地球物理学复习大纲

地球物理学，固体地球物理，空间物理学
1、地球物理学，固体地球物理学。

地球物理学是应用物理学的原理、方法与技术，研究地球的物理性质、地球自身产生的物理现象，间接地认识地球，服务于国民经济的一门现代应用物理学。

地球科学领域里，地球物理学通常就指固体地球物理学。

地球物理分为固体地球物理学与空间地球物理学。

空间地球物理学主要研究高空磁层和电离层与太阳、行星和地球表层的电磁场的相互作用。

地球物理场，
磁场,重力场, 地电场,地热场,放射性辐射场,地震波场
地球物理资料处理，地球物理资料解释
地球物理的正问题，
地球物理的反问题
指根据已获得的异常特征、数值大小、分布情形等并结合物性资料来求解地下地质体的形状和空间位置等。

数字模型，数字模拟，物理模型，地质解释
板块构造，
地球表面有岩石层板块组成，岩石层板块在软流圈上运动。

岩石层在厚度上相当于地壳与上地幔之和。

下地幔由于压力和温度的增加不再呈刚性，而是容易形变和能够流动的，从而称为软流层。

在软流圈中的热对流运动将牵动上覆岩石层板块作水平运动。

六大板块：
太平洋板块，欧洲板块，非洲板块，澳大利亚板块，南极板块，美洲板块
磁异常条带，
海底扩张说，
认为洋底的主要构造形态直接表现出地球内部的对流过程：
对流体在洋脊处上升，在洋脊的中央裂谷处溢出，形成新的洋底、并向两侧平移扩张；
对流体在海沟（trench）处下降，老洋底俯冲（underthrust）进入地球内部而熔融、消失；
大洋盆地演化的机制如同传动带，一侧有洋底新生，一侧有洋底消亡，所以，大洋底在2-3亿年内要更新一次。

地球的物理演变与人类文明发展的联系。

长期以来，人类对地球的索取远远超过了对她的关爱与保护。

这种人地关系的失衡导致了今天的资源、环境、生态和人口等问题，并对人类生存与发展构成了威胁。

这些问题的解决，人地关系的调整，有赖于地球科学的发展。

发展和普及地球科学是关系到中华民族乃至全人类生存和繁荣昌盛的意义深远的战略。

只有使全社会每个公民，特别是决策层了解地球，懂得人类只有和地球和谐共处，使关爱与保护地球成为行为的准则。

固体地球物理学中的地磁学，重力学，地震学，地电学和地热学各自的研究内容和相互的联系。

1.重力学
通过研究引力场的均值和异常变化研究地球的椭球形状，建立大地水准网，确定空间飞行器的重力作用的轨迹校正值，研究地球内部结构和分析矿产资源分布，研究的几个主要问题：地壳均衡,固体潮,重力异常
.地磁学
主要研究地磁场性质变化及其与地球自身的关系，
地磁场是一个矢量场，有强度和方向。

地磁场的组成由两个部分组成，即基本磁场，主要是地球内部物质引起的，一部分是变化磁场，是固体地球外部因素引起的，变化缓慢。

3.地震学
从希望预报地震出发而发展起来的研究地震波传播，震源性质、地球内部结构和物理特征的一门科学
地震学研究的内容有：
1、天然地震研究与预报；
2、地球内部物理学研究：地球内部结构与地球自由震荡；
3、资源勘探与工程探测；
4、监探地下和海洋中的灾害突发；
所有的研究都是建立在地震波理论基础上的。

