固体地球物理学导论

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1、 地 球 物 理 学 是 以 地 球 为 研 究 对 象 ,研 究 地 球 的 各 种 物 理 现象 ， 以 及 这 些 现 象 与 地 球 运 动 、 地 球 各 层 圈 结 构 构 造 、 地 球 物质 的 分 布 及 迁 移 的 关 系 的 学 科 。 (Geophysics) 地 球 物 理 学 最 早 是 物 理 学 的 一 个 分 支 。 广 义 上 说 ， 地 球 物理 研 究 的 领 域 涉 及 天 体 物 理 学 、 地 质 构 造 物 理 学 、 大 地 测 量 学、 海 洋 物 理 学 、 气 象 学 、 大 气 物 理 学 、 空 间 物 理 学 等 。 狭 义 上说

2、， 地 球 物 理 学 指 的 是 固 体 地 球 物 理 学 ， 即 以 研 究 地 球 的 各 种物 理 特 征 与 与 地 球 运 动 、 地 球 内 部 结 构 构 造 、 地 球 内 部 物 质 成分 及 其 分 布 等 关 系 的 学 科 。 地 球 物 理 学 是 地 球 科 学 的 重 要 组 成 部 分 ， 地 球 物 理 学 、 地质 学 和 地 球 化 学 被 称 为 地 球 科 学 的 三 大 支 柱 。 地 球 物 理 学 是 天 文 学 、 物 理 、 化 学 、 地 质 学 之 间 的 边 缘 学科 ， 是 一 个 涉 及 多 学 科 的 、 与 其 它 学 科

3、相 互 交 叉 、 相 互 渗 透 的学 科 。 数 学 、 物 理 学 、 地 质 学 是 研 究 地 球 物 理 学 三 大 基 础 。 现 代 仪 器 技 术 、 信 息 科 学 、 运 载 工 具 技 术 的 发 展 ， 是 推 动其 发 展 的 关 键 技 术 。 地 球 物 理 学 已 经 成 为 人 类 社 会 发 展 的 不 可 缺 少 的 科 学 。 应 用 地 球 物 理 资 源 勘 察 、 灾 害 调 查 、 环 境 监 测 、 工 程 检 测 、 军事 战 略 地 球 物 理 学 从 19世 纪 末 到 20本 世 纪 初 已 形 成 体 系 ， 但 对 地 球 物 理

4、 现 象的 观 察 和 探 讨 ， 从 远 古 就 开 始 了 。 公 元 前 六 世 纪 ， 希 腊 人 从 亚 那 萨 哥 拉 时 代 已 把 大 地 看 成 球 体 ； 公 元 前三 世 纪 ， 古 希 腊 的 学 者 亚 里 士 多 德 曾 提 出 ： 运 动 物 体 的 下 落 时 间 与 其 重 量成 比 例 ； 战 国 时 期 ， 我 国 发 明 了 指 南 针 ， 并 开 始 应 用 于 指 引 方 向 ； 公 元 三世 纪 我 国 东 汉 的 地 震 学 家 张 衡 成 功 地 进 行 了 地 震 观 测 ； 公 元 八 世 纪 ， 我 国唐 代 的 天 文 学 家 张 遂

5、(僧 一 行 )独 立 得 出 地 球 圆 周 长 ， 其 误 差 约 小 于 20 ； 公 元 16世 纪 以 来 ， 作 为 物 理 学 中 热 门 ， 地 球 物 理 学 得 到 较 快 的 发 展 。伽 利 略 从 大 量 的 实 验 中 总 结 出 ： 物 体 坠 落 的 路 径 与 它 经 历 的 时 间 的 平 方 成正 比 ， 而 与 物 体 自 身 的 重 量 无 关 ； 里 舍 (在 利 用 摆 钟 从 巴 黎 到 南 美 进 行 天 文观 测 时 发 现 重 力 加 速 度 在 各 地 并 非 恒 值 ； 牛 顿 的 万 有 引 力 定 律 以 及 他 推 算的 地 球

6、扁 率 ； 南 斯 拉 大 地 震 学 家 莫 霍 洛 维 奇 在 1909年 研 究 阿 尔 卑 斯 地 区 的 区 域 地 震 波 震 相 时 发 现 了 地 壳 与 地 幔 的 分 界 面 莫 霍 (Moho)界 断 面 ； 大 地 测 量 学 的 诞 生 与 发 展 ， 使 人 类 能 够 得 到 地 球 表 面 的 起 伏 变 化 ， 并 用于 生 产 建 设 和 规 划 ， 地 磁 学 的 研 究 ， 使 人 类 了 解 了 地 磁 场 ， 并 用 于 导 航 ， 地 热 学 的 研 究 ， 使 人 类 了 解 如 何 直 接 利 用 能 源 ， . 地 震 学 的 研 究 , 开

