中国地质大学普通地质学第一章 地球的物理性质

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• 利用重力异常原理,可以通过各地的局 部重力异常来进行找矿和勘查地下地质 构造。
• 通过( 高程和中间层)校正,将测点臵 于大地水准面上,然后与理论重力值比 较。
自由空气重力异常
• 把测点因高出平均海平面而减小的重力 值(gh)(加到)实测值中, 称为自由空 气校正。 • 自由空气(高度)重力异常: 经自由空气 校正后的重力值与正常重力值之差, 称 为自由空气重力异常(gF)
地球内部密度的确定——地震波
• 原理:地震波通过不同密度介质时的波 速不同,在越过两种不同介质时还会发 生折射现象。
经验公式:
ρ=0.27VP+1.07
VP—地震纵波
地震波的类型
• 纵波(P) 、横波(S)和面波(M)
地震发生后,设在 全球各地的地震台 站先后接收到地震 的纵波(P)、横 波(S)及沿地面 传来的面波(M)
弹性
刚 性 破 裂
塑性
同一物体在不同的受力—变形条件下, 可以分别表现出不同的物性。
地球的弹、塑性表现方式
弹性表现: 固体潮; 地震波
塑性表现:
地球的形状——旋转椭球体;
岩石的褶皱变形
Hale Waihona Puke 弹性表现一:潮汐与固体潮
• 潮汐:由月球和太阳的引潮力作用引起的海面 周期性升降现象。
地核
地心
b.
减 小
内地核
地表的重力与纬度呈正比,与海拔 呈反比。 g = f M/R2 地球内部,不同深度的重力与半径 和密度有关。(看M和R2谁占主导) 地心处的重力为零:g=4πRρf /3
G

地球的密度和压力
地球的质量
若一头大象的质量以平均3t计,则地球的质量 =5.947×1021t,约等于2万亿兆头大象。
中国布格重力异常
大陆通常为 布格负异常; 海洋多为 布格正异常。
高低起伏的地表是如何达到 平衡状态的?
地壳(地表)物质如何与更深部的物 质之间在质量或重量上达到平衡状态?
重力均衡(Isostasy)
重力均衡(Isostasy)
地壳(地表)物质如何与更深部的物质之 间在质量或重量上达到平衡状态?
地磁场倒转
• 地磁极出现 “反转”,即南、 北极互相颠倒的现象。
• 地磁场正向期—与现代地磁场 方向一致的时期 • 地磁场反向期—与现代地磁场 方向相反的时期
地磁场倒转
第四纪地磁极性年表
Age Chron Sub- GPTS (Ma) chron
0.0
布容正向期
Brunhes
0.5
Jaramillo
H
F
Z
H=FcosI
磁 倾 角 ( ) 示 意 图
H I F Z
I
试 看 磁 倾 角 的 变 化 规 律
磁 倾 角 由 低 纬 度 向 高 纬 度 增 大
磁偏角
磁北自地理北向东偏为正,西偏为负; 全球分为东偏和西偏两大区域,我国大 部分地区磁偏角为西偏,但在甘肃酒泉 以西多为东偏。 本初子午面
地球内部的压力
• 地球内部的压力是由上覆地球物质的重 量产生的静压力。 • 静压力的大小与所处的深度、上覆物质 的平均密度及重力加速度呈正相关关系。 • 在地球表层、地壳和接近地心附近时压 力增长较平稳,在下地幔和外核部分增 长得较快。
地球内部压力和密度的变化
深度(km)

地球的磁场
地磁场基本特征
地球内部的温度
地球表层的温度分层:
• 变温层-受太阳辐射影响,影响深度日 变化约为1~2 m,年变化约为15~30m; • 恒温层-与当地的年均温度大致相当, 是太阳辐射与地球内部热量达到相对平 衡,深度大约为20~40m; • 增温层-常温层以下,受地球内部热量 的影响,存在地温梯度。
地球内部温度变化
• gF=(g+gh)-g0 反映了地球表面的地形高
程变化
中间层校正
• (减去)平均海平面以上到测点间的 物质对物体产生的引力作用, 或 ( 加上)低于平均海平面的部分全部 用地壳物质填平所产生的引力作用, 称为中间层校正, 以gm表示。
布格校正
• 高度(自由空气)校正和中间层校正 统称为布格校正。 • 经布格校正后的重力值与理论值之差 称为布格重力异常。 gB=(g+gh+gm)-g0 布格重力异常反映了地球内部的物质 分布状况。
R
G
地核
a.
