01第一讲 固体地球概论

月球上看地球
月球上看地球
南极洲
尼羅河三角洲
死火山口
Байду номын сангаас 河谷
山脉
喜马拉雅山
西藏
地球大气层
西非上空
墨西哥上空
风暴
台风眼
南极风暴
通过实测和分析，终于得到确 切的数据：地球的平均赤道半 径为6738.14公里，极半径为 6356.76公里，赤道周长和子 午线方向的周长分别为40075 公里和39941公里。测量还发 现，北极地区约高出18.9米， 南极地区则低下24～30米。
陨石
Experiments • Multi-Anvil Press（多钻骨压） – Synthesis experiments to 1000 km depth – Samples 1-5 mm3 • Diamond Anvil Cell – Spectroscopy（光谱学） – Ultrasound – X-ray diffraction
– Phase Changes
• P and S travel time anomalies
– Tomography
– Hot and cold regions
地球内部情况主要是通过地震波的记录间 接地获得的。地震时，地球内部物质受到强烈 冲击而产生波动，称为地震波。它主要分为纵 波和横波。由于地球内部物质不均一，地震波 在不同弹性、不同密度的介质中，其传播速度 和通过的状况也就不一样。例如，纵波在固体 、液体和气体介质中都可以传播，速度也较快 ；横波只能在固体介质中传播，速度比较慢。 地震波在地球深处传播时，如果传播速度突然 发生变化，这突然发生变化所在的面，称为不 连续面。根据不连续面的存在，人们间接地知 道地球内部具有圈层结构。
看起来，地球形状像一 只梨子：它的赤道部分鼓起， 是它的“梨身”；北极有点放 尖，像个“梨蒂”；南极有点 凹进去，像个“梨脐”，整个 地球像个梨形的旋转体，因此 人们称它为“梨形地球” 。 其实地球确切地说，是个三轴 椭球体。
地球学科的学科分类体系
地球的内部结构
地球内部具有同心球层的分层结构，各层的
地球的起源
科学家们过去常认为包括地球、水星、金星、火星在内的 石质行星是一块尘埃云快速引力坍缩而形成的。这种坍缩产生 了致密的球体，但在20世纪60年代，阿波罗太空计划的有关研 究成果改变了这种观点。对月坑的研究揭示出这些坑是由于在 距今约45亿年时大量天体的撞击而形成的。此后，撞击的次数 看来很快减少。这一研究结果使斯米特（Otto Shmidt）提出 的吸积理论恢复了活力。这位苏联地球物理学家于1944年提出： 行星是一步一步地逐渐增大其体积的。根据斯米特的见解，宇 宙尘团聚在一起成为颗粒，颗粒变成砾石。砾石变成小球，然 后变成大球，再变成微行星（即星子），最后，尘埃终于变成 了月球那样的大小。随着星体越来越大，它们的数目就减少。 结果，星体（即陨石）之间碰撞的机会就减少，能够用于吸积 的东西越来越少，这意味着为了集结成大行星这一作用要进行 很长的时问。由华盛顿卡内基研究所的韦瑟里尔（George .W. Wetherill）进行的计算表明，一个直径10千米大小的天体变 成地球这样的天体需要经过大约一亿年的时间。
最早算出地球大小的，应该说是公元前３世纪的希腊
地理学家埃拉托斯特尼。他成功地用三角测量法测量了阿斯 旺和严历山大城之间的子午线长，算出地球的周长约为25万 希腊里（39600公里），与实际长度只差340公里，这在2000 多年前实在是了不起。
第一个测量 地球的人
井底
公元前约200年，古希腊的厄拉多塞（Eratosthenes） 首先用较为科学的方法测得了地球的大小。当时他注意 到这样一个事实，6月22日中午埃及塞恩城上空太阳正当 头顶 ，而同一时间在塞恩城以北约800千米的亚历山大里 亚城 ，太阳光线已发生偏斜。他由此判断，地球是圆的， 亚历山大里亚城太阳的偏斜一定是由地球表面弯曲引起 的。于是，他根据建筑物的阴影，用几何方法求出地球 的周长约为46240 千米，地球的半径为6400千米。我们 知道，现在所测得的地球赤道周长为40076．5938公里。 按此计算，埃拉托斯梯涅斯的数据比现在的数据约大15 ％这是一个非常接近后来精确测量的数字，其测量方法 如图所示。
地核
地核 ，地球的核心，主要由铁 、 镍元 素组成 ，半径为3480千米 。1936 年 ， I.莱曼根据通过地核的地震纵波走时， 提出地核内还有一个分界面，将地核分 为外地核和内地核两部分。由于外地核 不能让横波通过，因此推断外地核的物 质状态为液态。
如何研究地球的结构
地震学
陨石 铺虏体 实验
地球的形状
地球的形状，顾名思义，是“球”形的。不过，对于
“球”形的认识曾经历了一个相当长的过程。公元前五六世 纪，古希腊哲学家从球形最完美这一概念出发，认为地球是 球形的。到了公元前350年前后，古希腊学者亚里士多德通 过观察月食，根据月球上地影是一个圆形，第一次科学地论 证了地球是个球体。我国战国时期哲学家惠施也早已提出地 球呈现球形的看法。。 1519年葡萄牙航海家麦哲伦率领的5 艘海船，用3年时间，完成了第一次环绕地球的航行，从而 直接证实了地球是球形的。从此，人们便一致把我们所在的 世界称为“地球”。
