地球物理学基础复习资料(白永利)

地球物理学基础复习资料绪论一．地球物理学的概念，研究特点和研究内容它是以地球为研究对象的一门应用物理学，是天文学，物理学与地质学之间的边缘学科。地球物理学应用物理学的原理和方法研究地球形状，内部构造，物质组成及其运动规律，探讨地球起源，形成以及演化过程，为维护生态环境，预测和减轻地球自然灾害，勘探与开发能源和资源做出贡献。包扩地震学，地磁学，地电学，重力学，地热学，大地测量学，大地构造物理学，地球动力学等。研究特点：1.交叉学科地球物理学由地质学和物理学发展而来，随着学科本身的发展，它不断产生新的分支学科，同时促进了各分支学科的相互交叉，加强了它与地球科学各学科之间的联系。2.间接性都是通过观测和研究物理场的信息内容实现地质勘查目标，研究的不是地质体本身，而是其物理性质。3多解性正演是唯一的，而反演存在多解。不同的地质体具有不同的物理性质，但产生的物理场可能相同。不同的地质体具有相近的物理性质，由于观测误差，物理场的观测不完整以及物理场特点研究不够，产生多解。不同的地质体具有相同的物理性质，即使知道了地质体的物性分布，也无法确定其地质属性。地球物理学的总趋势：多学科综合和科学的国际合作。二．地球物理学各分支所依据的物理学原理和研究的物性参数。地震学：波在弹性介质中的传播。地震体波走时，面波频散，自由振荡的本征谱特征重力学：牛顿万有引力定律。地球的重力场和重力位地磁学：麦克斯韦电磁理论。地磁场和地磁势。古地磁学：铁磁学。岩石的剩余磁性。地电学：电磁场理论。天然电场和大地电场地热学：热学规律，热传导方程。地球热场，热源。第一章太阳系和地球一．地球的转动方式。1.自转地球绕地轴的一种旋转运动，方向自西向东，转速并非完全均匀，有微小变化。2.公转地球绕太阳以接近正圆的椭圆轨道旋转的运动。3.平动地球随整个太阳系在宇宙太空中不停地向前运动。4.进动地球由于旋转，赤道附近向外凸出，日月对此凸出部分的吸引力使地轴绕黄轴转动，方向自东向西。这种在地球运动过程中，地轴方向发生的运动即为地球的进动。5.章动。地轴在空间的运动不仅仅是沿一平滑圆锥面上的转动，地轴还以很小的振幅在锥面内,外摆动，地球的这种运动叫章动。二．地球的形状及影响因素。地球为一梨形不规则回转椭球体。影响因素：1.地球的自引力---正球体；2.地球的自转----标准扁球体；3.地球内部物质分布不均匀--不规则回转椭球体三．地球内部结构地壳：地下的一个地震波速度的间断面，P波速度由界面上方的6.2km/s增至8.1km/s左右。这个间断面称为莫霍面（M面）。莫霍面以上的介质称为地壳，以下的介质称为地幔。地壳构造复杂，厚度不均，大陆厚，海洋薄。地幔：从莫霍面到地下2900km深处这一层称为地幔。分为上地幔和下地幔。由地壳基底至约400km深处的B层介质叫做上地幔，B层上部存在低速层，称为软流圈，低速层上部和地壳并称岩石圈。400km-1000km间的C介质叫过渡层。软流圈和岩石圈统称构造圈。1000km-2900km为D层。下地幔比较均匀。但底部约厚200km的D''层中，速度梯度接近于零，所以该层介质不均匀。地核：从地幔向下直至地心。2900km-4980km的E层称为外核。外核与地幔的分界面是速度间断面----古登堡面（G面）。四．地球的演化史原始地球被一层浓厚的气体包围，由于地球温度升高，气体的分子动能增大，地球的引力不足以吸引它们，质轻气体分子逃离地球，散逸到宇宙空间。地球幼年时代，表面没有山脉和海洋，持续约十亿年。称为第一次脱气。地球温度升高，物质融化呈液态，在重力的作用下，密度大的铁镍物质下沉形成地核，密度小的硅酸盐物质上升成地表。由于放射性元素，地球温度越来越高，致使靠近地核的固态物质溶解为液体，地球就有了一个液态核。地幔获得足够热量后开始产生对流。初始的海底扩张加速地内散热速度，地幔固结了，外核依然为液态。外核的对流是产生现今地磁场的原因。