地球科学概论-地球的圈层结构

第二章地球的圈层结构及地球的物理性质第一节地球的外部圈层第二节地球的内部圈层第三节地球的物理性质第二章地球的圈层结构及地球的物理性质第一节地球的外部圈层地球的外部圈层包括大气圈、水圈和生物圈一大气圈－地球的蓝色外壳（一）大气的组成1恒定组份：地表各处不变的组份；N、O2可变组份：随季节、气象和人类活动而变化；主要为CO2、O3和水蒸气。3不定组份：可有可无的组份，包括尘埃、硫化氢、硫氧化物、氮氧化物、煤烟、金属粉尘等。通常所说的大气污染就是指这些组份的含量超过一定标准。二大气圈的分层据大气在垂向上的温度、组成、电荷及运动等特征分为5层：对流层、平流层、中间层、电离层和散逸层。（一）对流层：地面～11－13km的大气层1质量：占大气圈的75％2温度：随高度而降低。3运动：有强烈的空气垂直对流运动（？）4水蒸气：几乎都集中于该层；一切天气现象－风霜雪雨、寒潮热浪都集中在该层。*大气污染：也主要集中于该层。大气圈的分层(二)平流层：自对流层顶至35～55km1质量：占大气圈的20％2成分：在上部（35～55km）富O3—臭氧层，能吸收紫外线。3温度：随高度而升高，顶部达－3°C～17°C4运动：无垂直对流，以水平方向运动为主，故称平流层，飞机一般在该层飞行。(三)中间层：平流层顶～85km大气层，温度随高度迅速下降，有强烈空气对流运动。2大气圈的分层(四)电离层/暖层：中间层顶～800km大气层。1物质状态：粒子处于电离状态，故又称电离层。电离层能反射不同波长无线电波，在远距离无线电通讯中起重要作用。2温度：随高度上升迅速升高(五)扩散层（散逸层、外大气层）：800km以上至2000～3000km的高空。由于受太阳风的作用，大气粒子运动很快，不断向宇宙空间逃逸。二水圈（hydrosphere）－地表变化的主要媒介水圈是指地球表层的水体所构成的连续圈层，水对地球表层环境的形成和改造起到重要作用。（一）水圈的组成自然界中的水以三种状态分布于大气圈、生物圈和大陆表层之中。包括有海水、大气水和陆地水等类型。地球上水体总质量为1.5×1018t，其中，海洋水占：97%、冰川占：1.9%，地下水、河流、湖泊、沼泽中的水共占：1.1%。二水圈（hydrosphere）－地表变化的主要媒介（一）水的类型按状态分为固态、液态和气态，按所处的环境可分为海水、大气水和陆地水三种类型。1海水水圈的主体，是地表上最大的积水盆地海水的化学性质海水中约含有3.6%的溶解物。这些溶解物以无机盐（NaCl）为主，并含少量有机物和溶解气体。其余为固体悬浮物质（包括泥沙，有机固体物质及胶体颗粒等）主要化学特征指标：盐度；气体；酸度海水的物理性质温度太阳辐射是海水的主要热量来源，因而表层海水温度有自低纬度海域向高纬度海域降低的趋势密度海水的密度取决于海水的盐度和温度压力海水的压力是随水深的增加而加大的，每加深10m约增加105Pa海洋生物海洋生物的生态是多种多样的，按其栖息场所和活动方式可分为浮游生物、游泳生物及底栖生物等三个生态类别动物有20多万种；植物有25000种，主要是各种藻类海洋生物是海水中有机质及其沉积物的主要来源海洋浮游生物每年提供有机质总量为：180×108t，约占海水中有机质来源的92.9%，底栖生物提供的仅占0.6%；而由大陆输入海洋的生物约占海水中有机质来源的6.5%海水的运动（波浪）由风的吹刮引起的。当风触及海面时，由于摩擦力和压力不均而产生的切应力使海面出现周期性的波动北戴河老龙头海水的运动（潮汐）海平面的周期性的升降运动和涨、落现象称为潮汐。包括海面的周期性升降和周期性的海水水平流动，前者称为潮汐，后者称为潮流高潮时海面高程与低潮时海面高程差称为潮差海水的运动(海流、浊流)海流：海洋中沿一定方向有规律移动的海水称海流或称洋流，是一种在一定时间内流动速度、流动方向大致不变的水流浊流：是海洋或湖泊中载有大量悬浮物质的高密度水下重力流2陆地水：地面流水、地下水、冰川、湖泊与沼泽（1）地面流水：按水源补给特点：①常年流水:有稳定水源—河流②暂时性流水:无稳定水源，可分为两种：片流：沿斜坡无固定水道流动的面状流水；洪流：洪水期沿沟谷流动的水流（2）地下水按运动状态，地下水由表层到地壳内部可分为3层①包气带水：是埋藏在包气带中的地下水，主要以吸附水、薄膜水和毛细水形成存在。