11-重力、地磁与核幔作用

第十一章重力、地磁与核幔作用一、重力二、地磁场三、地磁场的形成机制与地核运动四、地幔运动、地幔羽与地幔对流重力地球引力和由地球自转而引起的惯性离心力的合力重力作用方向示意图单位：伽1Gal=1cm/s21mGal=10-3在赤道上，离心力最大；向两极，随纬度的升高而减少，南北极上的离心力等于零。同一物体的重量，赤道上比在两极要轻1/290地球赤道部分凸出，就是因为离心力的作用。离心力的大小，还会因地球自转速度的加快或减慢而增减。原因：1）离心力；2）离地心的距离不过这些影响相对于引力来说，是微弱的，在地面上，离心力变化的最大值，不超过引力的1/300，重力的方向仍大体是指向地心。现已计算出地表不同纬度上的理论重力值，如赤道重力值一般为978.03伽(离心力可达3.4伽)，两极为983.22伽，两者相差5.19伽。影响重力大小的不是整个地球的总质量，而主要是所在深度以下的质量。由于地壳与地幔的密度都比较小，从地表到地下2885km的核幔界面，重力大体上是随深度增加而略有增加。在核幔界面上，重力值达到极大(约1069伽)，再往深处去,各个方向上的引力趋向平衡，重力值逐渐减少，直至变小为零。在地球表面：重力受地势高低影响，在珠穆朗玛峰顶，到地心的距离比华北平原要多8000多米。引力自然要小一点。重力的垂向特征重力的探究大地水准面由平均海平面所构成并延伸通过陆地的封闭曲面。重力异常实际测得的重力值与理论重力值之间的差值。实测的重力结果换算成为海平面上的数据。这种校正就称为自由空气校正或高度校正。校正后的重力异常称为自由空气重力异常。船上重力仪测量时，观测值几乎是海平面上的值，一般不再引入这项校正。重力的探究在陆地上测量时，测点与海平面之间并非空气，而是岩石。考虑了测点高度及其与大地水准面之间岩石密度的影响而进行的校正，称为布格校正。意义：陆地：从测点观测重力值中去掉测点水准面与海平面之间这层物质（中间层物质）的引力，然后再引入自由空间校正。海上：填补海水层(密度为1.03克/厘米3)相对中间层物质的质量不足。常取中间层物质密度为2.67克/厘米3。经布格校正后的重力异常称为布格重力异常。从地下某一深度算起，相同截面积所承载的表面岩石柱体的总质量应趋于相等，这一概念就称为重力均衡。从重力均衡的角度对布格异常进一步进行校正，即均衡校正。通过均衡校正就得到均衡重力异常。如果均衡异常值很小，表明该处地壳基本上处于均衡状态。正均衡异常是指山脉下部较轻岩石的增多对地表山脉隆起的质量补偿不足，存在着质量亏损，也即莫霍面在山下凹陷得还不够，还不足以补偿山脉的隆起，这也就意味着山脉正在隆升、并将进一步隆升。负均衡异常是指莫霍面凹陷过深，浅部岩石过多地补偿了地形的隆起，这意味着该区正在下沉，并将继续下沉。均衡不是一种作用力，也不是一种作用过程，而是地壳各块段保持重力平衡的总趋势。a-普拉特假设：山之所以高是因为它是比周围低地密度小的岩石所组成的；b-艾里假设：山和相邻低地的密度是一样的，山之所以高，是因为它的厚度大，有“山根”；重力均衡补偿假说都强调了关于地壳趋向均衡的概念，并不互相排斥，它们分别适用于不同地区。重力在地球演化中的作用重力对地球各圈层的形成与演化，主要起到了趋向平衡与稳定的作用，但同时又会在趋向均衡的过程中造成一些圈层间或圈层内部的相互作用。在地球的起源阶段，物质的吸引力使星云中的尘粒不断碰撞和吸积，逐渐形成星子，以致行星；在地球内部与外部圈层的形成过程中，重力作用使各圈层趋向平衡；太阳辐射能和重力能的共同作用，控制了地球外部圈层对岩石圈表层的作用过程有些作用，如块体运动，主要受重力的影响，例如岩崩、岩石滑坡、泥石滑坡、泥石流、地面蠕动、岩块滑动、地滑和水下浊流等。