7、 始 “ 预 报 ” 地 震 灾 害 ， . 基 于 地 球 物 理 学 理 论 的 探 测 技 术 ， 为 人 类 创 造 财 富 ，为 人 类 “ 排 忧 解 难 ” ， . 最 初 ， 地 球 物 理 学 研 究 就 是 从 对 地 球 的 观 测 开 始 的 ， 所 以地 球 物 理 学 研 究 是 建 立 在 对 地 球 充 分 地 观 测 基 础 进 行 的 。 地 球 物 理 学 研 究 方 法 可 分 为 以 下 几 个 方 面 ： 观 测 方 法 研 究 数 据 分 析 与 处 理 方 法 研 究 模 拟 真 实 对 象 的 理 论 模 型 计 算 与 实 验 推 测 真 实

8、 对 象 反 演 计 算 阅 读 参 考 书 籍 听 、 记 、 问 掌 握 基 本 概 念 领 会 分 析 问 题 和 解 决 问 题 的 方 法 了 解 数 学 方 法 的 应 用 太 阳 -恒 星 ， 是 太 阳 系 的 中 心 ， 是 质 量 和 体 积 最 大 的 星 体 。 大 行 星 水 星 （ Mercury)、 金 星 （ Venus） 、 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 阳

9、系 约 有 30000多 个 小 行 星 ， 最 大 的 小 行 星 叫 谷 神 （ Ceres） ,直 径约 730km。 行 星 的 卫 星 彗 星 月 球 彗 星小 行 星 木 星 的 卫 星 Distance(AU) Radius(Earths) 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

10、 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 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 0.77

11、4 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 轨 道 的 规 律 性l共 面 性 ： 行 星 轨 道 平 面 几 乎 平 行 ， 且 与 太 阳 赤 道 面 平 行 。l同 向 性 ： 行 星 公 转 方 向 ， 除 金 星 、 天 王 星 和 冥 王 星 以 外 ， 都 与 太阳 自 转 方 向 一 致 ， 为 逆 时 针 方 向 。l近 圆 性 ： 行 星 轨 道 偏 心 率 小 ， 除 水

12、 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 r n = 0.4 + 0.3 2n 其 中 n为 行 星 秩 序 数 ， 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。 太 阳 系 天 体 的 自 转 行 星 的 自 转 可 分 两 种 情 况 ， 类 地 星 自 转 速 率 差 异 较 大 ， 金 星 需 244天 ，火 星 只 需 1.03天 ； 巨 行 星 和 远 日 星 自 转 较 快 ， 均 不 到 1天 。 太 阳 自 转 有 “

13、赤 道 加 速 ” 现 象 ， 即 赤 道 处 自 转 约 25.4天 ， 两 极 附 近约 35天 ， 其 内 部 旋 转 速 度 更 快 ， 可 能 比 表 面 快 十 几 甚 至 几 十 倍 。 质 量 与 密 度 分 布 特 征 太 阳 占 了 太 阳 系 总 质 量 的 99.85%， 行 星 占 0.135%， 其 它 占 0.015%。若 将 行 星 分 为 三 类 ， 即 类 地 星 （ 水 星 、 金 星 、 地 球 、 火 星 ） 、 巨 行 星 （木 星 、 土 星 ） 和 远 日 星 （ 天 王 星 、 海 王 星 、 冥 王 星 ） ， 则 有 质 量 分 布 ： 类

14、 地 星 巨 行 星 远 日 星 密 度 分 布 ： 类 地 星 巨 行 星 远 日 星 日 冕 ： 太 阳 大 气 的 最 外 层 稀 薄 部 分 ,由 太 阳 表 面 伸 展 出 数 百 万 公 里 ,包 含 着铁 、 镍 和 其 他 气 体 的 极 高 度 电 离 的 原 子 ,这 表 明 温 度 有 几 百 万 度 ,日 全 食时 肉 眼 观 看 它 的 外 貌 像 是 环 绕 月 亮 黑 色 圆 盘 的 珍 珠 灰 色 光 环 ,但 在 其 他 时候 要 用 日 冕 仪 才 可 观 测 到 。 太 阳 内 部 结 构 示 意 图 太 阳 黑 子 图 片 水 星 及 其 表 面 图 片

15、 金 星 图 片 地 球 的 卫 星 摄 影 图 片 地 球 与 月 球 航 天 飞 机 摄 影 图 片 “ 非 洲 角 ” 火星图片 木 星 图 片 土 星 图 片 天 王 星 图 片 海 王 星 图 片 冥 王 星 图 片 陨 石 图 片 星 云 图 片 2.1.3 太 阳 系 的 起 源 自 从 1775年 康 德 根 据 牛 顿 的 万 有 引 力 定 律 提 出 星 云 说 以 来 ， 先 后 出 现了 几 十 种 假 说 。 归 结 起 来 ， 主 要 有 “ 灾 变 说 ” 、 “ 俘 获 说 ” 、 “ 原 始 星 云说 ” 和 “ 次 生 星 云 说 ” 。 灾 变 说 灾

