第3章 地球的物理性质和圈层结构
3.1 复习笔记
一、地球的密度和弹性
1．地球的质量和密度
（1）质量与密度计算
①地球质量计算原理
根据牛顿第二定律F＝mg和引力定律G＝fm/r2，地球质量应该是 M＝gr2/f。式中m是地表上一个受地心引力作用的物体的质量，g是重力加速度。即知道地球半径r和引力常数f可计算地球的质量。
②地球半径
假定地球是一个圆球体，测算地球半径的几何学原理为：一段圆弧的长度与其对应的圆心角成比例。当圆心角以弧度为单位时，该比例的常数就等于圆的半径。
③地球质量
现代计算地球质量时，以旋转椭球作为地球模型，并考虑地球内部温度、压力的变化和物质分布不均等因素，结合动力学分析，得到地球的质量为5.9472×1024t。
④地球密度
以计算得到的地球质量除以地球体积，算得地球的平均密度为5.516g/cm3。
（2）内部物质分布
对地球内部物质的研究主要依靠各种间接手段和依据。其中由地震波提供的信息最为重要。
②地震波与介质密度和弹性的表达式
a．理论公式
式中，Vp为纵波速度；Vs为横波速度；K为介质的体变模量；
μ为切变模量；ρ为介质密度
b．经验公式
③推断模型
一次地震发生后，设置在全球各地的地震台站先后接收到穿过地球传来的地震纵波（或P波，VP）、横波（或S波，Vs）及沿地面传播来的衍射波（或M波）。经过计算，可以从中得到地球内部不同深度的地震波速，进而推断得出相关的物质密度分布规律。
图3-1 一种地球内部物质密度变化的推断模型
④模型分析
随着地球深度的增加，地球的密度也逐步增大。但密度的增大随深度的不同不均匀变化，除了图中未能表示的地壳与地幔的分界（约为地表以下33km左右）外，在图中可以看到三个明显的突变处，分别是上、下地幔的分界、地幔和地核的分界面、内、外地核的分界位置。根据横波不能通过外核的现象，可以推知地球外核是液态（铁）的结论。
２．固体潮与地球的弹性
（1）固体潮
①定义
固体潮是在日月引力的作用下，出现在固体地球表层类似潮汐的现象。
②特征
当存在固体潮时，某一观测点的铅垂线方向和地面的倾斜会发生相应变化，但其变幅不大，仅有千分之几秒角度。
③意义
固体潮的存在说明固体地球具有一定的弹性，固体潮即弹性地球在日月引潮力的作用下发生的弹性变形。
④推论
a．地球非严格的旋转椭球体；
b．不规则的形态表明地球内部物质在分布上具有显著的不均匀性。
⑤影响
a．月球的吸积作用使地球自转轴的方向发生偏移；
b．日、月潮汐引起的摩擦力使地球的自转速率越来越慢。
3．地球的振荡
（1）自由振荡
地球作为一个整体在受激后能够产生无穷多种振型的自由振荡。基本的振荡方式有两类：周期性的涨缩振荡和扭转振荡。
①涨缩振荡
a．定义
涨缩振荡是一种沿地球经向发生的自由振荡。
b．振荡形式
n＝0的相位代表整体地球作交替的压缩或扩张；
n＝1时两极扩张，赤道压缩；
n＝2的相位则对应着两极压缩和赤道扩张。
c．影响
涨缩振荡可使地球的密度在一定程度上发生改变。
②扭转振荡
a．定义
扭转振荡也称为环状振荡，扭转振荡是一种周期性振荡，同时也是一种纯粹的切向振荡，不存在沿地球径向的分量，作扭转振荡时地球一般不会发生密度的变化。
b．振荡形式
n＝1的相位表示地球作同向的扭转振荡，但各纬度线速度不同；
n＝2表示地球运动分为两半且互作相反方向的扭转振荡；
n＝3则展示了地球分为三个部分，相邻部分的振荡方向两两相反。