地滑岩崩岩滑岩屑崩坍岩屑滑动土石流泥石流泥流岩石或岩屑的崩塌2010年6月28日，贵州省关岭布依族苗族自治县岗乌镇大寨村因连续强降雨引发山体滑坡，99人被泥石流掩埋，无一生还当地球表面物质发生显著增加（如大量水体、冰盖、沉积物覆盖地表，板块汇聚）或亏损（如火山爆发，陨石撞击引起爆炸，表层水体、冰盖或沉积物的消失，板块离散扩张）时，均衡补偿作用必定会使地球内部物质发生重新调整，同时造成地表地形的变化。人工水库的建设也会影响重力均衡在两个岩石圈板块汇聚的地区，由于地壳密度较小的岩石大量汇聚在一起，致使地壳厚度加大，地表高度骤增，同时风化、剥蚀作用加强，如喜马拉雅山脉，该区地壳物质的补偿作用明显不足，出现(120-140)×10-5m/s2的正均衡重力异常，这意味着将有更多的地壳物质加入此带，该区现在正以大约每年2cm的速度抬升。在现代大洋，由于组成洋底的岩石大多是密度较大的玄武岩，洋壳和海洋岩石圈厚度较小，深部软流圈的顶面也较高，岩石圈物质补偿过剩，呈现为负均衡重力异常，因而该区洋底将不断沉降，同时还可接受更多的沉积物。一、重力二、地磁场三、地磁场的形成机制与地核运动四、地幔运动、地幔羽与地幔对流地磁场磁力线方向（磁场方向）：磁场中小磁针的北极在磁场中某点所受磁场力的方向为该电磁场的方向目前的地磁场正极性(Normalpolarity)：地球表面上一点磁场方向指向北，磁针在北半球指向下，在南半球指向上。S在北半球；N在南半球78万年前的地磁场反极性(Reversepolarity)：地球表面上一点的磁场方向指向南，磁针在北半球指向上，在南半球指向下。N在北半球；S在南半球地磁场三要素:磁场强度、磁偏角和磁倾角。磁感应强度：为某地点的磁力大小的绝对值。单位：特斯拉磁偏角：磁力线在水平面上的投影与地理正北方向之间形成的夹角，即，磁子午线与地理子午线之间的夹角。磁偏角的大小各处都不相同。在北半球，如果磁力线方向偏向正北方向以东称为东偏，偏向正北方向以西称为西偏。我国东部地区磁偏角为西偏，甘肃酒泉以西地区为东偏。磁倾角是指磁针北端与水平面的交角。通常以磁针北端向下为正值，向上为负值。地球表面磁倾角为零度的各点的连线称为地磁赤道；由地磁赤道到地磁北极，磁倾角由0°逐渐变为+90°；由地磁赤道到地磁南极，磁倾角由0°变成-90°。地球中心好像存在一块柱状的大磁铁（实际上并不存在），这个假定的具有两极性质的磁柱称为磁偶极子；由磁偶极子产生的磁场占地磁场成分的95%以上，构成稳定的地磁场的主体，即地球的基本磁场（也叫地球磁偶极子磁场）；1914191318501870182018431823177516131576175416171805646668707274051015-5-10-15-20-25巴黎伦敦伦敦和巴黎300年间的地磁要素（D、I）变化磁偏角:D磁倾角I地磁场的组成除基本磁场外，地磁场还包括两种成分：变化磁场和磁异常；变化磁场：常具有日变化、年变化、多年（短周期或长周期）变化及突发性变化；主要由于来自地球外部的带电离子的作用；非偶极磁场，叠加在基本磁场上；磁暴：太阳出现黑子、耀斑正对着地球时，带电离子大量增加，变化磁场突然增强；地球磁层地磁场对着太阳的一面，受到太阳风的压迫而退缩，太阳风受地磁场阻挡后，迂回绕行，将它包围起来。地球磁层地磁场背着太阳的一面随之被拉伸，形成一个在高层大气之外，形状类似慧星的磁性包层，这就是地球磁层。太阳风与地磁场相持不下所形成的曲面是磁层的边界，叫做磁层顶，到这里也就是到地磁场的边界了。在向太阳一侧，磁层顶离地心约有5万多到7万多km远；背向太阳一侧，可能达这个数字的100倍以上。磁层的形成，是地球磁场拦截了太阳辐射的带电粒子，还有来自宇宙的射线，使它们未能冲到地面，而是留在高空，环绕地球流动。