固体地球物理学导论(1-2)

固体地球物理学概论地球物理与空间信息学院固体地球物理学概论第一章课程主要内容第一章序言第二章地球的起源、运动与结构第三章地球形状、密度及重力场第四章地球的磁场第五章地球的电磁感应和电性结构第六章地球内部的热状态与地热场特征第七章地球内部的地震波场第八章地球内部介质的各向异性与地震层析成像第九章实验与计算地球物理第十章若干热点问题固体地球物理学概论第一章什么是地球物理?地球物理学研究那些内容?地球物理与其他学科的关系.地球物理的发展地球物理对社会发展的贡献第一章序言固体地球物理学概论第一章地球物理学的定义地球物理学是以地球为研究对象,研究地球的各种物理现象，以及这些现象与地球运动、地球各层圈结构构造、地球物质的分布及迁移的关系的学科。(Geophysics)地球物理学最早是物理学的一个分支。广义上说，地球物理研究的领域涉及天体物理学、地质构造物理学、大地测量学、海洋物理学、气象学、大气物理学、空间物理学等。狭义上说，地球物理学指的是固体地球物理学，即以研究地球的各种物理特征与与地球运动、地球内部结构构造、地球内部物质成分及其分布等关系的学科。地球物理学是地球科学的重要组成部分，地球物理学、地质学和地球化学被称为地球科学的三大支柱。固体地球物理学概论第一章固体地球物理学的学科分支重力学地球的形状、重力场的变化、物质密度的变化与分布，等等地磁学地磁场的分布和变化、地磁场的起源、地磁场的演变，等等地震学地震发生机制与震源分布、地震波类型与传播、地震预报，等等地热学地温场的分布和变化、地热源及其分布，地热的传播，等等地电学地球电磁感应特征和变化、地电结构，等等固体地球物理学概论第一章地球物理学与其它学科地球物理学是天文学、物理、化学、地质学之间的边缘学科，是一个涉及多学科的、与其它学科相互交叉、相互渗透的学科。数学、物理学、地质学是研究地球物理学三大基础。现代仪器技术、信息科学、运载工具技术的发展，是推动其发展的关键技术。地球物理学已经成为人类社会发展的不可缺少的科学。应用地球物理——资源勘察、灾害调查、环境监测、工程检测、军事战略……固体地球物理学概论第一章地球物理学的发展地球物理学从19世纪末到20本世纪初已形成体系，但对地球物理现象的观察和探讨，从远古就开始了。公元前六世纪，希腊人从亚那萨哥拉时代已把大地看成球体；公元前三世纪，古希腊的学者亚里士多德曾提出：运动物体的下落时间与其重量成比例；战国时期，我国发明了指南针，并开始应用于指引方向；公元三世纪我国东汉的地震学家张衡成功地进行了地震观测；公元八世纪，我国唐代的天文学家张遂(僧一行)独立得出地球圆周长，其误差约小于20％；……公元16世纪以来，作为物理学中热门，地球物理学得到较快的发展。伽利略从大量的实验中总结出：物体坠落的路径与它经历的时间的平方成正比，而与物体自身的重量无关；里舍(在利用摆钟从巴黎到南美进行天文观测时发现重力加速度在各地并非恒值；牛顿的万有引力定律以及他推算的地球扁率；南斯拉大地震学家莫霍洛维奇在1909年研究阿尔卑斯地区的区域地震波震相时发现了地壳与地幔的分界面——莫霍(Moho)界断面；……固体地球物理学概论第一章地球物理学对人类社会发展的贡献•大地测量学的诞生与发展，使人类能够得到地球表面的起伏变化，并用于生产建设和规划，……•地磁学的研究，使人类了解了地磁场，并用于导航，……•地热学的研究，使人类了解如何直接利用能源，…….•地震学的研究,开始“预报”地震灾害，……..•基于地球物理学理论的探测技术，为人类创造财富，为人类“排忧解难”，…….固体地球物理学概论第一章地球物理学的研究方法最初，地球物理学研究就是从对地球的观测开始的，所以地球物理学研究是建立在对地球充分地观测基础进行的。