2.地球的物理性质与圈层结构

地球的物理性质与圈层结构黄定华中国地质大学（武汉）•地球生物学系地球的主要物理性质：密度，重力，磁场地球内部圈层的划分方案地球内外圈层的耦合。主要内容学习要点1.物理性质和圈层结构是互为因果的；它们对地球的运动和演化有决定性的制约作用2.研究物理性质的历史中产生过许多优美的科学传奇，从中可以领略到地质学家是如何巧妙地揭开地球内部奥秘的§1.地球的密度与弹性地球的质量有多大？若一头大象的质量以平均3t计,则地球的质量M=5.9472×1024t=1.984×1024t约等于2万亿兆头大象地球的质量及其计算密度=质量÷体积质量=体积×密度牛顿定律：F=mg;G=fmM/r2M=gr2/f如何求得地球半径呢——几何学常识+天文学测量AB几何学：一段圆弧的长度与其对应的圆心角成比例天文学：弧AB对应的圆心角正是AB两点对应的天顶角求地球的引力常数——附加引力法物质分布的不均匀和导致垂吊的小球向附加引力场方向偏移。通过偏移角计算减去均匀球体的背景值，就可推导出引力常数课堂作业－考考你！阿基米德：给我一个支点，我可以把地球撬起来。问题1：根据我们知道的地球质量，如果受力臂长1cm且他可以使出200千克力，求他需要多长的施力臂才能办到？问题2：如果受力臂长1cm，他需要把作用于施力臂顶端的用力点推动多少距离，才能把地球抬起来1mm?问题3：如果他每小时可以走100km，按以上条件把地球推动1mm，他需要多长时间才能完成？问题1L1＝?课堂作业参考图问题2L2＝?问题3t＝?根据体积和引力常数，计算出地球的平均密度为5.516g/cm3但实际测量却发现，地表常见沉积岩的平均密度只有2.60g/cm3地表出露的花岗岩的密度为2.85g/cm3结论：地球内部的物质密度大于地表；并且地球物质的密度分布在整体上是不均匀的地球内部密度的确定——地震波原理——地震波通过不同密度介质时的波速不同，在越过两种不同介质时还会发生折射现象和折射波不能到达的阴影区ABN阴影区地球密度的经验公式=0.27Vp+1.07.100/hpg/cm315105200040006000km内核外核地幔地壳图3—2一种地球内部物质密度变化的推断模型地内密度测量有三处突变，反映了密度（和物质）的不连续；由地表到地心，密度依次递增；由横波不能通过外核，推断出外核是液态的。弹性——变形与受力成正比；塑性——外力消失后部分变形不能恢复粘性——外力消失后变形还可能继续同一物体在不同的受力—变形条件下，可以分别表现出不同的物性。地球的弹—塑—粘性地球月球DCBA月球引力月地系统离心力引潮力（合力）海洋潮汐：日—月引力的结果固体潮：同样的原因作用于固体地球的结果岩石褶皱：地壳的塑性变形表现地球的弹—塑性及其转动趋势：月—地靠拢地球的粘性：斯堪底那维亚冰后期的抬升地球的振荡与摆动N=1,均匀膨胀；N=2,南北膨胀；N=3,东西膨胀；地球的振荡与摆动涨缩振荡n=0n=1n=2扭转振n=1n=2n=3荡除膨胀式振荡外，地球还有扭转振荡、钱得勒摆动等运动钱得勒摆动钱德勒晃动源于地球自转轴与最大惯量轴之间的微小偏离。在自转中地球的总角动量守恒，但因为物质分布和密度不均等因素的影响，地球同时也在晃动。这使得转动轴围绕最大惯量轴在地面上画圆。由于地球自转轴在绝对方向上几乎是固定的，所以晃动呈现出周期性的变化，其周期约430—435天（1.18年左右），平均（均方根）变幅为0.14秒（约6.8×10-7弧度）。钱德勒晃动的激发机制被认为是一种综合作用，部分是固体地球与大气相互作用的结果，部分则有可能与大地震引起的壳幔物质重新分布相关§2.地球的重力场地球的重力在不同地区，不同深度的部位都不相同；在地球内部，不同深度部位上的重力会受到不同因素的综合影响；在地心处，计算重力的公式与其它部位的计算有所不同地球的重力构成地壳rP地幔RFG地核a.地心b.