这对于生物的生存与繁衍具有重要的作用。地磁场中的非偶极子磁场，主要就由这种流动的电磁感应作用而产生。磁场顶实际上是地球的变化磁场与太阳磁场保持相对平衡，时有进退的过渡带。变化的地磁场地磁场的组成地磁场由基本磁场、变化磁场和磁异常三个部分组成。磁异常地壳浅部具有磁性的岩石或矿石所引起的局部磁场，叠加在基本磁场之上。一个地点的磁异常可以首先通过对实测磁场强度进行变化磁场的校正，然后再减去基本磁场的正常值来求得。如所得值为正值称正异常，为负值称负异常。地壳内含铁较多的岩石和富含铁族元素(Fe、Ti、Cr等)的矿体常可引起正磁异常。而膏盐矿床，石油、天然气储层，富水地层或富水的岩石破碎带则常引起负磁异常。居里温度（居里点）磁性材料温度升高到一定程度会失去偶极子磁性；温度降低到一定程度，又会重新获取偶极子磁性。这个使物质失去或者获得偶极子磁性的温度临界点，叫居里点。温度高于居里点，原子呈随机分布（无定向排列）温度低于居里点，各粒子（磁畴）原子定向排列，有限区域内磁化，但整体不显磁性。材料冷却时，有外部磁场作用，各粒子原子定向排列，材料被永久磁化。《武经总要》（宋）：行军的时候，如果遇到阴天黑夜，无法辨明方向，就应当让老马在前面带路，或者用指南车和指南鱼辨别方向。利用地球磁场使铁片磁化。岩浆中磁性矿物（磁铁矿/赤铁矿）冷却经过居里点时记录当时的地磁场方向碎屑剩磁（DRM）又称沉积剩磁：是已经磁化的岩石碎屑在水中或空气中沉积时，受到地磁场的定向排列作用而产生的剩磁。这种剩磁相当稳定铁磁性矿物借助于各地质时期的岩石剩余磁性，我们就可能恢复不同时期的古地磁场。利用岩石在形成时期所产生的剩余磁化方向就可以用来大致确定古经线方向，用古磁倾角就可确定当时所处的古纬度。磁极倒转和磁性地层年表在测定岩石的剩余磁场时，发现相当一批岩石的磁化方向与现在的地磁场方向相反，于是认为地磁场发生了180°的改变，这种现象被称为地磁极倒转或地磁场倒转。一种地磁极性期平均可持续22万年(短的仅持续3万年，长的可达（500万年)。每次磁极倒转过程仅持续数百年到上千年。此时表现为磁场强度大幅度减弱，磁极缓慢转动，直到完全翻转，才达到稳定。三、地磁场的形成机制与地核运动液态外核给出了地球中心具电磁场的假设：只要地核内原来存在着微弱的磁场，这些液态铁的非均匀运动就会发生扰动、旋涡，产生感应电流，不断增强原有电磁场，形成较稳定的地电磁场。铁质的地核固然不能成为一块磁铁，但可以相当于一个发电机系统。这个“非稳定磁流体发电机”假说在二十世纪四十至五十年代形成，并成为现今占主导地位的地磁成因假说。按照这个假说，“发电机”在地核内还可能有好多部。因而，地磁场不大稳定。幸运的是，正是这种非稳定发电机模式，后来恰好有可能解释磁极为什么会翻转。70年代初，许多学者用“双耦合发电盘”作出了解释：两部线路联通的直流发电机，在运行过程中旋转角速度不同，便会产生扰动、系统电流也将发生变化，当电流扰动加大到一定程度时，系统电流就可反向流动，从而造成磁场的翻转。“双耦合发电盘”模型一、重力二、地磁场三、地磁场的形成机制与地核运动四、地幔运动、地幔羽与地幔对流地幔羽（柱）地幔对流核幔边界核幔反应带地幔底辟地幔运动、地幔羽与地幔对流重力异常与布格重力异常重力均衡地磁场的三要素地磁场的组成磁异常地磁极反转磁异常条带重点提示名词解释：布格重力异常、大地水准面、重力均衡练习题填空：1.地球磁场三要素包括:、、？2.地磁场由、、三部分组成？练习题判断：1、重力异常越高，地壳越厚，莫霍面越深；重力异常越低，地壳越薄，莫霍面越浅。2．同一物体在赤道附近要比南北两极轻。3.磁异常是由于太阳将大量的带电粒子抛向地球所引起的局部磁场的变化。4.磁偏角是指地球自转轴与地磁轴之间的夹角。