地震波理论研究是从均匀弹性各向同性介质开始的。

4.地电学
地电学就是研究地球电性及电场分布的一门分支学科,
在地电研究中主要是用岩石和地层的电性参数，如电阻率、介电常数、导磁率和电化学活动性等。

5.地热学
它是研究地热场随空间与时间变化规律、热源分布、地壳运动和地球起源和年龄等问题。

地热也是资源.
举例说明地球物理学在地学研究中的作用。

地球物理方法发展成用于资源环境、灭害、工程城建的各种地学问题的研究，直接为人类的生存服务，其中的计算机应用软件是地球科学高新技术的重要成果。

地球物理学在国民经济建设中的作用
资源的勘探与开发环境的监测与保护灾害的预测与防治
如何开展固体地球物理学的研究？
你学了本课程后有何体会与收获?
地心经纬度
是地心经度和地心纬度的统称。

包含地面某点地心之间连线和地球自转轴的平面，称为地心子午面。

A点的地心子午面与本初子午面之间的夹角称地心经度；A点同地心之连线与地球赤道面所成的夹角称地心纬度。

水准面
大地水准面: 是一个闭合曲面，它处处与铅垂线垂直也与海洋面非常接近，是静止的海水面及其延伸所构成的一个重力等位面。

地球椭球体（参考椭球体）：大地水准面总体上接近一个旋转椭球面，选取适当参数的椭球作为真实地球的模型称为参考椭球。

大地经纬度：大地经度是过该点的大地子午面与一个特别选定的起始大地子午面的夹角，大地纬度是过该点的地球椭球面的法线与地球椭球赤道面的夹角。

（大地经度由起始大地子午面起向东量为正，大地纬度由地球椭球的赤道面起向北量为正。

）
大地高:地面上任意一点的大地坐标为该点沿法线在地球椭球面上投影点的大地经、纬度和该点离地球椭球面的高度
引力场: 两个物体之间的万有引力是通过场作用的，不是
超距作用。

当有物体存在时，就有与它共存的引力场，二者紧密联系。

地球重力场
假如不考虑外部天体对地球的作用，地球上点位置点所受的地球引力和惯性离心力的矢量和称为该点的重力矢量)(r g 。

如图所示，O 点位地球的质心，有)()()(r q r f r g
+=。

矢量场)(r g 称为地球的重力场。

地壳均衡 地下从某一深度(即补偿深度)起，以下物质的密度是均匀的，但以上的物质，则相同截面的柱体保持相同的总质量；因此，地形越高密度越小，即在垂直方向是均匀膨胀的 正常重力场:正常场地球模型在其表面和外部空间产生的重力场称为地球的正常重力场。

重力异常:由于地球内部质量分布不规则、不均匀引起的地域性和局部性的重力矢量和正常（平均）重力矢量的矢量差，它反映质量的横向变化，为研究地球内部结构和岩体、矿体的存在提供依据。

在重力学中，对某一测点的观测重力值g 与该测点处对应地球椭球面上的正常重力值0
γ的差值定义
为该测点的重力异常，记为
:γ-=∆∆g g g 。

自由空气重力异常：（书）对A 点的重力观测值作自由空气校正后，得出与A 点相应的大地水准面上1A 的重力值)(1A g 与其在参考椭球面相对应点2A 处的正常场地球模型的正常重力值)(2A γ的差称为A 点的自由空气重力异常)()()(2A g
A g A g f
f γδ-+=∆
(PPT)由于在校正中只考虑了正常重力随高度的变化，而未考虑测点周围局部地形质量以及测点所在水准
面与基准面之间的中间层质量的影响。

相应校正后的异常值称为空间异常(或自由空气异常)
)
()()(2A g
A g A g f
f γδ-+=∆
布格重力异常: 对空间重力异常进行局部地形校正，在进行中间层校正得到的重力异常就是布格重力异常
重力异常的单位， 毫伽:
2
5
/10
1s m mGal -=
重力基点网，
为了捉高重力测量的精度，在一定时间内便于检查重力仪的混合零点位移，合理地进行改正，在测量之前，要在工区内确定一定数量的控制点，称重力基点。

