固體地球物理學(xué)導(dǎo)論

1、固體地球物理學(xué)導(dǎo)論第1頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第一章課程主要內(nèi)容第一章 序言 第二章 地球的起源、運(yùn)動(dòng)與結(jié)構(gòu)第三章 地球形狀、密度及重力場第四章 地球的磁場 第五章 地球的電磁感應(yīng)和電性結(jié)構(gòu)第六章 地球內(nèi)部的熱狀態(tài)與地?zé)釄鎏卣?第七章 地球內(nèi)部的地震波場第八章 地球內(nèi)部介質(zhì)的各向異性與地震層析成像第九章 實(shí)驗(yàn)與計(jì)算地球物理第十章 若干熱點(diǎn)問題第2頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第一章什么是地球物理?地球物理學(xué)研究那些內(nèi)容?地球物理與其他學(xué)科的關(guān)系.地球物理的發(fā)展地球物理對(duì)社會(huì)發(fā)展的貢獻(xiàn)第一章 序言第3頁，共71頁，2022年，5月20

2、日，20點(diǎn)26分，星期二第一章地球物理學(xué)的定義 地球物理學(xué)是以地球?yàn)檠芯繉?duì)象,研究地球的各種物理現(xiàn)象，以及這些現(xiàn)象與地球運(yùn)動(dòng)、地球各層圈結(jié)構(gòu)構(gòu)造、地球物質(zhì)的分布及遷移的關(guān)系的學(xué)科。(Geophysics) 地球物理學(xué)最早是物理學(xué)的一個(gè)分支。廣義上說，地球物理研究的領(lǐng)域涉及天體物理學(xué)、地質(zhì)構(gòu)造物理學(xué)、大地測(cè)量學(xué)、海洋物理學(xué)、氣象學(xué)、大氣物理學(xué)、空間物理學(xué)等。狹義上說，地球物理學(xué)指的是固體地球物理學(xué)，即以研究地球的各種物理特征與與地球運(yùn)動(dòng)、地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)造、地球內(nèi)部物質(zhì)成分及其分布等關(guān)系的學(xué)科。 地球物理學(xué)是地球科學(xué)的重要組成部分，地球物理學(xué)、地質(zhì)學(xué)和地球化學(xué)被稱為地球科學(xué)的三大支柱。第4頁，共7

3、1頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第一章固體地球物理學(xué)的學(xué)科分支重力學(xué) 地球的形狀、重力場的變化、物質(zhì)密度的變化與分布，等等地磁學(xué) 地磁場的分布和變化、地磁場的起源、地磁場的演變，等等地震學(xué) 地震發(fā)生機(jī)制與震源分布、地震波類型與傳播、地震預(yù)報(bào)，等等地?zé)釋W(xué) 地溫場的分布和變化、地?zé)嵩醇捌浞植?，地?zé)岬膫鞑ィ鹊鹊仉妼W(xué) 地球電磁感應(yīng)特征和變化、地電結(jié)構(gòu)，等等第5頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第一章地球物理學(xué)與其它學(xué)科 地球物理學(xué)是天文學(xué)、物理、化學(xué)、地質(zhì)學(xué)之間的邊緣學(xué)科，是一個(gè)涉及多學(xué)科的、與其它學(xué)科相互交叉、相互滲透的學(xué)科。 數(shù)學(xué)、物理學(xué)、地質(zhì)學(xué)是研究地

4、球物理學(xué)三大基礎(chǔ)。 現(xiàn)代儀器技術(shù)、信息科學(xué)、運(yùn)載工具技術(shù)的發(fā)展，是推動(dòng)其發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。 地球物理學(xué)已經(jīng)成為人類社會(huì)發(fā)展的不可缺少的科學(xué)。 應(yīng)用地球物理資源勘察、災(zāi)害調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測(cè)、工程檢測(cè)、軍事戰(zhàn)略第6頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第一章地球物理學(xué)的發(fā)展 地球物理學(xué)從19世紀(jì)末到20本世紀(jì)初已形成體系，但對(duì)地球物理現(xiàn)象的觀察和探討，從遠(yuǎn)古就開始了。 公元前六世紀(jì)，希臘人從亞那薩哥拉時(shí)代已把大地看成球體；公元前三世紀(jì)，古希臘的學(xué)者亞里士多德曾提出：運(yùn)動(dòng)物體的下落時(shí)間與其重量成比例；戰(zhàn)國時(shí)期，我國發(fā)明了指南針，并開始應(yīng)用于指引方向；公元三世紀(jì)我國東漢的地震學(xué)家張衡成功

