第2章 地球的物理性质和圈层构造

3.1-6.5 (Mg2SiO4),Mg2Al2Si3O12)稳定或含H2O,部分熔融软流体液态 10 14 25
地球内部温度,压力,重力加速度,密度
地球内部的温度
外热层(变温层):受太阳幅射影响,四季,昼夜变化 一般1-1.5m 常温层: 深度大约20-40m 增温层:常温层至30km深处. 地温梯度 2-3℃/100m 更深处,受压力和密度增大影响,地温增加趋缓 100km以下, 温度约1300℃ 1000km处,温度2000℃ 2900km处,温度2700℃ 地心, 温度>3200℃, 推测可达4000-5000℃
顺磁性 磁化率>0
铁磁性 磁化率可变
常见矿物的磁化率
磁性类型 逆 磁 性 矿物 方解石 方铅矿 金 石英 角闪石 黑云母 石榴子石 顺 磁 性 菱铁矿 硫锰矿 K(Mg,Fe)3(Al, Fe)Si3O10(OH)2 A3B2（SiO4）3 A=Ca, Mg, Fe+2, Mn+2 B=Al, Fe+3, Mn+3, Cr FeCO3 MnS 98×10+6 65×10+6 饱和磁化强度 emu/g 218 161.8 54.4 110 201 232 CaCO3 PbS Au SiO2 晶体化学式 磁化率(emu/g) -0.5×10-6 -0.34×10-6 -0.14×10-6 -0.5×10-6 13-75×10+6 53-78×10+6 31-159×10+6
地 幔 Mantle
厚2850km左右，平均密度4.5g/cm3，质量4030×1024g，占地 球质量的67.6%，体积的83.4%。 据地震波，以650km深处为界，可将地幔分为上地幔和下地 幔。上地幔的平均密度为3.5g/cm3，这一密度值与石陨石相 当，可能具有与石陨石类似的物质成分。按地热梯度计算， 上地幔正常温度为500-1000℃以上，洋中脊最高温度可达 1500-1600℃以上。由于上地幔温度较高，且各处重力差异 明显，因此上地幔被视为地球深部的不稳定地带，是产生岩 浆活动和构造运动的根源。 下地幔中物质结构变化很小，平均密度为5.1g/cm3，主要化 学成份是MgO和SiO2，其次 CaO和Al2O3。与上地幔相比， 下地幔物质化学成分的变化主要表现为含铁量的相对增加。
地理南极点
地磁场要素 --- 磁偏角
磁偏角：地球上任一点的地理北方向与地磁北方向的夹角
地理北极点 磁北极
磁偏角
磁南
正南
磁偏角东偏 正北
磁 子 午 线
磁偏角西偏 磁北 正北 测线 A
A磁
源自文库
磁北 A
A磁
测线
地 理 子 午 线
地 理 子 午 线
磁 子 午 线
A = A磁 +
A = A磁 -
重力异常可用于了解地下结构、寻找矿
产资源
地磁与地磁异常
深海剖面与地壳年令
地球磁场

地球液态外核的Fe、Ni不 断地以约0.5mm/s的速度 向外部较低的边缘部份流 动，在地心熔岩金属层 中，会被原有的地球磁場 感应出电流，这种感应电 流又制造出一个新的磁场。 根据这种“自激磁学 说”(Self-exciting dynamo) 所产生的循环，同样进行 在每座发电机中。也经由 电脑模拟测试论证

大陆和大洋地壳剖面
图中数字为地震纵波速度（km/s） 重力均衡: 某地岩块较高, 根在地下越深
岩石圈和软流圈
在上地幔的顶部和 地壳，距地表70-100 km，由固体岩石组成， 称岩石圈。
早在1926年，地震学家古登堡 目前地学研究的主要是岩石圈。 发现在坚硬的岩石圈下边存在 着一个低速带，这个低速带 相当于软流圈，深度大约在100-250公里。实际 上，软流圈并不软。从计算和模拟实验表明，在软 流圈中，只有大约0.5%的局部地区发生了熔化。 但是，因为岩石圈刚性较大，相比之下，软流圈就 多少带有一点塑性和流动性。 岩石圈板块就“漂浮”在软流圈上运动。
现代地磁场
地磁北极：北纬78.2,
西经102.9 (1980) 地磁南极：南纬65.5, 东经139.4
平均地磁场强度： 磁极磁场强度：60 赤道磁场强度：

