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类型基础地质学3.ppt

  • 上传人:无敌
  • 文档编号:303662
  • 上传时间:2018-03-27
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    1、热 忱 欢 迎 同 学 们 前 来,探求地球奥秘感悟人生真谛,地球的物理性质,由于技术发展水平所限,目前还不具备直接观察地球内部的手段,可直观了解地球深部情况的钻孔目前最深也只有12km,因此对地球深处的认识,则主要靠地球物理的工作成果。通过对固体地球的重力、密度、压力、弹性、地热、地磁、放射性等物理性质变化规律的研究,来推测地球内部的物质成分、温度、压力状态等及其变化规律,并以此作为了解和划分地球内部圈层构造的依据。,地球的物理特征,内 容 提 要,1、地球的密度2、地球的压力3、地球的重力4、地球的温度,5、地球的磁性6、地球的电性 7、地球的弹塑性 8、地球的放射性,一、地球的密度,根据

    2、地球的质量(5.9741021 t)和体积(1.081012 km3)可求得地球的平均密度为5.516g/cm3。但地表岩石的密度为1.5-3.3g/cm3,平均2.67g/cm3;海水的平均密度为1.028g/cm3。据此可以断定,地球内部必有密度更大的物质。目前尚无直接测量地球内部密度方法,而是根据地震波在地内的传播速度来推断的。目前公认的地内密度变化模型是由澳大利亚学者布伦(KEBullen)推导的。因为它满足:1.与地球的平均密度相符;2.与地球绕其旋转轴的转动惯量相符;3.与地内地震波传播速度的深度变化曲线相符;4.与目前所知的地内物质成分相符。根据布伦(1975年)推导的模型(图5

    3、-3):地球随深度呈阶梯状递增,在400、650、900、2900、处有显著变化。地球表层2.7g/cm3;33km处为3.32g/cm3;2885km处由5.56g/cm3猛增至9.98g/cm3;6371km处(地心)达12.51g/cm3。,二、地球的压力,地球内部压力主要是上覆物质重量所形成的静压力,其大小与地内物质密度和重力有关。可用Ph=hhgh来表达,其物理含义是地内某处的静压力(Ph)等于该处的深度(h)与其上覆物质平均密度(h )及平均重力加速度的乘积。地壳的平均密度为2.7g/cm3,深度每增加1km,压力增加27.5MPa。地下10km处的压力约为1kPa;33km处为1

    4、2MPa;2885km处为135200MPa;地心处压力估计可达361700MPa。,三、地 球 的 重 力,重力概念 地球重力是指地球表面某一点所受的地心引力F和地球自转离心力C的合力。重力方向 根据FGm/R2,Cm2r可知: 地心引力以赤道最小,两极最大,而离心力以赤道最大,两极为零,离心力相对地心引力是很小的,即便在离心力最大的赤道上,离心力也只不过是该处地心引力的1/289。可见离心力只在很小程度上使重力小于地心引力,而重力方向仍大致指向地球的质量中心,r,R,三、地球的重力地表重力场的变化,受重力影响的空间称为重力场。重力场中某一点的重力强度(即重力值)常以该点的重力加速度来表示,

    5、其常用单位是cm/s2。这个单位称为伽,它的千分之一则称为毫伽。 由于地心引力和离心力均随纬度而变化,故地球表面(大地水准面)赤道处的重力值最小,为978.0318伽,两极处的重力值最大,为983.2177伽,比赤道增加0.53%。即在赤道重1kg的物体在两极便为1005.3g。据此,1971年国际大地测量和地球物理协会通过大地水准面上某一点的重力值的计算公式:0978.0318(10.0053024sin20.000058sin22) 式中 0某一点海拔0m时的重力加速度。为地理纬度。该公式称为国际重力公式,三、地球的重力重力校正与异常,国际重力公式是建立在地球为一均质体的假定基础之上的,所

    6、求得的重力值也是以海平面为基准的。由重力公式所求得的重力值称为正常重力值或理论重力值。实际上,由于地球物质分布不均匀,各处密度和分布状态不同,地形高低不同,由地面重力仪实测的重力值往往与正常重力值不一致。而人们所要了解的往往是地球内部密度的变化情况,因此,就要消除高度(根据重力g=Gm/r2计算以及实验测定,高度每升高1m,g值便减少0.3083毫伽)和地形(高出海平面而组成地形的物质也会形成引力)等因素对重力值所造成的影响,对实测重力值进行一定的折算,这个折算过程称为重力校正。其中消除高度对重力值影响的部分称为高程校正或自由空气校正;消除组成地形物质引力对重力值的影响的部分称为中间层校正;高

    7、程校正和中间层校正又合称为布格校正。其校正公式如下: b(0.3083h0.1119h)10-3式中 b布格校正重力值,伽;实测重力值,伽;测点高程,米;0.3083高度每变化1m重力的变化量,毫伽;0.1119密度为2.67g/cm3的1m高的岩石所产生的重力,毫伽。经过校正,便可把某一点的重力观测值换算成与该点位置相当的海拔高度为零的重力值。校正后的重力值若仍明显偏离正常值,则称其为重力异常。实测校正值大于理论值时称为正异常;反之称为负异常。这种异常反映了地球内部物质密度的变化,它是研究地质构造和地球内部物质变化的重要信息。,三、地 球 的 重 力地内重力变化,由于地球内部质量随深度分布的

