固體地球物理學導論1-2

1、固體地球物理學概論,地球物理與空間信息學院,第一章,課程主要內(nèi)容,第一章 序言 第二章 地球的起源、運動與結構第三章 地球形狀、密度及重力場第四章 地球的磁場 第五章 地球的電磁感應和電性結構第六章 地球內(nèi)部的熱狀態(tài)與地熱場特征 第七章 地球內(nèi)部的地震波場第八章 地球內(nèi)部介質(zhì)的各向異性與地震層析成像第九章 實驗與計算地球物理第十章 若干熱點問題,第一章,什么是地球物理?地球物理學研究那些內(nèi)容?地球物理與其他學科

2、的關系.地球物理的發(fā)展地球物理對社會發(fā)展的貢獻,第一章 序言,第一章,地球物理學的定義,地球物理學是以地球為研究對象,研究地球的各種物理現(xiàn)象，以及這些現(xiàn)象與地球運動、地球各層圈結構構造、地球物質(zhì)的分布及遷移的關系的學科。(Geophysics) 地球物理學最早是物理學的一個分支。廣義上說，地球物理研究的領域涉及天體物理學、地質(zhì)構造物理學、大地測量學、海洋物理學、氣象學、大氣物理學、空間物理學等。狹義上說，地球物理學指

3、的是固體地球物理學，即以研究地球的各種物理特征與與地球運動、地球內(nèi)部結構構造、地球內(nèi)部物質(zhì)成分及其分布等關系的學科。 地球物理學是地球科學的重要組成部分，地球物理學、地質(zhì)學和地球化學被稱為地球科學的三大支柱。,第一章,固體地球物理學的學科分支,重力學 地球的形狀、重力場的變化、物質(zhì)密度的變化與分布，等等地磁學 地磁場的分布和變化、地磁場的起源、地磁場的演變，等等地震學 地震發(fā)生機制與震源分布、地震波類型與傳

4、播、地震預報，等等地熱學 地溫場的分布和變化、地熱源及其分布，地熱的傳播，等等地電學 地球電磁感應特征和變化、地電結構，等等,第一章,地球物理學與其它學科,地球物理學是天文學、物理、化學、地質(zhì)學之間的邊緣學科，是一個涉及多學科的、與其它學科相互交叉、相互滲透的學科。 數(shù)學、物理學、地質(zhì)學是研究地球物理學三大基礎。 現(xiàn)代儀器技術、信息科學、運載工具技術的發(fā)展，是推動其發(fā)展的關鍵技術。 地

5、球物理學已經(jīng)成為人類社會發(fā)展的不可缺少的科學。 應用地球物理——資源勘察、災害調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測、工程檢測、軍事戰(zhàn)略……,第一章,地球物理學的發(fā)展,地球物理學從19世紀末到20本世紀初已形成體系，但對地球物理現(xiàn)象的觀察和探討，從遠古就開始了。 公元前六世紀，希臘人從亞那薩哥拉時代已把大地看成球體；公元前三世紀，古希臘的學者亞里士多德曾提出：運動物體的下落時間與其重量成比例；戰(zhàn)國時期，我國發(fā)明了指南針，并開始應用于指引方向；

6、公元三世紀我國東漢的地震學家張衡成功地進行了地震觀測；公元八世紀，我國唐代的天文學家張遂(僧一行)獨立得出地球圓周長，其誤差約小于20％；…… 公元16世紀以來，作為物理學中熱門，地球物理學得到較快的發(fā)展。伽利略從大量的實驗中總結出：物體墜落的路徑與它經(jīng)歷的時間的平方成正比，而與物體自身的重量無關；里舍(在利用擺鐘從巴黎到南美進行天文觀測時發(fā)現(xiàn)重力加速度在各地并非恒值；牛頓的萬有引力定律以及他推算的地球扁率；南斯拉大地震學家莫

7、霍洛維奇在1909年研究阿爾卑斯地區(qū)的區(qū)域地震波震相時發(fā)現(xiàn)了地殼與地幔的分界面——莫霍(Moho)界斷面；……,第一章,地球物理學對人類社會發(fā)展的貢獻,大地測量學的誕生與發(fā)展，使人類能夠得到地球表面的起伏變化，并用于生產(chǎn)建設和規(guī)劃，…… 地磁學的研究，使人類了解了地磁場，并用于導航，…… 地熱學的研究，使人類了解如何直接利用能源，……. 地震學的研究, 開始“預報”地震災害，…….. 基于地球物理學理論的探測技術

