固体地球物理学概论固体地球物理学概论地球物理与空间信息学院地球物理与空间信息学院固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论课程主要内容课程主要内容课程主要内容课程主要内容pp第一章第一章第一章第一章 序言序言序言序言 pp第二章第二章第二章第二章 地球的起源、运动与结构地球的起源、运动与结构地球的起源、运动与结构地球的起源、运动与结构pp第三章第三章第三章第三章 地球形状、密度及重力场地球形状、密度及重力场地球形状、密度及重力场地球形状、密度及重力场pp第四章第四章第四章第四章 地球的磁场地球的磁场地球的磁场地球的磁场 pp第五章第五章第五章第五章 地球的电磁感应和电性结构地球的电磁感应和电性结构地球的电磁感应和电性结构地球的电磁感应和电性结构pp第六章第六章第六章第六章 地球内部的热状态与地热场特征地球内部的热状态与地热场特征地球内部的热状态与地热场特征地球内部的热状态与地热场特征 pp第七章第七章第七章第七章 地球内部的地震波场地球内部的地震波场地球内部的地震波场地球内部的地震波场pp第八章第八章第八章第八章 地球内部介质的各向异性与地震层析成像地球内部介质的各向异性与地震层析成像地球内部介质的各向异性与地震层析成像地球内部介质的各向异性与地震层析成像pp第九章第九章第九章第九章 实验与计算地球物理实验与计算地球物理实验与计算地球物理实验与计算地球物理pp第十章第十章第十章第十章 若干热点问题若干热点问题若干热点问题若干热点问题第一章第一章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论pp什么是地球物理什么是地球物理什么是地球物理什么是地球物理? ? ? ?pp地球物理学研究那些内容地球物理学研究那些内容地球物理学研究那些内容地球物理学研究那些内容? ? ? ?pp地球物理与其他学科的关系地球物理与其他学科的关系地球物理与其他学科的关系地球物理与其他学科的关系. . . .pp地球物理的发展地球物理的发展地球物理的发展地球物理的发展pp地球物理对社会发展的贡献地球物理对社会发展的贡献地球物理对社会发展的贡献地球物理对社会发展的贡献第一章第一章第一章第一章 序言序言序言序言第一章第一章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论地球物理学的定义地球物理学的定义地球物理学的定义地球物理学的定义 地地球球物物理理学学是是以以地地球球为为研研究究对对象象, ,研研究究地地球球的的各各种种物物理理现现象象，以以及及这这些些现现象象与与地地球球运运动动、地地球球各各层层圈圈结结构构构构造造、地地球球物物质的分布及迁移的关系的学科。质的分布及迁移的关系的学科。(Geophysics)(Geophysics) 地地球球物物理理学学最最早早是是物物理理学学的的一一个个分分支支。广广义义上上说说，地地球球物物理理研研究究的的领领域域涉涉及及天天体体物物理理学学、地地质质构构造造物物理理学学、大大地地测测量量学学、海海洋洋物物理理学学、气气象象学学、大大气气物物理理学学、空空间间物物理理学学等等。狭狭义义上上说说，地地球球物物理理学学指指的的是是固固体体地地球球物物理理学学，即即以以研研究究地地球球的的各各种种物物理理特特征征与与与与地地球球运运动动、地地球球内内部部结结构构构构造造、地地球球内内部部物物质质成成分分及及其分布等关系的学科。其分布等关系的学科。 地地球球物物理理学学是是地地球球科科学学的的重重要要组组成成部部分分，地地球球物物理理学学、地地质学和地球化学质学和地球化学被称为地球科学的三大支柱。被称为地球科学的三大支柱。第一章第一章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学的学科分支固体地球物理学的学科分支固体地球物理学的学科分支固体地球物理学的学科分支pp重力学重力学重力学重力学 地球的形状、重力场的变化、物质密度的变化与分布，等等地球的形状、重力场的变化、物质密度的变化与分布，等等pp地磁学地磁学地磁学地磁学 地磁场的分布和变化、地磁场的起源、地磁场的演变，等等地磁场的分布和变化、地磁场的起源、地磁场的演变，等等pp地震学地震学地震学地震学 地震发生机制与震源分布、地震波类型与传播、地震预报，等等地震发生机制与震源分布、地震波类型与传播、地震预报，等等pp地热学地热学地热学地热学 地温场的分布和变化、地热源及其分布，地热的传播，等等地温场的分布和变化、地热源及其分布，地热的传播，等等pp地电学地电学地电学地电学 地球电磁感应特征和变化、地电结构，等等地球电磁感应特征和变化、地电结构，等等第一章第一章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论地球物理学与其它学科地球物理学与其它学科地球物理学与其它学科地球物理学与其它学科 地球物理学是天文学、物理、化学、地质学之间的边缘学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、与其它学科相互交叉、相互渗透的科，是一个涉及多学科的、与其它学科相互交叉、相互渗透的学科。学科。 数学、物理学、地质学是研究地球物理学三大基础。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。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。地球物理学已经成为人类社会发展的不可缺少的科学。 