5、地進(jìn)行了地震觀測(cè)；公元八世紀(jì)，我國唐代的天文學(xué)家張遂(僧一行)獨(dú)立得出地球圓周長，其誤差約小于20； 公元16世紀(jì)以來，作為物理學(xué)中熱門，地球物理學(xué)得到較快的發(fā)展。伽利略從大量的實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出：物體墜落的路徑與它經(jīng)歷的時(shí)間的平方成正比，而與物體自身的重量無關(guān)；里舍(在利用擺鐘從巴黎到南美進(jìn)行天文觀測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)重力加速度在各地并非恒值；牛頓的萬有引力定律以及他推算的地球扁率；南斯拉大地震學(xué)家莫霍洛維奇在1909年研究阿爾卑斯地區(qū)的區(qū)域地震波震相時(shí)發(fā)現(xiàn)了地殼與地幔的分界面莫霍(Moho)界斷面；第7頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第一章地球物理學(xué)對(duì)人類社會(huì)發(fā)展的貢獻(xiàn) 大地測(cè)量學(xué)

6、的誕生與發(fā)展，使人類能夠得到地球表面的起伏變化，并用于生產(chǎn)建設(shè)和規(guī)劃， 地磁學(xué)的研究，使人類了解了地磁場，并用于導(dǎo)航， 地?zé)釋W(xué)的研究，使人類了解如何直接利用能源，. 地震學(xué)的研究, 開始“預(yù)報(bào)”地震災(zāi)害，. 基于地球物理學(xué)理論的探測(cè)技術(shù)，為人類創(chuàng)造財(cái)富，為人類“排憂解難”，. 第8頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第一章地球物理學(xué)的研究方法 最初，地球物理學(xué)研究就是從對(duì)地球的觀測(cè)開始的，所以地球物理學(xué)研究是建立在對(duì)地球充分地觀測(cè)基礎(chǔ)進(jìn)行的。 地球物理學(xué)研究方法可分為以下幾個(gè)方面： 觀測(cè)方法研究 數(shù)據(jù)分析與處理方法研究 模擬真實(shí)對(duì)象的理論模型計(jì)算與實(shí)驗(yàn) 推測(cè)真實(shí)對(duì)象反演計(jì)

7、算第9頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第一章如何學(xué)好本課程 閱讀參考書籍 聽、記、問 掌握基本概念 領(lǐng)會(huì)分析問題和解決問題的方法 了解數(shù)學(xué)方法的應(yīng)用第10頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章第二章 地球的起源、運(yùn)動(dòng)與結(jié)構(gòu)太陽系及其組成與演化地球的轉(zhuǎn)動(dòng)與軌跡地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu) 地球內(nèi)部的物質(zhì)組成第11頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章太陽系、太陽系的組成2.1 太陽系、太陽系的組成及起源 2.1.1 太陽系的成員 太陽-恒星，是太陽系的中心，是質(zhì)量和體積最大的星體。 大行星 水星（Mercury)、金星（Venus）

8、、地球（Earth）、 火星（Mars）、木星（Jupiter）、土星（Saturn）、 天王星(Uranus)、海王星(Neptune)、冥王星(Pluto) 小行星 太陽系約有30000多個(gè)小行星，最大的小行星叫谷神（Ceres）,直徑約730km。 行星的衛(wèi)星 彗星第12頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章大行星位置排列示意圖第13頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章小行星、彗星 大行星衛(wèi)星圖片月球彗星小行星木星的衛(wèi)星第14頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章Distance(AU)Radius(Eart

9、hs) Mass(Earths) Rotation(Earths) # Moons OrbitalInclination OrbitalEccentricity Obliquity Density(g/cm3) Sun 0 109 332,800 25.36* 9 - - - 1.410 Mercury 0.39 0.38 0.05 58.8 0 7 0.2056 0.1 5.43 Venus 0.72 0.95 0.89 244 0 3.394 0.0068 177.4 5.25 Earth 1.0 1.00 1.00 1.00 1 0.000 0.0167 23.45 5.52 Mars