物质组成和物理性质都有变化。地球内部是不能 直接观测的，所以有关地球内部的知识多是间接 得来的。例如，根据天文学得）知的地球质量和 大地测量所得的地球形状和大小，可以计算出地 球的平均密度为5.5克／厘米3。但是，地表物质 的密度小于 2.7 克／厘米3 ；因此可以推知地球 内部物质的密度要比5.5克／厘米3为大。根据陨 石有石陨石和铁陨石之分，又由于地球有明显的 内源磁场，因此可以推断地球内部有一个铁质的 地核。主要根据地震波在地球内部传播所显示出 来的各种迹象，证明地球内部可大致分为地壳、 地幔和地核 3 个组成部分。
地震纵波 Seismology P-waves
地震横波 S-waves
Xenoliths 铺虏体 • Xenoliths are ‘strange rocks’ • Xenoliths are inclusions in kimberlites（金百利岩） and basalts （玄武岩） • Xenoliths provide natural high pressure rocks. – Kimberlites bring diamonds and other rock samples from as deep as 670 km. – Basalts are derived from the lithospheric mantle
地壳
地壳
地球球层结构的最外层。大陆地壳的厚度一般为35～ 45 千米 ，喜马拉雅山区的地壳厚度可达 70 ～ 80 千米。 1909年A.莫霍洛维奇根据近震地震波走时确认地壳下界 面的存在 ，在此界面以下地震纵波的速度由平均 5.6 千 米 ／秒突然增至7.8 千米／秒。这个分界面后人称之为 莫霍界面。大陆地壳一般分为上地壳和下地壳，上地壳 较硬，是主要承受应力和易发生地震的层位 ，下 地壳较 软 。海 洋 地壳较薄，一般只有一层，且比大陆地壳均 匀。
关于地壳均衡的研究认为，岩 石圈下 面有一个物 质层，其强度较小 ，容许缓慢变形和在水平方向流动。 1914年，J.巴勒尔称这个物质层为软流圈。软流圈概念 和地震学中的地幔低速层概念似乎指的是同一个对象， 很多人把它们等同起来。板块大地构造学说认为，岩石 圈板块漂浮在软流圈之上，可以作大规模的水平向移动
Multi-anvil Press 5000 ton (Bayerisches Geoinstitut)
铺虏体
铺虏体
陨石
Meteorites • Meteorites tell us of Earth’s bulk composition
– Chondrites（球粒状陨石） are primitive meteorites – Earth is “chondritic”（球粒状陨石的）
• Composition is similar to sun minus H, He and other volatiles（挥发物质）.
地球的质量
地球的重量－－60万亿吨 有足够的引力吸引住厚厚 的大气层（2000~3000km）
地球到底有多重美科学家又有新说法
2000/05/04 科技日报
加拿大《多伦多星报》科技记者从美国物理学会年会 上获悉，美国科学家利用精确的重力计算方法，重新计算 地球的重量，认为地球的实际重量比以往科学家估测的要 轻。
麦哲伦船队的环球航行
到18世纪，航海事业日渐发达，对地图的精度要求更高，于是对地 球形态的了解更为细致。这时牛顿指出，地球因旋转而产生的离心 力在赤道最强 ，在极地最弱 ，在赤道附近应稍为突 出，因而地球
不是一个正球形。1735年在秘鲁和瑞典拉普兰进行的测量证明了牛 顿的看法。地球是扁球形，极地半径较短，约为6356千米，赤道半 径稍长，约为6380千米。现在，通过对卫星进行更精确的测量，发 现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”。然而，由于它的突凹量和半径
How do we know what’s there? • Seismology – S-wave shadow – P and S reflections and conversions • Meteorites: – Earth formed from primitive meteorites（陨星） • Xenoliths from kimberlites（金百利岩） & basalts（玄武岩） Experiments
固体地球概论
地球在宇宙中的位置
地球在宇宙中好比“沧海一粟”。太阳系是 银河系的一个成员。从太阳到银河系中心距离 是3万光年，从地球到太阳的平均距离约15000 万公里。在九大行星中，按照距离太阳由近及 远顺序，地球是第三颗行星；按照行星绕太阳 的轨道关系，地球的“左邻”是金星，“右舍 ”是火星。从地球到金星的最近距离约4000万 公里；从地球到火星约5000万公里。