（2）自由欧拉进动
除了自由振荡，地球还存在一种与外部引力无关的自由欧拉进动。为了将其与外部激发引起的强迫运动相区别，以发现者的名字命名为钱德勒摆动。钱德勒摆动源于地球自转轴（地球瞬时极）与最大惯量轴之间的微小偏离。
图3-2 地球的钱德勒摆动
４．地球的粘性
地球有一定的衰减存在，具有一定的粘性特征，并非是一个完全的弹性体。
二、地球的重力场
1．地球上的重力
（1）地球重力定义
地球上某处的重力是该处所受到的地心引力与地球自转离心力的合力。
图3-3 地球上某处的重力图解
（2）地心处重力
根据球体公式V＝4πr3/3和密度公式P＝M/V，通过数学变换，可以将由牛顿定律所求出的地心处重力表示为
（3）重力研究
①理论重力值
理论重力值是进行重力研究时，将地球视作一个圆滑的均匀球体，以其大地水准面为基准，计算得出的重力值。
②重力异常
重力异常是实测的重力值与理论值之间有明显的偏离。
③重力异常值
重力异常值是对某地的实测重力值，通过高程及地形校正后，再减去理论重力值的差值。如为正值，称正异常；如为负值，则称为负异常。前者反映该区地下的物质密度偏大，后者则说明该区地下物质密度偏小。
２．重力均衡
（1）重力均衡原理
重力均衡原理是在单位截面上，任一个垂直柱体中（无论其高低）的岩石总质量应该是一个常数。这个柱体以一个特殊的“补偿”面为基底，补偿面以下的物质处于均质状态。地壳的高度变化以流体静力平衡的方式支撑着。
（2）两种补偿模式
①普拉特密度补偿模式
地壳较高部分是由于它们具有较低的密度而受到抬升的结果，即在补偿面以上各地的岩石密度是不同的。与该认识对应，地下的补偿面应该近于处在同一高程上，以该补偿方式为基础的普拉特模型可以称作密度补偿模型。
②艾利深部补偿模式
地球表层各处的物质组成相同，一般而言，如果某个地区的岩石块体显示出较高的地表高程，其地下的“根”也会比其他块体要向下扎得更深一些。这种补偿模式被称作深部补偿模式。
3．地球的压力
利用密度分布的规律来估算地球内部的压力状况，以截面为1cm2的岩石柱作为压力的计算表示法，可得到
式中，P．压力；h．深度；ρ．密度
地球内部压力逐渐升高，在6371km即地心处，压力会上升到最大值364×109Pa。
三、地球内部的圈层结构和圈层耦合
1．地球内部的圈层划分
（1）初步划分
通过科学技术，可以将地球内部主要物理性质测算，将地球内部划分为地壳、地幔、地核三个圈层。
（2）基本划分单元
①莫霍面
地壳和地幔之间的分界面称作莫霍面，平均深度33km。
②古登堡面
地幔和地核之间的分界面称作古登堡面，深度2891km。
（3）细致划分
从整体上将地球内部划分为7个二级圈层，从地表向地球深部依次为A（地壳）；B，C，D（地幔）；以及E，F和G层（地核）。进一步地，大陆地壳还可再分为上、下地壳两层，即A1和A2；在地幔的B层中则包括3个三级分层：B1，B2（为一地震波低速层，故推断为熔融状态，也称软流圈）和B3；D层中包含着两个三级分层，它们依次被称为D'和D"层。
（4）地球内部物质组成
根据对陨石学研究，推断地核所具有的铁镍成分，应该近似于一种铁陨石——古橄铁镍陨石。在地球内部不同深度，对其物相组成的研究还发现了一些重要的物质相变现象，它们也成为检验圈层结构划分方案的重要依据（如表3-2所示）。
表3-2 地球内部不同深度的物相组成
2．壳、幔、核之间的圈层耦合
（1）圈层耦合