8、，為人類創(chuàng)造財富，為人類“排憂解難”，…….,第一章,地球物理學的研究方法,最初，地球物理學研究就是從對地球的觀測開始的，所以地球物理學研究是建立在對地球充分地觀測基礎進行的。 地球物理學研究方法可分為以下幾個方面： 觀測方法研究 數(shù)據(jù)分析與處理方法研究 模擬真實對象的理論模型計算與實驗 推測真實對象反演計算,第一章,如何學好本課程,閱讀參考書籍 聽、記、問 掌握基本概念 領會分析問題和解決問題的方法 了解數(shù)

9、學方法的應用,第二章,,第二章 地球的起源、運動與結構,太陽系及其組成與演化地球的轉動與軌跡地球內(nèi)部的結構 地球內(nèi)部的物質(zhì)組成,第二章,,太陽系、太陽系的組成,2.1 太陽系、太陽系的組成及起源 2.1.1 太陽系的成員 ⑴太陽----恒星，是太陽系的中心，是質(zhì)量和體積最大的星體。 ⑵大行星 水星（Mercury)、金星（Venus）、地球（Earth）、

10、 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 太陽系約有30000多個小行星，最大的小行星叫谷神（Ceres）,直徑約730km。 ⑷行星的衛(wèi)星 ⑸彗星,第二章,大行星位置排列示意圖,第二章,小行星、彗星 大行星衛(wèi)星圖片,月球,彗星,小行星,木星的衛(wèi)星,第二章,太陽系主要成員的基本特征,2.1.

11、2 太陽系主要成員的基本特征,第二章,⑴軌道的規(guī)律性共面性：行星軌道平面幾乎平行，且與太陽赤道面平行。同向性：行星公轉方向，除金星、天王星和冥王星以外，都與太陽自轉方向一致，為逆時針方向。近圓性：行星軌道偏心率小，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為行星秩序數(shù)，水星取－∞，金

12、星取0，地球取1，火星取2，小行星取3，…，冥王星取8。,軌道特征,第二章,,軌道示意圖（一）,第二章,,,軌道示意圖（二）,第二章,,軌道示意圖（三）,第二章,⑶太陽系天體的自轉 行星的自轉可分兩種情況，類地星自轉速率差異較大，金星需244天，火星只需1.03天；巨行星和遠日星自轉較快，均不到1天。 太陽自轉有“赤道加速”現(xiàn)象，即赤道處自轉約25.4天，兩極附近約35天，其內(nèi)部旋轉速度更快，可能比表面快十幾甚至幾十倍。

13、 ⑷質(zhì)量與密度分布特征 太陽占了太陽系總質(zhì)量的99.85%，行星占0.135%，其它占0.015%。若將行星分為三類，即 類地星（水星、金星、地球、火星）、巨行星（木星、土星）和遠日星（天王星、海王星、冥王星），則有 質(zhì)量分布：類地星＜巨行星＞ 遠日星 密度分布：類地星 ＞巨行星 ＞ 遠日星,自轉及密度特征,第二章,行星自轉示意圖,,第二章,日冕： 太陽大氣的最外層稀薄部分,由太陽表面伸展出

14、數(shù)百萬公里,包含著鐵、鎳和其他氣體的極高度電離的原子,這表明溫度有幾百萬度,日全食時肉眼觀看它的外貌像是環(huán)繞月亮黑色圓盤的珍珠灰色光環(huán),但在其他時候要用日冕儀才可觀測到。,日冕,第二章,太陽內(nèi)部結構示意圖,太陽內(nèi)部結構示意圖,第二章,太陽黑子圖片,太陽黑子圖片,第二章,水星及其表面圖片,水星及其表面圖片,第二章,金星圖片,金星圖片,第二章,地球的衛(wèi)星攝影圖片,地球的衛(wèi)星攝影圖片,第二章,地球與月球,地球與月球,第二章,航天飛機攝影圖片“

15、非洲角”,航天飛機攝影圖片“非洲角”,第二章,火星圖片,火星圖片,第二章,木星圖片,木星圖片,第二章,土星圖片,土星圖片,第二章,天王星圖片,天王星圖片,第二章,海王星圖片,海王星圖片,第二章,冥王星圖片,,冥王星圖片,第二章,隕石圖片,隕石圖片,第二章,星云圖片,星云圖片,第二章,2.1.3 太陽系的起源 自從1775年康德根據(jù)牛頓的萬有引力定律提出星云說以來，先后出現(xiàn)了幾十種假說。歸結起來，主要有“災變說”、“俘獲說”、“原