16、变 说 认 为 ， 太 阳 是 先 形 成 的 ， 由 于 某 个 事 件 ， 如 一 个 恒 星 与 太 阳 相撞 或 距 离 很 近 时 ， 从 太 阳 中 “ 拉 出 ” 一 部 分 物 质 ， 并 赋 予 巨 大 的 转 动 角 动量 ， 这 些 物 质 后 来 逐 渐 形 成 了 行 星 及 其 卫 星 。 俘 获 说 （ 陨 石 说 ） 俘 获 说 也 是 认 为 太 阳 是 先 形 成 的 ， 但 与 灾 变 说 不 同 的 是 ， 它 认 为 原 始行 星 物 质 是 来 自 其 它 星 际 ， 被 太 阳 的 引 力 俘 获 而 来 的 ， 如 陨 石 。 原 始 星 云 说

17、 原 始 星 云 说 属 于 渐 变 说 ” 范 畴 。 这 种 学 说 认 为 ， 太 阳 系 乃 由 同 一 原始 星 云 物 质 形 成 ， 行 星 和 卫 星 是 由 一 度 围 绕 太 阳 的 星 云 盘 物 质 凝 聚 而 成 的， 并 非 某 种 偶 然 突 变 性 事 件 的 结 果 。 1755年 ， 康 德 根 据 牛 顿 的 万 有 引 力 定 律 ， 提 出 了 关 于 太 阳 系 起 源 的 星云 说 。 他 认 为 形 成 太 阳 系 的 物 质 基 础 是 星 云 ， 即 大 团 的 旋 转 着 的 气 体 和 尘埃 ， 形 成 太 阳 系 的 动 力 是 自 引

18、 力 ， 即 星 云 各 部 分 的 相 互 吸 引 的 引 力 。 康 德认 为 处 在 混 沌 之 中 的 宇 宙 初 始 物 质 由 于 引 力 作 用 集 结 起 来 ， 更 大 的 和 更 密集 的 一 些 质 点 开 始 把 周 围 较 小 的 和 比 较 不 密 的 质 点 吸 引 过 去 ， 以 后 较 小 的物 质 凝 团 继 续 向 业 已 形 成 的 中 心 体 靠 近 ， 由 于 相 撞 使 中 心 体 获 得 了 更 大 的旋 转 惯 量 和 热 量 ， 并 产 生 了 巨 大 的 灼 热 天 体 太 阳 。 随 着 旋 转 速 度 加 大， 大 量 微 小 尘 埃

19、物 质 在 旋 转 着 的 原 始 太 阳 的 赤 道 上 集 中 起 来 ， 形 成 了 扁 平的 星 云 盘 。 之 后 ， 在 星 云 盘 的 边 缘 部 分 形 成 了 物 质 集 中 的 中 心 ， 并 从 这 些中 心 产 生 了 行 星 和 环 绕 行 星 的 卫 星 。 在 41年 以 后 ， 拉 普 拉 斯 提 出 了 和 康 德相 似 的 “ 原 始 星 云 说 ” 。 在 20世 纪 中 叶 出 现 的 各 种 星 云 说 中 ， 霍 伊 尔 (F Hoyle)的 学 说 较 有 代表 性 。 霍 氏 认 为 ， 太 附 系 开 始 时 是 一 团 凝 缩 的 星 云 ，

20、 温 度 不 高 ， 转 动 角 速度 因 逐 渐 收 缩 而 加 快 。 当 初 始 的 太 阳 星 云 收 缩 到 现 今 水 星 轨 道 之 内 不 远 处， 就 出 现 了 自 转 不 稳 定 ， 星 云 外 部 不 再 收 缩 ， 两 极 渐 扁 ， 物 质 因 此 而 抛 出， 形 成 一 个 环 绕 “ 原 始 太 阳 ” 的 盘 状 物 ， 其 质 量 仅 为 太 阳 的 百 分 之 一 。 中心 的 “ 原 始 太 阳 ” 与 圆 盘 脱 离 以 后 ， 继 续 收 缩 ， 不 再 分 裂 ， 最 后 形 成 太 阳。 圆 盘 与 太 阳 脱 离 后 ， 质 量 不 再 增

21、加 ， 最 后 形 成 行 星 。 由 于 继 续 收 缩 的 太 阳 具 有 磁 场 ， 而 圆 盘 星 云 内 有 电 离 气 体 ， 太 阳 与 圆盘 内 缘 产 生 一 种 磁 致 力 矩 ， 使 太 阳 的 角 动 量 转 移 给 圆 盘 ， 因 而 由 圆 盘 形 成的 行 星 具 有 较 大 的 角 动 量 。 在 原 始 太 阳 从 50倍 太 阳 半 径 收 缩 到 1倍 太 阳 半 径的 过 程 中 ， 表 面 温 度 保 持 为 3500度 左 右 ， 在 地 球 轨 道 附 近 地 区 ， 沸 点 低 的挥 发 性 物 质 相 继 逃 逸 ， 而 不 易 挥 发 的 铁