地球的各个子系统之间存在的相互作用，在很大程度上体现为地球圈层间在物质和运动方面的耦合过程，即圈层耦合。
（2）两种耦合模型
①威尔逊模型
②主流翻涌模型
3．地核差异旋转
（1）阐述
地球内、外的各个圈层之间不仅互相耦合、协同演化，也相对独立、差异运动。其中，作为地球内部驱动源的地核，存在差异旋转现象。
（2）研究意义
尽管内核差异旋转的机制还没有最后认定，但该发现为认识地球的深部动力过程，提供了机会和手段，具有重要意义。
4．地球系统的自然驱动力
（1）基本观点
地球系统的自然驱动力是内、外两部发动机联合作用的结果。其中，外部发动机指太阳能，内部发动机则是指地球内部的各种能量。将地球系统的演化过程或全球变化过程划分为长期（数十亿年至数百万年）过程和短期（数十年至数百年）过程。
（2）长期全球变化
太阳驱动过程、地幔和地核过程分别从内、外两方面同时推动板块构造运动。在以百万
年为特征时间尺度的长期演化中，完成一系列全球空间尺度的地质和全球变化事件。
（3）短期全球变化
短期全球变化指时间尺度为数十年到数百年的变化，由四个相互作用、相互依存的子系统相互关联形成。除时间尺度的差异外，
短期变化过程中的各个子系统之间，每一个环节既是作用者，又是被推动者，短期全球变化过程中最重要的基本特征是所有作用都是双向进行的。
（4）综合长期和短期的耦合
整体地球系统中，还可能存在着另外一些不同时空尺度的耦合过程。综合了长期和短期作用的耦合流程，强调生命系统相对独立的概念模型。
四、地球的磁场
1．地球磁场的基本特征和地磁要素
（1）地球磁场的基本特征
固体地球是一个磁性球体，有自身的磁场。根据地磁力线的特征，地球外磁场类似于偶极子磁场，即无限小基本磁铁的特征。但其磁轴与地球自转轴并不重合，而是呈11.5°的偏离。地磁极的位置不固定，逐年发生一定的变化。
（2）磁场要素
①地磁场
地磁力线分布的空间称作地磁场，磁力线的分布情况可由磁针的理想空间状态表现出来。
②磁子午线方向
由磁针指示的磁南、北极，为磁子午线方向。
③磁偏角
磁子午线与地理子午线之间的夹角称磁偏角（D）。
④磁倾角
磁针在地磁赤道上呈水平状态，由此向南或向北移动时，磁针都会发生倾斜，其与水平面之间的夹角称作磁倾角（I）。
⑤范艾伦带
在地球表层，这一闭合结构形成了一个磁捕获系统，捕获了大气圈上层形成的带电粒子而构成一个环绕地球的宇宙射线带，称作范艾伦带。
（3）磁场变化
不仅磁极在不断发生摆动，磁偏角在几十到几百年内，大致沿着纬线方向平稳地向西移动，该性质被称作地磁场的向西漂移。除了地磁场的这种较长期的变化外，地磁场还有时间尺度更短的昼夜变化，取决于地球表面相对于太阳位置的昼夜变化。磁极在图上往往不是用点来表示，而是用一个圆圈来代表其所在的空间范围。
（4）磁暴
①定义
磁暴是一种急剧的地磁场变化现象，也是一种危害性很大的灾害性自然现象。
②影响
发生磁暴时，不仅地磁场要素会发生激烈的跳跃式变化，还会使电力线受到破坏，通信线路和信号中断，变压设备发生故障，绝缘电缆被击穿等。
在磁暴的影响下，地球内部出现感应的环形电流这种深部电流，称作大地电流。大地电流可以被用于研究地球内部的各种相关物理特征，如岩石圈各层的导电率及地内的压力、温度等。
（5）地磁异常
①地磁异常
地磁异常是指在实际工作中，会发现某地区实测地磁场要素的数据与正常值有显著的差别的现象。
②正负异常
