工程地质与水文(1-1)

第一篇工程地质基础知识地球的演化主要造岩矿物与岩石地质构造与阅读地质图地貌第一章地球的演化本章学习要点：目的：对地球有一个基础地正确地认识，能够描述地球演化史；描述地质年代表，并论述岩石风化程度；掌握地球内、外地质作用及其分类。重点：描述地球演化史、地质年代表，理解地球地质作用。难点：地质年代表内容：1.地球概况2.地质年代与地层单位3.地质作用第一节地球的概述地球的地位：地球是太阳系九大行星中较小的一颗行星。太阳在银河系里只是1.6X1011颗恒星之一；银河系也仅仅是总星系的一个成员；而总星系还只是宇宙的一部分。一、地球的圈层构造：二、地球的形状和大小：三、地球的物理性质：地球内部圈层示意图一、地球的圈层构造：1.地球的外部圈层水圈\大气圈\生物圈2.地球的内部圈层地壳、地幔和地核三个主要圈层。软流层：（又称低速带）40-250km处，地震波波速低，温度接近岩石熔点，塑性较大，利于岩石活动。某些区域内不能传播横波----岩石可能已为液态。软流圈以上的地幔和地壳合称岩石圈。◆宏观圈层结构外部圈层内部圈层大气圈水圈生物圈地壳地幔地核岩石圈ONPO’αARRABCD二、地球的形状和大小：第一级近似——圆球形第二级近似——旋转椭球体第三级近似——大地水准体(Geoid)大地水准面海面上的重力位各处都是相等的，即海面在重力作用下是一个等位面，把这个等位面延伸通过大陆，就形成一个封闭曲面。二、地球的形状和大小：大地水准体大地水准体大地水准面（平均海面）所封闭的球体形状。不是一个稳定的旋转椭球面，有地方隆起，有地方凹陷，相差可达100m以上；赤道横截面不是正圆形，是近似椭圆形，长轴指向西经20°和东经160°方向，长短轴之差为430m；赤道面不是地球的对称面，与标准椭球体相比，南极大陆比基准面凹进24m；北冰洋却高出基准面14m。赤道——南纬60°之间高出基准面，而从赤道到北纬45°之间低于基准面。二、地球的形状和大小：地球为一梨状三轴旋转椭球体。赤道一带稍微凸出，南北半球也不对称，加上表面凹凸不平.赤道半径（a）6378.1724km赤道周长40075.696km两极半径（b）6356.7986km子午线周长40008.6km平均半径6371.229km表面积5.1007*108km2扁率（（a-b）/a）1：298341体积1．0832*1012km2有关地球的常数地球赤道半经（α）：6378137m*地球极半经（с）：6356752m*赤道标准重力加速度（γe）：（978032±1）×10-5m/s2地球的其它数据地球平均半经：6371km子午线周长：40008.08km赤道周长：40075.24km地球的面积：51000万km2*海洋面积：36100万km2，占地球总面积的70.8％陆地面积：14900万km2，占地球总面积的29.2％地球的体积：10830亿km3*地球的质量：5.976×1027g*地球的平均密度：5.517g/cm3物体脱离的临界速度：11.2km/s赤道上点的线速度：465m/s地球沿轨道运动的平均速度：29.78km/s大陆最高山峰（珠穆朗玛峰）：8846.27m大陆平均高度：825m海洋最深海沟：-11034m海洋平均深度：-3800m大陆和海洋的平均高度：-2448m（即全球表面无起伏，将被2448m厚的海水所覆盖）三、地球的物理性质：地球的平均密度是5.517g/cm3。地壳上部岩石平均密度是2.65g/cm3。推测地球内部必有密度更大的物质。地球密度随深度而增大。在地下若干深度处密度呈跳跃式变化，推测地核部分密度可达13g/cm3左右。地球的平均密度和水星（5.4）相差不多。月球（3.341）和火星（3.95）的密度都比地球小，其它行星的密度更小。1地球的密度1陆地地形山地丘陵高原平原盆地洼地裂谷2海洋地形2、地球的压力地球内部压力是随深度加大而逐渐增高的。