22、 ， 镁 、 硅 等 元 素 则 凝 聚 为 尘 粒 ， 通过 碰 撞 粘 合 而 形 成 块 状 物 质 ， 直 径 小 于 1米 的 固 体 留 在 类 地 行 星 的 区 域 而 形成 类 地 行 星 。 在 木 星 、 土 星 轨 道 附 近 的 地 区 ， 沸 点 低 的 物 质 可 以 保 留 ， 因而 使 得 土 星 、 木 星 的 化 学 成 分 与 原 始 星 云 以 及 太 阳 相 近 ， H， He最 多 。 在 天王 星 、 海 王 星 的 空 间 附 近 ， 由 于 逃 逸 速 度 小 ， H和 He大 部 分 逃 逸 ， 剩 下 的 多 为 C， N， O与 H2O

23、等 物 质 。 13 24 2.2 地 球 的 转 动 与 轨 迹 在 广 阔 的 宇 宙 空 间 中 ， 地 球 做 为 一 个 行 星 在 不 停 地 运 动 。 它 不 仅 绕 着一 条 轴 线 自 四 向 东 自 转 ， 同 时 也 沿 着 近 似 圆 形 的 轨 道 绕 着 太 阳 转 动 。 由 于日 、 月 的 吸 引 和 地 球 惯 量 矩 的 季 节 性 变 化 及 其 它 目 前 还 不 甚 清 楚 的 原 因 ，故 地 球 的 转 动 速 度 是 不 均 匀 的 。 研 究 地 球 的 转 动 实 际 上 就 是 研 究 地 球 转 动的 不 均 匀 性 。 地 球 旋

24、转 轴 叫 地 轴 。 地 轴 同 地 球 表 面 的 交 点 就 是 南 北 极 。 地 轴 的 无 限延 长 就 是 天 轴 。 如 果 以 地 心 为 球 心 ， 以 无 限 大 为 半 径 构 成 的 球 面 叫 天 球 ，则 天 轴 和 天 球 的 交 点 叫 天 极 。 地 球 的 赤 道 面 与 天 球 的 交 线 为 天 赤 道 ， 地 球绕 太 阳 公 转 轨 道 叫 黄 道 ， 月 球 绕 地 球 公 转 轨 道 叫 白 道 。 2.2.1 地 球 的 自 转 与 公 转 地 球 的 自 转 与 公 转 ， 是 地 球 诸 多 运 动 中 最 显 著 的 运 动 ， 这 是

25、 一 个 天 文学 问 题 ， 也 是 一 个 地 球 物 理 学 问 题 。 在 天 文 学 中 是 将 地 球 作 为 一 颗 行 星 ，在 太 阳 系 的 形 成 过 程 中 ， 地 球 获 得 的 角 动 量 主 要 分 配 于 地 球 绕 太 阳 公 转 、地 一 月 转 动 系 统 和 地 球 的 自 转 中 。 地 球 的 自 转 地 球 自 转 一 周 是 一 日 。 在 天 文 学 上 日 的 定 义 有 三 种 ， 即 恒 星 日 ， 太 阳日 和 太 阴 日 。 恒 星 日 是 以 恒 星 为 参 考 点 ， 太 阳 日 和 太 阴 日 则 是 分 别 以 太 阳和 月

26、亮 为 参 考 点 计 算 的 一 天 的 长 度 。 如 果 把 地 球 中 心 和 一 个 遥 远 的 恒 星 连成 一 线 ， 那 么 地 球 自 转 一 周 的 过 程 中 ， 这 条 直 线 要 先 后 同 地 球 的 每 一 经 线相 割 。 两 次 相 割 同 一 经 线 所 需 的 时 间 ， 叫 恒 星 日 ， 如 果 这 一 直 线 是 连 结 地球 中 心 和 太 阳 中 心 ， 那 么 ， 这 一 段 时 间 就 叫 太 阳 日 ， 如 果 这 一 直 线 是 连 结的 地 球 中 心 和 月 球 中 心 ， 这 段 时 间 就 是 太 阴 日 。 恒 星 日 是 地

27、球 自 转 的 真 正 周 期。 因 为 恒 星 的 位 置 在 天 球 上 是 固 定的 。 而 太 阳 日 和 太 阴 日 则 不 然 ， 它们 不 是 地 球 自 转 的 真 正 周 期 ， 因 为太 阳 和 月 球 相 对 地 球 是 运 动 着 的 。由 于 太 阳 在 天 球 上 的 运 动 是 地 球 绕日 公 转 的 反 映 。 月 球 在 天 球 上 的 运动 是 月 球 绕 地 公 转 的 反 映 。 如 果 用 24时 00分 表 示 一 个 恒 星日 的 长 度 ， 那 么 太 阳 日 的 长 度 就 是24时 04分 ， 太 阴 日 的 长 度 是 24时 54分 。

28、 地 球 公 转 的 轨 迹 地 球 在 不 停 地 自 转 过 程 中 带 着 自 己 的 卫 星 月 球 绕 太 阳 公 转 。 严 格地 说 来 ， 地 球 所 围 绕 的 并 不 是 太 阳 或 太 阳 中 心 ， 而 是 太 阳 和 地 球 的 共 同 质量 中 心 。 据 计 算 ， 这 个 共 同 的 质 心 距 太 阳 的 质 心 仅 450km。 因 此 ， 可 以 把 地球 公 转 说 成 地 球 绕 太 阳 的 运 动 。 地 球 公 转 轨 道 是 一 个 椭 圆 ， 其 半 长 轴a=149.6 106km,半 短 轴 b=149.579 106km， 半 焦 距 c

