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第十一章重力、地磁与核幔作用教学重点：重力在地球演化中的作用；地磁场的成因；地幔羽；地幔对流。教学难点：重力均衡补偿。第一节重力•一、重力•重力：地球自转引起的离心力和地球引力的合力。地球的离心力相对吸引力来说是非常微弱的，其最大值不超过引力的1/288，因此重力的方向仍大致指向地心。•重力的大小的单位为伽(Ga)1伽=1cm/s2。在地球表面：据万有引力定律，地球表面的引力与地球半径的平方成反比；据离心力公式，在角速度相同的情况下，地表各点的离心力与它到地球自转轴的垂直距离成正比。在引力与离心力的共同影响下，重力值具有随纬度增高而增加的规律，同一物体的重量，赤道上比在两极要轻1/290。因重力大小与离地心远近有直接关系，故重力还要受到地势高低的影响。珠穆朗玛峰顶引力比平原小一点。•在地球内部，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2885km的核幔界面，重力大体上是随深度增加而略有增加。在核幔界面上，重力值达到极大(约1069伽)，再往深处，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。•二、重力异常：重力异常：实际测得的重力值与理论重力值之间有明显的差异。重力异常的影响因素：①高度：地面观测点并不在大地水准面上，两者有一定高差，观测点位置越高重力值越小；②中间层密度：地面观测点与大地水准面之间的剩余物质所产生的附加重力值；③地球内部物质的密度分布不均匀：不像理想的那样呈密度均匀的同心层状分布。对某地的实测重力值，通过高程及地形校正后，再减去理论重力值，差值称作重力异常值，如为正值，称为正异常；如为负值，称为负异常。正异常反应该区地下物质密度偏大（地壳薄），负异常反应该区地下物质密度偏小（地壳较厚）。•⑴自由空气重力异常：测点位置越高，实测重力值就越比理论重力值小。因此实测的结果需要校正，换算成为大地水准面上的数据。这种校正就称为自由空气校正或高度校正。校正后的重力异常称为自由空气重力异常。•⑵布格重力异常：在陆地上测量时，测点与海平面之间并非空气，而是岩石。考虑了测点高度及与大地水准面之间岩石密度的影响而进行的校正，称为布格校正。经布格校正后的重力异常称为布格重力异常。•布格重力异常反映了地球特别是地壳内部物质密度的分布及不均匀性，是研究地壳结构及矿产分布的重要手段。理论与实践表明，布格重力异常与地壳厚度（即莫霍面深度）存在很好的相关性。在大陆地区内部，山脉地区布格重力异常值低或负值较大，反映山脉地区地壳厚，莫霍面下凹深，仿佛存在着“山根”；而盆地或平原地区重力异常值高或负值较小，反映其地壳变薄，莫霍面变浅，形成“反山根”，地形高程常与莫霍面起伏形成一种类似镜像对称的关系。重力异常研究对找矿勘探也具有重要意义。例如，埋藏于地下的一些金属矿体，由于其密度较大，往往会引起局部重力异常值增高；而在一些石油、天然气的埋藏区，由于密度较小，常会导致局部重力异常值降低。•⑶重力均衡异常：从地下某一深度算起，相同截面积所承载的表面岩石柱体的总质量应趋于相等，称为重力均衡。从重力均衡的角度对布格异常进一步进行校正，即均衡校正。通过均衡校正就得到均衡重力异常。•大地水准面之上山脉（或海洋）的质量过剩（或不足）由大地水准面之下的质量不足（或过剩）来补偿，称为重力均衡补偿或均衡补偿，换句话来说，均衡补偿面单位面积上的岩石总质量为常数。目前认为，均衡补偿面位于软流圈。•重力均衡补偿假说的模型（1）普拉特模型：普拉特模型又称为密度补偿模型，认为地形高度与岩石密度成反比，在某一深度下具有相等的压力。（2）艾利模型：艾利模型又称为深度补偿模型，认为地壳密度均一，巨大山脉下地壳厚度大，仿佛“生根”，深邃海盆处地壳厚度小，地形起伏与地壳底部起伏成镜像关系，使某一深度处具有相等的压力。