地理北极点
磁北极
地 理 轴 与 地 磁 轴 并 不 一 致
11.5度 地理赤道 地磁赤道
磁南极
D O
T
Z
磁 是一个矢量
地磁场要素 --- 磁倾角
磁倾角 I 地磁场方 向与水平面的交角 地理纬度与磁倾角 Ｉ有如下的数学关系 tg I = 2 tg 磁倾角有正负之分： 磁场方向指向下为正 磁场方向指向上为负 赤道上为0, 北极为+90 南极为-90度
岩石的磁性
岩石的磁性记录了地球磁场变化的信
a
b
奥尔德姆绘制的P波和S波走时曲线(a)和简单的穿过两层 地球模型的波的路径(b)（据奥尔德姆1906年著作）
地球圈层构造可以通过地球物理方法验证
莫霍面
古登堡面
莫霍面

莫霍面 ---- 地壳与地幔分界面 古登堡面 ---- 地幔与地核的分界面
地核 Core



地核的体积占地球总地积的16.2％，质量却占 地球总质量的3l.3％，地核的密度达9.98-12.5 g/cm3。 地核进一步分为三层：外核（深度28854170km）、过渡层（4170-5155km）和内核 （5155km至地心）。 地核的密度与铁陨石的较接近，表明地核可能 主要是铁、镍、硅合金组成。
第一个称量地球的人—卡文迪什


英国人卡文迪什(1731—1810)是有 史以来最伟大的实验科学家之一。 他在力学、热学、电学、化学等领 域都有划时代的贡献。 1798年,卡文迪什就用自己设计的扭 秤，推算出了地球密度是水密度的 5.481倍(现在的数值为5.517)，并计 算出了地球的引力常数，然后用牛 顿定律求出地球质量。后人称他是 “第一个称量地球的人”。 地球的质量为5.9472×1024t 地球平均密度为5.516g/cm3
地球内部的主要壳层
名
地壳 上地幔： 非地壳的岩石 圈 软流圈 下地幔 过渡层 外地核 内地核 150～670 670～2780 2780～2885 2885～5155 5155～6371
称
深度范围 /千米
5～11(大洋) 0～40(大陆) 莫霍面到150千米
物理状态
固态 固态 固态 固态(上部接近熔 融) 固态 固态(较低的速度) 液态 固态
G=987.0318(1+0.0053024Sin20000059Sin22
重力异常
地球表面起伏、内部物质密度分布极不
均匀，结构上的差异，使实测重力值与 理论重力值有明显的偏离---重力异常 重力偏大----正异常----物质密度偏大 重力偏小----负异常----物质密度偏小
莫霍面—
古登堡面 莫霍面
壳幔界面
古登堡
面—核-幔 界面
地震波在地球不同圈层中的传播
地震波是了解地下深处结构的最好方法
纵波：P波 横波：S波 面波：沿地球表面进行 传播
通过地球内部的典型地震波射线
地球液体核的发现

英国地质学家奥尔德姆（1906）发现地球的核。 奥尔德姆的发现很好地阐明了地震学家怎样利 用走时曲线，来推断地球内部的结构。
大地热流

地球内部积聚了大量的能量,并从内部向外部传递, 这就 是大地热流. 单位：cal/cm2s. 全球热流平均值：1.4-1.5 cal/cm2s 大陆平原区：0.9-1.2 cal/cm2s 大陆山区:：2-4 cal/cm2s 大洋中脊：>2 cal/cm2s，可达8 cal/cm2s 地热梯度：℃/100m；or ℃/1000m 大陆地区：2-5 ℃/100m；平均3 ℃/100m

地球参数

赤道半径 两极半径 平均半径 扁率 赤道周长 子午线周长 表面积 体积 质量 密度
6378.137 km 6356.752 km 6371.012 km 1/298.257 40075.7 km 40008.08 km 5.101×108 km2 10832×108 km3 5.9472×1024 kg 5.516 g/cm3
普通地质学
第二章 地球的物理性质和圈层构造
地球的大小与形状
6.22中午埃 及塞恩城
亚历山大 里亚城
800km
南极表面比基面凹进24米，而北极的海面比 基面高出18米。赤道到南纬 60°之间比基面 略高；而赤道到北纬45°之间比基面略低。 因此地球的真正形状近似“梨形”。
古希腊的厄拉多塞首先用较 为科学的方法测得了地球的 大小 地球的周长约为40，000千米，地球的半径为6400千米