地球物理学研究方法可分为以下几个方面：•观测方法研究•数据分析与处理方法研究•模拟真实对象的理论模型计算与实验•推测真实对象反演计算固体地球物理学概论第一章如何学好本课程•阅读参考书籍•听、记、问•掌握基本概念•领会分析问题和解决问题的方法•了解数学方法的应用固体地球物理学概论第二章第二章地球的起源、运动与结构太阳系及其组成与演化地球的转动与轨迹地球内部的结构地球内部的物质组成固体地球物理学概论第二章太阳系、太阳系的组成2.1太阳系、太阳系的组成及起源2.1.1太阳系的成员⑴太阳----恒星，是太阳系的中心，是质量和体积最大的星体。⑵大行星水星（Mercury)、金星（Venus）、地球（Earth）、火星（Mars）、木星（Jupiter）、土星（Saturn）、天王星(Uranus)、海王星(Neptune)、冥王星(Pluto)⑶小行星太阳系约有30000多个小行星，最大的小行星叫谷神（Ceres）,直径约730km。⑷行星的卫星⑸彗星固体地球物理学概论第二章大行星位置排列示意图固体地球物理学概论第二章小行星、彗星大行星卫星图片月球彗星小行星木星的卫星固体地球物理学概论第二章Distance(AU)Radius(Earth's)Mass(Earth's)Rotation(Earth's)#MoonsOrbitalInclinationOrbitalEccentricityObliquityDensity(g/cm3)Sun0109332,80025.36*9---------1.410Mercury0.390.380.0558.8070.20560.1°5.43Venus0.720.950.8924403.3940.0068177.4°5.25Earth1.01.001.001.0010.0000.016723.45°5.52Mars1.50.530.111.02921.8500.093425.19°3.95Jupiter5.2113180.411161.3080.04833.12°1.33Saturn9.59950.428182.4880.056026.73°0.69Uranus19.24170.748150.7740.046197.86°1.29Neptune30.14170.80281.7740.009729.56°1.64Pluto39.50.180.0020.267117.150.2482119.6°2.03太阳系主要成员的基本特征2.1.2太阳系主要成员的基本特征固体地球物理学概论第二章⑴轨道的规律性共面性：行星轨道平面几乎平行，且与太阳赤道面平行。同向性：行星公转方向，除金星、天王星和冥王星以外，都与太阳自转方向一致，为逆时针方向。近圆性：行星轨道偏心率小，除水星（0.206）和冥王星（0.248）以外，均小于0.1。⑵日距分布特征——Bode定律rn=0.4+0.3×2n其中n为行星秩序数，水星取－∞，金星取0，地球取1，火星取2，小行星取3，…，冥王星取8。轨道特征固体地球物理学概论第二章轨道示意图（一）固体地球物理学概论第二章轨道示意图（二）固体地球物理学概论第二章轨道示意图（三）固体地球物理学概论第二章⑶太阳系天体的自转行星的自转可分两种情况，类地星自转速率差异较大，金星需244天，火星只需1.03天；巨行星和远日星自转较快，均不到1天。太阳自转有“赤道加速”现象，即赤道处自转约25.4天，两极附近约35天，其内部旋转速度更快，可能比表面快十几甚至几十倍。⑷质量与密度分布特征太阳占了太阳系总质量的99.85%，行星占0.135%，其它占0.015%。若将行星分为三类，即类地星（水星、金星、地球、火星）、巨行星（木星、土星）和远日星（天王星、海王星、冥王星），则有质量分布：类地星＜巨行星＞远日星密度分布：类地星＞巨行星＞远日星自转及密度特征固体地球物理学概论第二章行星自转示意图固体地球物理学概论第二章日冕：太阳大气的最外层稀薄部分,由太阳表面伸展出数百万公里,包含着铁、镍和其他气体的极高度电离的原子,这表明温度有几百万度,日全食时肉眼观看它的外貌像是环绕月亮黑色圆盘的珍珠灰色光环,但在其他时候要用日冕仪才可观测到。