29、=2.5 106km非 常 接 近正 圆 。 由 于 太 阳 位 于 地 球 公 转 轨 道 的 一 个 焦 点 上 ， 因 此 地 日 距 离 的 变 化 以 一年 为 周 期 。 十 分 明 显 ， 参 考 点 不 同 ， 一 年 的 长 度 也 不 一 样 。 若 把 太 阳 中 心和 一 个 位 于 地 球 公 转 轨 道 平 面 的 恒 星 连 成 一 直 线 ， 那 么 ， 地 球 两 度 经 过 这一 直 线 的 时 间 就 是 一 恒 星 年 。 恒 星 年 是 地 球 公 转 的 真 正 周 期 。 除 恒 星 年 以 外 ， 在 天 文 学 上 还 有 回 归 年 、 近

30、点 年 和 食 年 等 不 同 的 定 义 。如 以 春 分 点 ， 近 日 点 和 黄 白 交 点 (黄 道 和 白 道 在 天 球 上 的 交 点 )为 参 考 点 ，即 得 回 归 年 、 近 点 年 和 食 年 。 由 于 春 分 点 ， 近 点 和 黄 白 交 点 在 天 球 上 不 是固 定 的 ， 因 此 ， 以 这 些 点 为 参 考 点 所 测 得 的 年 也 不 是 地 球 公 转 的 真 正 周 期 。据 测 定 恒 星 年 : 365日 6时 9分 10秒 ； 回 归 年 : 365日 5时 48分 46秒 ； 近 点 年 : 365日 6时 12分 53秒 ； 食 年

31、 : 346日 14时 52分 53秒 。 近日点远日点 2.2.2 地 轴 的 进 动 与 章 动 地 轴 的 进 动 月 球 轨 道 平 面 比 较 接 近 地 球 轨 道 平 面 ， 而 黄 平 面 和 赤 道 面 又 有 较 大 的交 角 。 因 此 太 阳 和 月 球 时 而 在 地 球 赤 道 平 面 这 边 ， 时 而 又 在 赤 道 平 面 那 边出 现 ， 这 种 对 地 球 赤 道 隆 起 部 分 施 加 的 不 平 衡 的 吸 引 力 ， 特 使 地 球 以 黄 轴为 轴 作 周 期 性 的 圆 锥 形 运 动 ， 即 所 谓 进 动 。 由 于 地 球 自 转 的 方

32、向 是 由 西 向 东 ， 因 此 地 轴 的 进 动 的 方 向 是 由 东 向 西。 地 轴 进 动 的 速 度 是 每 年 50.26“ ， 故 地 轴 旋 进 的 周 期 为 (36060 60 /5.26” ) 25786(年 )。 这 是 一 种 极 为 缓 慢 的 运 动 。 由 于 地 轴 在 不 断 进 动 ，所 以 其 指 向 也 在 发 生 极 其 微 小 的 变 化 ， 现 在 它 指 向 北 极 星 附 近 ， 公 元 13600年 ， 它 就 会 指 向 织 女 星 。 由 于 地 轴 在 不 断 进 动 ， 因 而 赤 道 平 面 的 位 置 也 会 相 应 地

33、发 生 变 化 。 其 结 果 将 导 致 春 分 、 秋 分 、 夏 至 和 冬 至 四 个 点 的 改 变 ， 它 们 在 黄 道 上 也 以 每年 50.26“ 的 速 度 向 西 进 动 着 。 地 轴 的 章 动 研 究 表 明 ， 地 轴 这 种 象 陀 螺 一 样 以 25786年 为 周 期 的 旋 进 运 动 (或 称 岁差 )的 主 要 原 因 是 月 球 对 地 球 赤 道 隆 起 部 分 所 施 加 的 吸 引 力 。 但 实 际 上 ， 太阳 、 月 球 和 地 球 的 位 置 是 在 不 断 发 生 变 化 的 。 太 阳 每 年 两 次 通 过 赤 道 ， 月亮

34、每 月 两 次 通 过 赤 道 ， 因 而 作 用 到 地 球 上 的 引 力 十 分 复 杂 。 由 于 这 个 缘 故 ，在 地 轴 长 期 的 旋 进 过 程 中 ， 又 在 它 原 有 位 置 上 附 加 了 一 个 短 周 期 的 摆 动 ，这 个 摆 动 叫 做 章 动 。 章 动 的 周 期 为 18.6年 ,也 就 是 说 ， 地 轴 的 进 动 不 是 一 个简 单 的 锥 面 ， 地 轴 沿 锥 面 里 外 摆 动 ， 使 锥 面 带 上 一 个 “ 荷 花 ” 式 的 花 边 ，其 摆 动 的 振 幅 最 大 只 不 过 9.206。 地 轴 进 动 轨 迹地 轴 进 动

