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1地球的形状和重量2地震波—探测地球内部的眼睛3地球的组成4地球的磁场习题三1.从地震波传播图上解释p波影区形成原理。2.解释p波、s波和面波在固体地球介质中的传播特点。3.解释莫霍面、古登堡面的性质和意义。参考书1.地学革命风云录，1985，许靖华，地质出版社。2.古海荒漠，1996，许靖华，生活·读书·新知三联书店。3.大灭绝，1997，许靖华，生活·读书·新知三联书店。用几何方法测量地球用物理方法称重地球地球形状和重量1.地球形状和重量用几何方法测量地球地球的形状、大小和重量是人类在文明发展历程一直关注的问题，对地球的认识和测量可以追溯到公元前。早在Aristotle（前384～322年）时代，人们就根据月蚀的弧形阴影推断地球是圆形。约公元前240年，Eratosthenes（前275～196年）用简单的几何证明地球是圆形，而且求得地球的圆周长度，这个数据与实际的误差不到百分之一。1.地球形状和重量月食，北极星位置1.地球形状和重量埃拉托色尼对大地进行测量的示意图1.地球形状和重量大地是一个圆球被人们将信将疑地接受了一千多年，直到1519年，麦哲伦率领一只船队从西班牙出发，历时3年完成了人类历史上第一次环球航行。人类终于用行动证明了地球是一个圆球体，还证明了海洋是连通的，从此开始了全球的沟通，全球纪元以此作为标志。1.地球形状和重量1.地球形状和重量麦哲仑1519年环球航行到了18世纪后半期，大地测量的结果表明地球是一个椭球体：它的长半径a、b为赤道半径:a≈b≈6378.140公里；它的的短半径c为地球的极半径:c=6356.755公里；地球的扁率e=(a-c)/a=1/298.257。显然，地球的半长径与半短径的比约为300∶299，由此可见，地球是一个a、b轴相等的扁球体。1.地球形状和重量严格地说，地球的形状并不是标准的旋转椭球体，而是呈略梨形的椭球体，固体地球表面地形高低起伏。珠穆朗玛峰高出海平面8848.13米。全球陆地平均高度为840米，面积占全球面积29%；全球海洋平均深度为3908米，占全球面积的71%。1.地球形状和重量地球表面数字模型地球并不真是圆的在精确的地球表面数字模型上，地球是一个很不规则的椭球体。凹凸不平，印度洋洋底深陷下去，而大西洋洋底凸起来，这是1999年测绘的“数字地球”，垂直夸张5倍，看上去像个梨子。（NASA，SpaceNews1999）1.地球形状和重量地球的重量?如何找到一杆称量地球的称（牛顿）。1784年，布格在安底斯山脉研究地球重力场时，发现铅垂线方向受山脉影响。卡文迪许的地球密度研究。旋转体研究、转动惯量和平均密度。地震波提供的地球内部结构信息。1.地球形状和重量用物理方法称重地球地球的重量是确定地球性质的一个重要参数，如果知道了地球的重量，再通过体积来计算出它的密度，就可以确定构成地球内部的物质的性质。关键问题是如何找到一杆能够称得起地球的称！牛顿在他不朽的著作《自然哲学的数学原理》中作过一个推测：一根挂在大山附近的铅锤线，受到大山和地球质量的影响会稍稍向大山倾斜。这一推测暗示了存在一杆能够称得起地球的称。1.地球形状和重量1748年，一位名叫F.布格（FrancaisBouguer）的人被派往安第斯山脉研究地球的重力场，他发现了山脉吸引挂在线上的铅锤并使之偏离垂直方向的现象。这一观察结果被英国天文学家N.马斯基林（NevilMaskelyne）利用来确定地球的重量。通过估算山脉的重量，可以算出地球的重量。由于地球的体积是已知的，这样就可算出地球的密度是每立方厘米4.5克。1.地球形状和重量几年以后，L.卡文迪许（LordCavendish）修改了这一测定结果。他使用扭力称测得了重力常数，他得出的密度是每立方厘米5.45克，而现在所公认的密度值为5.25克/厘米3。当卡文迪许的密度值得到承认以后，新的问题又来了：通常从地球表面采得的岩石的密度只2.5克至3克，也就是说地球的平均重量远比地表的岩石重。