地心
图 3—4 地球重 实测重力值受什么因素的影响?
r—纬圆半径
G—重力;F—引力;P—离心力
影响实测重力值的因素
• 地球的形状与地表起伏,P =f mM/R2; • 地球不停的绕自转轴旋转,不同纬度处 的旋转半径不同—P =F + C(惯性离心
力);
• 地球内部物质分布不均匀。
重力异常(gravity anomaly)
H
W E E
F
Z
我们国家的最西端在东半球 , 是东经73°,最东段为西经 135 °
磁偏角的校正:在野外地质观测中,罗盘要测定的方 位是地理方位。但由于磁偏角的存在,罗盘测得的方 位实际上是地磁场的方位,因此必须事先根据各地不 同的磁偏角,对罗盘进行磁偏角校正。
地磁异常及应用
• 和地球有重力异常类似,地球也有磁场异常
M/R2
G
地核
• 理论重力值的计算: a. 地心 2 g0=9.780327(1+0.005302sin 0.000005sin2 ), 其中为纬度 图 3—4 地球
• 地球上某点的重力值只与该点的纬 —纬圆半径 度有关,沿经度没变化, r其最大值 和最小值分别位于两极和赤道。
G—重力;F—引力;P—离心
在地下更深处,由于压力和密度增大的影响,地温的增速趋缓。
100km(上地幔局部熔融开始) 1000~12000C
700km(上下地幔界面) ~19000C 2900km(地幔地核分界面) ~27000C
6371km (地心) ~45000C
五 地球的弹、塑性
• 弹性——外力消失后变形恢复的性质
• 塑性——外力消失后部分变形不能恢复
山东济宁发现特大铁矿(50~80亿吨)
该铁矿的发现,破解了长达50年未解的华北 地区最大的航磁异常之谜。——2009.10.12
地磁场反转与大陆漂移
地磁场歌唱家
岩石、沉积物录 音机
获取岩石或沉积物 形成时地磁场的信 息
性迁磁 颗移性 粒的颗 。示粒 意从 图水 。到 黑沉 色积 的过 是程 磁中
地球平均密度及内部密度的变化
• 地球质量5.974×1021t, 体积1.08 ×1012km3, 平均密度为5.516 g/cm3。 • 由实测可知,地表岩石的平均密度为 2.7-2.8 g/cm3, 海水的平均密度为1.028 g/cm3, 均小于地球的平均密度, 说明… 地球的密度是不均一的,其内部物质 的密度更大。
普拉特(Pratt,1854):密度补偿模式
认为补偿面以上各地的岩石密度不同, 地下的补偿面应该处于同一高程。
ρ 最 小
ρ大
地下补偿面
艾利(Airy,1855):深部补偿模式
认为地球表层物质的密度是相同的,地表某 处的高程越大,它下插的深度(根)就越大。
地壳与其下伏地幔的关系如同木块浮在水面上的关系
重力均衡(Isostasy)
ρ=3-3.3 g/cm3 ρ=2.7-2.8 g/cm3
上地幔 ρ≈3.4 g/cm3
密度补偿(37%)
+
深部补偿(63%)
中国布格重力异常
大陆通常为 布格负异常; 海洋多为 布格正异常。
地 球 大陆地壳 内 大洋地壳 部
的 地幔
地幔
地壳
地幔
G 增 大
外地核
重 地核 力 变 全球 化
a.