同重力异常类似，如果差值为正，称正异常；差值为负称负异常。利用地磁异常来寻找地下矿产和了解深部地质构造等情况的方法，称为磁法勘探。
a．正异常
一般情况下，正异常多是由于地下赋存着高磁场性的矿物或岩石，如磁铁矿，镍铁矿、超基性岩类等。
b．负异常
负异常多由地下赋存的石油，盐矿，铜矿和花岗岩等低磁性或反磁性矿物或岩石引起。
2．地磁场起源的成因假说
（1）铁磁体假说
由于地核基本上是由铁磁体（铁和镍）所组成的，地核的这种特有成分及其球状对称的形态是铁磁体假说的基本依据。但该假说无法解释地核内铁磁性体在超高温度下转变成顺磁性体，从而丧失其磁性。因此由于地核的金属成分而自然形成地磁场的可能性是不成立的。
（2）热电假说
热电假说提出地磁场具有电性，由于外核物质的热对流而在边界处产生电流，并进而因此产生磁场。热电假说克服了居里点造成的困难，但是这种机制难以形成具有偶极特征的磁场，且未能确切地证实该机制是否能产生足够强大的电流以形成地磁场。
（3）双圆盘发电机假说
目前为止获得最多支持的假说。圆盘旋转频率的差异造成具有一种极性的场占优势；当频率比值改变时，出现磁场反转。根据双圆盘发电机假说，在地核中这两种方向相反的电流，可由液态的外核物质的热对流（混合作用）产生，这种对流可以引起液态地核表层旋转出现某种减慢（相对于地幔底面而言），引起外核表层减慢的层位中产生的磁场异常向西位移，为地磁场的西向漂移提供了动力学解释。
3．地磁场反转与大陆漂移
（1）地磁反转
①磁性变化
现在地球磁场的强度约为M＝8×1025cgs（高斯）电磁单位。这一磁矩的大小每100年约减少5%。按此趋势，在2000年后，地球的磁矩应变为零。在地球的磁场中，像这样存在着以数千年时间为周期的变化称为长期变化。
②地磁反转
距今大约70×104年前的第四纪，地磁场的方向和现在完全相同，该时期称作地磁场的布容正向期。在第四纪更早的时代，通过对岩石磁法研究的结果发现，其磁化方向多数与现代地磁场的方向相反，因此称其为松山反向期。正向期和反向期在地球历史上交替出现，表明在地史时期中曾有过多次地磁场反转事件。
（2）大陆漂移
①古地磁学
以依据岩石磁性来研究地史时期地磁场的状态、磁极变化和大陆漂移的学科，称为古地磁学。古地磁研究在板块构造理论的兴起和确定过程中，起了十分关键的佐证作用。
②运用古地磁学证明大陆漂移
在地磁极与地球自转极性一致的前提下，某地的磁倾角，可以由该点的纬度角来确定。两者之间的关系为：
如果大陆是固定不动的，从各大陆的古地磁学资料中就可以确定，地球自转极随着时间流逝而发生的移动。理论上自转极移动曲线只可能有一条，因此无论在哪个大陆上，所确定的地球自转极移动的曲线都应该一致。但实际上，不仅每个现代大陆计算的结果大不相同，同一大陆内部的不同地区也有明显的差异，这只能是因为各大陆曾发生过不同程度、不同方向的聚散和漂移所致。
五、地球的能量和地震
1．地球内部的温度
地球是一个巨大的热库，但从地面向地下深处，地热增温的现象随着深度的改变是不均匀的。地面以下按温度变化的特征可以划分为三层：
（1）外热层（变温层）
该层地温主要是受太阳光辐射热的影响，其温度随季节、昼夜的变化而变化，故也称作变温层。日变化造成的影响深度较小，一般仅1～1.5m，年变化影响较大，其影响的范围可达地下20～30m。
（2）常温层
该层地温与当地的年平均温度大致相当，且常年基本保持不变，其深度大约为20～40m。一般情况下在中纬度地区较深，在两极和赤道地区较浅；在内陆地区较深，在滨海地区较浅。