图3—4地球重力图解G—重力；F—引力；P—离心力；R—地球半径；r—纬圆半径由于离心力只有重力的约1/300，故在一般情况下，多以重力近似代替引力地球的重力分布地表的重力分布:G地表=fmM/r2G地表：离地心越远越小地下的重力分布：G地下=fmM/r2G地下：大小看M，r2谁占主导地心的重力计算：;3/43rv.3/4/rfGvM地心G地心＝０重力均衡模式重力均衡原理：单位截面上的任一垂直柱体中的岩石总质量为常数．且该柱体以一个特殊的补偿面为基底，补偿面以下的物质处于均质状态．岩石柱密度不同，岩石柱密度相同补偿面高程相同，补偿面高程不同没有对称面，有对称面实际补偿方式=密度补偿（37%）+深部补偿（63%）密度补偿模式VS深部补偿模式重力异常将地球视作一个圆滑的均匀球体，计算得出的重力值称作理论重力值。地球的地面起伏甚大，内部的物质密度分布也极不均匀，在结构上还存在着显著差异。这些都使得实测的重力值与理论值之间有明显的偏离，在地学上称之为重力异常。利用这一原理，可以通过发现各地的局部重力异常来进行找矿和勘查地下地质构造。地球的压力地球某处的压力是由上覆地球物质的重量产生的静压力。在地球表层、地壳和接近地心附近时压力增长较平稳，在下地幔和外核部分增长得较快。利用密度分布的规律来估算地球内部的压力状况，以截面为1cm2的岩石柱作为压力的计算表示法，可得压力地壳地幔地核图3—6地球内部压力分布曲线.100/hp地磁场的特征，地磁场的起源和地磁场在地学中的应用，是地球物理学领域中的三个基本问题§3.地球的磁场地球的磁场图3—12地磁场及其基本要素L—地磁力线；F—总地磁场强度；H—地磁场水平分量；Z—地磁场垂直分量；D—磁偏角；I—磁倾角地磁南极地理北极地磁南极D水平面HI地理北极ZFL垂直面a．b.地理南极地磁北极将地磁场比作偶极子磁场的说法中，隐涵着地磁场是永久不变的这一假定。但实际上不仅磁极在不断发生摆动，从发现地磁场以来，人们还逐渐发现了磁偏角在几十到几百年的时间内，大致沿着纬线方向平稳地向西移动，这一性质被称作地磁场的向西漂移。地磁场漂移速率可以达到约每年0.18°，绕地球一圈大致需要1800年的时间。除了地磁场的这种较长期的变化外，地磁场还有时间尺度更短的昼夜变化，取决于地球表面相对于太阳位置的昼夜变化。在一天之内，地球表面的磁极所发生的位移因此可达其平均位置的100km。由于地磁场的这种昼夜变化，磁极在图上往往不是用点来表示，而是用一个圆圈来代表其所在的空间范围。地磁场变化当两个圆盘在弱的外部磁场中旋转时，与轴和外缘相交的两根导线的回路中产生方向相反的两种电流。这两种电流形成磁场而极性相反。圆盘旋转频率的差异造成具有一种极性的场占优势；当频率比值改变时，便出现磁场反转地磁场的双轴发电机模型I1I20布容正向期1年贾拉米洛事件2松山反向期代奥尔杜瓦事件百万3曼莫斯事件高斯正向期年吉尔伯特反向期4图3—14距今400万年以来的磁场变化四百万年来的磁性倒转事件双轴发电机由何组成？——外核对流及其理由居里点的限制；磁场变化的时间尺度：由固体（岩石）运动形成的磁场不能有以天，年，百年等为时间尺度的变化，可以确定地球磁场不会与固体圈层有关。因此只能是外核的运动造成的磁场的存在会导致岩石发生磁化，而磁场的变化会在磁化的岩石中留下记录。由于具有不同的剩磁特征，岩石成为研究古磁场的特殊“化石”。从对岩石的磁性、特别是对它们剩磁方向的研究，可以弄清楚岩石磁化时在地球上的位置。古地磁研究在板块构造理论的兴起和确定过程中起了十分关键的佐证作用。在地磁极与地球自转极性一致的前提下，某地的磁倾角I可以由该点的纬度角来确定。两者之间的关系为（3—5）.2tgtgI古地磁与大陆漂移如果大陆是固定不动的，从各大陆的古地磁学资料中就可以确定地球自转极随着时间流逝而发生的移动。理论上自转极移动曲线只可能有一条，因此无论在哪个大陆上所确定的地球自转极移动的曲线都应该一致。但实际上，不仅每个现代大陆计算的结果大不相同，同一大陆内部的不同地区也有明显的差异，这只能是因为各大陆曾发生过不同程度、不同方向的聚散和漂移所致。