各基点相对总基点的重力差是通过基点连测确定的，其精度比一般测点高2—3倍。

平差
区域重力异常与局部重力异常
埋藏浅、水平延伸小的密度异常体在地面产生的重力异常水平梯度大幅度大，占据水平范围小，异常波长短，随着高度的增加衰减速度快，这种异常为局部异常，反之埋藏深或水平延伸广的密度异常体在地面产生的异常水平梯度小，占据水平范围大，异常波长大，随高度的衰减慢。

重力异常随场源深度变化而变化。

浅部密度异常体随观测平面高度的变化具有较高的敏感性。

重力异常解析沿拓：高度越高，重力异常中埋藏深、尺度大的密度异常体产生的重力异常所占的比重大，将地面实测异常换算到不同高度来区分不同深度场源，可以区分重力异常中埋藏深、尺度大的密度异常体产生的重力异常所占的比重大。

重力异常高阶导数：重力异常的导数在不同形状地质体上有不同的特征，有助对异常的解释与分类。

可以突出浅而小的密度异常体的重力异常特征，压制区域性异常特征。

重力异常高阶导数可以将相互靠近埋深相差不大的相临密度异常体引起的叠加异常分开。

地球的重力、重力位、重力场、重力加速度有何关系?
在地面附近，物体受到的引力与惯性离心力的合力就是重力，重力的方向在不同的地点其指向是不同的 重力场强度：单位质量的质点在重力场中Po 点所受到的重力大小，被定义为Po 点地球重力场的场强。

从上面重力场强度的定义可以知道，重力场强度与重力加速度应该是一致的。

由此可知，重力加速度在数值上(包括方向)等于单位质量所受的重力。

影响岩石密度分布的因素有哪些?
一般来讲：火成（岩浆）岩密度＞变质岩密度＞沉积岩密度 火成岩类，从酸性岩、中性岩到基性岩，密度由小到大。

沉积岩密度与岩性关系甚大，各时代砂岩密度较低，一般为2.65 g/cm3左右，波动范围较大；而灰岩等碳酸盐岩密度较高，一般在2.69-2.7g/cm3之间变化较小。

变质岩密度一般较高，但变化也较大，一般在2.70g/cm3左右。

沉积岩的密度影响因素
A A 1 A 2
参考椭球面U 0
大地水准面W 0 h 布格重力异常
M
N
II
I
()()()
A g A g A g
B B B
2
1
δδδ+=()()()()()()()()()()
2212A A A g A g A g A A g A g A g A g B B f B f B γδδδγδδ-+++=-++=∆
1、岩石成份——固体岩相的矿物密度
2、含孔隙岩石的密度可由下式计算：
式中
孔隙度系数 δ——矿物密度
——孔隙中充填的流体密度
3、埋深和压力
岩浆岩与变质岩影响因素
岩浆岩与变质岩的孔隙度都很小，物性主要取决于岩石的成分。

对所有的岩浆岩，当基性程度增加时，密度增加。

变质岩的密度取决于它的矿物成分和原始岩石变质程度。

对火成岩而言，从酸性岩到基性岩，它们的密度将随着岩石中较重的铁镁矿物百分含量的逐渐增加而增大。

地球正常重力计算公式中，重点考虑了那几个影响因素？
地心引力常量kM ，参考椭圆的赤道半径，地球的自转角速度ω，扁率α。

⏹ 在重力测量中，建立重力基点网有什么作用？
⏹ 由重力观测值如何求取自由空间异常？进行高程改正时忽略了那些问题？
对A 点的重力观测值作自由空气校正后，得出与A 点相应的大地水准面上1A 的重力值)(1A g 与其在参考椭球面相对应点2A 处的正常场地球模型的正常重力值)(2A γ的差称为A 点的自由空气重力异常
)()()(2A g
A g A g f
f γδ-+=∆
由于在校正中只考虑了正常重力随高度的变化，而未考虑测点周围局部地形质量以及测点所在水准面与基准面之间的中间层质量的影响。