深度每增加１km，压力增加27.5MPa（1MPa＝1兆帕斯卡＝１０６N/m２）。深部随着岩石密度的加大，静岩压力增加得更快些。静岩压力在莫霍面附近约1200MPa，古登堡面附近约135,200MPa，地心处可达361,700Mpa，相当于360万个大气压力0100020003000400050006371Km020004000地表地心3、地球的重力地球的重力地球自转引起的离心力和地球引力的合力。P=F+dF=GMm/R2d=rω(G为万有引力常数，ω为角速度)因为离心力相对很小，即使在赤道也只有万有引力的1/289，所以重力基本上就等于万有引力，方向也基本上指向地心。为了便于比较，通常用单位质量所受的引力来表示重力（重力加速度g）g=GM/R2(单位用伽Gal)1Gal=1cm/s2地球的重力——地球对地表和地内物质的引力。据万有引力定律：F=G·M·m/r2地球赤道处重力加速度g=9.780318(m/s2)地球两极处重力加速度g=983.2177(m/s2)两极，重力比赤道处大0.53％，也就是说把在两极重100kg的物体搬到赤道地区时，则变成99.47kg。地球上重力的变化重力随纬度的增加——增加。重力随海拔高度的增加——减小。重力随深度的增加先增加，然后减小，到地心趋向于零。重力异常重力异常理论重力值：把地球看作一个理想的旋转椭球体，且内部密度无横向变化，所计算出的重力值。重力正异常——实测重力值－理论重力值＞0重力正异常——实测重力值－理论重力值＜0重力异常的地质意义：重力正异常——此处地下往往有密度较大的物质，可能是铁、铜、铅、锌等矿区。重力正异常——此处地下往往有密度较小的物质，可能有石油、煤、盐类以及大量地下水等存在。看教材，想一想：重力的自由空气校正？自由空气异常？重力的布格校正？布格重力异常？看图1-3了解我国大陆部分地区布格重力异常。重力的变化重力在地表的变化重力随纬度的增加而增加，随海拔高度的增加而减小。若将地球视为均质体，以海平面为基准可计算出不同纬度的标准重力值。g=987.032(1+5.3*10-3*sin2ф-5.9*10-6*sin22ф)g为重力（伽），ф为纬度重力在地球内部的变化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2900km的核幔界面，重力大体上是随深度增加而略有增加，但有波动。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。0100020003000400050006371Km0400800重力异常实际测得的重力值与理论重力值之间的差值，称重力异常。当实测重力值理论重力值,称正异常当实测重力值理论重力值,称负异常在埋藏有密度较小物质（如石油、煤、盐等非金属矿产）的地区，常显示负异常；而埋藏有密度大物质（如铁、铜、铅、锌等金属矿产）的地区，就显示正异常。所以人们就可以通过重力测量，来圈定重力异常的区域，寻找那些引起重力异常的非金属和金属矿产。这就是地质勘查中常用的重力探勘方法1.1.2.4地热地热——地球内部储存的热能。有关地热的基本概念常温层：地表向下一定的深度地壳表层的温度不再随外界温度而变化，这一深度叫常温层。其因地而异，我国北方约为30m。地热增温级（率）：在常温层以下，温度每升高1℃时所增加的深度，单位是m/℃。其平均值为：33m/℃。地热梯度：深度每增加100m，地温增加值。平均：3℃/100m。地热增温的规律只适用于地壳部分或岩石圈。地热资源地热能——一定地质条件下，地热富集起来形成地热能。地热流值＞2HFU，一般被认为是良好地热资源的地区。中生代褶皱带（相当于环太平洋带）、新生代喜马拉雅褶皱带（相当于地中海-喜马拉雅带）是著名的地热带（地震带和火山活动带）。