10、1.5 0.53 0.11 1.029 2 1.850 0.0934 25.19 3.95 Jupiter 5.2 11 318 0.411 16 1.308 0.0483 3.12 1.33 Saturn 9.5 9 95 0.428 18 2.488 0.0560 26.73 0.69 Uranus 19.2 4 17 0.748 15 0.774 0.0461 97.86 1.29 Neptune 30.1 4 17 0.802 8 1.774 0.0097 29.56 1.64 Pluto 39.5 0.18 0.002 0.267 1 17.15 0.2482 119.6 2.03

11、太陽系主要成員的基本特征 2.1.2 太陽系主要成員的基本特征第15頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章 軌道的規(guī)律性共面性：行星軌道平面幾乎平行，且與太陽赤道面平行。同向性：行星公轉(zhuǎn)方向，除金星、天王星和冥王星以外，都與太陽自轉(zhuǎn)方向一致，為逆時(shí)針方向。近圓性：行星軌道偏心率小，除水星（0.206）和冥王星（0.248）以外，均小于0.1。 日距分布特征Bode定律 rn = 0.4 + 0.3 2n 其中n為行星秩序數(shù)，水星取，金星取0，地球取1，火星取2，小行星取3，冥王星取8。軌道特征第16頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章軌道示

12、意圖（一） 第17頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章軌道示意圖（二）第18頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章軌道示意圖（三）第19頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章 太陽系天體的自轉(zhuǎn) 行星的自轉(zhuǎn)可分兩種情況，類地星自轉(zhuǎn)速率差異較大，金星需244天，火星只需1.03天；巨行星和遠(yuǎn)日星自轉(zhuǎn)較快，均不到1天。 太陽自轉(zhuǎn)有“赤道加速”現(xiàn)象，即赤道處自轉(zhuǎn)約25.4天，兩極附近約35天，其內(nèi)部旋轉(zhuǎn)速度更快，可能比表面快十幾甚至幾十倍。 質(zhì)量與密度分布特征 太陽占了太陽系總質(zhì)量的99.85%，行星占0.135%，其它占

13、0.015%。若將行星分為三類，即 類地星（水星、金星、地球、火星）、巨行星（木星、土星）和遠(yuǎn)日星（天王星、海王星、冥王星），則有 質(zhì)量分布：類地星巨行星 遠(yuǎn)日星 密度分布：類地星 巨行星 遠(yuǎn)日星自轉(zhuǎn)及密度特征第20頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章行星自轉(zhuǎn)示意圖第21頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章日冕： 太陽大氣的最外層稀薄部分,由太陽表面伸展出數(shù)百萬公里,包含著鐵、鎳和其他氣體的極高度電離的原子,這表明溫度有幾百萬度,日全食時(shí)肉眼觀看它的外貌像是環(huán)繞月亮黑色圓盤的珍珠灰色光環(huán),但在其他時(shí)候要用日冕儀才可觀測(cè)到。日冕第22頁，共

14、71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章太陽內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖太陽內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖第23頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章太陽黑子圖片太陽黑子圖片第24頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章水星及其表面圖片水星及其表面圖片第25頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章金星圖片金星圖片第26頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章地球的衛(wèi)星攝影圖片地球的衛(wèi)星攝影圖片第27頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章地球與月球地球與月球第28頁，共71頁，2022

15、年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章航天飛機(jī)攝影圖片“非洲角”航天飛機(jī)攝影圖片“非洲角”第29頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章火星圖片火星圖片第30頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章木星圖片木星圖片第31頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章土星圖片土星圖片第32頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章天王星圖片天王星圖片第33頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章海王星圖片海王星圖片第34頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二

16、章冥王星圖片 冥王星圖片第35頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章隕石圖片隕石圖片第36頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章星云圖片星云圖片第37頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章 2.1.3 太陽系的起源 自從1775年康德根據(jù)牛頓的萬有引力定律提出星云說以來，先后出現(xiàn)了幾十種假說。歸結(jié)起來，主要有“災(zāi)變說”、“俘獲說”、“原始星云說”和“次生星云說”。 災(zāi)變說 災(zāi)變說認(rèn)為，太陽是先形成的，由于某個(gè)事件，如一個(gè)恒星與太陽相撞或距離很近時(shí)，從太陽中“拉出”一部分物質(zhì)，并賦予巨大的轉(zhuǎn)動(dòng)角動(dòng)量，這些物質(zhì)后來逐漸形

