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第二节地球的物理性质一、地球的密度、重力和压力1.地球的密度根据万有引力定律，可得出地球的质量，同时根据已知的地球体积，可得出地球的平均密度（5.517克/cm3）。野外常见的岩石的密度通常为2.5-3克/cm3，地球内部的物质密度应远远大于其平均密度。通过地球物理和实验岩石学方法研究发现，地球内部的密度存在数个不连续界面；0-670公里存在三个小台阶。670公里处密度由3.99g/cm3突变到4.39g/cm3cm32891公里处密度由5.57g/cm3突变到9.90g/cm35150公里处密度由12.17g/cm3突变到12.76g/cm3地心处的密度为13.09g/cm3。第二章地球2第二节地球的物理性质2.地球的重力1）重力的定义：地球的重力是指地心的引力与地球自转产生的合力。地球表面重力值的变化：固体地球表面的重力随着高度的增加而减小，随着纬度的增加而加大。地球内部重力值的变化：从地面向下，重力值逐渐增加，至2891公里处达最大值，2891-地心，重力值急剧减小，地心处为零。见图2-7B。重力异常的概念：理论值：以大地水准面为标准，计算的地球表面各处的重力值。实测值：实际测量的重力值。实测值经高度和密度校正后与理论值不符的现象称重力异常。当矫正后的实测值大于理论值时称正异常，反之称负异常。正异常区表示地下存在高密度物质，负异常区则为低密度物质。第二章地球见图3第二节地球的物理性质3.地球内部的压力所谓地球内部的压力是指地球内部的静压力，它取决于深度、上覆物质的平均密度和平均重力。地球内部的压力变化见表P14-C。二、地球的温度火山喷出的灼熔岩流以及温泉的喷出，均告诉人们；底下深处具有巨大的热源。一）地热的来源：1）放射形元素的衰变能（地热主要来源）。2）化学反应能。3）重力能。4）地球旋转能。5）结晶能等。第二章地球见图见图4第二节地球的物理性质二）地面热流地球内部的热量通过岩浆活动、断裂构造、岩石传导等形式船递到地面，由于地壳构造状态的不同，传递到地面的热量也不同，为了反映地面传递热量的大小，我们用地面热流来表示。所谓地面热流是指单位时间、单位面积地面放出的热量，热流单位为HFU，1HFU=1微卡/（㎝2·秒）＝41.87毫瓦／㎡。不同地区的地面热流值见P15表2-1三）地下的温度从地表至地下深处，温度的变化分为三种类型：1.变温层：接近地表，深度平均约为15米，其热量主要来至于太阳的辐射能。该层的温度随昼夜、季节的变化而变化。2.恒温层：变温层下温度常年不变的地带，热量来自于地球内部地热。该层的温度与当地的年平均气温相等，通常两极较深，赤道较浅。3.增温层：恒温层以下温度随深度的增加而增高，热量来自于地球内部。为了反映该层的温度变化特征，我们常用地温梯度（C/100M）、地温级（M/C）来表示。处于不同地壳构造状态下的地区，其地温梯度或地温级不同。第二章地球5第二节地球的物理性质三、地球的磁性和电性一）地球的磁性地球是一个磁化的球体，具有一定的磁性，地球磁力线分布的范围称为地球的磁场。由于地磁极常发生缓慢的位移并与地理极不在同一位置，因而我们用下列要素来表示地球磁场的特征：1）磁力线与方位；2）磁倾角；3）磁偏角；4）磁场强度。其它：磁场各要素的变化规律。地磁异常现象与磁法勘探二）地球的电性地球具有微弱的自然电流—大地电流其平均值约为2A/公里2，两极地区较大。在地质上可利用岩石的电阻率进行电法勘探。四、地球的放射性地球内部分布的放射性元素使地球具有放射性，放射性元素在衰变过程中还放出一定的热量，成为地热的主要来源。在实际工作中我们可以利用放射性元素的衰变原理进行同位素测年，找矿等。第二章地球见图见图6第二节地球的物理性质第二章地球五、地球的弹性和塑性一）表现形式地震波在地球内部传播，表明地球具有弹性，日月引力作用造成地球发生固体潮（7-15厘米）也表明地球具有弹性。地球的自转，因离心力作用造成地球成为一椭球体，表明地球具有塑性。二）地震波的基本概念地震波按传播方式分为体波和面波。体波是指在介质内传递的波（研究重点），面波是指在介质表面传递的波。体波分为横波（S波）与纵波（P波）横波：质点的震动方向与波的运动方向垂直。纵波：质点的震动方向与波的运动方向平行。体波的传播速度与介质的密度、物态有关，在同一介质中纵波的波速是横波的1.73倍。另外横波不能通过液态介质。根据体波的特点，我们通过人工地震方式，可以间接了解地球内部的物质组成与物态等特征。7第三节地球的圈层构造地球最显著的特点是具有圈层构造。因地球的组成物质成分的不同，以固体地球的表面为界将地球分为两大圈层；外部圈层与内部圈层。一、外部圈层构造外部圈层包括大气圈、水圈和生物圈。一）大气圈(atmosphere)定义：包围着固体地球由多种气体混合物组成的圈层。下界为地下数公里，无明显上界，根据极光等物理现象，上界定为约2000公里。