第2章-地球的基本特征

上节课复习地质学地质学研究的主要对象地质学的研究内容将今论古第二章地球的基本特征本章内容1.1地球的基本物理性质1.2地球的圈层结构1.3地质作用的概念和分类1.4地球演化的特点及地质年代表的建立1·1地球的主要物理性质主要内容：地球的形状与大小(shapeandsize)地球的密度(density)地球的压力(pressure)地球的重力(gravity)√地球的磁性(geomagnitism)√地热(geothermy)√在太空中所见的地球大地水准面大地水准面是由静止海水面并向大陆延伸所形成的不规则的封闭曲面。它是重力等位面，即物体沿该面运动时，重力不做功（如水在这个面上是不会流动的）。大地水准面是描述地球形状的一个重要物理参考面，也是海拔高程系统的起算面。大地水准面的确定是通过确定它与参考椭球面的间距--大地水准面差距（对于似大地水准面而言，则称为高程异常）来实现的。大地水准面和海拔高程等参数和概念在客观世界中无处不在，在国民经济建设中起着重要的作用。它将几何大地测量与物理大地测量科学地结合起来，使人们在确定空间几何位置的同时，还能获得海拔高度和地球引力场关系等重要信息。大地水准面的形状反映了地球内部物质结构、密度和分布等信息，对海洋学、地震学、地球物理学、地质勘探、石油勘探等相关地球科学领域研究和应用具有重要作用。1.1.1地球的形状与大小地球的形状1.1.1地球的形状与大小（1）大地水准面是一个不稳定的旋转椭球面。（2）地球赤道横截面不是正圆（3）赤道面不是地球的对称面。表现在a.南极大陆比基准面低24米，而北极大陆则高出14米；b.赤道到南纬60度之间高出基准面，而赤道到北纬45度则低于基准面。注意：人类对地球形状的认识是变化的；地球自身的形状也是在变化的，因为地球在收缩。极半经为6356.8km赤道半经为6378.1km平均半经为6371km扁率为1/298基本上仍是一个圆球地球的大小地球平均密度5.517，上部地壳平均2.65,地核平均13。地球密度与深度的相关性。1.1.2地球的密度1.1.3地球的压力地球内部压力是随深度加大而逐渐增高的。深度每增加1km，压力增加27.5Mpa(1MPa＝1兆帕斯卡＝106N/m2)。深部随着岩石密度的加大，静岩压力增加得更快些。静岩压力在莫霍面附近约1200MPa，古登堡面附近约135200MPa，地心处可达361700Mpa，相当于360万个大气压力。0100020003000400050006371Km020004000地表地心1.1.4地球的重力（gravity）定义地面附近的物体由于地球的吸引而受到的力，叫做重力（gravity）。重力并不等于地球对物体的引力。由于地球本身的自转，除了两极以外，地面上的物体，都随着地球一起做近似匀速圆周运动，这就需要有垂直指向地轴的向心力，这个向心力只能由地球对物体的引力来提供。把地球对物体的引力分解为两个分力，一个分力F1，方向指向地轴，大小等于物体绕地轴做近似匀速圆周运动所需的向心力；另一个分力G就是物体所受的重力。因此，重力就是地球引力和物体随地球绕地轴转动所受的向心力之差。F万—万有引力，F1—向心力，G—重力辨析重力的定义有很多，没有对错之分，关键看其是否适于解决你的问题。中学课本上说，“地球对物体的引力称重力”，“重力就是由于地球吸引而使物体受到的力”。这类定义只有在不考虑地球自转所引起的效果时才有意义。重力的影响因素：纬度、海拔、下伏物质。各种重力异常理论重力值：根据理想的扁球体（旋转椭球体）以及内部密度无横向变化所计算出的重力值。重力异常(gravityanomaly)及其种类自由空气异常：只考虑高度差异，不考虑物质差异所校正的重力异常。布格校正:是指在重力测量中，考虑观测点与大地水准面间物质引力影响所作的校正。布格校正一般由中间层（观测点至大地水准面间存在着假想的无限大的平行岩层）校正和局部地形校正两部分组成。