应用地球物理应用地球物理资源勘察、灾害调查、环境监测、工程检测、军资源勘察、灾害调查、环境监测、工程检测、军事战略事战略第一章第一章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论地球物理学的发展地球物理学的发展地球物理学的发展地球物理学的发展 地球物理学从地球物理学从1919世纪末到世纪末到2020本世纪初已形成体系，但对地球物理现象本世纪初已形成体系，但对地球物理现象的观察和探讨，从远古就开始了。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唐代的天文学家张遂( (僧一行僧一行) )独立得出地球圆周长，其误差约小于独立得出地球圆周长，其误差约小于2020； 公元公元1616世纪以来，作为物理学中热门，地球物理学得到较快的发展。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扁率；的地球扁率；南斯拉大地震学家莫霍洛维奇南斯拉大地震学家莫霍洛维奇在在19091909年研究阿尔卑斯地区的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区域地震波震相时发现了地壳与地幔的分界面莫霍莫霍( (MohoMoho) )界断面；界断面；第一章第一章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论地球物理学对人类社会发展的贡献地球物理学对人类社会发展的贡献地球物理学对人类社会发展的贡献地球物理学对人类社会发展的贡献 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，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，地热学的研究，使人类了解如何直接利用能源，. . 地震学的研究地震学的研究, , 开始开始“预报预报”地震灾害，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，基于地球物理学理论的探测技术，为人类创造财富，为人类为人类“排忧解难排忧解难”，. . 第一章第一章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论地球物理学的研究方法地球物理学的研究方法地球物理学的研究方法地球物理学的研究方法 最初，地球物理学研究就是从对地球的观测开始的，所以最初，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：地球物理学研究方法可分为以下几个方面： 观测方法研究观测方法研究 数据分析与处理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模拟真实对象的理论模型计算与实验 推测真实对象反演计算推测真实对象反演计算第一章第一章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论如何学好本课程如何学好本课程如何学好本课程如何学好本课程 阅读参考书籍阅读参考书籍 听、记、问听、记、问 掌握基本概念掌握基本概念 领会分析问题和解决问题的方法领会分析问题和解决问题的方法 了解数学方法的应用了解数学方法的应用第一章第一章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第二章第二章第二章第二章 地球的起源、运动与结构地球的起源、运动与结构地球的起源、运动与结构地球的起源、运动与结构pp太阳系及其组成与演化太阳系及其组成与演化太阳系及其组成与演化太阳系及其组成与演化pp地球的转动与轨迹地球的转动与轨迹地球的转动与轨迹地球的转动与轨迹pp地球内部的结构地球内部的结构地球内部的结构地球内部的结构 pp地球内部的物质组成地球内部的物质组成地球内部的物质组成地球内部的物质组成第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论太阳系、太阳系的组成太阳系、太阳系的组成太阳系、太阳系的组成太阳系、太阳系的组成2.12.1太阳系、太阳系的组成及起源太阳系、太阳系的组成及起源太阳系、太阳系的组成及起源太阳系、太阳系的组成及起源2.1.1 2.1.1 2.1.1 2.1.1 太阳系的成员太阳系的成员太阳系的成员太阳系的成员太阳太阳-恒星恒星，是太阳系的中心，是质量和体积最大的星体。，是太阳系的中心，是质量和体积最大的星体。 大行星大行星 水星（水星（Mercury)Mercury)、金星（、金星（VenusVenus）、地球（）、地球（EarthEarth）、）、 火星（火星（MarsMars）、木星（）、木星（JupiterJupiter）、土星（）、土星（SaturnSaturn）、）、 天王星天王星(Uranus)(Uranus)、海王星、海王星(Neptune)(Neptune)、冥王星冥王星(Pluto)(Pluto) 小行星小行星 太阳系约有太阳系约有3000030000多个小行星，最大的小行星叫谷神（多个小行星，最大的小行星叫谷神（CeresCeres）, ,直径直径约约730km730km。 