地心
图 3—4 地球重力
由于地球产生的惯性离心力相对于地球引力是 G—重力;F—引力;P—离心力; 很微弱的,因此重力方向是大致指向地心的。
一、地球的重力
• 重力场:地球内部及其附近存在重力作用的 空间。 • 重力场强度:单位质量的物体在重力场中 (某点)所受的重力(重量)。其在数值和 方向上等于重力加速度。前者是力,后者是 加速度。 • 在重力学中所说的重力实际上是指重力场的 强度或重力加速度。
• 地磁场:地球周围存在的磁场。 即地磁力线的分布空间。 • 地磁极: 磁轴与地面的交点。
11.5
•类似于偶极子磁场(90%); •地理北极为地磁南极,但 习惯上将指向地理北极的 地磁极称为磁北极; •地磁轴与地球自转轴的夹 角为11.5º 。
S
N
地球磁场的要素
F-总磁场强度:地球 上某点所受到的磁 力大小; H-地磁场水平(切 向)分量; Z-地磁场垂直分量; D-磁偏角:磁子午面 与地理子午面之间 的夹角; I-磁倾角:F与水平 面的夹角。
Sun Jimin-2006, Science
四 地热
• 地球的热源
1. 放射性元素生热:238U、235U、232Th、40K 2. 地球的重力热:地球演化过程中原始物质积聚、 体积收缩释放的重力能及动能转换成的热能。 3. 其他热源:如化学反应释放热和潮汐摩擦热等。
地球内部的温度
• 地温场 (Geothermal field)(或地热场): 是指地球内部各层中温度的分布状态,是 地球内部空间各点在某一瞬间的温度值 的总和。 • 地温梯度(Geothermal gradient) :沿等 温面的法线朝地心方向上单位距离内温 度所增加的数值(深度每增加100m时所 增高的温度),单位为℃/100m。 • 华北平原为2~3 ℃/100m, • 安徽郯-庐断裂带4 ℃ /100m。
一、地球的重力
• 重力加速度(g)的计算: 单位质量的物体(m)受到的地心引力为F=f Mm/R2
M为地球的质量,f 为万有引力常数 f =6.67259*10-11N㎡/kg2 (m3/k· gs2) P=F+C,忽略C(C=P/300),则 P=F,即mg=f Mm/R2 因此,g=f M/R2
第一章 地球
第三节 地球的物理性质
地球的重力 地球的密度和压力 地球的磁性 地热 地球的弹塑性
一、地球的重力
重力:地球质量对物 体产生的引力与由于 地球自转而产生的惯 性离心力的合力。
C-离心力;F-地心引力 P-重力
地壳
R
rr
FF P
地幔
C
R
G
地核
P =F + C
r—纬圆半径
重力异常的类型
•布格校正后的实测重力值大于理
论值称重力正异常,表示
地下物质密度较大! •相反为重力负异常,表示
地下物质密度较小!
重力异常的应用:重力勘探
• 铁、铜等金属矿产分布的地区,则 会出现局部的重力( 正)异常。 • 石盐、煤、石油等矿产分布区, 由 于物质密度小, 出现局部的重力 负)异常。 (
单位质量的物体(m)受到的重力为P=mg(牛顿第二定律)
理论(正常)重力值
• 假设地球表面光滑 , 内 部的密度均匀或是层状 的 , 用正常的旋转椭球 体来代替地球实际的形 态,以大地水准面为基 准,计算得出的重力值 称作理论重力值。
理论(正常)重力值
R
地 rr
FF P C
地幔
R
• P=F+C, g=f
重力异常(gravity anomaly)
• 地表起伏甚大,内 部的物质密度分布 也极不均匀,在结 构上还存在着显著 差异。 • 重力异常:实测重 力值减去理论(正 常)重力值的差值。
一、地球的重力
地壳
单位质量的物体 (m) 受到的重力 为P=mg, R
rr
FF P
地幔
C
P =F + C g = f M/R2 2 P = f mM/R
• 基本(正常)磁场:中心偶极子磁场(90%)和非偶 极子磁场。 • 地磁异常:叠加在地球基本磁场之上,由地壳内的 岩石矿物及地质体的磁性差异引起的磁场(实际测 量到的地磁场与正常磁场的差异)。 • 磁法勘探 –若地壳中存在磁性岩体和矿体,如磁铁矿、镍 矿、超基性岩等,出现(正 )异常; –若地壳中存在金矿、盐矿、石油、花岗岩等低 负)异常. 磁或反磁性的矿物和岩体,则出现(
经验公式: ρ=0.27VP+1.07
VP—地震纵波
地球内部的密度
布伦(1975) 推导结果:
• 地壳表层的密度为2.7 g/cm3, 地下33km处 为3.32 g/cm3, • 大约在2990km处密度由5.56 g/cm3突增至 9.98 g/cm3,
• 至6371km处, 达12.51 g/cm3 。 • 地球内部物质的密度与深度的增加是非 线性递增关系.
0.78 Ma
1.0
0.99 Ma 1.07 Ma
1.5
Matuyama 松山反向期
Olduvai
1.77 Ma
1.95 Ma
结合岩石地层学、 生物地层学等资料, 将剖面的地磁极性倒 转序列与标准极性年 表(GPTS)对比,建立 剖面的年代格架。
2.0
2.5
2.58 Ma
新生代标准磁极性柱
The Age of the Taklimakan Desert
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