②潜水：第一个稳定隔水层以上具自由表面的重力水，其自由水面称潜水面(watertable），通常与湖面、河面重合。③承压水：是埋藏在地下两个稳定的隔水层之间透水层内的重力水，又称层间水（interlayerwater）。井(well)：人工揭露的地下水露头泉(spring)：是地下水的天然露头。地下水的分层（3）冰川①冰川：是大陆上在重力作用下运动的冰体，是巨大的固体水流。现在陆地上的冰川主要分布于地球两极及高山地区，覆盖陆地面积的10％，集中了全球85％的淡水。据估计，如果全球的冰川融化注入海洋，可使全世界海平面上升66m。②雪线（snowline）：是指终年积雪区的下限。在雪线附近，年降雪量与消融量大致相等；在雪线以上，降雪量消融量；而在雪线以下，降雪量消融量。③冰川的类型：按所处的气候、地理条件及冰川分布的规模和形态等特征可分两种：大陆冰川：是指分布于高纬度和极地地区的冰川，又称为冰盾或冰盖。其特点有：雪线位置低、面积大、冰层厚、分布不受下伏地形控制和影响。山岳冰川：是分布于中、低纬度高山区的冰川。特点是：雪线位置高，规模小，冰层薄，受地形控制，呈线状分布。大陆冰川山岳冰川：是分布于中、低纬度高山区的冰川。(4)湖泊湖泊的成因类型内力地质作用形成的构造湖构造湖是由地壳构造变动形成的湖盆贮水而成的湖泊火山湖火山湖是由火山作用而形成的湖盆贮水而形成的，湖盆为火山口外力地质作用形成的外力地质作用形成的河流截弯取直后被遗弃河道形成的牛轭湖冰川的刨蚀作用形成的湖盆冰蚀湖风蚀作用和风积作用形成的风成湖盆积水形成的风成湖浅海海湾由于沙坝或沙嘴的生长逐渐合拢，把海水隔开来可以形成泻湖岩溶地区因溶蚀塌落可形成岩溶湖（二）水圈的水循环水在自然因素和人为因素的影响下处于不断的运动和转换之中，这就是水圈的循环。使水圈产生运动的最主要的动力是太阳辐射能和地球的重力能。在这两种能量的作用下，水从一种形式变成另一种形式，从一个地方转移到另一个地方，完成水的循环。三生物圈（biosphere）－大自然的精华（一)概念是指地球表层由生物及其生命活动的地带所构成的连续圈层，是地球上所有生物及其生存环境的总称，其范围包括地表以下3km到地表以上10余km的高空以及深海底等地带。通常，90％以上的生物都活动在地表到200m高空以及水下200m的水域空间。（二）生物圈的组成据统计，已被认识和分类定名的生物近200万种，而现生的生物可能有1千万种，如果把已灭绝的生物也算上，至少有上亿种之多。根据如何获取食物及性状等特点，将生物圈分为原核生物界、原生生物界、真菌界、植物界和动物界。（一）物种：简称种，是生物分类和生物进化的基本单位，它是客观存在的，不是人们随意划分的，因为只有同一物种的生物才能交配繁殖。不同种之间是生殖隔离的。（二）生物分类单位：界、门、纲、目、科、属、种，如现代人属于动物界、脊椎动物门、哺乳纲、灵长目、人科、人属、智人种。第二节地球的内部圈层大量资料充分证明，地球不是一个均质体，它具有明显的圈层结构，而且各圈层之间的物理、化学性质和物质运动状态差异较大。一、地球内部圈层的划分依据—地震波地震波：是地震所激发出的弹性波在地球中传播的结果，包括纵波（P）、横波（S）和面波（L），其中前两者最有意义。（1）纵波／原波：质点振动方向与地震波传播方向一致的波。特点是：能在固、液和气态中传播，比横波速度快，是横波的1.73倍一、地球内部圈层及其划分依据—地震波（2）横波／次波（S）：是指质点振动方向与地震波传播方向垂直的波。特点：只能在固态中传播。