地 壳 Crust
平均厚度约16km，约占地球半径的1/400，体积只有地球的0.3%。 地壳可分为洋壳和陆壳。陆壳的厚度较大，平均厚度约35km，在某 些高山地区可厚达70km，在较薄的地方有时仅25km左右。 陆壳由上向下又可分为上地壳和下地壳： 上地壳主要由硅（73%）和铝（13%）等组成，因此被称为硅铝 层，密度2.7 g/cm3。该层物质的平均化学成分十分接近花岗岩，故又 称为花岗（质）层。这一层并不连续，只有大陆才有。 下地壳的主要由硅（49%）、镁和铁（18%）、铝（16%）等组 成，因此被称为硅镁层，总体平均成分与玄武质岩石相当，故又称 为玄武岩（质）层，密度3.1g/cm3。 洋壳较薄，平均7km。主要是硅镁层，主要由玄武岩层构成。

据横波波速划分的地球上地幔至地表的次级圈层
地球内部不同深度的物相组成
深度 km 地壳内部 33 100-150 220 400 670 压力 GPa <0.9 0.9 物相组成 各种岩石不同分布格局 橄榄石(Mg2SiO4), 石榴子石(Mg2Al2Si3O12)四配位 斜方Mg2SiO4→βMg2SiO4 亚稳相 斜方Mg2SiO4→βMg2SiO4 → γ尖晶石相Mg2SiO4 (立方) Mg2SiO4后尖晶石 Mg2SiO3, Mg2SiO4 Mg2Al2Si3O4 向钙钛矿相转变 SiO4 → SiO6 (立方结构?) 1000 2900 5080 6371 39 137 317 364 斜方钙钛矿相硅酸盐→四方结构→密排六方结构 氧化物四方结构→密排立方结构→立方结构SiO6六配位 FeH, FeS液态外核界面 固态Fe(Si,S,H)
1997年磁偏角值
我国东部地区磁偏角为西偏
杭州地区磁偏角为西偏 4°35´左右 南京地区磁偏角为西偏 4°59´ 玉门（酒泉西北）磁偏角为东偏 0°01´ 乌鲁木齐磁偏角为东偏 3°05´
甘肃酒泉以西地区为东偏
凡数据偏东者每年增加1 ´，偏西者每年减少1´
X（正北） H(磁子午线） I Y(正东)

地球的压力
地球的压力与重力有关. 地表到地下24km内,压力从1×105Pa→106Pa 670km处, 压力增大到24×109Pa 2891km处,压力增大到136×109Pa 6371km处,压力增大到364×109Pa
地球内部的主要物理性质—压力
地内压力随深度连续而逐渐地增加。
2.75g/cm3，深度每增加1km， 压力将增加约 27.5 MPa 莫霍面处约 1,200 MPa 古登堡面处约 135,200 MPa 地心处达 361,700 MPa
陆地面积1.49×108
km2 占地球面积29.2% 海洋面积3.61×108 km2 占地球面积70.8% 最高山峰----珠穆朗玛峰 8848.13 m 最深海沟----西太平洋的马里亚纳海沟 11034 m 陆地的平均高度 875 m 海洋的平均深度 3729 m
地球圈层结构
地壳密度
1 MPa=109N/m2
地球内部的主要物理性质—重力



任一物体受地球吸引力和地球自转而产生的离 心力。离心力相对吸引力是非常微弱的，最大 不超过引力的1/288。 重力方向指向地心,随深度而增加 古登堡面（2891km）达极大值：1068cm/s2 赤道处重力值978.0318Gal(伽） 两极：983.2177Gal
息，也反映了地下结构与矿产的分布。 岩石的磁性是最复杂的物理性质之一， 它与物质的电子结构特点有关. 岩石磁性和组成岩石的矿物的结晶化学 有关。
磁化率是地球信息探测技术磁学勘探 中的重要参数

根据磁性的类型、化学组成可以分为逆磁性、顺 磁性和铁磁性，后者的磁性比前两者强许多倍
逆磁性 磁化率<0