行星的卫星行星的卫星 彗星彗星第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论大行星位置排列示意图大行星位置排列示意图大行星位置排列示意图大行星位置排列示意图第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论小行星、彗星小行星、彗星小行星、彗星小行星、彗星 大行星卫星图片大行星卫星图片大行星卫星图片大行星卫星图片月球月球彗星彗星小行星小行星木星的卫星木星的卫星第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论DistanceDistance(AU)RadiusRadius(Earths) MassMass(Earths) RotationRotation(Earths) # Moons# Moons OrbitalOrbitalInclinationInclination OrbitalOrbitalEccentricityEccentricity ObliquityObliquity DensityDensity(g/cm3) Sun 0 109 332,800 25.36* 9 - - - 1.410 MercuryMercury 0.39 0.38 0.05 58.8 0 7 0.2056 0.1 5.43 VenusVenus 0.72 0.95 0.89 244 0 3.394 0.0068 177.4 5.25 EarthEarth 1.0 1.00 1.00 1.00 1 0.000 0.0167 23.45 5.52 MarsMars 1.5 0.53 0.11 1.029 2 1.850 0.0934 25.19 3.95 JupiterJupiter 5.2 11 318 0.411 16 1.308 0.0483 3.12 1.33 SaturnSaturn 9.5 9 95 0.428 18 2.488 0.0560 26.73 0.69 UranusUranus 19.2 4 17 0.748 15 0.774 0.0461 97.86 1.29 NeptuneNeptune 30.1 4 17 0.802 8 1.774 0.0097 29.56 1.64 PlutoPluto 39.5 0.18 0.002 0.267 1 17.15 0.2482 119.6 2.03 太阳系主要成员的基本特征太阳系主要成员的基本特征太阳系主要成员的基本特征太阳系主要成员的基本特征 2.1.2 2.1.2 2.1.2 2.1.2 太阳系主要成员的基本特征太阳系主要成员的基本特征太阳系主要成员的基本特征太阳系主要成员的基本特征第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论 轨道的规律性轨道的规律性l共面性：行星轨道平面几乎平行，且与太阳赤道面平行。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。自转方向一致，为逆时针方向。l近圆性：行星轨道偏心率小，除水星（近圆性：行星轨道偏心率小，除水星（0.2060.206）和冥王星（）和冥王星（0.2480.248）以外，均小于以外，均小于0.10.1。 日距分布特征日距分布特征BodeBode定律定律 r rn n = 0.4 + 0.3 = 0.4 + 0.3 2 2n n 其中其中n n为行星秩序数，水星取为行星秩序数，水星取，金星取，金星取0 0，地球取，地球取1 1，火星取，火星取2 2，小，小行星取行星取3 3，冥王星取，冥王星取8 8。轨道特征轨道特征轨道特征轨道特征第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论轨道示意图（一）轨道示意图（一）轨道示意图（一）轨道示意图（一） 第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论轨道示意图（二）轨道示意图（二）轨道示意图（二）轨道示意图（二）第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论轨道示意图（三）轨道示意图（三）轨道示意图（三）轨道示意图（三）第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论 太阳系天体的自转太阳系天体的自转 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244244天，天，火星只需火星只需1.031.03天；巨行星和远日星自转较快，均不到天；巨行星和远日星自转较快，均不到1 1天。天。 太阳自转有太阳自转有“赤道加速赤道加速”现象，即赤道处自转约现象，即赤道处自转约25.425.4天，两极附近天，两极附近约约3535天，其内部旋转速度更快，可能比表面快十几甚至几十倍。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质量与密度分布特征 太阳占了太阳系总质量的太阳占了太阳系总质量的99.85%99.85%，行星占，行星占0.135%0.135%，其它占，其它占0.015%0.015%。