大气圈的物质组成为氮78.09%、氧20.95%、氩0.93%、二氧化碳0.03%等，其中79%集中在高度18公里以下的范围内。大气圈可进一步分为：1.对流层：高度约8-18公里，因气体垂直运动而得名。2.平流层：高约18-55公里，大气呈水平运动而得名。中夹有一层臭氧O3层，往上温度迅速增高。3.中间层，55-85公里，大气稀薄，温度随高度的增加而迅速降低。4.电离层（暖层）：85-800公里，大气高度电离，温度可达1700度。5.扩散层：800公里第二章地球8第三节地球的圈层构造二）水圈（hydrosphere)1.水圈的组成：地球表面四分之三的面积为水体覆盖，海洋、湖泊、河流、沼泽、大气水、地下水等构成了一个连续的圈层，称之为水圈。水圈的总质量约为138万立方公里，其中97%集中在海洋，其次为冰川、地下水、湖泊、河流等。2.水的循环：地表水经太阳的辐射而汽化，水蒸气进入大气圈，随大气环流带至它处，并以雨、雪等形式降落到地面，形成地表水、地下水和冰川冰。在重力的作用下，它们中的大部分又以径流的形式返回海洋，如此往复，从而形成规模巨大的循环，称之为水的循环。三）生物圈(biosphere)生物圈是生物及有生命活动的地球表层所构成的连续圈层。其范围为地下3公里至地上10公里。生物圈的总质量约为11.4×1012t。第二章地球见图9第三节地球的圈层构造二、地球的内部圈层构造一）地球内部圈层的划分依据目前最深的钻孔不超过13公里，人们又不能直接进入地球内部观察地球的内部特点，因而只能利用间接方式进行分析推论。对地球内部圈层构造及特征的认识主要根据以下三方面：1.宇宙地质的依据：主要依据天体的物质成分—陨石。铁陨石，相当于地球内部的物质成分，比重大（8~8.5)。石陨石，相当于地球内上部的物质成分，比重相对较小约为（3~3.5）铁石陨石，上述两种的过渡类型。2.地质学依据：利用岩浆岩人工实验推论岩浆岩的形成环境。3.地球物理依据：主要利用地震波在地球内的传播特性（目前的主要依据）。二）地球内部圈层的划分通过地震观测，地球内部存在两个极重要的地震波速不连续面，分别称之为莫霍面（M）与古登堡面（G），具此将地球内部分为地壳、地幔和地核三大圈层。第二章地球见图10第三节地球的圈层构造1.地壳1909年前克罗地亚科学家莫霍诺维奇发现地下几十公里处存在一地震波不连续面（M）。地壳即位于（M）以上的固体岩石圈层。在大陆区地壳较厚，平均为33公里，最厚处达70—80公里，在大洋区较薄，平均为6公里。根据深地震探测法发现大陆区地壳存在一个次一级地震波不连续面，称之为康德拉面，大洋区该面基本不存在，因而可将大陆区地壳分为上地壳和下地壳。1）上地壳：厚度变化较大，平均厚约15公里，密度为2.7克/cm3，成分以硅、铝为主，相当于花岗岩，因而称之为硅铝质壳或花岗岩质壳。2）下地壳：厚度稳定，约为5—8公里，密度为2.9克/cm3，成分以硅、铁、镁、铝为主，相当于玄武岩，因而称之为硅镁质壳或玄武岩质壳。大陆区的地壳称为陆壳，陆壳具有双层结构，由硅铝层和硅镁层组成。大洋区的地壳称为洋壳，洋壳仅由硅镁层组成，基本无硅铝层。第二章地球11第三节地球的圈层构造2.地幔1912年美国学者古滕堡发现地下2891公里处存在另一地震波不连续面（G）。地幔即位于（M）与（G）面之间的圈层。地幔是地球的主体，根据S、P波在地幔中传播特性可将地幔进一步划分为上地幔、中间层（过度层）和下地幔。上地幔包括盖层、低速层（软流圈）、均匀层。其中低速层S波仅为4-4。2公里/秒，P波波速明显降低为7.8公里/秒，故低速层内的物质应为塑性，因而又称之为软流圈。因软流圈上的盖层连同地壳均为固体，我们将它们和称为岩石圈。3。地核（G）面至地芯的圈层地核分为外核、过度层和内核。外核为液态，过度层为塑态，内核为固态。地球内部各圈层的具体特征可见P21表-3。第二章地球12第四节地球的年龄和地质时代一、地球年龄的测定方法1.了解地球年龄的意义2.地球年龄的测定方法——放射性同位素测年二、地球的年龄地球年龄的判别主要依据对地球最古老岩石的同位素测定，以及对陨石，月球岩石等的测定得出地球的年龄应为46亿年。三、地质年代和地质年代表1.地质年代—地球从形成至今所划分的一系列时间单位。2.地质年代表—依据沉积发展、生物演化、构造运动及相应的同位素测年，按地球的演化历史与顺序所作的全球性综合时间表。3.地质年代单位按大小依次为：宙、代、纪、世、期等。见P29表2-3。关于第三章地壳和岩石圈请同学们自学。其中的第三节将在下学期大地构造中论述。第二章地球13思考题1.按地球内部的温度分布状况可分为几层，各层的基本特点有哪些？2.地震时，地面震动的基本规律有哪些？3.简述地球内部圈层的划分及依据。4.地球形成至今主要经历了哪几个时代（以代为单位）。第二章地球14插图1地球的重力15插图2大西洋洋中脊熔岩流16插图3黄石公园热泉17插图4地磁场18插图5地球磁力线分布状态地理轴地磁轴磁力线19插图520插图6地球的内部圈层