地球物理学七大基本问题

1/19一、固体地球的模型及其基本物理参数（一）、固体地球模型根据地球内部波速和密度的分异，首先可将其划分出三个一级圈层，即我们熟悉的地壳、地幔和地核，这也是地球内部最主要的物性及化学组分的分界单元。其中，地壳和地幔之间的分界面称作莫霍面，平均深度33km；地幔和地核之间的分界面称作古登堡面，深度2891km。这两个界面上下的物质，无论在化学组成、物质状态和物理性质上，都有重大的区别。根据在这些方面更细致的分异特征，可以再从整体上将地球内部划分为七个二级圈层，从地表向地球深部依次为A（地壳）；B，C，D（地幔）；以及E，F和G层（地核）。进一步地，大陆地壳还可再分为上、下地壳两层，即Ａ１和Ａ２；在地幔的B层中则包括三个三级分层：B1、B2（为一地震波低速层，故推断为熔融状态．故也称软流圈）和B3；D层中包含着两个三级分层，它们依次被称作D′和D″层。个人收集整理勿做商业用途地球内部圈层的形成，一般认为是由于地球内部加热、原始物质分异和分层作用共同产生的结果。在最初的时候，地球上的原始物质熔离出重金属铁和镍，后者下沉形成地核。当它们熔离出去以后，残留的物质——以橄榄石＋辉石为主形成地幔岩，组成现代的地幔。地幔是地球体积和质量最大的一个圈层，具有相当复杂的成分（详见第四章３.1节）。除了地幔上部有一层软流圈是熔融态外，其余部分主要是固态的。地幔物质的分异作用今天仍然在继续进行：对压力和温度变化的分析结果表明，在B层内还在发生玄武岩的熔离作用，这个熔离带成为软流圈（即B2层）的主要组成部分。此外，当较轻的玄武岩熔出并上升到地壳中后，上地幔B层的物质组成中失去了部分二氧化硅，这一部分的地幔岩从成分上相当于组成上地幔的超基性岩石。上地幔的玄武岩与超基性岩的分界，具有物质性质密度和弹性2/19波速度显著变化的特征，而且对应于波速界面莫霍面。此外，分异作用不仅涉及到古登堡面，而且也涉及到其下伏的C层。个人收集整理勿做商业用途地壳也是地球分异作用的结果。玄武岩是由软流圈中的地幔岩分熔出来的，然后呈巨大的熔融状岩流上升到地壳中，成为地壳的重要组成部分。在接近地壳底部时，这类岩体便成为地球表面各种地质活动的发源地。“固定”在地壳底部的熔融状岩流称作玄武岩的底侵作用，它使地壳下部物质加热和熔化，形成地壳中主要的长英质岩浆源。个人收集整理勿做商业用途根据陨石学研究，推断地核所具有的铁镍成分，应该近似于一种铁陨石古橄铁镍陨石。对金属进行的冲击压缩实验结果则表明，外地核（E层）处于液态或极为接近于液态，而且除了铁镍成分外，还含有氧化铁；在这种情况下，铁镍熔浆的成分不超过84—92％。在深度为4900—5150km范围内的过渡带（F层），推断主要是由二硫化铁也即古橄铁镍陨石特有的化合物所组成的。有关内核（G层）的资料最少，但从各种地球物理分析的结果来看，它显然是由铁镍合金组成、并且是固态的。个人收集整理勿做商业用途地球内部：根据地震波可以将其划分为：地壳，地幔和地核3/19（二）、固体地球物理的基本物理参数地球物理学家根据地震波在地球内部不同深度下传播特征的变化情况，结合实验岩石学的测试资料，发现了不同的波速与密度界面。以此为基础推算了地球内部的密度分布状况，进而分析了地球内部的物理结构和物质分布的基本特征。个人收集整理勿做商业用途地球内部主要物理性质和圈层划分表二、全球的版块构造板块构造论（又称板块构造假说、板块构造说学或板块构造学）是为了解释大陆漂移现象而发展出的一种地质学理论。该理论认为，地球的岩石圈是由板块拼合而成；全球分为六大板块，海洋和陆地的位置是不断变化的。根据这种理论，地球内部构造的最外层分为两部分：外层的岩石圈和内层的软流圈。这种理论基于两种独立的地质观测结果：海底扩张和大陆漂移。个人收集整理勿做商业用途据新编的《系列世界地图》中的四种全球板块分布图可知，全球一共有13个大板块，分别是:非洲板块，南极板块，阿拉伯板块，澳大利亚板块，印度板块，加勒比板块，可可此外，在板块中还可以分出若干次一级的小板块，如把美洲大板块分为南、北美洲两个板块，菲律宾、阿拉伯半岛、土耳其等也可作为独立的小板块。