若将行星分为三类，即若将行星分为三类，即 类地星（水星、金星、地球、火星）、巨行星类地星（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（木星、土星）和远日星（天王星、海王星、冥王星），则有 质量分布：类地星巨行星质量分布：类地星巨行星 远日星远日星 密度分布：类地星密度分布：类地星 巨行星巨行星 远日星远日星自转及密度特征自转及密度特征自转及密度特征自转及密度特征第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论行星自转示意图行星自转示意图行星自转示意图行星自转示意图第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论日冕：日冕： 太阳大气的最外层稀薄部分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由太阳表面伸展出数百万公里, ,包含着包含着铁、镍和其他气体的极高度电离的原子铁、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这表明温度有几百万度, ,日全食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, ,但在其他时但在其他时候要用日冕仪才可观测到。候要用日冕仪才可观测到。日冕日冕第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论太阳内部结构示意图太阳内部结构示意图太阳内部结构示意图太阳内部结构示意图第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论太阳黑子图片太阳黑子图片太阳黑子图片太阳黑子图片第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论水星及其表面图片水星及其表面图片水星及其表面图片水星及其表面图片第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论金星图片金星图片金星图片金星图片第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论地球的卫星摄影图片地球的卫星摄影图片地球的卫星摄影图片地球的卫星摄影图片第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论地球与月球地球与月球地球与月球地球与月球第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论航天飞机摄影图片航天飞机摄影图片“非洲角非洲角”航天飞机摄影图片航天飞机摄影图片“非洲角非洲角”第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论火火星星图图片片火星图片火星图片第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论木星图片木星图片木星图片木星图片第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论土星图片土星图片土星图片土星图片第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论天王星图片天王星图片天王星图片天王星图片第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论海王星图片海王星图片海王星图片海王星图片第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论冥王星图片冥王星图片冥王星图片冥王星图片第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论陨石图片陨石图片陨石图片陨石图片第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论星云图片星云图片星云图片星云图片第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论 2.1.3 2.1.3 太阳系的起源太阳系的起源 自自从从17751775年年康康德德根根据据牛牛顿顿的的万万有有引引力力定定律律提提出出星星云云说说以以来来，先先后后出出现现了了几几十十种种假假说说。归归结结起起来来，主主要要有有“灾灾变变说说”、“俘俘获获说说”、“原原始始星星云云说说”和和“次生星云说次生星云说”。 灾变说灾变说 灾灾变变说说认认为为，太太阳阳是是先先形形成成的的，由由于于某某个个事事件件，如如一一个个恒恒星星与与太太阳阳相相撞撞或或距距离离很很近近时时，从从太太阳阳中中“拉拉出出”一一部部分分物物质质，并并赋赋予予巨巨大大的的转转动动角角动动量，这些物质后来逐渐形成了行星及其卫星。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（陨石说） 俘俘获获说说也也是是认认为为太太阳阳是是先先形形成成的的，但但与与灾灾变变说说不不同同的的是是，它它认认为为原原始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。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。太阳系起源的假说（一）太阳系起源的假说（一）太阳系起源的假说（一）太阳系起源的假说（一）第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论 原始星云说原始星云说 原始星云说属于原始星云说属于渐变说渐变说”范畴。这种学说认为，太阳系乃由同一原始星范畴。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。非某种偶然突变性事件的结果。 17551755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力，即星云各部分的相互吸引的引力。