中国地质大学普通地质学第一章 地球的物理性质

• 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
二
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）
三
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