新技术、新方法和新理论的程度，远远超过理论地球物理学。•地球物理学向深部和向海洋发展•本世纪来，地面上容易找到的矿藏除未开发的地区，均已探测清楚，迫使人们向深部和向海洋寻找新资源。•在狭义的地球物理的辖域内，我们将对它们作一个简单的介绍。•“地震学”（Seismology）就是一门研究地震的科学，研究地震的产生，地震波在地球的传播以及地球的速度结构等问题的科学。•“大地测量和重力测量学”（CeodesyandGravimetry）：是一门研究地球形状，重力场的观测与解释，潮汐以及地球密度结构等问题的科学。•“地磁学和地电学”（GeomagnetismandGeoelectricity）：是一门研究地磁场的起因、地磁场和地电场的特征及其在研究地球的电学和磁学性质中的作用的科学。•近年发展起来的“古地磁学”，是地球物理学的一个重要分支，它研究地球磁场的历史及其在地质学特别是板块构造学说中的应用。•“地热学”（Geothermicity）：是一门研究地球热场的测量、分布、起因和利用的新兴学科。有的科学家认为，地球物理学今后的面貌，必然和地球的热状态联系在一起。•因此近年来人们大力开展了地热场、火山、地球的放射性以及地球化学热等问题的广泛研究。•“大地构造物理学”（Tectonophysics）：我们知道，在地球内部存在的应力和应变，引起了地球表层极其巨大的位移，这种现象叫大地构造运动。•研究地球内部这种应力的产生和作用，区域构造和全球构造的物理特性的科学叫大地构造物理学。•“地球年代学”（Geochronology）：是一门用物理的方法研究地球历史事件的年代测定的科学。三、地球物理学的发展史•地球物理学虽然在19世纪末，20世纪初已成体系。但对地球物理现象的观测和探讨，从远古就开始了。•我国东汉的张衡是一位从事地震观测研究的地球物理学家。唐代的张遂（僧一行）是一位从事大地测量研究的地球物理学家。•物理学是地球物理学的基础，作为物理学的重要组成的牛顿力学，正是从研究地球物理问题（如落体运动）开始的。•学习一门学科的发展史，可以更好地掌握这门学科的真谛。1、公元十四世纪以前的情况•地球物理这门学科是由于人们要确定地球的形状大小而发展起来的。•公元前六世纪，希腊人从亚那萨哥拉时代已把大地看成球体。•公元前四世纪，阿里士多德（Artistotle）就明确指出大地是球形，并且估计了地球的圆周值（请不要误解为圆周率。圆周值上是指纬度变化1°所对应的地面长度）。•公元前八世纪，我国唐代的天文学家张遂（僧一行）独立得出圆周值，其误差约小于20%。2、牛顿时代欧洲的工作•与希腊、中国和阿拉伯相比，欧洲人的地球物理工作开始较迟，大概在环球航行证实大地是球形以后开始的。•公元1527年，菲涅尔（Fernel）在巴黎通过计算四轮马车车轮的旋转计算圆周值。•1617年，斯涅尔（Snell）提出三角测量的概念。•1637年，诺伍德（Nolwcod）步测了从伦敦到约克的距离，以确定圆周值。•1669年，法国人比卡（Picard）用望远镜测量角度，所得圆周值的误差达到0.1%。•在此阶段，地球扁率和地球旋转的效应，在随着大地测量精度的提高开始表现出来。•在此应着重谈谈牛顿的杰出贡献。在牛顿以前，对地球的研究基本上是静态的三角几何问题。•牛顿提出的运动和万有引力定律，给地球形状和构造的动力学研究，奠定了理论基础。(1)牛顿的第一大贡献•牛顿第一个估计了地球质量。根据万有引力定律，可得出在一级近似情况下的公式g=GM/R2,•其中g为重力测量值，G为万有引力常数，M为地球质量，R为地球半径。因为g和R的数值可得，所以由此式可得GM值。•牛顿为分别取得G和M值，提出许多实验原则和途径.•当时，他做出了以下著名推测：“地球的整个质量，比假定它全是由水组成的地球要大得五至六倍。”（2）牛顿的第二大贡献•牛顿第一个估计了地球的扁率ε的数值。•为了归算成数学模式，他把地球看成密度恒定的旋转流体，由此推导出ε=（a-b）/a=1/230，a、b分别为地球的赤道长轴和极短轴。•同时，牛顿还认识到地球密度不是恒定的，所得ε值应该进行修正。他认为，所得1/230是ε的下限值。•但应该指出，牛顿在论证中犯了一个错误。他所得数值不是下限，而应是上限。•无论如何，牛顿所得地球是扁球的推论是正确的。•牛顿关于地球是扁球的推论，后来被法国天文学所证实。•他们发现：能在巴黎给出准确时间的摆钟，放在赤道附近的卡宴，却慢了2.5s，这与地球形状的赤道凸有关。