康德埃，形成太阳系的动力是自引力，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，太阳。随着旋转速度加大，大量微小尘埃物质在旋转着的原始太阳的赤道上集中起来，形成了扁平的大量微小尘埃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。在心产生了行星和环绕行星的卫星。在4141年以后，拉普拉斯提出了和康德相年以后，拉普拉斯提出了和康德相似的似的“原始星云说原始星云说”。 太阳系起源的假说（二）太阳系起源的假说（二）太阳系起源的假说（二）太阳系起源的假说（二）第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论 在在2020世纪中叶出现的各种星云说中，霍伊尔世纪中叶出现的各种星云说中，霍伊尔(F(FHoyle)Hoyle)的学说较有代的学说较有代表性。霍氏认为，太附系开始时是一团凝缩的星云，温度不高，转动角速表性。霍氏认为，太附系开始时是一团凝缩的星云，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，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，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，形成一个环绕形成一个环绕“原始太阳原始太阳”的盘状物，其质量仅为太阳的百分之一。中心的盘状物，其质量仅为太阳的百分之一。中心的的“原始太阳原始太阳”与圆盘脱离以后，继续收缩，不再分裂，最后形成太阳。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，质量不再增加，最后形成行星。圆盘与太阳脱离后，质量不再增加，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。在原始太阳从的行星具有较大的角动量。在原始太阳从5050倍太阳半径收缩到倍太阳半径收缩到1 1倍太阳半径倍太阳半径的过程中，表面温度保持为的过程中，表面温度保持为35003500度左右，在地球轨道附近地区，沸点低的度左右，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，镁、硅等元素则凝聚为尘粒，通挥发性物质相继逃逸，而不易挥发的铁，镁、硅等元素则凝聚为尘粒，通过碰撞粘合而形成块状物质，直径小于过碰撞粘合而形成块状物质，直径小于1 1米的固体留在类地行星的区域而形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，而使得土星、木星的化学成分与原始星云以及太阳相近，H H，HeHe最多。在天最多。在天王星、海王星的空间附近，由于逃逸速度小，王星、海王星的空间附近，由于逃逸速度小，H H和和HeHe大部分逃逸，剩下的多大部分逃逸，剩下的多为为C C，N N，O O与与H H2 2O O等物质。等物质。 太阳系起源的假说（二）太阳系起源的假说（二）太阳系起源的假说（二）太阳系起源的假说（二） (续）第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论太阳系起源的假说示意图太阳系起源的假说示意图太阳系起源的假说示意图太阳系起源的假说示意图第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论太阳系起源的假说模拟动画太阳系起源的假说模拟动画太阳系起源的假说模拟动画太阳系起源的假说模拟动画1324第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论太阳系起源的假说模拟动画太阳系起源的假说模拟动画太阳系起源的假说模拟动画太阳系起源的假说模拟动画第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论2.2 2.2 地球的转动与轨迹地球的转动与轨迹 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，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。的不均匀性。 地球旋转轴叫地轴。地轴同地球表面的交点就是南北极。地轴的无限地球旋转轴叫地轴。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，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。绕太阳公转轨道叫黄道，月球绕地球公转轨道叫白道。地球的转动地球的转动地球的转动地球的转动第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论2.2.1 2.2.1 地球的自转与公转地球的自转与公转 地球的自转与公转，是地球诸多运动中最显著的运动，这是一个天文地球的自转与公转，是地球诸多运动中最显著的运动，这是一个天文学问题，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，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、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。