布格异常：重力观测值经自由空气校正和布格校正后与相应的参考椭球体面上的正常重力值之差称为布格异常。正异常、负异常布格异常的意义：是重力勘探(gravityexploration)的依据。研究深部物质的途径之一。“山根”的含义：因为高山地带显示负的布格重力异常，指示山下有类似山脉的较轻的岩石浮在较重的岩石之上，这深入的部分就是“山根”。“冰山效应”中国布格重力异常绪论地磁现象：地球所具有的磁性现象。罗盘指南和磁力探矿都是地磁的利用。地磁对地球环境的意义研究地磁的意义1.1.5地磁（geomagnetism）1.1.5.1地球磁场（geomagneticfield）基本特征：（1）相当于地球中心的一个大条形磁铁所产生的偶极磁场。条形磁铁的磁南极（S）大致指向地理北极附近，磁北极（N）大致指向地理南极附近（见后面图）。即条形磁铁的南北极与地理上的南北极相反。（2）地球磁场的磁力线分布特点是赤道附近磁场的方向是水平的，两极附近则与地表垂直。（3）地磁偏角及其变化：地磁偏角是指地球上任一处的磁北方向和正北方向之间的夹角。即地磁南北极与地理南北极的位置不一致。当地磁北向实际偏东时，地磁偏角为正，反之为负。地磁偏角在历史上最早由中国北宋科学家沈括发现并记录在著作《梦溪笔谈》中，而西方最早的记录则在此之后约400年。在地球上不同的地方，地磁偏角一般也不相同。在同一个地方，地磁偏角随着时间的推移也在不断变化。发生磁暴时和在磁力异常地区，如磁铁矿和高压线附近，地磁偏角将会产生急剧变化。在中国的大部分地区，地磁偏角在-10°～+2°之间。各地的磁偏角（于1970年1月1日测量计算的），如：北京-5°50’，哈尔滨-9°39’，上海-4°26’，西安-2°29’，重庆-1°34’，广州-1°09’，乌鲁木齐+2°44'问题：罗盘的北针与地理北的方位一致吗？注意（1）地磁的两极与地理两极是不重和的（2）地磁的两极与地理两极的空间关系1.1.5.2地磁三要素（magneticelements）地磁强度（magneticintensity），箭头代表方向，长度代表磁场强度。磁偏角（magneticdeclination）：地磁场的水平分量与地理北的夹角。即地磁子午线与地理子午线的夹角。以指北针为准，偏东为正，偏西为负。磁倾角（magneticinclination）：磁针与所在地水平面的夹角。以指北针为准，下倾者为正，上仰者为负。小知识：为什么把经线称为子午线？罗盘的南针上为什么缠有铜丝？1.1.5.3地磁极变化地磁极的变化：第一种变化：漂移磁极有向西缓慢移动的趋势。第二种变化：地磁倒转，周期性的磁极倒转（见下页图）磁极倒转的依据：古地磁（paleomagnetism），居里点（大约400～700℃）与热剩磁、沉积剩磁最近400万年的磁极倒转思考题：地磁倒转有什么意义？（灾害）海底岩石磁场提供的地磁倒转证据1.1.5.4地球磁场的组成（略）基本地磁场（mainmagneticfield）：由地球中心假定的磁柱产生的磁场，占地磁的95%以上。变化磁场：由来自地球外部带电粒子产生，太阳是这些带电粒子的主要来源。☆地磁异常（magneticanomaly）：地壳浅部的具有磁性的岩石或矿石引起的局部磁场。是磁法勘探的依据。地球磁场的组成最近400万年的磁极倒转课外阅读：地球磁场的形成原因(感应自激，旋转的液态金属铁镍物质)1.1.6地球的弹塑性弹塑性：地球具有弹性，表现在地球内部能传播地震波，因为地震波是弹性波。地表的固体岩石在日、月引力的作用下也有交替的涨落现象，其幅度为7—8cm,这种现象称为固体潮。也说明固体地球具有弹性。地球也具有塑性，地球的自转能引起地球赤道半径加大而成为椭球。在应力的作用下引起岩石发生弯曲而不破裂等，这些都说明地球具有塑性。