相应校正后的异常值称为空间异常(或自由空气异常)
)
()()(2A g
A g A g f
f γδ-+=∆
并没有考虑地表以下异常质量(或剩余质量)的影响。

⏹ 阐述自由空间异常的物理本质。

将地球椭球面(或近似为大地水准面)上的正常重力值换算成测点高度处的由正常椭球体所产生的重力值。

⏹ 由重力观测值如何求取布格重力异常？进行中间层改正时忽略了那些问题？
对空间重力异常进行局部地形校正，再进行中间层校正得到的重力异常就是布格重力异常
⏹ 阐述布格重力异常的物理本质
⏹ 讲述不同的地壳均衡模式，比较其异同点。

1、普拉特-海福特模型
山脉是由地下物质从某个补偿深度起向上热膨胀形成的，山脉越高，山脉下岩石密度越小。

地球表层中存在一个等压深度（补偿深度），这个深度以上的每一个截面相等的圆柱体总质量相等，补偿质量分布在大地水准面与补偿深度之间的地球表层。

他认为，地下从某一深度(即补偿深度)起，以下物质的密度是均匀的，但以上的物质，则相同截面的柱体保持相同的总质量；因此，地形越高密度越小，即在垂直方向是均匀膨胀的。

2、Airy-Heiskanen
山根浮在地壳上部，地壳在岩浆中漂浮，山脉越高，限入岩浆中的山根越深，海洋地区有反山根，山根与反山根在地球表层产生的质量不足与过剩形成补偿质量与地形补偿质量。

根据阿基米德浮力原理，
流
孔孔σδσk k +-=)1(流
σ孔
k
山越高，增加的质量越多，陷入岩浆越深，形成山根，而海越深，亏损的质量越多，岩浆向上凸出也越高，形成反山根。

(3)V ening Meinsz
修正后的艾利模型，将完全、均匀、局部补偿调整为完全、均匀、区域补偿。

把地壳当做弹性薄板，山脉的质量将地壳压弯，地壳陷入下层流体物质中，形成区域山根或者反山根。

假如均衡面为30Km ，当水深为4Km 时，反山根厚度为： w w h ⨯--=
0t ρρρρ=10.933Km
其中0ρ=2.67g/cm3是地壳密度，w ρ=1.03g/cm3,是海水密度，ρ=3.27g/cm3是岩浆密度，t 为反山根厚度，因此可知此时地壳厚度为30Km-4Km-t=15.0667Km.
⏹ 关于地壳均衡现在有哪些假说，对于地壳均衡你是如何理解的。

⏹ 讲述重力勘探原理，举例说明重力探测在地学研究中的应用。

原理：重力探测就是用重力仪器探测测点的重力值，之后对测得的重力值进行校正，再用校正后的重力值减去正常重力场在测点的重力值得到重力异常，再进行分析产生异常的原因，从而得到地质上的解释，就是重力探测。

重力勘探在研究地质构造单元的划分、地壳深部构造及地壳均衡作用中的应用
利用大面积仍至全球重力资料，可研究地壳相对厚度的变化，确定深部构造变异带。

根据均衡异常的大小及分布，可以判断地壳的均衡状态。

深部构造和地壳均衡作用的研究工作，有利于弄清地壳上部高山、大陆与海洋的形成与演化过程，在天然地震预测和成矿远景预测等方面也有重要意义。

重力勘探应用于寻找金属矿、非金属矿
在水资源调查上，可以确定有利含水部位；在工程勘查中，可以探测水电工程建设、高层建筑物、公路、铁路、机场跑道等的地基中可能的孔穴和软弱部位；在考古中，可以勘查古陵墓及人类古文化遗迹。

⏹ 影响重力探测有效性的因素有哪些？
地形，干扰性异常(如表层密度不均匀，深部岩石的密度变化等引起的异常) ⏹ 如何提取局部异常？如何提取区域异常？这两种异常有何区别？
埋藏浅、水平延伸小的密度异常体在地面产生的重力异常水平梯度大幅度大，占据水平范围小，异常波长短，随着高度的增加衰减速度快，这种异常为局部异常，反之埋藏深或水平延伸广的密度异常体在地面产生的异常水平梯度小，占据水平范围大，异常波长大，随高度的衰减慢。