16、始星云說”和“次生星云說”。 ⑴ 災變說 災變說認為，太陽是先形成的，由于某個事件，如一個恒星與太陽相撞或距離很近時，從太陽中“拉出”一部分物質(zhì)，并賦予巨大的轉動角動量，這些物質(zhì)后來逐漸形成了行星及其衛(wèi)星。 ⑵ 俘獲說（隕石說） 俘獲說也是認為太陽是先形成的，但與災變說不同的是，它認為原始行星物質(zhì)是來自其它星際，被太陽的引力俘獲而來的，如隕石。,太陽系起源的假說（一）,第二章,⑶ 原始星云說 

17、 原始星云說屬于‘漸變說”范疇。這種學說認為，太陽系乃由同一原始星云物質(zhì)形成，行星和衛(wèi)星是由一度圍繞太陽的星云盤物質(zhì)凝聚而成的，并非某種偶然突變性事件的結果。 1755年，康德根據(jù)牛頓的萬有引力定律，提出了關于太陽系起源的星云說。他認為形成太陽系的物質(zhì)基礎是星云，即大團的旋轉著的氣體和塵埃，形成太陽系的動力是自引力，即星云各部分的相互吸引的引力?？档抡J為處在混沌之中的宇宙初始物質(zhì)由于引力作用集結起來，更大的和更密集的一些質(zhì)點

18、開始把周圍較小的和比較不密的質(zhì)點吸引過去，以后較小的物質(zhì)凝團繼續(xù)向業(yè)已形成的中心體靠近，由于相撞使中心體獲得了更大的旋轉慣量和熱量，并產(chǎn)生了巨大的灼熱天體——太陽。隨著旋轉速度加大，大量微小塵埃物質(zhì)在旋轉著的原始太陽的赤道上集中起來，形成了扁平的星云盤。之后，在星云盤的邊緣部分形成了物質(zhì)集中的中心，并從這些中心產(chǎn)生了行星和環(huán)繞行星的衛(wèi)星。在41年以后，拉普拉斯提出了和康德相似的“原始星云說”。,太陽系起源的假說（二）,第二章,在20世紀

19、中葉出現(xiàn)的各種星云說中，霍伊爾(F．Hoyle)的學說較有代表性?；羰险J為，太附系開始時是一團凝縮的星云，溫度不高，轉動角速度因逐漸收縮而加快。當初始的太陽星云收縮到現(xiàn)今水星軌道之內(nèi)不遠處，就出現(xiàn)了自轉不穩(wěn)定，星云外部不再收縮，兩極漸扁，物質(zhì)因此而拋出，形成一個環(huán)繞“原始太陽”的盤狀物，其質(zhì)量僅為太陽的百分之一。中心的“原始太陽”與圓盤脫離以后，繼續(xù)收縮，不再分裂，最后形成太陽。圓盤與太陽脫離后，質(zhì)量不再增加，最后形成行星。 由

20、于繼續(xù)收縮的太陽具有磁場，而圓盤星云內(nèi)有電離氣體，太陽與圓盤內(nèi)緣產(chǎn)生一種磁致力矩，使太陽的角動量轉移給圓盤，因而由圓盤形成的行星具有較大的角動量。在原始太陽從50倍太陽半徑收縮到1倍太陽半徑的過程中，表面溫度保持為3500度左右，在地球軌道附近地區(qū)，沸點低的揮發(fā)性物質(zhì)相繼逃逸，而不易揮發(fā)的鐵，鎂、硅等元素則凝聚為塵粒，通過碰撞粘合而形成塊狀物質(zhì)，直徑小于1米的固體留在類地行星的區(qū)域而形成類地行星。在木星、土星軌道附近的地區(qū)，沸點低的物質(zhì)

21、可以保留，因而使得土星、木星的化學成分與原始星云以及太陽相近，H，He最多。在天王星、海王星的空間附近，由于逃逸速度小，H和He大部分逃逸，剩下的多為C，N，O與H2O等物質(zhì)。,太陽系起源的假說（二） (續(xù)）,第二章,太陽系起源的假說示意圖,第二章,太陽系起源的假說模擬動畫,第二章,太陽系起源的假說模擬動畫,第二章,2.2 地球的轉動與軌跡 在廣闊的宇宙空間中，地球做為一個行星在不停地運動。它不僅繞著一條軸線自四向東自轉，同時