地球内部的气体在高温高压下，被挤到上层有空间或是密度较小的地方，从地壳的裂隙处喷出，这就是地球的二次脱气，距今30亿年前，地球出现大规模的火山喷发，使得大量气体随火山岩浆喷出地面，形成了大气圈和水圈。第二章放射性和地球年龄一．放射性衰变在自然界中，某些元素的原子核能够在不受外界条件影响下，自发地变成另外一种元素的原子核，同时发射出射线，这种现象称为放射性衰变。不依靠外力而自发衰变的元素称为天然放射性元素。二．放射性衰变规律每单位时间所衰变的原子数目与压力，温度等外部条件无关，只于当时存在的衰变原子的数目成正比。半衰期：原子数衰变到原来数目的一半所需的时间。放射性衰变的时间通常为半衰期的十倍。三．放射性平衡在母体同位素衰变时，初始衰变产物经常也具有放射性，它们也会发生一系列衰变，最终变成稳定的元素。中间过程的每个放射性元素都有自己的衰变常数，但经过一定的时间后，这个系列会达到平衡，即各中间产物的数量保持不变。四．主要的放射性元素铀\钍--铅，钾----氩，铷----锶，放射性碳，氚。地球初期情况假设1.在地球形成初期，各种铅同位素的比值在各处都相同；2.从某时起，地球不同区域的铀，钍，铅都各有特征的比值，这些比值只随放射性元素的衰变而改变；3.在以后某个时期，方铅矿和其它一些不含铀，钍的铅矿分离出来，铅同位素的比值不再变化4.铅与铀，钍分离或成矿的时间可以独立地测定。第三章天然地震一．地震分类成因：构造地震，火山地震，陷落地震。震源深度：浅源地震（《60km），中源地震(60--300km)，深源地震(300km)。震中距：地方震（100km）,近震（1000km），远震(1000km)地震强度：弱震，有感地震，中强震，强震二．全球地震带的分布和它与板块构造之间的关系全球主要地震活动带：太平洋地震带，欧亚地震带，其他地震区带我国主要地震活动带：天山地震带，主要是指南--北天山，阿尔泰山一带地区；南北地震带，由滇南的元江往北经西昌，松潘，海源，银川直到内蒙古嶝口；华北地震带，指阴山，燕山一带，营口--郯城断裂带，汾渭河谷地区；华南地震带，主要指东南沿海和海南岛北部等地区西藏地震带，沿青藏高原周围和边境一带台湾地震带，包括台湾及其东部海域。从地区属于环太平洋地震带，地震出现频繁且强度大。板块的划分与全球地震带的地理分布是一致的。板块边界类型：1.发散型板块边界；2汇聚型板块边界；3.转换型板块边界全球地震带的地理分布主要由三类板块边界，也就是岩石圈板块沿三类板块边界的相对运动决定。海沟-岛弧地区地震；洋脊及转换断层的地震；大陆内部的地震（板内地震）三．射线参数P的物理意义1.同一条地震射线，P为常数；2.不同的P对应不同的入射角，即对应不同形状的射线；3.P完全确定了地震射线的性质；4.射线参数P只给出了入射角i和圆心距r的关系，没给出射线的坐标方程。四．频散波速随频率或波长而变化称为频散。面波成群出现，每一群表现为一列波，每列波各自的频率具有不同的传播速度，这种现象称为面波的频散现象。由于波在层状介质中传播时相互叠加的结果，具有频散特性的面波不仅有相速度，而且具有群速度。五．地球介质的Q值在一个吸收介质中，地震波传播一定有频散现象发生，也就是吸收和频散总是同时存在。为了描述地震波在地球介质中能量损耗的情况，引入参数Q值。定义为在一周期中质元所损耗的能量与原有能量的比值。Q值反映了介质损耗性质，值越大，介质品质因子越高，能量损耗越小，介质越接近完全弹性。根据Q值的变化研究波的吸收，可以得到介质的非弹性性质，从而进一步了解地球内部介质的性质。六．弹性回跳理论地壳运动使岩石产生应变，当应力在一个长时期内不断积累，超过一定限度时，地下岩层突然破裂，形成断层，或是沿已有断层发生突然滑动，使存储在岩石中的弹性应变能突然释放，就会形成地震。无应力状态----应力作用变形，岩石产生相对位移----应力超过阻力，岩块滑动或破裂形成断层，断层两侧的岩块又回到新的无应力状态。七．P波初动。P波刚到达地表时的地动位移。