当遇到不同介质的突变界面时，地震波射线就会发生反射和折射，而且其传播速度也会发生变化，这界面称为波速不连续界面。一、地球内部圈层及其划分依据—地震波（3）面波(L)：最后到达的地震波，沿地球表面传播，像波浪起伏式传播,是破坏性最强的地震波二地球内部圈层的划分1地球内部主要波速不连续界面大量研究发现，地震波速随深度而递增，并在地球内部出现了2个明显的一级波速不连续界面：（1）莫霍洛维奇不连续面（莫霍面）1909年由南斯拉夫学者莫霍洛维奇发现，其深度在大陆之下平均33km处，在大洋之下平均为7km。特点：在该界面附近，纵波速度由7km／s突然增加到8.1km／s，横波从4.2km／s突然增至4.4km／s。该面之上的部分为地壳。二地球的内部圈层划分1地球内部主要波速不连续界面（2）古登堡不连续面（古登堡面）是1914年由美国的古登堡首次发现，这个面位于地下2885km的深处。特点：在该面上下，纵波速度由13.64km／s突然降低为7.98km／s，而横波由7.23km向下突然消失。到了5155km处又重新出现。通常把古登堡面以上至莫霍面之间部分称为地幔，古登堡面以下至地心的部分称为地核。二地球的内部圈层划分此外，在地下60～250km深度带内，地震波速降低5～10％，但其上下无明显变化，我们把这一地震波的低速带所构成的圈层称为软流圈，软流圈之上的部分由岩石构成，统称为岩石圈。岩石圈包括哪些部分（？）。二地球的内部圈层划分2地球内部圈层特征（1）地壳地壳是莫霍面以上的地球表层。其特征有：a.厚度：5～70km之间。其中大陆地区厚度较大，平均为33km；大洋地区厚度较小，平均约7km。总体平均厚度约16km。b.体积：占地球总体积的1.55％，而质量仅占地球的0.8％。c.密度：一般为2.6～2.9g/cm3。d.成分及状态：由固态岩石所组成，包括沉积岩、岩浆岩和变质岩三大岩类。2地球内部圈层特征（2）地幔(圈):是指莫霍面之下至古登堡面的部分。特征：a.厚度：约2650～2850km，占地球体积82.3％；b.密度：3.5～5.1g／cm3;c.物质组成：由固态物质组成，主要为铁镁硅酸盐矿物，顶部60～250km为软流圈；d.结构：以650km深度为界分为上地幔和下地幔次级圈层。2地球内部圈层特征（3）地核：是古登堡面至地心的部分。特征有：a.体积：占地球的16.2％，而质量占31.3％；b.密度：为9.98～12.5g／cm3；c.结构：可分为三层，外核（2885－4170km），液态，横波不能通过，纵波大幅衰减，平均密度10.4g／cm3；过渡层（4170－5155km）呈过渡状态；内核（5155km－地心）为固态，平均密度12.9g／cm3；d.物质成分：以铁镍为主（铁和镍的合金）。第三节地球的物理性质包括：密度与压力、重力、磁性、地热以及弹塑性一密度与压力(一)密度根据万有引力计算地球的质量为5.974×1021吨，有了这个数据我们可以得出下面的参数:1平均密度：5.516g／cm32地壳表层的密度：2.7～2.8g／cm33壳幔界面／莫霍面（地内33km处）：3.32g／cm34核幔界面／古登堡面（2885km处）：自5.56陡增至9.98g/cm35地心（6371km）处：12.51g／cm3一密度与压力（自学）（一）密度（二）压力地球内部的压力是指不同深度处单位面积上的压力，实质上是压强，地内压力随深度而增大：地下10km处：压力1kpa莫霍面（33km处）：1200Mpa古登堡面（2885km处）：13.52万兆帕地心压力：36.17万兆帕（1大气压＝101.3kpa）第四节地球的物理性质二重力与重力异常（一）重力和重力场1重力（gravity）：是指地球质量对物体产生的引力和该物体随着地球自转而引起的惯性离心力的合力。2重力场：地球内部及其附近存在的受重力作用的空间。(二)重力异常1正常重力值：地表上某一纬度上相当于平均海平面高度的（理论）重力值。go=9.780318（1+0.0053024si