•地震波揭示，大范围内的布格重力异常反映的是艾利模式；小区域内，则有可能是岩石密度变化造成的，例如用重力寻找金属矿产依据的就是普拉特模式。普拉特模式艾利模式•三、重力在地球起源及各圈层形成中的作用：—起源阶段，由于物质的吸引力才使星云中的尘粒不断的碰撞和吸积，逐渐形成星球。—地球内部及外部各圈层的形成过程中，也是靠重力作用而使各圈层趋向平衡，从而形成不同密度、不同物性的固体地球及其外部的同心圈层。•四、重力在地球演化过程中的作用（一）、水循环、搬运作用、沉积作用。（二）、重力均衡补偿作用：当地球表面物质发生显著变化或亏损时，重力均衡补偿作用必定会使地球内部物质发生重新调整，同时造成地表形态的变化。如人工水库的建设会影响重力均衡。岩石圈板块碰撞部位，密度较小的岩石大量聚集，地壳厚度加大，地表高度剧增，地壳物质的补偿作用明显不足，出现正均衡异常，该区将有更多地壳物质加入。而在现代大洋，是密度较大的玄武岩，岩石圈物质补偿过剩，出现负均衡异常，该区洋底将不断沉降，接受更多沉积。（三）、主要受重力作用影响的地质作用过程—下坡运动（负荷地质作用）1.概述•A.定义：各种松散碎屑、不稳固的岩层、土层由于各种外因触发发生垂直下落或沿斜坡下移的作用，称为下坡运动，又叫负荷地质作用。下坡运动过程中，物质本身既是动力又是作用对象。它一方面对沿途所遇基岩进行破坏，另一方面本身也遭受破坏。•B.主要动力来源及触发力：下坡运动的主要动力来源为物质本身的重力，另外还有一些外在因素作为它的触发力，通常有：a.自然或人工掏空斜坡下部的岩石；b.斜坡负荷超过极限；c.地震或爆破的震动；d.水的加入等因素。水的加入一方面可起润滑作用减小摩擦力，另一方面又可增加斜坡重量，从而触发下坡运动。•C下坡运动的类型：按照滑动物质的组成、坡度陡缓和运动特点可将下坡运动分为崩落、潜移、滑动、流动四种类型。不论那种下坡运动都可能造成不同程度的灾害，如破坏道路、阻塞河流、损坏耕地等。2.崩落作用⑴.概念：在陡坡上的岩块脱离基岩迅速向下坠落（速度一般为5-200m／s）或沿山坡滚动和堆集于坡脚的过程。崩落作用多发生在高山地区，特别是坡度大于45°的峡谷和陡崖处。在寒冷、干燥气候区，物理风化作用强烈，岩石遭受剧烈破坏，崩落作用极为盛行。另外，岩石中裂隙发育、坡脚被各种剥蚀作用掏空，暴雨、大量冰融水、爆破、地震、人工过分挖掘坡脚等都可诱发崩落作用。•⑵.崩落作用进行的方式：主要有撒落、翻落、坠落三种类型。翻落和坠落下来的岩块，有时体积很大，经常碰撞、滚动破碎成大大小小的转石，常可破坏农田、道路和建筑。崩落下的碎屑在平缓的坡脚堆集。由于大转石的惯性大，滚动较远，造成由坡脚向上碎屑颗粒由粗变细的倒石堆。它是一种暂时性堆积物，易被流水、海浪等搬走而不易保存，在古代沉积岩中很少见到。在岩溶发育地区，由于地下溶洞、潜穴的扩大，上覆岩层失去足够的支撑而发生崩落；在矿区的采空区段也往往会发生崩落现象。由溶洞、潜穴和采空区等引起的崩落叫塌陷。•a.撒落：陡崖岩石被破坏成较小碎块撒落，并沿斜坡向下滚转；当斜坡较陡或坡面起伏不平时，则可出现跳跃式运动。撒落过程一方面对基岩撞击破坏，一方面粉碎自身，最后随坡度变缓停止运动而堆集下来。•b.翻落：陡崖边缘岩石裂开后，向外侧翻转落下，可以短时间悬空呈自由落体状态。•C.坠落：陡坡坡脚受外力作用被剥蚀掏空，使上面岩石失去支撑脱离基岩而坠下来。•3.潜移作用⑴.定义：是斜坡上的岩体、碎屑物、土层等在重力作用下顺坡向下作长期缓慢蠕动的过程。⑵.潜移作用的特点：是移动体和下面的不动体不存在明显的滑动面；运动速度极为缓慢，有的每年只有几毫米。⑶.引起蠕动的主要原因：是重力，但水的作用也很重要，一般来说，水的加入可以降低对运动的抵抗力而变得易于蠕动。•山坡的蠕动现象可以在平行于斜坡的陡崖上看到。坡面上的土层由于潜移速度很慢，短时间内难以看到，但是可以见到斜坡上的物体发生变形，如电线杆、墙壁的歪倒，树干向下坡弯曲形成“马刀树”等。•4.滑动作用•⑴.定义：是指松散堆积物或坚硬的基岩沿着一个或几个滑动面向下移动的过程。