P波初动解：从地面台站记录到P波的初动分布图出发，采用点源双力偶震源力学模型反演震源运动过程，从而求出震源参数。八．震源参数动力学参数：断层的传播方向和传播速度静力学参数：断层长度和宽度，地震矩，应力降几何参数：断层面的走向，倾向和倾角，相应力偶的取向和仰角九．震相将震源所发出的不同振动，不同传播路径的地震波在地震图上的特定标志称为震相。自己分析理解十．几种地震波的对比分析第三章重力学和固体潮1.重力场和重力位如果不考虑外部天体对地球的作用，地球上单位质点所受的地球的引力和惯性离心力的矢量和称为地球在该点的重力矢量，该矢量场称为地球的重力场地球在某点的引力位和离心位的和称为地球在该点的重力位。地球重力位相同的点在空间构成的曲面称为重力等位面。重力等位面得性质：1.在面上移动单位质量时，重力不做功2.两个等位面之间的位差是常数。一般等位面不平行，且在同一等位面上重力不是常量。2正常地球场模型，正常重力场和重力异常场质量等于地球总质量，以地球自转角速度绕其极半径为轴旋转，转动惯量与地球相同的参考椭球。这种模型在其表面和外部空间产生的重力场称为地球的正常重力场。真实地球与正常地球场模型的密度分布不同在该点产生的重力场的差值称为地球在该点产生的重力异常场3影响各力的因素1引力：地球的形状，海拔高度，地壳内部的质量分布2.离心力：高度，纬度3.固体潮：地球自转，日，地，月三者的相对位置的变化4.影响重力测量的因素1观测点值大地水准面的距离2地形质量。5均衡模型计算补偿质量在地球表层的分布，从而计算出补偿质量对观测点的重力影响。考虑与全球地形质量相对应的补偿质量对观测点重力的影响的校正称为均衡校正6.正反问题的例子真实地球的密度与正常场地球模型的密度差称为地球的剩余密度。地球的剩余密度是重力异常场产生的原因。根据给定的地球剩余密度计算重力异常擦汗那个，称为重力异常场的正演问题。根据地面上测出的重力异常场求出地球剩余密度的分布称为重力异常的反演问题。反演的解不唯一，因此需要地质和其他地球物理资料来限制解的范围。当反演深度大的异常体时，要考虑地球表面的弯曲。7.固体潮及其产生原因地球整体在太阳和月亮的起潮力的作用下发生变形，这种变形称为固体潮。地球在月球和太阳的起潮力的作用下发生变形，地球在地心和月心以及地心和日心的这两个连线上拉伸，在与它们垂直的两个平面内压缩，地球对起潮力的这种响应称为地球的固体潮。固体潮在地球内部形成潮汐应变和潮汐应力，并使地球自转角速度发生变化等等。引潮力是作用在地球的单位质点上的日、月引力和地球绕地月（和地日）公共质心旋转所产生的惯性离心力的合力。作用在地球表面上任一点的起潮力矢量的垂直分量使地球在该点的重力发生变化称为地球的重力固体潮.8固体潮在地表产生的物理现象1.重力固体潮2.地倾斜固体潮3.应变固体潮4.井水水位固体潮5.经纬度固体潮6.海潮7.地球自转角速度的变化第四章地磁一．地磁场的组成地磁场是一个弱磁场，由多种不同来源的磁场叠加而成。分为来源于地球内部的稳定磁场和来源于地球外部的变化磁场。稳定磁场远大于变化磁场，是地磁场的主要部分起源于地球内部的稳定磁场称为地磁场的内源场，起源于地球外部的稳定磁场称为外源场。外源场只占内源场的1%，因此稳定场主要起源于地球内部。外源变化磁场起源于地球外部的各种电流体系。这种磁场还会在具有导电性质的地球内部感应出一个内部电流体系，它就是产生内源变化磁场的原因。二．地磁场的基本特征1.近似于一个均匀磁化球体或一个处于地心的磁偶极子所形成的磁场。2.地磁场强度整体很弱，在两极处的地磁场强度最强，赤道处最弱，约为2倍关系。三．地磁场的长期变化特征1.地磁场强度按0.05%/a衰减2.磁偶极子以0.05%a沿经度西移3.磁偶极子以0.02%/a沿纬度北移4.非偶极子场以0.2%/a沿经度西移5非偶极子场以10nT/a量级增加6地磁场长期变化本身以0.3%a西移1.变化磁场的分类和产生原因平静变化：起源于电离层中比较稳定的电流体系的周期性变化，是连续出现的各种周期性的平缓