17、成了行星及其衛(wèi)星。 俘獲說（隕石說） 俘獲說也是認(rèn)為太陽是先形成的，但與災(zāi)變說不同的是，它認(rèn)為原始行星物質(zhì)是來自其它星際，被太陽的引力俘獲而來的，如隕石。太陽系起源的假說（一）第38頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章 原始星云說 原始星云說屬于漸變說”范疇。這種學(xué)說認(rèn)為，太陽系乃由同一原始星云物質(zhì)形成，行星和衛(wèi)星是由一度圍繞太陽的星云盤物質(zhì)凝聚而成的，并非某種偶然突變性事件的結(jié)果。 1755年，康德根據(jù)牛頓的萬有引力定律，提出了關(guān)于太陽系起源的星云說。他認(rèn)為形成太陽系的物質(zhì)基礎(chǔ)是星云，即大團(tuán)的旋轉(zhuǎn)著的氣體和塵埃，形成太陽系的動(dòng)力是自引力，即星云各部分的相互吸引的引

18、力?？档抡J(rèn)為處在混沌之中的宇宙初始物質(zhì)由于引力作用集結(jié)起來，更大的和更密集的一些質(zhì)點(diǎn)開始把周圍較小的和比較不密的質(zhì)點(diǎn)吸引過去，以后較小的物質(zhì)凝團(tuán)繼續(xù)向業(yè)已形成的中心體靠近，由于相撞使中心體獲得了更大的旋轉(zhuǎn)慣量和熱量，并產(chǎn)生了巨大的灼熱天體太陽。隨著旋轉(zhuǎn)速度加大，大量微小塵埃物質(zhì)在旋轉(zhuǎn)著的原始太陽的赤道上集中起來，形成了扁平的星云盤。之后，在星云盤的邊緣部分形成了物質(zhì)集中的中心，并從這些中心產(chǎn)生了行星和環(huán)繞行星的衛(wèi)星。在41年以后，拉普拉斯提出了和康德相似的“原始星云說”。 太陽系起源的假說（二）第39頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章 在20世紀(jì)中葉出現(xiàn)的各種星云

19、說中，霍伊爾(FHoyle)的學(xué)說較有代表性?；羰险J(rèn)為，太附系開始時(shí)是一團(tuán)凝縮的星云，溫度不高，轉(zhuǎn)動(dòng)角速度因逐漸收縮而加快。當(dāng)初始的太陽星云收縮到現(xiàn)今水星軌道之內(nèi)不遠(yuǎn)處，就出現(xiàn)了自轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，星云外部不再收縮，兩極漸扁，物質(zhì)因此而拋出，形成一個(gè)環(huán)繞“原始太陽”的盤狀物，其質(zhì)量僅為太陽的百分之一。中心的“原始太陽”與圓盤脫離以后，繼續(xù)收縮，不再分裂，最后形成太陽。圓盤與太陽脫離后，質(zhì)量不再增加，最后形成行星。 由于繼續(xù)收縮的太陽具有磁場，而圓盤星云內(nèi)有電離氣體，太陽與圓盤內(nèi)緣產(chǎn)生一種磁致力矩，使太陽的角動(dòng)量轉(zhuǎn)移給圓盤，因而由圓盤形成的行星具有較大的角動(dòng)量。在原始太陽從50倍太陽半徑收縮到1倍太陽半

20、徑的過程中，表面溫度保持為3500度左右，在地球軌道附近地區(qū)，沸點(diǎn)低的揮發(fā)性物質(zhì)相繼逃逸，而不易揮發(fā)的鐵，鎂、硅等元素則凝聚為塵粒，通過碰撞粘合而形成塊狀物質(zhì)，直徑小于1米的固體留在類地行星的區(qū)域而形成類地行星。在木星、土星軌道附近的地區(qū)，沸點(diǎn)低的物質(zhì)可以保留，因而使得土星、木星的化學(xué)成分與原始星云以及太陽相近，H，He最多。在天王星、海王星的空間附近，由于逃逸速度小，H和He大部分逃逸，剩下的多為C，N，O與H2O等物質(zhì)。 太陽系起源的假說（二） (續(xù)）第40頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章太陽系起源的假說示意圖第41頁，共71頁，2022年，5月20日，20