日冕固体地球物理学概论第二章太阳内部结构示意图太阳内部结构示意图固体地球物理学概论第二章太阳黑子图片太阳黑子图片固体地球物理学概论第二章水星及其表面图片水星及其表面图片固体地球物理学概论第二章金星图片金星图片固体地球物理学概论第二章地球的卫星摄影图片地球的卫星摄影图片固体地球物理学概论第二章地球与月球地球与月球固体地球物理学概论第二章航天飞机摄影图片“非洲角”航天飞机摄影图片“非洲角”固体地球物理学概论第二章火星图片火星图片固体地球物理学概论第二章木星图片木星图片固体地球物理学概论第二章土星图片土星图片固体地球物理学概论第二章天王星图片天王星图片固体地球物理学概论第二章海王星图片海王星图片固体地球物理学概论第二章冥王星图片冥王星图片固体地球物理学概论第二章陨石图片陨石图片固体地球物理学概论第二章星云图片星云图片固体地球物理学概论第二章2.1.3太阳系的起源自从1775年康德根据牛顿的万有引力定律提出星云说以来，先后出现了几十种假说。归结起来，主要有“灾变说”、“俘获说”、“原始星云说”和“次生星云说”。⑴灾变说灾变说认为，太阳是先形成的，由于某个事件，如一个恒星与太阳相撞或距离很近时，从太阳中“拉出”一部分物质，并赋予巨大的转动角动量，这些物质后来逐渐形成了行星及其卫星。⑵俘获说（陨石说）俘获说也是认为太阳是先形成的，但与灾变说不同的是，它认为原始行星物质是来自其它星际，被太阳的引力俘获而来的，如陨石。太阳系起源的假说（一）固体地球物理学概论第二章⑶原始星云说原始星云说属于‘渐变说”范畴。这种学说认为，太阳系乃由同一原始星云物质形成，行星和卫星是由一度围绕太阳的星云盘物质凝聚而成的，并非某种偶然突变性事件的结果。1755年，康德根据牛顿的万有引力定律，提出了关于太阳系起源的星云说。他认为形成太阳系的物质基础是星云，即大团的旋转着的气体和尘埃，形成太阳系的动力是自引力，即星云各部分的相互吸引的引力。康德认为处在混沌之中的宇宙初始物质由于引力作用集结起来，更大的和更密集的一些质点开始把周围较小的和比较不密的质点吸引过去，以后较小的物质凝团继续向业已形成的中心体靠近，由于相撞使中心体获得了更大的旋转惯量和热量，并产生了巨大的灼热天体——太阳。随着旋转速度加大，大量微小尘埃物质在旋转着的原始太阳的赤道上集中起来，形成了扁平的星云盘。之后，在星云盘的边缘部分形成了物质集中的中心，并从这些中心产生了行星和环绕行星的卫星。在41年以后，拉普拉斯提出了和康德相似的“原始星云说”。太阳系起源的假说（二）固体地球物理学概论第二章在20世纪中叶出现的各种星云说中，霍伊尔(F．Hoyle)的学说较有代表性。霍氏认为，太附系开始时是一团凝缩的星云，温度不高，转动角速度因逐渐收缩而加快。当初始的太阳星云收缩到现今水星轨道之内不远处，就出现了自转不稳定，星云外部不再收缩，两极渐扁，物质因此而抛出，形成一个环绕“原始太阳”的盘状物，其质量仅为太阳的百分之一。中心的“原始太阳”与圆盘脱离以后，继续收缩，不再分裂，最后形成太阳。圆盘与太阳脱离后，质量不再增加，最后形成行星。由于继续收缩的太阳具有磁场，而圆盘星云内有电离气体，太阳与圆盘内缘产生一种磁致力矩，使太阳的角动量转移给圆盘，因而由圆盘形成的行星具有较大的角动量。在原始太阳从50倍太阳半径收缩到1倍太阳半径的过程中，表面温度保持为3500度左右，在地球轨道附近地区，沸点低的挥发性物质相继逃逸，而不易挥发的铁，镁、硅等元素则凝聚为尘粒，通过碰撞粘合而形成块状物质，直径小于1米的固体留在类地行星的区域而形成类地行星。在木星、土星轨道附近的地区，沸点低的物质可以保留，因而使得土星、木星的化学成分与原始星云以及太阳相近，H，He最多。在天王星、海王星的空间附近，由于逃逸速度小，H和He大部分逃逸，剩下的多为C，N，O与H2O等物质。太阳系起源的假说（二）(续）固体地球物理学概论第二章太阳系起源的假说示意图固体地球物理学概论第二章太阳系起源的假说模拟动画1