重力异常随场源深度变化而变化。

浅部密度异常体随观测平面高度的变化具有较高的敏感性。

重力异常解析沿拓：高度越高，重力异常中埋藏深、尺度大的密度异常体产生的重力异常所占的比重大，将地面实测异常换算到不同高度来区分不同深度场源，可以区分重力异常中埋藏深、尺度大的密度异常体产生的重力异常所占的比重大。

重力异常高阶导数：重力异常的导数在不同形状地质体上有不同的特征，有助对异常的解释与分类。

可以突出浅而小的密度异常体的重力异常特征，压制区域性异常特征。

重力异常高阶导数可以将相互靠近埋深相差不大的相临密度异常体引起的叠加异常分开。

⏹ 举例说明在解决那些地质问题上重力探测最有长处。

地磁场
磁场:磁场是一种看不见，而又摸不着的特殊物质，它具有波粒的辐射特性。

是电流、运动电荷、磁体或变化电场周围空间存在的一种特殊形态的物质。

地磁场:地球磁场简言之是偶极型的，近似于把一个磁铁棒放到地球中心，使它的Ｎ极大体上对着南极而产生的磁场形状。

它是由多种不同来源的磁场叠加而成的。

地磁场的单位：地磁场也常用磁感应强度矢量B来描述，SI制中，它的单位为特斯拉（T），纳特（nT）高斯制：高斯（GS）1GS=10-4T 1Nt=10-5GS=1r
地磁场基本要素：7大要素：x（北向分量）,y（东向分量）,z（垂直分量）,H（水平分量）,D（磁偏角）,I （磁倾角）,T（地磁场）
地磁场的基本特征:地磁场和一个置于地心的磁偶极子的磁场很近似, 这是地磁场的最基本特性。

地磁场强度很弱, 这是地磁场的另一特性, 在最强的两极其强度不到10-4(T), 平均强度约为0.6x10-4(T), 而它随地点或时间的变化就更小, 因此常用(γ), 即10 -9(T)做为磁场强度单位。