因此，地球的深处一定存在重的物质，其密度大大高于地球表面常见岩石的密度。1.地球形状和重量于是，一种观点逐渐产生了，认为地球的内部是由以下两部分所组成：一是“地核”，其密度很大；二是包在地核外面的物质，即后来人们很快用专业术语称呼的“地幔”，其密度相当于地球表面的岩石的密度。地表岩石的密度为2～3克，而地球的平均密度却是5.41克，根据地核体积大小，地核的密度则应为每立方厘米7.8～10克。1.地球形状和重量力学家对旋转物体性质的研究同时运用转动惯量和地球的平均密度进行研究，就可计算位于地球中心的地核半径是地球半径的一半，地核的密度约是每立方厘米11克的结论。如上所述，人们仅仅根据这些简单的力学要素，得到了一个地球内部结构的模式。这就是19世纪末提出的有关地球内部结构的模式。但是，这一模式也只是在20世纪出现的一门新学科—地震学的帮助下才算是真正的建立起来了。1.地球形状和重量地震波提供的地球内部结构信息地震波——探测地球内部的眼睛用固体介质理论解释地震图从地震波信息到矿物学语言2.地震波——探测地球内部的眼睛地震波提供的地球内部结构信息地震现象自古以来就为人所知，人们关注地震也只是因它对人造成重大伤害。但地球内地震产生的波可提供有关地球内部结构的信息，却是近100年认识到的。2.地震波——探测地球内部的眼睛1883年，英国人J.米尔纳研究了日本的地震资料后断言：“大地震释放的能量所引起的震动，可在地球的任何一点上都能测到”。几年之后德国人V.R.帕施维茨设立了非常精确的摆锤用来探测地面的水平方向变化，证实了米尔纳的预见。1889年东京发生了一次大地震，帕施维茨根据摆锤记录到的震动，指出地震发生在东京。尔后，奥尔德海姆（Oldham）在这一发现的启示下设立许多摆锤来记录发生于世界各地的一系列大地震，终于在1897年查明各种地震波遵循的规律。2.地震波——探测地球内部的眼睛地震仪记录地震波的仪器称为地震仪(seismograph)，它能客观而及时地将地面的振动记录下来。其基本原理是利用一件悬挂的重物的惯性，地震发生时地面振动而它保持不动。由地震仪记录下来的震动是一条具有不同起伏幅度的曲线，称为地震谱。曲线起伏幅度与地震波引起地面振动的振幅相应，它标志着地震的强烈程度。从地震谱可以清楚地辨别出各类震波的效应。2.地震波——探测地球内部的眼睛纵波与横波到达同一地震台的时间差，即时差与震中离地震台的距离成正比，离震中越远，时差越大。由此规律即可求出震中离地震台的距离，即震中距。世界上最早的地震仪是我国东汉时代著名科学家张衡发明的。2.地震波——探测地球内部的眼睛体波体波是地球内部信息传递的载体。体波分为纵波（P）和横波（S）。地震波在地下的反射和折射蕴涵着丰富的信息。2.地震波——探测地球内部的眼睛地震波到达时间与距离的关系地震学研究了每个波列的到达时间与记录站之间距离的关系，发现通过三个距离组成的三个圆的交切点，就能定出地震发生的地点。世界地震地图就是用这种方法绘制出来的。对各类地震波的研究标志着确定地球内部结构的工作真正开始了。2.地震波——探测地球内部的眼睛2.地震波——探测地球内部的眼睛2.地震波——探测地球内部的眼睛根据在不同台站的记录，地质学家可以用三圆交汇法定出震中位置。2.地震波——探测地球内部的眼睛1906年，奥尔德海姆发现地球内部是由地核和地幔两种介质组成的，地震波在这两种介质中的传播速度是不一样的，而地幔-地核过渡带的特征是波速发生突然变化。这项发现大大地证实了重力学家的假设模式。2.地震波——探测地球内部的眼睛“莫霍面”和“古登堡面”的发现1909年，南斯拉夫的A.莫霍洛维奇发现，位于地球表部的地壳与下面的地幔之间存在一个地震波传播的不连续的面（A.Mohorovicic，1909）。莫霍洛维奇的观察结论很快被同行所证实，并将之称为“莫霍面”，它位于大陆之下30或40公里处。2.地震波——探测地球内部的眼睛1914年，德国的B.