35、 章 动合 成 轨 迹 地 轴黄 轴 2.2.3 地 球 的 平 动 地 球 一 面 不 停 地 自 转 ， 一 面 又 带 着 月 球 绕 太 阳 公 转 。 而 太 阳 本 身 除 自转 外 ， 义 带 着 它 的 行 星 族 (包 括 地 球 )以 每 秒 约 20km的 速 度 向 织 女 星 方 向 奔驰 。 地 球 随 整 个 太 阳 系 在 宇 宙 太 空 个 不 停 地 向 前 运 动 ， 即 所 谓 平 动 。 从 相 对 论 的 观 点 来 看 ,地 球 在 宇 宙 太 空 中 的 运 动 并 没 有 到 此 为 止 。 太 阳系 (包 括 地 球 )随 着 它 周 围 的

36、 恒 星 群 以 大 约 每 秒 300km的 速 度 绕 银 河 系 的 质 心旋 转 ， 太 阳 系 绕 银 中 心 转 动 一 周 大 约 2亿 5千 万 年 。 而 银 河 系 本 身 又 正 以 每秒 600km的 速 度 向 长 蛇 星 座 运 动 。 2.3 地 球 内 部 圈 层 结 构 多 年 来 对 地 球 内 部 的 研 究 ， 在 全 球 范 围 内 已 积 累 了 丰 富 的 资 料 ， 根据 地 震 波 速 度 的 变 异 ， 地 球 内 部 可 概 略 地 分 为 地 壳 、 上 、 下 地 幔 和 内 、外 地 核 几 个 大 的 圈 层 ， 这 些 层 圈 之

37、 间 都 存 在 一 个 物 性 分 界 面 ， 自 外 向 内可 为 ： 壳 幔 界 面上 下 地 幔 之 间 的 过 渡 层幔 核 界 面内 外 核 边 界 (1)壳 幔 边 界 在 地 壳 下 面 30-60km深 度 处 ， P波 速 度 从 6-7km/s， 跳 到 8km/s以 上 ， 它是 地 壳 与 地 幔 的 分 界 面 ， 这 个 界 面 是 南 斯 拉 大 地 震 学 家 莫 霍 洛 维 奇(Mohorovicic)在 1909年 研 究 阿 尔 卑 斯 地 区 的 区 域 地 震 P波 震 相 时 发 现 的 ，因 此 ， 这 个 界 面 又 称 为 莫 霍 间 断 面

38、 (通 常 用 Moho或 M表 示 )。 (2)上 下 地 幔 的 过 渡 层 从 1956年 开 始 澳 大 利 亚 地 震 学 家 布 伦 (Bullen)对 地 幔 做 了 进 一 步 地 分层 的 研 究 ， 认 为 地 幔 由 上 地 幔 、 过 渡 层 （ 速 度 变 化 不 均 匀 ） 和 下 地 幔 (速 度变 化 均 匀 )组 成 。 (3)幔 核 边 界 在 地 幔 内 部 ， 速 度 随 深 度 而 增 加 ， 在 大 约 2900km处 ， P波 速 度 突 然 从13km/s下 降 到 8km/s左 右 ， 在 地 球 内 部 出 现 第 二 大 间 断 面 。 这

39、 是 美 国 的 地 震学 家 古 登 堡 (Gutenberg)于 1914年 通 过 大 量 天 然 地 震 震 相 分 析 首 先 提 出 的 ，该 界 面 又 称 为 古 登 堡 界 面 。 (4)内 外 核 边 界 从 2900km以 下 进 入 地 核 ， P波 速 度 逐 渐 回 升 ， S波 速 度 因 不 能 通 过 而 恒为 零 ， 直 到 大 约 5300km深 处 S波 才 出 现 ， P波 速 度 也 呈 现 明 显 跳 跃 ， 成 为地 球 内 部 的 第 三 大 间 断 面 。 从 而 可 见 ， 外 核 物 质 为 液 态 ， 内 核 物 质 则 为 固态 。

40、这 是 丹 麦 地 震 学 家 莱 曼 (Lehmann)女 士 在 1936年 首 先 发 现 的 ， 并 记 为 L面 。 上 述 地 球 分 层 ， 即 主 要 简 单 的 划 分 ， 从 本 世 纪 开 始 至 50年 代 已 大 体 确定 ， 而 且 习 惯 上 采 用 A-G字 母 广 以 命 名 ： A(地 壳 )， B(上 地 幔 )， C(过 渡 层 )，D(下 地 幔 )， E(外 核 )， F间 断 面 ， G(内 核 )。 最 近 30年 来 ， 对 地 球 结 构 的 认 识 逐 步 深 入 ， 目 前 在 横 向 变 化 、 非 弹 性 和各 向 异 性 诸 方 面