22、也沿著近似圓形的軌道繞著太陽轉動。由于日、月的吸引和地球慣量矩的季節(jié)性變化及其它目前還不甚清楚的原因，故地球的轉動速度是不均勻的。研究地球的轉動實際上就是研究地球轉動的不均勻性。 地球旋轉軸叫地軸。地軸同地球表面的交點就是南北極。地軸的無限延長就是天軸。如果以地心為球心，以無限大為半徑構成的球面叫天球，則天軸和天球的交點叫天極。地球的赤道面與天球的交線為天赤道，地球繞太陽公轉軌道叫黃道，月球繞地球公轉軌道叫白道。,地球的轉動,第

23、二章,2.2.1 地球的自轉與公轉 地球的自轉與公轉，是地球諸多運動中最顯著的運動，這是一個天文學問題，也是一個地球物理學問題。在天文學中是將地球作為一顆行星，在太陽系的形成過程中，地球獲得的角動量主要分配于地球繞太陽公轉、地一月轉動系統(tǒng)和地球的自轉中。 ⑴地球的自轉 地球自轉一周是一日。在天文學上日的定義有三種，即恒星日，太陽日和太陰日。恒星日是以恒星為參考點，太陽日和太陰日則是分別以太陽和月亮為參考點計算的一

24、天的長度。如果把地球中心和一個遙遠的恒星連成一線，那么地球自轉一周的過程中，這條直線要先后同地球的每一經(jīng)線相割。兩次相割同一經(jīng)線所需的時間，叫恒星日，如果這一直線是連結地球中心和太陽中心，那么，這一段時間就叫太陽日，如果這一直線是連結的地球中心和月球中心，這段時間就是太陰日。,地球的自轉,第二章,恒星日是地球自轉的真正周期。因為恒星的位置在天球上是固定的。而太陽日和太陰日則不然，它們不是地球自轉的真正周期，因為太陽和月球相對地球是運動著

25、的。由于太陽在天球上的運動是地球繞日公轉的反映。月球在天球上的運動是月球繞地公轉的反映。 如果用24時00分表示一個恒星日的長度，那么太陽日的長度就是24時04分，太陰日的長度是24時54分。,地球的自轉（續(xù)）,第二章,⑶地球公轉的軌跡 地球在不停地自轉過程中帶著自己的衛(wèi)星——月球繞太陽公轉。嚴格地說來，地球所圍繞的并不是太陽或太陽中心，而是太陽和地球的共同質(zhì)量中心。據(jù)計算，這個共同的質(zhì)心距太陽的質(zhì)心僅450km。因此，

26、可以把地球公轉說成地球繞太陽的運動。地球公轉軌道是一個橢圓，其半長軸a=149.6×106km,半短軸b=149.579×106km，半焦距c=2.5×106km非常接近正圓。 由于太陽位于地球公轉軌道的一個焦點上，因此地日距離的變化以一年為周期。十分明顯，參考點不同，一年的長度也不一樣。若把太陽中心和一個位于地球公轉軌道平面的恒星連成一直線，那么，地球兩度經(jīng)過這一直線的時間就是一恒星年。恒星年是地

27、球公轉的真正周期。,地球公轉及軌跡,第二章,除恒星年以外，在天文學上還有回歸年、近點年和食年等不同的定義。如以春分點，近日點和黃白交點(黃道和白道在天球上的交點)為參考點，即得回歸年、近點年和食年。由于春分點，近點和黃白交點在天球上不是固定的，因此，以這些點為參考點所測得的年也不是地球公轉的真正周期。據(jù)測定 恒星年: 365日6時9分10秒； 回歸年: 365日5時48分46秒； 近點年: 365日6時12分53

28、秒； 食 年: 346日14時52分53秒。,地球公轉及軌跡 （續(xù)）,第二章,地球的公轉與四季變化,第二章,地軸的進動,2.2.2 地軸的進動與章動 ⑴地軸的進動 月球軌道平面比較接近地球軌道平面，而黃平面和赤道面又有較大的交角。因此太陽和月球時而在地球赤道平面這邊，時而又在赤道平面那邊出現(xiàn)，這種對地球赤道隆起部分施加的不平衡的吸引力，特使地球以黃軸為軸作周期性的圓錐形運動，即所謂進動。