欧洲和北美过去2亿年来的磁极移曲线不重合和地球有重力异常类似，地球也有磁场异常正常磁场:可近似看作均匀磁化球体的磁场。地磁异常:实际测量到的地磁场与正常磁场的差异。大于正常磁场者为正异常，反映地下有磁性物质,如铁矿等；反之为负异常，反映地下有反磁性物质，如石油等地磁异常§4.地球内部的能量地球内部热能的来源问题尚无定论。一般认为，由岩石中放射性元素衰变释放的热是地热的主要来源。这种热能据估算可以达到每年2.14×1021焦耳。其次，因地球本身的重力作用过程也可以转化出大量热能，其总热量可能十分接近于放射性热能。此外，地球自转的动能和地球物质不断进行的化学作用等都可以产生大量热能。地球的物理性质地球的质量与密度——半径测量与引力计算地球的弹塑性与振动——固体潮.椭球体与塑性变形地球的重力场•重力均衡——地表•深部•地心地球的磁场•古地磁学——特征•起源•演化地球的能量地球物理性质的应用重力异常与地磁异常：由于地球内部的物质成分和密度分布不均匀，结构上存在着显著差异，使得实测的重力值或磁场要素与理论值之间有明显的偏离，形成重力异常或地磁异常。利用这一现象，可以通过发现各地的局部异常来进行找矿和勘查地下地质构造。§5.地球内部圈层结构与圈层耦合内部加热，重力分异与分层是地球内部圈层形成的根本原因地球内部的圈层结构学习要点地球内部圈层的划分：－方案；特点；地球内外圈层的耦合。1。地球的外部圈层：圈层交错大气圈生物圈水圈非梨亦非球——“煮熟的鸡蛋”？地壳地幔地核蛋壳蛋白蛋黄2。地球的内部圈层：圈层同心地球整体在物理性质和化学组成上都是不均一的，这种不均一性在垂向上的最突出表现是物质的物理性质和化学组成随深度变化，即在一定的深度上物质的物理性质出现了一些明显的不连续界面，因此得出了地球具圈层结构的认识。具体证据有地球物理，地球化学，陨石学和地质学方面的。3。内部圈层划分的依据用地震波研究地球的圈层结构地球物理证据：阴影区介质密度不同会产生地震波折射赛程中出现不能到达的的阴影区陨石由金属相、硫化物相和硅酸盐相组成铁陨石主要是金属相，少量硫化物相；主要成分为铁，其次为镍（5.65-16.56%）；石铁陨石大致相等的硅酸盐相和铁镍金属相组成，含少量硫化物相；球粒陨石主要由硅酸盐相组成，特征矿物为橄榄石和辉石；它们可按辉石成分进一步分为E群（顽火辉石球粒陨石）、O群（普通球粒陨石和C群（炭质球粒陨石）。陨石学证据地球化学不均一性表现是多方面的。不同圈层间、同一圈层的不同构造层间、以及同一构造层内，地球物质的化学不均一性都有所表现。地壳陆壳上地幔下地幔地核内核地幔洋壳外核岩石圈软流圈地球化学证据内圈中间圈构造圈内核过渡层下地幔外核下地壳上地幔上地壳内核（固）外核（液）地幔（固）软流圈（熔融）地幔地壳深度（km）岩石圈（固）圈层名称332898古登堡面莫霍面地球内部圈层划分方案地核盖层（固）过渡层圈层耦合与全球动力过程圈层耦合是当今地球科学中一个热点话题；对圈层耦合的方式有多种不同的观点；圈层耦合不仅包括物质的交换和循环，还包括各圈层的运动耦合及由此产生的各种事件和过程。其中，最重要的就是由地球内部圈层的动力学过程产生和推动的岩石圈板块运动。后者在运动中会对地球内外各个圈层产生深远的影响。圈层耦合的概念模型地核－地幔过程太阳驱动过程板块构造物理气候系统生物地球化学循环早期地球过程古气候史古气候人类活动千－百万年尺度天－几百年尺度考虑生命系统的概念模型物理气候系统地球化学循环板块驱动过程太阳驱动过程生命系统内核差异旋转内核中地震波传播在沿自转轴方向的波速要大于其它方向．内核中地震波速的传播是轴对称各向异性的该快轴与地球自转轴不重合，且两者夹角在不断变化。——快轴对于内核自身在短期内不应有明显的变化，故应该是地核与整体地球之间存在着旋转速度的差异苏维加等(1996)和宋晓东等(1996)分别估算出内核差异旋转速率约在1.1—3.2°/年之间地幔部分熔融地幔部