第3章 地球的物理性质

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1、地球科学概论地球科学概论 自然灾害与减灾 绪论地球的起源与演化地球的物理性质地球的圈层板块运动与地质作用大气圈水圈地表形态生物圈地球环境及其变迁自然资源及其利用 森林资源与环境学院主讲：林国忠主讲：林国忠地球的物理性质地球的物理性质 地球科学概论第 3 章 地球的密度和弹性地球的密度和弹性 地球的重力场地球的重力场 地球的磁场地球的磁场 地球的能量与地震地球的能量与地震 地球密度地球密度 地球质量：地球质量：5.94721024t 地球的平均密度：地球的平均密度：5.516g/cm3 实际测量却表明，在地表出露的岩石实际测量却表明，在地表出露的岩石中，砂岩、页岩、石灰岩等沉积岩的中，砂岩、页岩

2、、石灰岩等沉积岩的平均密度为平均密度为2.6g/cm3，花岗岩的密度为，花岗岩的密度为2.85g/cm3，都远小于地球的平均密度。，都远小于地球的平均密度。 第三章 地球的物理性质 地球科学概论地球密度的测量与分布地球密度的测量与分布 地震波速度的大小与传播时介质的密度和弹性有关。地震波速度的大小与传播时介质的密度和弹性有关。 地球科学概论地球密度的分布地球密度的分布(P61)(P61)随着深度增加，地球的密度也随之逐随着深度增加，地球的密度也随之逐步增大。但密度的增大随深度的不同步增大。但密度的增大随深度的不同并非是均匀变化的，除了图中未能表并非是均匀变化的，除了图中未能表示的地壳与地幔的分

3、界（约示的地壳与地幔的分界（约36km36km左右）左右）外，可看到三个明显的突变处，即外，可看到三个明显的突变处，即670km670km处从处从3.99g/cm3.99g/cm3 3跃升至跃升至4.39g/cm4.39g/cm3 3，成为上、下地幔的分界；成为上、下地幔的分界；2891km2891km处从处从5.57g/cm5.57g/cm3 3跃升至跃升至9.90g/cm9.90g/cm3 3，地幔和，地幔和地核的分界面；地核的分界面；5150km5150km处则由处则由12.17g/cm12.17g/cm3 3变为变为12.75g/cm12.75g/cm3 3，由此确，由此确定了内、外地

4、核的分界位置。定了内、外地核的分界位置。 地球科学概论固体潮与地球的弹性固体潮与地球的弹性 固体潮：弹性地球在日月固体潮：弹性地球在日月引潮力的作用下发生的弹引潮力的作用下发生的弹性变形。性变形。 地球塑性变形地球塑性变形地球在其自转的过程中，地球在其自转的过程中，逐渐演化成为一个旋转逐渐演化成为一个旋转椭球体并保持下来，这椭球体并保持下来，这表明看似刚体的地球实表明看似刚体的地球实际上存在着永久性的塑际上存在着永久性的塑性变形。性变形。 地球科学概论岩石的褶皱变形 地球科学概论岩石的褶皱变形潮汐的影响潮汐的影响 海洋潮汐和固体潮汐的存在，不仅使地球海洋潮汐和固体潮汐的存在，不仅使地球的整体形

5、态发生变化，而且不断影响着地的整体形态发生变化，而且不断影响着地球的自转过程和运动规律。一方面，月球球的自转过程和运动规律。一方面，月球的吸积作用使地球自转轴的方向发生偏移，的吸积作用使地球自转轴的方向发生偏移，另一方面，日、月潮汐引起的摩擦力使地另一方面，日、月潮汐引起的摩擦力使地球的自转速率越来越慢。在遥远的将来，球的自转速率越来越慢。在遥远的将来，地球和月球的转速还会进一步减慢，直到地球和月球的转速还会进一步减慢，直到逼近以逼近以4848天为周期的极限自转状态。天为周期的极限自转状态。 第三章 地球的物理性质 地球科学概论地球的振荡地球的振荡 由于具有弹性，由于具有弹性，地球作为一个整地

6、球作为一个整体在受激后能够体在受激后能够产生无穷多种振产生无穷多种振型的自由振荡。型的自由振荡。(P63) (P63) 钱德勒摆动钱德勒摆动(P64)(P64) 地球科学概论地球的粘性地球的粘性第三章 地球的物理性质从理论上讲，在一个完全弹性体中应该从理论上讲，在一个完全弹性体中应该没有能量的损耗。因此，地震时除了面没有能量的损耗。因此，地震时除了面波因扩展而发生的几何衰减外，其他类波因扩展而发生的几何衰减外，其他类型的地震波应该没有运动衰减。这样地型的地震波应该没有运动衰减。这样地球如果一旦发生某种形式的振荡，也就球如果一旦发生某种形式的振荡，也就应该永远继续下去。但这一分析结果与应该永远继

7、续下去。但这一分析结果与观察事实相矛盾，表明地球有一定的衰观察事实相矛盾，表明地球有一定的衰减存在，并非是一个完全的弹性体。减存在，并非是一个完全的弹性体。 地球科学概论地球的重力地球的重力 地球上某处的重力是该处所地球上某处的重力是该处所受到的地心引力与地球自转受到的地心引力与地球自转离心力的合力离心力的合力 。根据牛顿定律根据牛顿定律G=f m/r2, ,重力加重力加速度与地球的质量成正比，与速度与地球的质量成正比，与半径的平方成反比。因此地表半径的平方成反比。因此地表的重力随着纬度值的增大而增的重力随着纬度值的增大而增加。测量表明，赤道海平面上加。测量表明，赤道海平面上的重力加速度为的重