（3）增温层
在常温层以下，地下温度开始随深度增大而逐渐增加。大陆地区常温层以下至约30km深处，大致每往下30m，温度会增加1℃。大洋底到15km深处，大致每加深15m，地温增高1℃。为规范计算地下温度变化的规律，将深度每增加100m时所增高的温度，称作地温梯度，其单位是℃/100m。由于地下的地质构造和组成物质不同，地温梯度在各地是有差异的。
２．地球的能量
地球的能量主要来源于地球内部和地球外部。
（1）太阳辐射
地球从太阳吸收的能量每年大约为4.2×1024J，超过地球上全部煤储量完全燃烧后所能够获得的热能的300倍。但在地球吸收的太阳能中，有1/3左右的能量被大气圈和地球表面反射掉，并直接分散到宇宙空间中去。剩下的2/3被地球表层系统吸收，再以各种方式转化为地球演化所需的能源。
（2）地球内能
①岩石中放射性元素衰变释放的热是地热的主要来源。这种热能据估算可以达到每年2.14×1021J。
②因地球本身的重力作用过程也可以转化出大量热能，其总热量可能十分接近于放射性热能。此外，地球自转的动能和地球物质不断进行的化学作用等都可以产生大量的热能。
3．地幔部分熔融
（1）定义
地幔部分熔融是指在地幔的上部层位，有部分岩石因受到复杂的地质作用而发生部分熔解，从而显示为高度可塑甚至液态的现象。
（2）意义
①地幔是否部分熔融，直接影响大洋中脊的形成、海底扩张、大陆板块内的伸展作用和裂谷型玄武岩喷发的动力学机制。
②熔融流体的分布特征对岩石圈物质的物理性质——弹性与非弹性，岩石导电性、蠕变活化能和化学元素的分配等，也产生了直接的约束作用。
③对阐明壳—幔物质的分布规律，合理解释上地幔中的低速高导层的形成机制，地壳大尺度增厚的原因和板块运动的动力学等，提供了有力的实验证据。
4．地震
（1）定义
地震是地壳运动引起的地球表层的快速振动的现象，是地球内部具有能量的最直接的证据。
（2）分类
①浅源地震
②中源地震
③深源地震
（3）构造地震的两种模式
①陆—陆碰撞
a．发生地
碰撞发生于两个大陆板块之间。
b．特征
地震主要沿着碰撞板块的缝合带边缘分布，发生于碰撞形成的断层带内（如图3-13a所示）。由此引发的地震多为浅源地震，也有少量的中源地震发生。
②洋—陆俯冲
a．发生地
大陆板块和大洋板块之间
b．特征
洋壳板块沿着海沟带往大陆板块下部俯冲，并一直下插到地幔深处。在俯冲板块的不同部位，应力分布的状态是不相同的：俯冲板块的后缘处于相对拉张的构造环境，中、前部则受到强烈的挤压。在这种情况下，全部三种震源深度的地震都有可能发生（如图3-13b所示）。
（4）断层引发地震机制
①引起构造地震的岩石破裂是，由于周围地壳的相对位移产生了大于岩石强度的弹性应变的结果；
②断层的相对位移一般是在一个比较长的时期内逐渐达到其最大值的；
③地震时发生的唯一物质运动是，破裂面两边的物质向没有弹性应变的地方突然发生弹性回跳。这种移动随着离破裂面的距离增大而逐渐变小，延伸距离可以达到几到十几千米；
④地震引起的大地振动源于断层破裂面。破裂的初始表面很小，但一旦断层发生滑动，破裂面将迅速地变得很大；
⑤地震时释放的能量在岩石破裂前是以弹性应变能的形式储存在岩石中的。
（5）闭锁状态层
断层闭锁段的概念认为在断层内部往往存在着一到多处闭锁段，它（们）在断层开始作整体变形和运移时，只发生剪切应变而不发生宏观滑移，即处于闭锁状态。