    8、不均匀性,导致重力在地球内部呈不规则变化。总的趋势是在地表以下2900km以上呈波浪状变化,而2900km以下随深度增加呈递减趋势。具体表现为:地表重力值为约981伽,向下递增至655km处达到第一次最大值,为995伽,然后向下递减,至2000km深处为986伽,再向深处又快速递增,到2750km处达到极大值1050伽,再向下又减小,到2900km深处为1030伽,其后开始锐减,至地心地球质量为零,重力也为零。,2750km1050伽,2000km986伽,655km995伽,0km981伽,温泉、火山、井下升温等种种迹象告诉人们,地球内部蕴藏着巨大热能。据估计,地球每年通过地表热传导和热辐射

    9、到空间的热量达8.3681020J,相当于现代人类消耗总能量的10倍以上,地球内部的总热量相当于地球全部煤炭储量的1.7108倍。 地球内部温度的受地热控制,表层受太阳辐射热影响。据此可将地球内部的热力和地温分为外热层、常温层、内热层等三层,四、地球的温度,外热层是地球的表层,平均厚度约15m左右。能吸收太阳辐射热,但其中绝大部分又被辐射到空中,只有极少的一部分传入地下数十米深的岩石中,部分温度变化主要受太阳辐射热控制。因此,该层的地温是向下降低的。而且随太阳热量的昼夜和季节性变化而变化,也称变温层。一般来说,日变化速度大而幅度小,影响深度1-1.5m;年变化速度小而幅度大,影响深度10-20

    10、m。,四、地球的温度外热层,常温层常温层是外热层地界面一下、温度常年保持不变的地带,故也称恒温层,其温度相当于当地年平均气温。该层的深度一般中纬度地区较深,而在极地和赤道较浅;内陆区较深,滨海区较浅。原因是中纬度和内陆区的气温年变化较大。,四、地球的温度常温层,内热层位于常温层之下,地温受地球内部热源的影响而随深度的增加而升高,故也称增温层。这种升高往往具有一定规律性。并可用地温梯度和地温级来表示。 地温梯度也称增温梯度或地热增温率。它是指深度每增加100m时地温所增加的度数。以/100m为单位。 地温级也称地热增温级或地热深度。它是指温度每升高1所得增加的深度。与地温梯度呈倒数关系。以m/为

    11、单位。 地温梯度和地温级互为倒数,四、地球的温度内热层,不同的地区地温梯度是不一样的,大陆区一般为3/100m,洋底为4-8/100m。地温梯度除与热源距离有关外,还与热导率有关,热导率低的地区,地温梯度较高。地温较高的地区称为地热(温)异常区,可用于开发地下热水和热气。 在地球内部,地表以下约70km范围内,地温梯度平均为2. 5/100m ,往下逐渐变小,约为0.5-1.2/100m;地温在1000km深处不超过1500,在2900km深处约为2700,地心温度约为3200,一般认为不会超过5000。,四、地球的温度地温梯度的变化,目前普遍认为,地热有三个可能的来源:地球残余热 地球形成过

    12、程中,因星际物质撞击而产生大量热量,地球收缩过程也使地内物质受到压缩放出热量。这部分热量估计可使地球温度升高到几百度并部分残余在地球内部。 重力位能降低热 地球形成后,由于增温放热过程而发生轻重物质分化,轻物质上升,重物质下降,重力位能降低,转化成热量。这部分热量可是地球温度提高1500 放射性元素蜕变热 放射性元素在蜕变过程中,不仅要放出射线,而且也放出巨大热能。地球上部的放射性元素含量高于下部,故放射热主要集中在地球的上部圈层。同时,放射热随时间的推移是逐渐降低的,据有关资料显示,40亿年前全球的放射热大约是现在的4倍。,四、地球的温度地热来源,地球是一个均匀磁化的球体。磁力线分布特征和棒

    13、形磁铁地 磁场相似,呈一个偶极磁场。,五、地 球 的 磁 性,五、地球的磁性磁倾角、磁场强度,地磁极和磁偏角,五、地球的磁性地磁极、磁偏角,五、地球的磁性古地磁,古地磁是指记录于岩石中的地质历史时期的地磁场。岩石在其形成过程中,因受当时地磁场的影响而获得磁性,这些受磁化的岩石在磁场发生改变后,仍可将原来磁化的性质部分地保留下来形成剩磁。其中剩磁有热剩磁和沉积剩磁之分,这些剩磁可以指示当时的地磁场方向,故称为古地磁。热剩磁是指岩浆岩在其形成过程中同时受到磁化而保存的磁性。熔岩在500以上时,其中的矿物是没有磁性的,当温度降低到450时,某些磁性矿物便受当时的地磁场的影响而磁化,使冷凝后的岩浆岩保