29、由于地球自轉的方向是由西向東，因此地軸的進動的方向是由東向西。地軸進動的速度是每年50.26“，故地軸旋進的周期為(360??60‘?60″ /5.26”) 25786(年)。這是一種極為緩慢的運動。由于地軸在不斷進動，所以其指向也在發(fā)生極其微小的變化，現(xiàn)在它指向北極星附近，公元13600年，它就會指向織女星。 由于地軸在不斷進動，因而赤道平面的位置也會相應地發(fā)生變化。其結果將導致春分、秋分、夏至和冬至四個點的改變，它們在

30、黃道上也以每年50.26“的速度向西進動著。,第二章,地軸的進動軌跡示意圖,第二章,地軸的章動,⑵地軸的章動 研究表明，地軸這種象陀螺一樣以25786年為周期的旋進運動(或稱歲差)的主要原因是月球?qū)Φ厍虺嗟缆∑鸩糠炙┘拥奈?。但實際上，太陽、月球和地球的位置是在不斷發(fā)生變化的。太陽每年兩次通過赤道，月亮每月兩次通過赤道，因而作用到地球上的引力十分復雜。由于這個緣故，在地軸長期的旋進過程中，又在它原有位置上附加了一個短周期的擺

31、動，這個擺動叫做章動。章動的周期為18.6年,也就是說，地軸的進動不是一個簡單的錐面，地軸沿錐面里外擺動，使錐面帶上一個“荷花”式的花邊，其擺動的振幅最大只不過9.206"。,第二章,地軸的進動與章動合成軌跡示意圖,第二章,地球的平動,2.2.3 地球的平動 地球一面不停地自轉，一面又帶著月球繞太陽公轉。而太陽本身除自轉外，義帶著它的行星族(包括地球)以每秒約20km的速度向織女星方向奔馳。地球隨整個太陽系在宇宙太空個

32、不停地向前運動，即所謂平動。 從相對論的觀點來看,地球在宇宙太空中的運動并沒有到此為止。太陽系(包括地球)隨著它周圍的恒星群以大約每秒300km的速度繞銀河系的質(zhì)心旋轉，太陽系繞銀中心轉動一周大約2億5千萬年。而銀河系本身又正以每秒600km的速度向長蛇星座運動……。,第二章,2.3 地球內(nèi)部圈層結構 多年來對地球內(nèi)部的研究，在全球范圍內(nèi)已積累了豐富的資料，根據(jù)地震波速度的變異，地球內(nèi)部可概略地分為地殼、上、下地幔和內(nèi)、外

33、地核幾個大的圈層，這些層圈之間都存在一個物性分界面，自外向內(nèi)可為：殼幔界面上下地幔之間的過渡層幔核界面內(nèi)外核邊界,地球內(nèi)部圈層結構,第二章,地球內(nèi)部結構示意圖,第二章,地球內(nèi)部圈層示意圖,第二章,地震資料揭示地球圈層結構,第二章,地球圈層特征,(1)殼幔邊界 在地殼下面30-60km深度處，P波速度從6-7km/s，跳到8km/s以上，它是地殼與地幔的分界面，這個界面是南斯拉大地震學家莫霍洛維奇(Mohorovi

34、cic)在1909年研究阿爾卑斯地區(qū)的區(qū)域地震P波震相時發(fā)現(xiàn)的，因此，這個界面又稱為莫霍間斷面(通常用Moho或M表示)。 (2)上下地幔的過渡層 從1956年開始澳大利亞地震學家布倫(Bullen)對地幔做了進一步地分層的研究，認為地幔由上地幔、過渡層（速度變化不均勻）和下地幔(速度變化均勻)組成。,第二章,地球圈層特征 （續(xù)一）,(3)幔核邊界 在地幔內(nèi)部，速度隨深度而增加，在大約2900km處，P波速度突然

35、從13km/s下降到8km/s左右，在地球內(nèi)部出現(xiàn)第二大間斷面。這是美國的地震學家古登堡(Gutenberg)于1914年通過大量天然地震震相分析首先提出的，該界面又稱為古登堡界面。 (4)內(nèi)外核邊界 從2900km以下進入地核，P波速度逐漸回升，S波速度因不能通過而恒為零，直到大約5300km深處．S波才出現(xiàn)，P波速度也呈現(xiàn)明顯跳躍，成為地球內(nèi)部的第三大間斷面。從而可見，外核物質(zhì)為液態(tài)，內(nèi)核物質(zhì)則為固態(tài)。這是丹麥地震學