•在牛顿计算地球扁率之后几年，惠更斯（Huygens）在不知道牛顿这一推论的情况下，采用另一个不同的密度模式，得到ε值为1/577。•当时，人们试图从理论上和观测上解释牛顿所得ε为1/230与惠更斯所得ε为1/577之间的差异。但没有结果。然而，他们所给的两个数值，可作为真实ε值的上下限。3、十八世纪的工作•在牛顿1727年去世以后的一个相当长的时间内，绝大多数的地球物理研究者为英国人和法国人。•在英法之间展开了巨大的竞争，结果使这两个国家的地球物理工作获得极其光辉的成就，从而使地球知识大大跃进一步。•在英国方面，约翰·米歇尔（JohnMichell）设计了一套仪器，可以测定实验室内两个物体之间的引力，从而确定常数G。•确定GM的数值，是牛顿发现的。现在有了G，则可以确定M的数值。•他的学生卡文迪什（Cavendish）接替进行实验，于1798年对G进行了很成功的测定，从而得到准确的M值。•再由公式ρ=M/V（V为地球体积），算出地球平均密度（ρ）为5.5g/cm3由此证实了牛顿定律的早期推断。•在法国方面，大约1736年对拉普拉兰和秘鲁进行了一次成功的探测，参加的包括克莱罗（Clairaut）和布格（Bouguer）这样的著名人士。•由于两地相隔纬度60°，通过测量足以得出地球是扁球的证据。•布格开创了重力测量学，从而奠定现代大地测量学的基础。•在理论方面。克莱罗提出重力加速度g与扁度ε有关的重要公式，导出一个地球内部密度随扁度ε而改变的二阶微分方程。•在那以后的一个半世纪里，许多地球物理问题是在牛顿和克莱罗的工作基础上展开的。•在那个时期几乎所有法国大数学家都写过有关固体地球物理学的论文。其中包括达朗倍尔（d′Alembert）、库伦（Couloomb）、拉格朗日（Lagrange）、拉普拉斯（Laplace）、勒让德（Legendre）、泊松（Poission）、和勾犀（Cauchy）等。他们把数学与物理结合起来解释地球现象，从而使这门学科建立在严格的数理基础上。4、十九世纪的工作•到十九世纪初，引力理论已经以精练的数学形式出现，并且成功的应用于旋转地球的大量问题。•这时求得地球质量的精度已在1%以内，地表的扁率测定，已精确在百分之几以内。•这个世纪，十分重要的成就是运用数学工具，把地球质量、地球半径、地表g值和关于岁差的天文数据，巧妙地结合在一起，得到地球的转动惯量（或惯性矩）I。•1855年法国人勒道（Radau）引进特殊函数，使得确定转动惯量I成为可能。•通过计算给出ε=1/297，I=Y·MR2，Y=0.3335。对于一个常数密度的球体而言，Y=0.4。既然所得Y值（0.3335）比0.4小，表明地球内部一定存在一个可观的高密度中心。•我们从卡文迪什实验得知，地球的平均密度为5.5g/cm3，而地表岩石密度仅2.0g/cm3，因此地球深处的密度必定为地表岩石密度的若干倍。•这样，从转动惯量I和密度ρ同时得出地球内部密度有或质量集中的结论，这为研究地球内部的密度分布提供了一个重要的边界值。•在当时提出两个地球内部密度分布数学模式，一个是勒让德-拉普斯模式，另一个是罗歇（Roche）模式。这两个模式所给的密度值变动范围为：地表处约为3g/cm3，地心处约为11g/cm3。•十九世纪为探索地球内部密度分布花费了极大的精力，但尚未达到成熟可信的程度。直到后一个世纪，地震学研究得到地球内部的分层结构，才从根本上解决了地球内部的密度分布问题。5、二十世纪的工作•二十世纪地震学得到广泛应用，地球内部的力学性质才被揭示。•地震是人们早已觉察的现象。中国有世界瞩目的长达两千多年的地震记载。•在地震观测方面，远在东汉，文学家和科学家南阳人张衡，曾制造出世界上第一架地震仪——候风地动仪。•1906年，奥尔德姆从地震图上得到地球有一个致密的液态地核的证据。这个证据对于长久以来地球内部有高密度或质量集中的假说，是一个有力支持。•1909年，南斯拉夫地震学家莫霍洛维奇契（A.Mohorovicic）发现，在巴尔干地表数十公里处的P波和S波速度急剧增加。这个速度急剧变化的界面，称为莫氏面。•后来许多人做了大量工作，表明这个面是全球性的。这个面就是地壳与地幔的分界面。•1914年，德国人古登堡（B.Gutenberg）在确定地壳和地核之间存在地幔的前提下，公布了一个著名的计算结果，他得出幔核界面的深度为2900km。•1936年，丹麦的莱曼（L.Lehmann）女士根据两个新西兰地震的欧洲记录指出，地球的核有明显的外部与内部之分。现在分别称为内核与外核。•1946—1950年