41、 的 研 究 不 断 深 化 ， 使 地 球 模 型 逐 渐 发 展 和 完 善 。 在 地 球 分层 模 型 的 发 展 过 程 中 ， 曾 先 后 出 现 佐 普 列 兹 盖 格 模 型 ， 杰 弗 里 斯 模 型 ， 古登 堡 (Gutenberg)模 型 ， 布 伦 (Bullen)模 型 ， 安 德 森 哈 特 模 型 以 及 初 步 地球 参 考 模 型 (PREM)。 这 些 模 型 彼 此 有 联 系 ， 也 有 一 些 区 别 ， 其 中 布 伦 模 型和 初 步 地 球 参 考 模 型 ， 使 用 较 广 。 2.4 地 球 内 部 物 质 组 成 目 前 ， 许 多 学

42、者 都 是 借 助 于 宇 宙 的 丰 度 和 已 知 的 观 测 事 实 ， 以 及 地球 物 理 资 料 来 构 筑 地 球 物 质 模 型 ， 主 要 考 虑 以 下 四 个 方 面 ： 地 球 作 为 宇 宙 天 体 的 一 个 成 员 并 由 宇 宙 物 质 演 化 而 来 ， 地 球 的 元素 丰 度 应 与 宇 宙 的 元 素 丰 度 大 致 相 同 ， 因 此 可 以 根 据 宇 宙 丰 度 构 成 地 球基 本 成 分 的 简 单 模 型 ； 地 球 基 本 成 分 及 其 分 布 必 须 符 合 深 部 地 震 资 料 所 反 映 的 物 质 密 度 、波 速 等 物 理

43、参 数 ； 地 球 成 分 分 布 必 须 与 地 球 总 的 质 量 和 惯 性 矩 相 协 调 ； 地 球 元 素 分 布 必 须 符 合 地 球 内 部 温 度 、 压 力 分 布 的 状 况 。 2.4.1 地 壳 物 质 组 成 根 据 矿 物 学 研 究 ， 长 石 (钾 长 石 、 斜 长 石 )是 地 壳 中 最 丰 富 的 矿 物 ， 其次 是 石 英 和 含 结 晶 水 的 矿 物 。 地 壳 平 均 密 度 约 为 2.7-2.8g/cm3， 基 于 较 富 集矿 物 的 速 度 和 Vs/Vp比 值 的 差 异 ， 故 利 用 地 震 波 的 速 度 便 可 以 有 效

44、 地 进 行判 别 。 由 于 蛇 纹 石 化 作 用 ， 橄 榄 石 的 波 速 可 降 低 ， 在 下 地 壳 中 蛇 纹 石 化 的超 镁 铁 岩 是 一 种 不 稳 定 因 素 ， 有 一 些 地 区 的 Moho界 面 可 能 不 在 玄 武 岩 层 的底 部 ， 而 是 在 上 地 幔 顶 部 的 蛇 纹 石 化 带 底 部 。 海 洋 和 大 陆 地 壳 成 分 有 所 不 同 。 大 陆 地 壳 含 石 英 和 长 石 较 丰 富 ， 故 大陆 地 壳 内 部 密 度 一 般 小 于 海 洋 地 壳 。 若 Moho界 面 是 岩 石 学 界 面 ， 即 为 硅 铝质 的 或

45、镁 铁 质 的 陆 壳 岩 石 与 超 铁 镁 岩 的 地 幔 岩 石 之 间 的 边 界 。 若 Moho界 面是 化 学 分 界 面 ， 地 壳 最 大 厚 度 可 能 出 现 在 玄 武 榴 辉 岩 的 边 界 处 ， 由 此 ， 可以 把 一 个 相 位 间 断 面 (玄 武 一 榴 辉 岩 )转 变 为 化 学 间 断 面 (玄 武 一 橄 榄 岩 ) 。 2.4.2 地 幔 物 质 组 成 地 幔 的 最 上 部 也 由 坚 硬 的 硅 酸 盐 岩 石 组 成 ， 它 们 和 地 壳 一 起 构 成 了 地球 的 岩 石 圈 。 目 前 人 类 还 不 能 取 回 深 度 超 过

46、13km的 任 何 物 质 样 品 。 除 了 幔源 岩 浆 及 其 所 携 带 的 少 量 地 幔 岩 石 （ 可 给 地 球 科 学 家 提 供 最 深 达 约 200km深 处 的 物 质 ） 样 品 外 ， 直 接 研 究 地 幔 (及 其 以 下 部 分 )的 愿 望 并 未 实 现 。 岩 石 圈 地 慢 中 的 最 重 要 的 矿 物 是 镁 硅 酸 盐 和 铝 硅 鞍 盐 两 大 类 ， 局 部 可能 有 氧 化 物 或 硫 化 矿 物 聚 集 ， 正 常 地 幔 中 基 本 无 含 水 矿 物 。 其 中 ， 镁 硅 酸盐 矿 物 的 结 构 变 化 能 反 映 地 幔 不