板块之间的边界是大洋中脊或海岭、深海沟、转换断层和地缝合线。斯板块，欧亚板块，纳兹卡板块，北美板块，太平洋板块，菲律宾板块，南美板块。个人收集整理勿做商业用途圈层深度（km）Vp(km/s)Vs(km/s)密度(g/cm3)特征其它名称代号地壳上地壳AA1陆洋壳壳15；0-25.83.22.65固态，陆壳区横向变化大，许多地区夹有中间低速层。固态岩石圈构造圈下地壳A26.83.92.90地幔上地幔盖层BB133；1260～2002204006708.14.53.37固态莫霍面低速层B28.04.43.36塑性为主软流圈均匀层B38.74.73.48固态，波速较均匀中间圈过渡层C9.110.34.95.63.723.99固态，波速梯度大下地幔DD′289111.76.54.73固态，下部波速梯度大古登堡面D″13.77.35.55地核外核E47718.010.0009.9011.87液态内圈过渡层F515010.2012.06液态，波速梯度小内核G637111.011.33.53.712.7713.09固态4/19全球岩石圈六大板块美国航天的卫星图整理出来的最近100万年的板块运动图（2002年）5/19三、三大断层模型（一）、断层的概念沿破裂面两侧岩块发生显著相对位移的断裂构造。断层的规模大小不等,大者沿走向延伸可达上千公里,向下可切穿地壳，常由许多断层组成，称为断裂带；小者可见于手标本。个人收集整理勿做商业用途几何要素断层由断层面和断盘组成。断层面是岩石沿之发生相对位移的破裂面，简称断面，可以是一个单一的面，也可以是一个有一定宽度的带。断层面与地面的交线称为断层线。断盘指断层面两侧的岩块。位于断层面之上的一盘称为上盘，断层面之下的一盘称为下盘。如断层面直立，则按其相对于断层走向的方位来描述。个人收集整理勿做商业用途断层的位移即断层面两侧岩块相对错开距离的统称。按测量位移的参照物的不同,分为滑距和断距。滑距即断层两盘真正的相对错开的距离。断层面上错动前的一点，错动后分成两个对应点之间的直线距离，称为总滑距。总滑距在断层面走向线上的分量称走向滑距。总滑距在断层面倾斜线上的分量称倾斜滑距。断距即被错断的岩层在两盘对应层之间的相对距离。在不同方向的剖面上，断距的值可不同。在垂直于被错断岩层走向的剖面上，断层两盘对应层之间的垂直距离称为地层断距；对应层之间的铅直距离称为铅直地层断距，相当于直立的钻孔中测得的距离；对应层之间的水平距离称水平地层断距，相当于沿水平坑道测得的距离。个人收集整理勿做商业用途按断层走向与被断地层走向的几何关系分为：①两者近于平行的走向断层；②两者近于垂直的倾向断层；③两者斜交的斜向断层；④与被断地层层面大致平行的顺层断层。个人收集整理勿做商业用途分类：按断层走向与区域褶皱轴向的几何关系分为：①两者近于平行的纵断层；②两者近于垂直的横断层；③两者斜交的斜断层。个人收集整理勿做商业用途按断层两盘相对运动的方向分为：①上盘相对下降的正断层;②上盘相对上升的逆断层,低角度(小于30°)的逆断层又称冲断层。正断层和逆断层的两盘相对运动方向大致平行于断层面的倾斜方向，故又统称为倾向滑动断层；③两盘沿断层走向作相对水平运动的平移断层，又称走向滑动断层（简称走滑断层）。两盘作逆时针剪切的平移断层称左旋或左行平移断层，反之，作顺时针剪切的称右旋或右行平移断层。另外，对于断层位移方向与断层面走向斜交的斜向滑动断层，可根据其走向滑距和倾斜滑距分量的相对大小而复合命名,如正-平移断层或平移-逆断层,复合命名中的后者表示主要的运动分量。个人收集整理勿做商业用途断层是地壳上部构造层次脆性剪切变形的典型产物。有的大断层向深处其倾角逐渐变缓，使断层面成凹面向上的弯曲，其剖面似铲形或犁形，称铲状断层或犁式断层。在地壳深处的韧性变形域，相当于断层的两盘作相对剪切位移的变形带称为韧性剪切带。