滑坡是这种作用的典型产物。滑坡的基本组成要素是滑坡体、滑坡面、滑坡台和滑坡壁，柔性物质可组成滑坡鼓丘。•滑动作用常以潜移作用为先导，先慢后快，遇陡坡而转为崩落作用，若为坚硬岩石则可形成倒石碓。松散堆积物地区如黄土地区，当下面有倾斜的不透水层时，由于水的渗入降低了土层间的摩擦力，在重力作用下导致土层向下滑动，但保持内部构造不变，这种滑动作用统称地滑，地滑使地面树木东倒西歪，形成特有的“醉汉林”。•⑵.影响滑动作用的因素：很多，一般来说，较松散层、岩石裂隙发育、层面较陡、水分加入都可诱发滑动作用。因此，应设法排除含水、降低土石湿度以防止陡坡地带的滑坡。•⑶.特点：滑坡可引起滑动面底部和滑动体本身的变形，有时形成小褶曲和小错动，统称为滑动构造。当变形剧烈，常揉搓破碎成角砾称滑碎同生角砾。滑坡体体积相差很大，由几立方米到几亿立方米。滑动面可以是一个或几个，形态为向下坡方向弯曲的弧形面。若沿岩层面或断层面滑动，则斜面倾角可较大或直立。倾角越大越易滑动。当透水层下有不透水层时，常沿起润滑作用的不透水层面滑动。•滑坡不仅见于地面，还可见于海底和湖底，下图为海底滑坡示意图。海底物质沉积不久，松软的泥、砂为水所饱和，其内部摩擦力小而不稳定，只要很小的触发力，即使在缓坡上也能发生滑动。地震、火山、海底浊流等也可诱发滑坡。•5.流动作用•⑴.定义：指大量的岩石碎屑、泥土和水的混合物沿着斜坡或谷地作快速流动的过程。按固体物质成分、数量和运动特点可将流动作用分为粘流和紊流两种形式。粘流是石块、泥土和水充分搅混为一粘稠的整体，其中固体物质含量高达80%,容重为1.5--2.3t/m3。粘流在运动中，水和固体物质以相同的整体运动，流动停止后，水分不能自由流走。紊流是水与石块、泥土的混合物，以水为主。其中固体物质含量为10-40%，容重1.3t/m3以上。紊流运动时，水和泥浆运动较快，石块运动较慢，流动停止后，部分水可从固体物质中分离出来继续流走，其特点间于粘流和紊流之间。•⑵.分类：流动作用按发生流动的固体物质的特点可以分为泥流、石流、泥石流三种类型。最常见的为泥石流。流动体在流动过程中可产生强烈的剥蚀搬运和沉积等地质作用。•⑶.流动作用产生的条件：产生流动体必须有丰富的固体物质和充分的水，亦即要有适当的地质、地形和气候条件。•⑷.流动作用的地质作用特点：流动体在流动过程中可产生强烈的剥蚀、搬运和沉积作用。在粘流中，石块、泥沙和水粘结在一起流动，前锋高而陡，极粘稠，由60-80%的物质为固体物质组成。由于固体物质中含有粒度极细、呈高度分散状态的粘土物质，可在水中形成粘度和密度较大的胶体，同时胶体微粒具有同性电荷，互相排斥，使重力几乎失去作用，使其具有巨大的浮力，有时可将重达千吨的巨石带走。1953年9月29日在西藏东南密波地区爆发的古乡冰川泥石流，曾带出一块长20m、高8m、宽12m，重达4000t的花岗岩石块。在紊流中，固体物质与水呈分散状态，流动时不形成“龙头”。石块在稀泥浆中滚动、跳跃，运载能力较小。在转弯处凹岸冲蚀，凸岸堆积。到达山口停积时，水分很快分散流失，石块呈扇状堆积，类似洪积扇。但它常被后来的流水侵蚀出一条条深沟，使堆积区崎岖不平，成为一片光秃的“石海”。第二节地磁场•地磁场：地球本身是一个巨大的磁体，在地球周围的空间里存在着的磁场，叫做地磁场。地磁场的磁感线从地磁北极出发到地磁南极。•地磁北极在地理南极附近，地磁南极在地理北极附近。由于地理两极跟地磁两极并不重合，所以磁针所指的南北方向不是地理的正南正北方向。•地磁极：偶极子磁轴与地面的交点称为地磁极。地磁场的南北两极和地理南北两极并不重合，而且往往相距颇远，这是因为地磁轴和地球自转轴(它与地面的交点即地理极)不相重合，现在两者交角约是11.5°。•子午线：地球表面想象有无数通过两地理极的大圆，每一个这样的大圆叫子午线。地磁子午线：地磁场也有无数磁力线在地球表面上通过两地磁极，每一条这样的磁力线叫地磁子午线。•一、地磁三要素：磁偏角、磁倾角、磁感应强度。磁偏角是磁力线在水平面