47、同 部 位 的 压 力 条 件 。 (1)上 地 幔 根 据 地 球 物 理 资 料 和 高 温 高 压 实 验 结 果 ， 岩 石 圈 地 幔 的 硅 酸 盐 矿 物应 为 橄 榄 石 ， 大 洋 下 已 观 测 到 的 橄 榄 石 ， 在 上 地 幔 的 温 度 压 力 条 件 下 ，橄 榄 石 、 斜 方 辉 石 和 单 斜 辉 石 是 稳 定 的 ， 因 而 ， 认 为 上 地 幔 顶 部 可 以 看成 是 橄 榄 石 和 辉 石 的 集 合 体 。 岩 石 圈 地 幔 底 界 变 化 于 60220km深 处 ， 其 下 有 一 个 地 震 波 的 低 速 层， 无 疑 是 高 热

48、梯 度 区 。 在 高 温 条 件 下 压 力 效 应 将 被 忽 略 ， 导 致 波 速 随 深度 增 加 面 减 小 。 较 多 学 者 用 部 分 熔 融 或 断 层 来 解 释 低 速 带 的 成 因 ， 认 为它 可 能 是 大 部 分 拉 斑 玄 武 岩 聚 集 区 ， 对 于 上 覆 岩 石 圈 构 造 演 化 有 重 要 影响 。 220400km深 度 的 上 地 幔 下 部 物 质 又 变 得 致 密 、 刚 性 ， 温 度 也 回 归 正常 增 长 范 围 。 是 固 相 超 铁 镁 质 和 铁 镁 质 岩 石 ， 也 是 大 量 碱 性 玄 武 岩 岩 浆的 形 成 区

49、 。 (2)过 渡 层 地 幔 中 在 400km和 670km深 处 存 在 两 个 不 连 续 面 ， 其 间 称 为 地 幔 过 渡 层。 在 400km深 度 的 温 度 和 压 力 条 件 下 ， 斜 方 晶 系 的 橄 榄 石 变 成 等 轴 晶 系 的 尖晶 石 ， 密 度 增 加 约 60 。 至 600km处 ， 尖 晶 石 分 解 成 更 重 的 氧 化 物 ， 如 方 镁石 (MgO)、 方 铁 矿 (FeO)和 斯 石 英 (一 种 比 重 达 到 4.28的 高 密 石 英 )。 (3)下 地 幔 下 地 幔 中 物 质 结 构 不 再 变 化 ， 地 震 波 速 度

50、 的 平 缓 增 加 也 可 用 物 质 结 构已 经 压 缩 成 较 致 密 来 解 释 。 硅 酸 盐 矿 物 已 转 变 成 氧 化 物 或 具 钙 钛 矿 结 构 的硅 酸 盐 ， 随 深 度 增 大 唯 一 的 成 分 变 化 表 现 为 FeO含 量 的 小 幅 度 增 高 。 下 地 幔 的 主 要 成 分 可 能 是 MgO和 SiO 2, 其 次 是 CaO和 Al2O3,CaO和 Al2O3在下 地 幔 中 的 平 均 含 量 虽 较 低 ， 但 它 们 可 能 有 一 些 富 集 区 。 下 地 幔 底 部 200km范 围 内 物 质 较 上 覆 地 幔 致 密 ， 由

51、 于 高 热 梯 度 导 致 其 内 物 质 小 规 模 频 繁 对 流， 而 且 该 区 Ca,Al,Ti较 上 覆 部 分 富 集 。 2.4.3 地 核 物 质 组 成 根 据 推 测 ， 地 核 中 的 主 要 的 元 素 成 分 是 Fe和 Ni， 所 以 地 核 常 被 称 为 铁镍 核 ， 但 纯 铁 镍 核 与 地 核 已 知 的 地 球 物 理 资 料 不 一 致 ， 它 有 太 高 的 密 度 和太 低 的 地 震 波 速 ， 因 此 地 核 中 可 能 含 有 较 轻 的 元 素 。 目 前 一 般 推 断 外 地 核可 能 由 液 态 铁 组 成 ， 其 中 镍 含 量

52、 可 能 达 10 ， 并 有 大 约 5 -15 较 轻 的 元素 ， 如 硅 、 氧 、 钾 、 氢 等 。 内 地 核 应 为 刚 性 很 高 的 ， 在 极 高 压 下 结 晶 的 固体 铁 镍 合 金 组 成 。 因 地 核 尺 度 太 小 ， 很 难 精 确 测 定 其 密 度 值 ， 对 地 核 成 分的 确 定 仅 依 据 波 速 简 单 地 将 内 核 看 成 是 外 核 的 凝 结 变 相 体 。 由 于 内 外 核 之间 (47715150km)是 一 个 温 度 梯 度 很 高 的 厚 近 380km热 边 界 层 ， 既 可 引 起 铁在 边 界 聚 集 ， 又 使 轻 质 元 素 难 以 在 内 核 中 稳 定 ， 这 样 的 热 边 界 也 可 能 是 化学 边 界 。 对 地 核 物 质 状 态 的 认 识 还 存 在 不 确 定 性 ， 地 核 可 能 处 于 近 乎 化 学均 一 的 绝 热 状 态 和 近 似 化 学 分 层 状 态 之 间 的 过 渡 状 态 。 待 续