个人收集整理勿做商业用途形成机制：断层运动的基本特点是两盘岩石沿断层面的剪切滑动，所以断层作为剪切面与其形成时的应力状态密切有关。断层形成的安德森模式简明地说明了两者的关系（图2安德森断层理论模式）。因为地面与空气间无剪应力作用,所以地面为一主平面,即必然有一个主应力轴与地面垂直，其余两个主应力轴呈水平状态。假定岩石为各向同性，其内摩擦角统计平均值为30°。按库伦-莫尔脆性破裂准则,在应力作用下形成的两组共轭剪切面的交线与中间应力轴□2平行,其锐角分角线与最大主应力轴□1平行,断层面与□1的夹角约30°。这样，三种应力作用方式就可造成3种断层:①当□1直立时,形成高角度正断层；②当□2直立时，形成近直立的平移断层；③当□3直立时,形成低角度的逆断层。这一模式较好地说明了大量浅层次的脆性破坏所形成的断层，如大量的正断层的倾角在60°左右，6/19而平移断层常是近直立的。但由于地壳的不均一性，各地实际的应力状态还要复杂得多，如在上升岩浆岩的边部或隆起区边缘的差异性升降运动都可造成高角度的逆断层，而在地壳较深处又可有近水平的低角度正断层。个人收集整理勿做商业用途（参考书目朱志澄、宋鸿林主编：《构造地质学》，中国地质大学出版社，武汉，1990。）（二）、三大断层模型1、正断层地质构造中断层的一种。是根据断层的两盘相对位移划分的。个人收集整理勿做商业用途断层形成后，上盘相对下降，下盘相对上升的断层称正断层。资料个人收集整理，勿做商业用途它主要是受到拉张力和重力作用形成的。断层面倾角较陡，通常在45°以上。正断层在地形上表现显著，多形成河谷、冲沟和湖泊等。正断层与平移断层多出现于张裂性版块边界。2、平移断层又称横移断层、走滑断层，亦称为扭转断层，平移断层作用的应力是来自两旁的剪切力作用，其两盘顺断层面走向相对位移，而无上下垂直移动。规模巨大的平移断层通常称为走向滑动断层。由于断层面是采水平方向移动的，所以在野外的观察上经常没有明显的断崖，只会在地面上看到一条断层直线。资料个人收集整理，勿做商业用途3、逆断层地质构造中断层的一种。是根据断层的两盘相对位移划分的。资料个人收集整理，勿做商业用途指上盘上升，下盘相对下降的断层。资料个人收集整理，勿做商业用途这类断层主要由水平挤压而形成，按断面的倾角又分为：冲断层（断面倾角＞45°）；逆掩断层（断面倾角在25°—45°间）；辗掩断层（断面倾角＜25°）。资料个人收集整理，勿做商业用途根据断层倾角的大小，可分为：高角度逆断层和低角度逆断层。高角度逆断层面倾斜陡峻，倾角大于45°，常常在正断层发育区产成，所以有些学者将高角度逆断层与正断层统一归属于高角度断层。倾角小于45°（一般多在30°左右或更小）的逆断层称为低角度断层。位移距离很大的低角度逆断层称为逆冲断层。聚合性板块边界多逆断层与褶皱构造资料个人收集整理，勿做商业用途四、中国大陆版块经历几次构造运动及每次特点中国地壳构造发展的大阶段包括陆核形成大阶段、地台形成大阶段、联合古陆形成大阶段、联合古陆解体大阶段。各阶段构造运动及特点见下：资料个人收集整理，勿做商业用途（一）、陆核形成大阶段形成于28亿年前的古陆核见于华北地区。西部的鄂尔多斯陆核大部为中生界盖覆，由以麻粒岩变质相为主的岩系构成，与集宁群相当。华北东北部有蓟辽陆核，组成岩系以迁西7/19群、阜平群为代表。东南部有河淮陆核,主要构成岩系是麻粒岩和片麻岩,有时也有镁质大理岩和石墨片岩等。资料个人收集整理，勿做商业用途在扬子地台上，出露于黄陵背斜的崆岭群麻粒岩有28亿年的变质年龄值，所以鄂西－川中可能是古陆核。大别山群虽也有超过28亿年的岩石，但无法识别由其构成的地块。资料个人收集整理，勿做商业用途此外，塔里木地台南部地球物理特征与华北的陆核区相似。由于阿尔金山地区已确定有太古宙地层，所以塔南陆核可能存在。资料个人收集整理，勿做商业用途在三个地台区,古元古界变质岩系都有广泛分布,在华北和塔里木，太古宙地层和古元古界为似盖层的中元古界不整合覆