简述地磁场的构成和岩石矿物磁性的基本特征
地磁场的构成：地磁场是由多种不同来源的磁场叠加而成的。

按它们的稳定性来区分，地磁场可分为两大部分，即主要来源于地球内部的稳定场和主要来源于地球外部的变化磁场。

岩石磁性实质上就是岩石中铁（亚铁）磁性矿物磁化的结果。

岩石的原生剩磁方向与形成岩石时的地磁场方向一致。

岩石中极大部分矿物属抗磁性和顺磁性。

影响岩石矿物磁性的因素:温度，化学成份，岩石的形成时期。

如何来研究地磁场空间变化？
按电磁特性分层根据大气的电离特性，大气圈可分成中性层、电离层和磁层。

中性层指自地表至60公里左右的大气层。

中性层大气有时虽然局部可有较多的带电粒子(如雷暴时)，但一般情况下带电粒子少，主要由中性气体组成。

电离层指自60公里到500或1000公里的大气层，是由较多气体分子吸收了太阳X 射线和紫外辐射电离而成。

习惯上按电子密度的大小，常把电离层自下而上分成D层(60～90公里)、E层（90～140公里）、F层(140～500或1000公里)。

各层的高度、厚度和电子密度随昼夜、季节、太阳活动而变化。

1000公里以上，也存在电子和离子，但数密度已很小，分布也极不均匀。

电离层能反射无线电波，对电波通信很重要。

磁层地球磁层始于地表以上500～1000公里处，向空间延伸到磁层边缘。

太阳风动能密度和地磁场能密度相平衡的曲面，就是地球磁层的边界，称磁层顶。

朝太阳一侧的磁层顶离地心约8～11个地球半径，太阳激烈活动时，被突然增强的太阳风压缩到5～7个地球半径。

背太阳一侧，因太阳风不能对地磁场施以任何有效的压力，磁层在空间可以延伸到几百个甚至一千个地球半径以外，形成一个磁尾。

磁尾中，两侧磁力线突然改变方向的界面，称为中性片（图3）。

磁层顶即作为地球大气的上界。

地磁场与地球内部构造有何关系?（如何通过研究地磁场来了解地球的内部构造？）
（参考下一题）
怎么认识地磁场的成因?
地磁成因的认识：在近20一30年期间，建立在地球内部构造的现行知识基础上，提出了自激发电机效应的假说。

这种假说认为：
1．液态地核内部由于温度梯度、或温差、压力差等原因产生涡旋运动，结果使地核成为良导电体；
2．由于地球绕轴自转所引起的回旋磁效应就存在一微弱初始磁场，虽比地磁场小10倍，但对于引起再生效应来说已足够了；
3．地核电流体形成，通过感应方式电流自身形成的场又可连续不断地再生磁场，从而增强了原来的磁场．由于地核电流体持续运动而不断提供能量，因而引起一种自激发电机效应。

由于能量的不断消耗和供应，磁场增强到一定程度就稳定下来，形成现在的地球基本磁场。

这种假说不仅能满意的定性解释地磁偶极子场和非偶极子场地磁理论之一。

但也存在一定问题，尚待进一步研究。

讲述磁力勘探原理，举例说明磁力探测在地学研究中的应用。

磁法探测原理：任何物质均有磁性，由于地磁场强度在地表各处都是定值，因此岩石磁性研究的主要内容是岩石磁化率和剩余磁化强度。

主要应用具体说来有以下几个方面:
在区域和深部地质地球物理调查中的应用。

●区域地质调查包括：
a.1:100万的区域地质调查,主要任务是研究大地构造．进行大地构造分区；研究与地壳密切相关的巨大断裂；获取区域地质矿产的初步资料，研究燃料和金属矿产总的分布规律，其中主要是燃料矿产。

b.1:20万区域地质调查,航磁工作的任务应以地质填图，研究构造和划分成矿带为重点。

c.1:5万的区域地质调查,主要是深入研究区域成矿规律，预测各类矿床的分布。

●深部地质地球物理调查：
a.圈定岩体和划分不同岩性区。

b.推断断裂、破碎带及褶皱。

c.成矿区的圈定和划分。

什么是日变改正？什么是磁异常？
日变改正：为消除地磁场周日变化和短周期扰动等影响，提高磁测质量的改正，日变改正是从日变曲线上直接查得的
磁异常：内源场有五个大尺度的非偶极子场，分别为南大西洋磁异常，欧亚大陆磁异常，北非磁异常，大洋洲磁异常和北美磁异常，主要来源于地壳岩石产生的磁场。

讲述△T磁异常的物理意义。

△T磁异常的物理意义地球外部变化磁场，δT=δTi+δTe, δTi是变化磁场的内源场，δTe 是变化磁场的外源场。

何为居里点温度，何为居里面？什么是热剩磁？
居里温度：岩石理想磁畴的自旋排列．如果把这种物体加温，温度增高使磁畴内的自旋方向变得杂乱，因此磁性减小；温度超过一定数值时，磁化的数值等于零；这个温度称为居里温度。

居里面：地球内部埋深约20千米的一个等温面。

该处的温度使物体失去磁性，也就是从铁磁性转变成顺磁性物质的温度。

地壳中的居里等温面，是一个特殊的温度界面，它不仅能表征地下温度场的分布特征，也可提供地壳深部热应力场和其它地球物理资料，因此，居里等温面实质上是地壳上部的一个地球物理特征界面，它对地热场及地震的成因研究具有十分重要的意义。

热剩余磁性：铁磁质加热至居里点以上，然后在外磁场中冷却至室温，可获得很强的剩磁。

这种现象叫着热剩余磁性。