36、家萊曼(Lehmann)女士在1936年首先發(fā)現(xiàn)的，并記為L面。,第二章,地球圈層特征 （續(xù)二）,上述地球分層，即主要簡單的劃分，從本世紀開始至50年代已大體確定，而且習慣上采用A-G字母廣以命名：A(地殼)，B(上地幔)，C(過渡層)，D(下地幔)，E(外核)，F(xiàn)間斷面，G(內(nèi)核)。 最近30年來，對地球結構的認識逐步深入，目前在橫向變化、非彈性和各向異性諸方面的研究不斷深化，使地球模型逐漸發(fā)展和完善。在地球分層模型的發(fā)展過程中

37、，曾先后出現(xiàn)佐普列茲蓋格模型，杰弗里斯模型，古登堡(Gutenberg)模型，布倫(Bullen)模型，安德森—哈特模型以及初步地球參考模型(PREM)。這些模型彼此有聯(lián)系，也有一些區(qū)別，其中布倫模型和初步地球參考模型，使用較廣。,第二章,地球圈層模型參數(shù),,第二章,地球內(nèi)部物質(zhì)組成,2.4 地球內(nèi)部物質(zhì)組成 目前，許多學者都是借助于宇宙的豐度和已知的觀測事實，以及地球物理資料來構筑地球物質(zhì)模型，主要考慮以下四個方面：

38、①地球作為宇宙天體的一個成員并由宇宙物質(zhì)演化而來，地球的元素豐度應與宇宙的元素豐度大致相同，因此可以根據(jù)宇宙豐度構成地球基本成分的簡單模型； ②地球基本成分及其分布必須符合深部地震資料所反映的物質(zhì)密度、波速等物理參數(shù)； ③地球成分分布必須與地球總的質(zhì)量和慣性矩相協(xié)調(diào)； ④地球元素分布必須符合地球內(nèi)部溫度、壓力分布的狀況。,第二章,地殼物質(zhì)組成,2.4.1 地殼物質(zhì)組成 根據(jù)礦物學研究，長石(鉀長石、斜長石

39、)是地殼中最豐富的礦物，其次是石英和含結晶水的礦物。地殼平均密度約為2.7-2.8g/cm3，基于較富集礦物的速度和Vs/Vp比值的差異，故利用地震波的速度便可以有效地進行判別。由于蛇紋石化作用，橄欖石的波速可降低，在下地殼中蛇紋石化的超鎂鐵巖是一種不穩(wěn)定因素，有一些地區(qū)的Moho界面可能不在玄武巖層的底部，而是在上地幔頂部的蛇紋石化帶底部。 海洋和大陸地殼成分有所不同。大陸地殼含石英和長石較豐富，故大陸地殼內(nèi)部密度一般小于海洋

40、地殼。若Moho界面是巖石學界面，即為硅鋁質(zhì)的或鎂鐵質(zhì)的陸殼巖石與超鐵鎂巖的地幔巖石之間的邊界。若Moho界面是化學分界面，地殼最大厚度可能出現(xiàn)在玄武榴輝巖的邊界處，由此，可以把一個相位間斷面(玄武一榴輝巖)轉變?yōu)榛瘜W間斷面(玄武一橄欖巖) 。,第二章,地幔物質(zhì)組成,2.4.2 地幔物質(zhì)組成 地幔的最上部也由堅硬的硅酸鹽巖石組成，它們和地殼一起構成了地球的巖石圈。目前人類還不能取回深度超過13km的任何物質(zhì)樣品。除了幔源巖漿及其

41、所攜帶的少量地幔巖石（可給地球科學家提供最深達約200km深處的物質(zhì)）樣品外，直接研究地幔(及其以下部分)的愿望并未實現(xiàn)。 巖石圈地慢中的最重要的礦物是鎂硅酸鹽和鋁硅鞍鹽兩大類，局部可能有氧化物或硫化礦物聚集，正常地幔中基本無含水礦物。其中，鎂硅酸鹽礦物的結構變化能反映地幔不同部位的壓力條件。,第二章,地幔物質(zhì)組成 （續(xù)一）,(1)上地幔 根據(jù)地球物理資料和高溫高壓實驗結果，巖石圈地幔的硅酸鹽礦物應為橄欖石，大洋下已觀測