21、點(diǎn)26分，星期二第二章太陽系起源的假說模擬動(dòng)畫1324第42頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章太陽系起源的假說模擬動(dòng)畫第43頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章2.2 地球的轉(zhuǎn)動(dòng)與軌跡 在廣闊的宇宙空間中，地球做為一個(gè)行星在不停地運(yùn)動(dòng)。它不僅繞著一條軸線自四向東自轉(zhuǎn)，同時(shí)也沿著近似圓形的軌道繞著太陽轉(zhuǎn)動(dòng)。由于日、月的吸引和地球慣量矩的季節(jié)性變化及其它目前還不甚清楚的原因，故地球的轉(zhuǎn)動(dòng)速度是不均勻的。研究地球的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)際上就是研究地球轉(zhuǎn)動(dòng)的不均勻性。 地球旋轉(zhuǎn)軸叫地軸。地軸同地球表面的交點(diǎn)就是南北極。地軸的無限延長就是天軸。如果以地心為球心

22、，以無限大為半徑構(gòu)成的球面叫天球，則天軸和天球的交點(diǎn)叫天極。地球的赤道面與天球的交線為天赤道，地球繞太陽公轉(zhuǎn)軌道叫黃道，月球繞地球公轉(zhuǎn)軌道叫白道。地球的轉(zhuǎn)動(dòng)第44頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章2.2.1 地球的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn) 地球的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)，是地球諸多運(yùn)動(dòng)中最顯著的運(yùn)動(dòng)，這是一個(gè)天文學(xué)問題，也是一個(gè)地球物理學(xué)問題。在天文學(xué)中是將地球作為一顆行星，在太陽系的形成過程中，地球獲得的角動(dòng)量主要分配于地球繞太陽公轉(zhuǎn)、地一月轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)和地球的自轉(zhuǎn)中。 地球的自轉(zhuǎn) 地球自轉(zhuǎn)一周是一日。在天文學(xué)上日的定義有三種，即恒星日，太陽日和太陰日。恒星日是以恒星為參考點(diǎn)，太陽日和太陰日則

23、是分別以太陽和月亮為參考點(diǎn)計(jì)算的一天的長度。如果把地球中心和一個(gè)遙遠(yuǎn)的恒星連成一線，那么地球自轉(zhuǎn)一周的過程中，這條直線要先后同地球的每一經(jīng)線相割。兩次相割同一經(jīng)線所需的時(shí)間，叫恒星日，如果這一直線是連結(jié)地球中心和太陽中心，那么，這一段時(shí)間就叫太陽日，如果這一直線是連結(jié)的地球中心和月球中心，這段時(shí)間就是太陰日。 地球的自轉(zhuǎn)第45頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章 恒星日是地球自轉(zhuǎn)的真正周期。因?yàn)楹阈堑奈恢迷谔烨蛏鲜枪潭ǖ?。而太陽日和太陰日則不然，它們不是地球自轉(zhuǎn)的真正周期，因?yàn)樘柡驮虑蛳鄬?duì)地球是運(yùn)動(dòng)著的。由于太陽在天球上的運(yùn)動(dòng)是地球繞日公轉(zhuǎn)的反映。月球在天球上的運(yùn)

24、動(dòng)是月球繞地公轉(zhuǎn)的反映。 如果用24時(shí)00分表示一個(gè)恒星日的長度，那么太陽日的長度就是24時(shí)04分，太陰日的長度是24時(shí)54分。 地球的自轉(zhuǎn)（續(xù)）第46頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章 地球公轉(zhuǎn)的軌跡 地球在不停地自轉(zhuǎn)過程中帶著自己的衛(wèi)星月球繞太陽公轉(zhuǎn)。嚴(yán)格地說來，地球所圍繞的并不是太陽或太陽中心，而是太陽和地球的共同質(zhì)量中心。據(jù)計(jì)算，這個(gè)共同的質(zhì)心距太陽的質(zhì)心僅450km。因此，可以把地球公轉(zhuǎn)說成地球繞太陽的運(yùn)動(dòng)。地球公轉(zhuǎn)軌道是一個(gè)橢圓，其半長軸a=149.6106km,半短軸b=149.579106km，半焦距c=2.5106km非常接近正圓。 由于太陽位于