褶皱构造上节课复习地球的密度和压力随深度的变化特征地球表面重力的影响因素磁偏角，磁倾角1.1.7地热（geothermy）1、地热现象与研究意义2、地热的来源与形成条件、间歇泉的地下构造3、地热表述形式与地热异常4、地热分布世界地热分布中国地热分布1、地热现象与研究意义地热现象火山爆发地下热水热能转化机械能的构造运动研究意义：利用温泉沐浴、医疗，利用地下热水取暖、建造农作物温室、水产养殖及烘干谷物、发电等美国黄石国家公园的地热喷泉冰岛首都雷克雅未克北部著名的间歇泉。新华社记者郭磊摄腾冲地热温泉中最著名的大滚锅，水温接近100℃西藏羊八井地热电站地热井喷阙影摄冰岛的奈斯亚威里尔地热发电站清洁的地热能与燃煤或燃烧石油相比，利用地热资源时的二氧化碳排放量微乎其微。自1975年冰岛大规模使用地热资源后，石油等能源进口大大减少，二氧化碳等温室气体排放量提前几十年就已达到了国际标准。冰岛现在已成为世界上最干净的国家之一，并计划在不久的将来，成为世界上第一个全部使用可再生的清洁能源的国家张家界万福温泉浴冰岛蓝湖地热温泉与地热梯级利用蓝湖所在地是地球上地下岩浆活动最为频繁的区域之一，这种活动加热了蓝湖，使得水体蒸腾。地面附近的熔岩流加热的水蒸汽用于推动涡轮机发电，经过了涡轮机的蒸汽变成热水，经过换热器又为市政热水供暖系统提供热量，可谓一举多得。蓝湖洗浴和游泳的礁湖地区水温平均在40℃左右，水体有丰富矿物质，如硅和硫，在蓝湖泡温泉，可以帮助治疗一些皮肤疾病，如牛皮癣等。地热取暖乌鲁木齐两住宅工程试用地热取暖，费用低于集中供热地热种植北京：首个地热蓝莓大棚落户丰台地热养殖海拔千米以上、常年气温仅为12.8摄氏度的爱达荷州山区的“爱达荷养鱼公司”地热养鱼池。地热的来源以放射性元素衰变为主构造运动的机械能化学能引力能地球旋转能2、地热的来源、地热水和间歇温泉的地下构造第一、丰度足够大；第二、放射释放的能量大；第三、半衰期与地球年龄相当地下热水地下热水：一般都把高于当地年均气温的地下水。中国目前采用20～25℃作为热水下限。根据温度分类（1）低温热水：25℃——40℃（2）中温热水：40℃——60℃（3）高温热水：60℃——100℃（4）过热水：100℃根据地质构造条件（1）火山和岩浆活动型（2）褶皱山地断裂带深循环型（3）沉降盆地型地热水形成条件（1）热源（2）水源（3）储集层和盖层图见P23，图2-8间歇温泉的输水系统一套复杂的供水系统。在这个天然锅炉里，要有一条深深的泉水通道。地下水在通道最下部被炽热的岩浆烤热，却又受到通道上部高压水柱的压力，不能自由翻滚沸腾。狭窄的通道也限制了泉水上下的对流。这样，通道下面的水就不断的被加热，不断地积蓄力量，一直到水柱底部的蒸气压力超过水柱上部的压力的时候，地下高温、高压的热水和热气就把通道中的水全部顶出地表，造成强大的喷发。喷发以后，随着水温下降，压力减低，喷发就会暂时停止，又积蓄力量准备下一次新的喷发。黄石公园里有一个叫老实泉的间歇泉特别有趣。这个间歇泉不仅喷发猛烈，而且特别遵守时间，总是每隔一小时左右喷发一次，从不提前，也从不迟到。所以才得了这个“老忠实”的美名。可是，后来因为地震，老实泉发生了变化，现在不如从前那么遵守时间了。3、地热表述形式与地热异常基本概念：变温带(heterothermozone)：地下温度明显地受到地表大气温度影响的地带。常温层(homothermallayer)：地表以下一定深度上，温度常年保持不变，其温度与当地年平均气温一致。增温层(interiorwarminglayer)增温层内描述温度变化的两个术语地热增温级（geothermalgradient），单位m/℃地热梯度(geothermaldepth)，单位0.01℃/m。地热梯度平均值3℃/100m注意：地热增温规律只适用于地壳。课外阅读：地热的利用有那些方式？地热的可持续利用：梯级开发及回灌T=t+(H-h)r0100020003000400050006371Km020004000C。大地热流与热流量的单位（简称HFU）地热流