42、到的橄欖石，在上地幔的溫度壓力條件下，橄欖石、斜方輝石和單斜輝石是穩(wěn)定的，因而，認為上地幔頂部可以看成是橄欖石和輝石的集合體。 巖石圈地幔底界變化于60~220km深處，其下有一個地震波的低速層，無疑是高熱梯度區(qū)。在高溫條件下壓力效應將被忽略，導致波速隨深度增加面減小。較多學者用部分熔融或斷層來解釋低速帶的成因，認為它可能是大部分拉斑玄武巖聚集區(qū)，對于上覆巖石圈構造演化有重要影響。 220~400km深度的上地幔下部物質(zhì)

43、又變得致密、剛性，溫度也回歸正常增長范圍。是固相超鐵鎂質(zhì)和鐵鎂質(zhì)巖石，也是大量堿性玄武巖巖漿的形成區(qū)。,第二章,地幔物質(zhì)組成 （續(xù)二）,(2)過渡層 地幔中在400km和670km深處存在兩個不連續(xù)面，其間稱為地幔過渡層。在400km深度的溫度和壓力條件下，斜方晶系的橄欖石變成等軸晶系的尖晶石，密度增加約60％。至600km處，尖晶石分解成更重的氧化物，如方鎂石(MgO)、方鐵礦(FeO))和斯石英(一種比重達到4.28的高密石

44、英)。 (3)下地幔 下地幔中物質(zhì)結構不再變化，地震波速度的平緩增加也可用物質(zhì)結構已經(jīng)壓縮成較致密來解釋。硅酸鹽礦物已轉變成氧化物或具鈣鈦礦結構的硅酸鹽，隨深度增大唯一的成分變化表現(xiàn)為FeO含量的小幅度增高。 下地幔的主要成分可能是MgO和SiO2, 其次是CaO和Al2O3,CaO和Al2O3在下地幔中的平均含量雖較低，但它們可能有一些富集區(qū)。下地幔底部200km范圍內(nèi)物質(zhì)較上覆地幔致密，由于高熱梯度導致其內(nèi)物

45、質(zhì)小規(guī)模頻繁對流，而且該區(qū)Ca,Al,Ti較上覆部分富集。,第二章,地核物質(zhì)組成,2.4.3 地核物質(zhì)組成 根據(jù)推測，地核中的主要的元素成分是Fe和Ni，所以地核常被稱為鐵鎳核，但純鐵鎳核與地核已知的地球物理資料不一致，它有太高的密度和太低的地震波速，因此地核中可能含有較輕的元素。目前一般推斷外地核可能由液態(tài)鐵組成，其中鎳含量可能達10％，并有大約5％-15％較輕的元素，如硅、氧、鉀、氫等。內(nèi)地核應為剛性很高的，在極高壓下結晶的

46、固體鐵鎳合金組成。因地核尺度太小，很難精確測定其密度值，對地核成分的確定僅依據(jù)波速簡單地將內(nèi)核看成是外核的凝結變相體。由于內(nèi)外核之間(4771~5150km)是一個溫度梯度很高的厚近380km熱邊界層，既可引起鐵在邊界聚集，又使輕質(zhì)元素難以在內(nèi)核中穩(wěn)定，這樣的熱邊界也可能是化學邊界。對地核物質(zhì)狀態(tài)的認識還存在不確定性，地核可能處于近乎化學均一的絕熱狀態(tài)和近似化學分層狀態(tài)之間的過渡狀態(tài)。,第二章,,第二章 內(nèi)容提要,太陽系及其組成與演化

47、太陽系的成員(太陽、大行星、小行星、行星的衛(wèi)星、彗星)軌道的規(guī)律性(共面性、同向性、共圓性)質(zhì)量與密度分布特征太陽系天體的自轉（行星的自轉、太陽自轉）地球的轉動與軌跡基本參照（天軸、天球、天極、天赤道、黃道、黃極）地球自轉（周期、恒星日、太陽日與太陰日）地球公轉（周期、恒星年、春分點、秋分點、夏至點、冬至點、南\北回歸線 ）地軸進動、章動與地球平動,第二章,,第二章 內(nèi)容提要　（續(xù)）,地球內(nèi)部的結構地殼、上地幔、過渡帶