25、地球公轉(zhuǎn)軌道的一個(gè)焦點(diǎn)上，因此地日距離的變化以一年為周期。十分明顯，參考點(diǎn)不同，一年的長度也不一樣。若把太陽中心和一個(gè)位于地球公轉(zhuǎn)軌道平面的恒星連成一直線，那么，地球兩度經(jīng)過這一直線的時(shí)間就是一恒星年。恒星年是地球公轉(zhuǎn)的真正周期。地球公轉(zhuǎn)及軌跡第47頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章 除恒星年以外，在天文學(xué)上還有回歸年、近點(diǎn)年和食年等不同的定義。如以春分點(diǎn)，近日點(diǎn)和黃白交點(diǎn)(黃道和白道在天球上的交點(diǎn))為參考點(diǎn)，即得回歸年、近點(diǎn)年和食年。由于春分點(diǎn)，近點(diǎn)和黃白交點(diǎn)在天球上不是固定的，因此，以這些點(diǎn)為參考點(diǎn)所測(cè)得的年也不是地球公轉(zhuǎn)的真正周期。據(jù)測(cè)定 恒星年: 365日

26、6時(shí)9分10秒； 回歸年: 365日5時(shí)48分46秒； 近點(diǎn)年: 365日6時(shí)12分53秒； 食 年: 346日14時(shí)52分53秒。地球公轉(zhuǎn)及軌跡 （續(xù)）第48頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章地球的公轉(zhuǎn)與四季變化近日點(diǎn)遠(yuǎn)日點(diǎn)第49頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章地軸的進(jìn)動(dòng)2.2.2 地軸的進(jìn)動(dòng)與章動(dòng) 地軸的進(jìn)動(dòng) 月球軌道平面比較接近地球軌道平面，而黃平面和赤道面又有較大的交角。因此太陽和月球時(shí)而在地球赤道平面這邊，時(shí)而又在赤道平面那邊出現(xiàn)，這種對(duì)地球赤道隆起部分施加的不平衡的吸引力，特使地球以黃軸為軸作周期性的圓錐形運(yùn)動(dòng)，即所謂進(jìn)

27、動(dòng)。 由于地球自轉(zhuǎn)的方向是由西向東，因此地軸的進(jìn)動(dòng)的方向是由東向西。地軸進(jìn)動(dòng)的速度是每年50.26“，故地軸旋進(jìn)的周期為(3606060 /5.26”) 25786(年)。這是一種極為緩慢的運(yùn)動(dòng)。由于地軸在不斷進(jìn)動(dòng)，所以其指向也在發(fā)生極其微小的變化，現(xiàn)在它指向北極星附近，公元13600年，它就會(huì)指向織女星。 由于地軸在不斷進(jìn)動(dòng)，因而赤道平面的位置也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化。其結(jié)果將導(dǎo)致春分、秋分、夏至和冬至四個(gè)點(diǎn)的改變，它們?cè)邳S道上也以每年50.26“的速度向西進(jìn)動(dòng)著。第50頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章地軸的進(jìn)動(dòng)軌跡示意圖第51頁，共71頁，2022年，5月20日，

28、20點(diǎn)26分，星期二第二章地軸的章動(dòng) 地軸的章動(dòng) 研究表明，地軸這種象陀螺一樣以25786年為周期的旋進(jìn)運(yùn)動(dòng)(或稱歲差)的主要原因是月球?qū)Φ厍虺嗟缆∑鸩糠炙┘拥奈?。但?shí)際上，太陽、月球和地球的位置是在不斷發(fā)生變化的。太陽每年兩次通過赤道，月亮每月兩次通過赤道，因而作用到地球上的引力十分復(fù)雜。由于這個(gè)緣故，在地軸長期的旋進(jìn)過程中，又在它原有位置上附加了一個(gè)短周期的擺動(dòng)，這個(gè)擺動(dòng)叫做章動(dòng)。章動(dòng)的周期為18.6年,也就是說，地軸的進(jìn)動(dòng)不是一個(gè)簡單的錐面，地軸沿錐面里外擺動(dòng)，使錐面帶上一個(gè)“荷花”式的花邊，其擺動(dòng)的振幅最大只不過9.206。 第52頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26