    14、留了当时地磁场的特点。沉积剩磁是指沉积岩在其形成的沉积阶段,原已磁化的颗粒(如具剩磁的的熔岩碎屑)沿当时地磁场的方向沉积下来而保存的磁性特征。,五、地球的磁性地磁场变化,地磁场的变化有短期变化和长期变化之分短期变化每天都有轻微而规则地发生,磁偏角变化约几分,磁场强度变化几十伽玛。这些是由地球公转和自转中日地相对位置和地轴倾斜等外部原因引起。比较强烈的突然性变化称为磁暴,平均每年发生10次左右,每次时间几小时到几天,强度可达几伽玛,磁暴发生时,磁针摆动不停,罗盘无法使用,无线电讯中断,高纬度地区出现极光。磁暴与太阳活动放出的大量电磁辐射使大气强烈电离有关。消去地磁要素的短期变化就得到了基本地磁场

    15、。基本地磁场也有长期而缓慢的变化。主要表现为地磁极极性和位置的变化。现已查明:0.69Ma年前至今的磁北极在0.692.43Ma年间为磁南极,在2.433.32Ma年间为北磁极,再以前相当一段时间为南极。极性转换期磁强减弱,磁北极1600年位于7842N、5900W;1700年是7551N、6848W; 1970年是6918N、9637W; 1980年是7812N、10254W。,根据北美和欧洲古地磁资料500Ma来的地磁极迁移路径,15801970年伦敦磁偏角变化,磁异常,五、地球的磁性磁异常,磁场成因,五、地球的磁性,六、地 球 的 电 性,地球电性的表现:大地可作为发电厂的回路、大气电离

    16、对的感应电场、大雷雨时的放电现象、岩体温差电流、大面积地磁场感应电流等,说明地球具有电性。地电的影响因:地球内部的电性主要受地内物质的电导率影响。地壳的电导率与岩石的成分、空隙度、空隙水的矿化度有关。如沉积岩的电导率大于变质岩的电导率,空隙度大且充满水的岩石的电导率大,空隙水的矿化度高的岩石电导率大,等等。 地壳电导率还与层理有关,沿层理方向比垂直层理方向的电导率大。温度对电导率的影响更大,熔融岩石比未熔融的同类岩石的电导率大几百到几千倍,所以地热流大的地区电导率也大。电导率随深度有的增加趋势。地电的变化:大地电流主要是地磁场变化而产生的,因此大地电流的强度和方向受其影响均有变化。地电场有日变

    17、、月变、年变等周期变化,也有不规则的干扰变化。主要来自地球外部,如太阳辐射、宇宙线等。地电干扰也叫电暴,变化强度大,时间短。地电场经常受到日变和电暴影响而有改变。必须设固定的观测站连续观测,将外加电场消除,可获得正常电场值。将测量值与正常值比较。如有差异就是地电异常。反映可能有矿体或地质构造存在。根据这一原理进行勘探找矿的方法叫电法勘探。,七、地 球 的 弹 塑 性,地球具有弹性和塑性。地球内部地震波的传播和地球表层的固体潮(地表在日月引力下象海水发生潮汐那样发生升降运动的现象仪器测量结果升降可达7-15cm)现象反映出地球的弹性。地球旋转椭球体的形状和许多岩层强烈褶皱而不断裂则说明地球不是完

    18、全的刚性体,而具有一定的塑性。 地球的弹性和塑性在不同条件下可以互相转化。一般来说,任何物质变形与都其松弛时间(水为1012秒,冰为103秒、方解石约为1天、石灰岩约为300年,地球平均约为1.5年)有关,当作用力作用时间短于松弛时间时,受力物质表现为弹性,反之则表现为塑性。因此,地球在作用速度快、持续时间短的力(如地震波和潮汐力)的作用下表现为弹性体,而在速度缓慢、持续时间长的力(如地球旋转力、重力)的作用下则表现为塑性体。所谓松弛是指在总变形(弹塑性变形)保持固定的条件下,随着时间的推移,弹性变形会逐渐消失,而塑性变形会逐渐增大,变形物体内部的应力逐渐降低的现象。松弛时间粘滞系数/弹性模量

    19、。,七、地球的弹性地震波,地球具有弹性使地震波得以传播,人们正是通过对地震波在地球内部传播所发生变化的研究来了解和解释地球内部的特征和物质变化的。 地震波通常可分为体波(又可分为纵波和横波)、面波和自由振荡。纵波(P波)传播时质点震动方向与波的传播方向一致。横波(S波)的质点震动方向与波的传播方向垂直。面波(L波)是沿地面或某个界面传播的波,其质点震动比较复杂。自由振荡 地震波速与物体的密度和弹性有关,其关系式为 Vp=(k+3/4M)p Vs=M/p (Vp纵波速;Vs横波速;p介质密度;k体变模量;M切变模量) 可见,波速与密度成反比,与弹性模量成正比;固体中纵、横波都能传播,而在液体中因其切变模量为零而不能传播横波;地内密度随深度增加,波速也相应加快。结合模拟实验,可将地球内部划分为若干圈层并推测其成分和物态,八、地球的放射性,地球。,

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