古登堡进一步完善了奥尔德海姆提出的核-幔界面的论点，提出它的界面位于2900公里深处（B.Gutenberg，1959，B.Bolt，1983），人们将之称为“古登堡面”。到此为止，地震学家经过10多年的努力，用实验方法加简单的分析技术和基础几何学计算获得地球内部的主要结构这一不寻常的结果。2.地震波——探测地球内部的眼睛地球内部结构2.地震波——探测地球内部的眼睛用固体介质理论解释地震图地震学的进一步发展是建立了地震波传播速度与地震波所穿过介质的物理性质之间的关系，英国数学家H.杰弗里斯（HaroldJeffreys）和B.古登堡在这一方面功不可没。他们对纪录在地震图上的地震波进行鉴别，使地震波在地球内部传播的模型更加精确和完善。2.地震波——探测地球内部的眼睛他们指出，先到的P波是压缩波，迟到的S波是剪切波，（由于剪切波是不能在液体中传播的，如在地震图上未见有剪切波，说明在传播路径上存在液态物质），而且P波和S波的路径多而复杂。最后到的面波也很复杂，分为乐甫波（即L波）和瑞利波（即R波）。地震波互相重叠和消长，一幅地震图就是这些地震波复杂结合的产物，因此解读地震记录结果既是科学也是艺术。2.地震波——探测地球内部的眼睛用固体介质理论解释地震图在哥本哈根地震观测站工作的I.勒曼（IngeLehman）根据S波不能在液状介质内传播这一事实，认为地核分内外两部分：固态的内核和液态的外核（I.Lehman,1936）。杰弗里斯和古登堡很快地证实了勒曼的发现，进一步指出地幔不是液状的，地球内部的绝大部分都是固体。再通过对面波的研究，理论地震学有可能确定地球的这一内部结构图式和绘出地球内部真正的密度的地震波传播速度的剖面图。2.地震波——探测地球内部的眼睛2.地震波——探测地球内部的眼睛用固体介质理论解释地震图地震波速度的不连续意味着密度的不连续，我们知道压力增大使原子互相靠近，也就是密度增大。随着深入地球内部，压力和密度也会逐步增大。但在那些地震速度和密度在几公里范围内突然增大的连续面处，问题要更为复杂，其原因是物质化学成分的改变还是物理性质上的相变？则有待于找到一种方法，将地震波提供的信息转换成具体的物质。2.地震波——探测地球内部的眼睛从地震波信息到矿物学语言地质学家想了解地球内部是否由花岗岩、玄武岩以及其它具体的物质所组成，地球化学家也想了解地球的确切化学组成。因此必须找到一种解译的方法和规则，把由地震学家提供的“标志”转换成具体的物质。2.地震波——探测地球内部的眼睛地震学家很快地意识到了高压物理学对地震学的重要性。最早是P.布里奇曼着手进行高压物理实验，尔后他的学生F.伯奇（FrancisBirch）在不同的温度和压力条件下，对各种介质中的地震波传播速度进行测定。F.伯奇建立了地震波速度与物质的密度、压力、温度和各种化学元素含量之间的关系。2.地震波——探测地球内部的眼睛2.地震波——探测地球内部的眼睛伯奇的试验结果伯奇的成果说明地幔是一种富硅的介质，而地核是富铁，因为铁在特高的压力条件下，其密度增长很快，最大可达到11～13克/厘米3。用压缩铁来验证地核的成分，无可争议的是地球物理的一项重大发现。后来的研究表明，要使地震测量结果与实验室的试验结果完全一致，实际上应该承认地核是由一种铁镍合金组成的。2.地震波——探测地球内部的眼睛3.地球的组成地球的组成地幔的组成——是榴辉岩还是橄榄岩岩石圈和软流圈——地壳结构的不均一性毕鸟夫带——震源分布带地壳的性质人们对地壳的性质争论很少，这是由于地壳的岩石易于得到也便于观察，构造活动把地下深处的岩石推到了地表。人们很快发现洋壳与地壳有着根本的差异：洋壳是由玄武岩组成的，上部地壳由富硅的岩石组成，陆壳的深部应该由玄武岩和花岗岩混合组成。而陆壳则比洋壳更轻。所有这些结论与重力测量结果相符。3.地球的组成地幔的组成——是榴辉岩还是橄榄岩由于地幔位于地壳之下，人们只间接地认识它。伯齐的实验告诉我们，地幔的成分与地壳一样，也是由硅酸盐组成的。作为地幔的岩石应符合以下两个条件：一、它具有