29、分，星期二第二章地軸的進(jìn)動(dòng)與章動(dòng)合成軌跡示意圖地軸進(jìn)動(dòng)軌跡地軸進(jìn)動(dòng)章動(dòng)合成軌跡地軸黃軸第53頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章地球的平動(dòng) 2.2.3 地球的平動(dòng) 地球一面不停地自轉(zhuǎn)，一面又帶著月球繞太陽公轉(zhuǎn)。而太陽本身除自轉(zhuǎn)外，義帶著它的行星族(包括地球)以每秒約20km的速度向織女星方向奔馳。地球隨整個(gè)太陽系在宇宙太空個(gè)不停地向前運(yùn)動(dòng)，即所謂平動(dòng)。 從相對(duì)論的觀點(diǎn)來看,地球在宇宙太空中的運(yùn)動(dòng)并沒有到此為止。太陽系(包括地球)隨著它周圍的恒星群以大約每秒300km的速度繞銀河系的質(zhì)心旋轉(zhuǎn)，太陽系繞銀中心轉(zhuǎn)動(dòng)一周大約2億5千萬年。而銀河系本身又正以每秒600km的速

30、度向長蛇星座運(yùn)動(dòng)。 第54頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章2.3 地球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu) 多年來對(duì)地球內(nèi)部的研究，在全球范圍內(nèi)已積累了豐富的資料，根據(jù)地震波速度的變異，地球內(nèi)部可概略地分為地殼、上、下地幔和內(nèi)、外地核幾個(gè)大的圈層，這些層圈之間都存在一個(gè)物性分界面，自外向內(nèi)可為：殼幔界面上下地幔之間的過渡層幔核界面內(nèi)外核邊界地球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)第55頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖第56頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章地球內(nèi)部圈層示意圖第57頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，

31、星期二第二章地震資料揭示地球圈層結(jié)構(gòu)第58頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章地球圈層特征 (1)殼幔邊界 在地殼下面30-60km深度處，P波速度從6-7km/s，跳到8km/s以上，它是地殼與地幔的分界面，這個(gè)界面是南斯拉大地震學(xué)家莫霍洛維奇(Mohorovicic)在1909年研究阿爾卑斯地區(qū)的區(qū)域地震P波震相時(shí)發(fā)現(xiàn)的，因此，這個(gè)界面又稱為莫霍間斷面(通常用Moho或M表示)。 (2)上下地幔的過渡層 從1956年開始澳大利亞地震學(xué)家布倫(Bullen)對(duì)地幔做了進(jìn)一步地分層的研究，認(rèn)為地幔由上地幔、過渡層（速度變化不均勻）和下地幔(速度變化均勻)組成。第59

32、頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章地球圈層特征 （續(xù)一） (3)幔核邊界 在地幔內(nèi)部，速度隨深度而增加，在大約2900km處，P波速度突然從13km/s下降到8km/s左右，在地球內(nèi)部出現(xiàn)第二大間斷面。這是美國的地震學(xué)家古登堡(Gutenberg)于1914年通過大量天然地震震相分析首先提出的，該界面又稱為古登堡界面。 (4)內(nèi)外核邊界 從2900km以下進(jìn)入地核，P波速度逐漸回升，S波速度因不能通過而恒為零，直到大約5300km深處S波才出現(xiàn)，P波速度也呈現(xiàn)明顯跳躍，成為地球內(nèi)部的第三大間斷面。從而可見，外核物質(zhì)為液態(tài)，內(nèi)核物質(zhì)則為固態(tài)。這是丹麥地震學(xué)家萊曼(L

33、ehmann)女士在1936年首先發(fā)現(xiàn)的，并記為L面。第60頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章地球圈層特征 （續(xù)二） 上述地球分層，即主要簡單的劃分，從本世紀(jì)開始至50年代已大體確定，而且習(xí)慣上采用A-G字母廣以命名：A(地殼)，B(上地幔)，C(過渡層)，D(下地幔)，E(外核)，F(xiàn)間斷面，G(內(nèi)核)。 最近30年來，對(duì)地球結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)逐步深入，目前在橫向變化、非彈性和各向異性諸方面的研究不斷深化，使地球模型逐漸發(fā)展和完善。在地球分層模型的發(fā)展過程中，曾先后出現(xiàn)佐普列茲蓋格模型，杰弗里斯模型，古登堡(Gutenberg)模型，布倫(Bullen)模型，安德森哈特模