8、力加速度为978.0318cm/s2，两极地区为两极地区为983.2177cm/s2。后。后者比前者增加了者比前者增加了0.53。同理，。同理，地表的重力加速度还随着海拔地表的重力加速度还随着海拔高度的增大而减小，两者之间高度的增大而减小，两者之间呈反比关系。海拔高程每升高呈反比关系。海拔高程每升高1km，重力加速度就减少，重力加速度就减少31cm/s2。 地球科学概论重力异常重力异常 地球的地面起伏甚地球的地面起伏甚大，内部的物质密大，内部的物质密度分布也极不均匀，度分布也极不均匀，在结构上还存在着在结构上还存在着显著差异，这些都显著差异，这些都使得实测的重力值使得实测的重力值与理论值之间有

9、明与理论值之间有明显的偏离，在地学显的偏离，在地学上称之为重力异常。上称之为重力异常。 （P65P65） 地球科学概论 地球科学概论重力均衡模式（1854）（1855）地壳地壳( (重力重力) )均衡均衡 地壳各部分之间建立地壳各部分之间建立一种平衡状态的普遍一种平衡状态的普遍趋势。趋势。 地壳单位体积内物质质量越大，沉陷在地幔里的部分也就越深，高原和高山的地壳就要比平原和盆地更深地陷入地幔。 地球科学概论地球的压力地球的压力地球某处的压力是由上覆地球物质地球某处的压力是由上覆地球物质的重量产生的静压力。静压力的大的重量产生的静压力。静压力的大小与所处的深度、上覆物质的平均小与所处的深度、上覆

10、物质的平均密度及重力加速度呈正相关关系。密度及重力加速度呈正相关关系。 从地表到地下从地表到地下24km，压力从，压力从1105Pa增加到增加到0.6109Pa；670km处，压力增大到处，压力增大到24109Pa；到到2891km时，压力增大到约时，压力增大到约136109Pa；最后，在；最后，在6371km即即地心处，压力会上升到最大值地心处，压力会上升到最大值364109Pa。 地球科学概论地球的磁场地球的磁场地磁场：地磁力线地磁场：地磁力线分布的空间。分布的空间。磁偏角：由磁针指磁偏角：由磁针指示的磁子午线方向示的磁子午线方向与地理子午线之间与地理子午线之间的夹角。的夹角。 地球科学概

11、论地磁场起源的成因假说地磁场起源的成因假说 地球磁场的成因至今还没有定论。在地球科学上，产生过各种猜测和假说，其中较重要的有三种：铁磁体假说、热电假说和双圆盘发电机假说。P76 第三章 地球的物理性质 地球科学概论磁暴磁暴磁暴是全球范围内地磁场的剧烈扰动，扰磁暴是全球范围内地磁场的剧烈扰动，扰动持续时间在十几小时到几十小时之间。动持续时间在十几小时到几十小时之间。地磁场的扰动是由撞击地球的太阳风引起地磁场的扰动是由撞击地球的太阳风引起的。磁暴对输电系统可产生破坏作用。近的。磁暴对输电系统可产生破坏作用。近年来最引人注目的磁暴损坏输电系统的事年来最引人注目的磁暴损坏输电系统的事件发生在件发生在1

12、9891989年年3 3月。一个强磁暴使加拿月。一个强磁暴使加拿大魁北克的一个巨大电力系统损坏，大魁北克的一个巨大电力系统损坏，6 6百百万居民停电达万居民停电达9 9小时，光是电力损失就达小时，光是电力损失就达2 2千万千瓦，直接经济损失约千万千瓦，直接经济损失约5 5亿美元。亿美元。第三章 地球的物理性质 地球科学概论太阳磁暴太阳磁暴太阳磁暴是太阳因能量太阳磁暴是太阳因能量增加向空间释放出的大增加向空间释放出的大量带电粒子流形成的高量带电粒子流形成的高速粒子流，以每秒速粒子流，以每秒400-400-800800公里的速度闯入太空，公里的速度闯入太空，会对地球的空间环境产会对地球的空间环境产

13、生巨大的冲击。太阳磁生巨大的冲击。太阳磁暴发生时，包括电力系暴发生时，包括电力系统、卫星和无线电通讯统、卫星和无线电通讯系统在内的诸多设施将系统在内的诸多设施将受到严重影响，甚至破受到严重影响，甚至破坏臭氧层。坏臭氧层。 地球科学概论太阳磁暴引起的极光太阳磁暴引起的极光 地球科学概论地球内部的温度地球内部的温度 外热层（变温层）外热层（变温层）地球是一个巨大的热库。但从地面向地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：特征可以划分为三层：(P78-

14、79) (P78-79) 常温层常温层 增温层增温层 第三章 地球的物理性质地温梯度地温梯度 地球科学概论地热地热拉萨市当雄县辖区内的羊八拉萨市当雄县辖区内的羊八井热田是目前中国最大的高井热田是目前中国最大的高温蒸气热田温蒸气热田, ,也是世界已获开也是世界已获开发利用的大型地热田之一。发利用的大型地热田之一。 地球科学概论地球的能量地球的能量 P79P79地球从太阳吸收的能量每年大约为4.21024J，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13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23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。 第三章 地球的物理性质 地球科学概论