我国东部沿海（包括台湾在内）和西藏、云南等地，处于世界的两条地热带范畴内，地热资源丰富。地球物理性质地球的温度外热层常温层内热层地球的磁性磁场强度磁倾角磁偏角弹性和塑性4、地球的磁场地磁场：地球周围存在的磁场磁北极位于地理北极附近，磁南极位于地理南极附近，但不重合，地磁轴与地球自转轴的夹角现在约为11.5度，1980年实测的磁北极位于北纬78.2度、西经102.9度（加拿大北部），磁南极位于南纬65.5度，东经139.4度（南极洲）。地理北极、地磁北极和磁北极区别？地磁轴地理轴1.1.2.3地磁地磁磁场同置于地球中心的一个大条形磁铁（条形磁铁与地轴呈11.5°相交）所产生的偶极磁场相类似。地磁三要素磁场强度：地表任意一点地磁的大小。单位奥斯特Oe，指向北磁极。磁偏角：地磁子午线与地理子午线之间的夹角。——θ其中，以指北针为准，东偏为“＋”；西偏为“－”。磁倾角：磁针与各处水平面的夹角。——α依指北针，下倾为“＋”；上仰为“－”。两磁极为90°；赤道为0°。地磁的特点地磁的特点（1）地磁南北极和地理南北极的位置不一致，并且磁极的位置逐年都有变化（如表1-1），磁极有向西缓慢移动的趋势。（2）地面上每一点都可从理论上计算出它的磁偏角和磁倾角。如磁偏角和磁倾角与理论值不符时，叫做地磁异常。（3）地球磁场的磁力线受太阳风的影响，被压缩在一个固定区域内，这个区域叫磁层。地磁三要素：磁场强度、磁偏角、磁倾角磁场强度：为某地点单位面积上磁力大小的绝对值。它是一个具有方向（磁力线方向）和大小的矢量，一般在磁两极附近磁感应强度大（约为60T（微特拉斯））；在磁赤道附近最小（约为30T）。磁偏角：磁偏角是指磁针静止时，所指的北方与真正北方的夹角。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。指南针、磁罗盘是测定磁偏角最简单的装置，所以磁偏角的发现和测定的历史也很早。根据规定，磁针指北极N向东偏则磁偏角为正，也称东偏；向西偏则磁偏角为负，也称西偏。磁倾角：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；磁感线？磁倾角的变化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°。我国在北半球，罗盘南针要绑铜线，为什么？地磁轴地理轴5、地球的温度地温人们可以从火山和温泉意识到地下深处是热的，地球的温度总体上是从地表向地内逐渐增高的。在地表附近，由于太阳幅射热的影响，温度有昼夜变化、季节变化和多年周期的变化．这一表层可叫外热层（或变温层）。外热层的深度一般在十几米．在其下界面附近，地温常年保持不变，等于或略高于当地年平均气温，该处称为常温层。常温层以下，受到地球内部热量的影响，温度逐渐升高。一般把在常温层以下，每向下加深100ｍ所升高的温度称为地热增温率或地温梯度。这是由于地球内部热量通过向上热传导而造成的。世界上不同地区，地温梯度都不相同，地球表层的平均地温梯度为３℃。海底的地温梯度一般为４－８℃，大陆为０.９－５℃．大陆的地温梯度一般来说是显著低于海底的．0100020003000400050006371Km020004000C。6、地球的弹塑性弹塑性地球具有弹性，表现在地球内部能传播地震波，因为地震波是弹性波。地表的固体岩石在日、月引力的作用下也有交替的涨落现象，其幅度为7—8cm,这种现象称为固体潮。也说明固体地球具有弹性。地球也具有塑性，地球的自转能引起地球赤道半径加大而成为椭球。在应力的作用下引起岩石发生弯曲而不破裂等，这些都说明地球具有塑性。中国地质年代表地质年代从古至今依次为：太古代、元古代、古生代、中生代、新生代。古生代又分为：寒武纪、奥陶纪、志留纪、泥盆纪、石炭纪、二叠纪。中生代又分为：三叠纪、侏罗纪、白垩纪新生代又分为：古近纪、新近纪、第四纪