34、型以及初步地球參考模型(PREM)。這些模型彼此有聯(lián)系，也有一些區(qū)別，其中布倫模型和初步地球參考模型，使用較廣。第61頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章地球圈層模型參數(shù)第62頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章地球內(nèi)部物質(zhì)組成2.4 地球內(nèi)部物質(zhì)組成 目前，許多學(xué)者都是借助于宇宙的豐度和已知的觀測(cè)事實(shí)，以及地球物理資料來構(gòu)筑地球物質(zhì)模型，主要考慮以下四個(gè)方面： 地球作為宇宙天體的一個(gè)成員并由宇宙物質(zhì)演化而來，地球的元素豐度應(yīng)與宇宙的元素豐度大致相同，因此可以根據(jù)宇宙豐度構(gòu)成地球基本成分的簡單模型； 地球基本成分及其分布必須符合深部地震資

35、料所反映的物質(zhì)密度、波速等物理參數(shù)； 地球成分分布必須與地球總的質(zhì)量和慣性矩相協(xié)調(diào)； 地球元素分布必須符合地球內(nèi)部溫度、壓力分布的狀況。 第63頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章地殼物質(zhì)組成 2.4.1 地殼物質(zhì)組成 根據(jù)礦物學(xué)研究，長石(鉀長石、斜長石)是地殼中最豐富的礦物，其次是石英和含結(jié)晶水的礦物。地殼平均密度約為g/cm3，基于較富集礦物的速度和Vs/Vp比值的差異，故利用地震波的速度便可以有效地進(jìn)行判別。由于蛇紋石化作用，橄欖石的波速可降低，在下地殼中蛇紋石化的超鎂鐵巖是一種不穩(wěn)定因素，有一些地區(qū)的Moho界面可能不在玄武巖層的底部，而是在上地幔頂部的蛇

36、紋石化帶底部。 海洋和大陸地殼成分有所不同。大陸地殼含石英和長石較豐富，故大陸地殼內(nèi)部密度一般小于海洋地殼。若Moho界面是巖石學(xué)界面，即為硅鋁質(zhì)的或鎂鐵質(zhì)的陸殼巖石與超鐵鎂巖的地幔巖石之間的邊界。若Moho界面是化學(xué)分界面，地殼最大厚度可能出現(xiàn)在玄武榴輝巖的邊界處，由此，可以把一個(gè)相位間斷面(玄武一榴輝巖)轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)間斷面(玄武一橄欖巖) 。 第64頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章地幔物質(zhì)組成 2.4.2 地幔物質(zhì)組成 地幔的最上部也由堅(jiān)硬的硅酸鹽巖石組成，它們和地殼一起構(gòu)成了地球的巖石圈。目前人類還不能取回深度超過13km的任何物質(zhì)樣品。除了幔源巖漿及其所攜

37、帶的少量地幔巖石（可給地球科學(xué)家提供最深達(dá)約200km深處的物質(zhì)）樣品外，直接研究地幔(及其以下部分)的愿望并未實(shí)現(xiàn)。 巖石圈地慢中的最重要的礦物是鎂硅酸鹽和鋁硅鞍鹽兩大類，局部可能有氧化物或硫化礦物聚集，正常地幔中基本無含水礦物。其中，鎂硅酸鹽礦物的結(jié)構(gòu)變化能反映地幔不同部位的壓力條件。 第65頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章地幔物質(zhì)組成 （續(xù)一） (1)上地幔 根據(jù)地球物理資料和高溫高壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果，巖石圈地幔的硅酸鹽礦物應(yīng)為橄欖石，大洋下已觀測(cè)到的橄欖石，在上地幔的溫度壓力條件下，橄欖石、斜方輝石和單斜輝石是穩(wěn)定的，因而，認(rèn)為上地幔頂部可以看成是橄欖石和輝石的集合體。 巖石圈地幔底界變化于60220km深處，其下有一個(gè)地震波的低速層，無疑是高熱梯度區(qū)。在高溫條件下壓力效應(yīng)將被忽略，導(dǎo)致波速隨深度增加面減小。較多學(xué)者用部分熔融或斷層來解釋低速帶的成因，認(rèn)為它可能是大部分拉斑玄武巖聚集區(qū)，對(duì)于上覆巖石圈構(gòu)造演化有重要影響。 220400km深度的上地幔下部物質(zhì)又變得致密、剛性，溫度也回歸正常增長范圍。是固相超鐵鎂質(zhì)和鐵鎂質(zhì)巖石，也是大量堿性玄武巖巖漿的形成區(qū)。 第66頁，共71頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)26分，星期二第二章地幔物質(zhì)組成 （續(xù)二） (2)過渡層 地幔中在400km和670km