地一月转动系统和地球的自转中。 地球的自转地球的自转 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和月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。的地球中心和月球中心，这段时间就是太阴日。 地球的自转地球的自转地球的自转地球的自转第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论 恒星日是地球自转的真正周期。恒星日是地球自转的真正周期。因为恒星的位置在天球上是固定的。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转的反映。月球在天球上的运动是月球绕地公转的反映。月球绕地公转的反映。 如果用如果用2424时时0000分表示一个恒星分表示一个恒星日的长度，那么太阳日的长度就是日的长度，那么太阳日的长度就是2424时时0404分，太阴日的长度是分，太阴日的长度是2424时时5454分。分。 地球的自转地球的自转地球的自转地球的自转（续）第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论 地球公转的轨迹地球公转的轨迹 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量中心。据计算，这个共同的质心距太阳的质心仅450km450km。因此，可以把地。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=149.6a=149.610106 6km,km,半短轴半短轴b=149.579b=149.57910106 6kmkm，半焦距，半焦距c=2.5c=2.510106 6kmkm非常接近非常接近正圆。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。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。地球公转及轨迹地球公转及轨迹地球公转及轨迹地球公转及轨迹第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论 除除恒恒星星年年以以外外，在在天天文文学学上上还还有有回回归归年年、近近点点年年和和食食年年等等不不同同的的定定义义。如如以以春春分分点点，近近日日点点和和黄黄白白交交点点( (黄黄道道和和白白道道在在天天球球上上的的交交点点) )为为参参考考点点，即即得得回回归归年年、近近点点年年和和食食年年。由由于于春春分分点点，近近点点和和黄黄白白交交点点在在天天球球上上不不是是固固定定的的，因因此此，以以这这些些点点为为参参考考点点所所测测得得的的年年也也不不是是地地球球公公转转的的真真正正周周期期。据测定据测定 恒星年恒星年: 365: 365日日6 6时时9 9分分1010秒；秒； 回归年回归年: 365: 365日日5 5时时4848分分4646秒；秒； 近点年近点年: 365: 365日日6 6时时1212分分5353秒；秒；食食 年年: 346: 346日日1414时时5252分分5353秒。秒。地球公转及轨迹地球公转及轨迹地球公转及轨迹地球公转及轨迹 （续）第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论地球的地球的公公转转与四季变化与四季变化近近日日点点远远日日点点第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论地地地地轴的进动轴的进动轴的进动轴的进动2.2.2 2.2.2 地轴的进动与章动地轴的进动与章动 地轴的进动地轴的进动 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。为轴作周期性的圆锥形运动，即所谓进动。 由由于于地地球球自自转转的的方方向向是是由由西西向向东东，因因此此地地轴轴的的进进动动的的方方向向是是由由东东向向西西。地地轴轴进进动动的的速速度度是是每每年年50.2650.26“，故故地地轴轴旋旋进进的的周周期期为为(360(3606060 6060 /5.26/5.26”) ) 25786(25786(年年) )。这这是是一一种种极极为为缓缓慢慢的的运运动动。由由于于地地轴轴在在不不断断进进动动，所所以以其其指指向向也也在在发发生生极极其其微微小小的的变变化化，现现在在它它指指向向北北极极星星附附近近，公公元元1360013600年，它就会指向织女星。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发生变化。其由于地轴在不断进动，因而赤道平面的位置也会相应地发生变化。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年50.2650.26“的速度向西进动着。的速度向西进动着。第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论地地地地轴的进动轨迹示意图轴的进动轨迹示意图轴的进动轨迹示意图轴的进动轨迹示意图第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论地地地地轴的章动轴的章动轴的章动轴的章动 地轴的章动地轴的章动 研研究究表表明明，地地轴轴这这种种象象陀陀螺螺一一样样以以2578625786年年为为周周期期的的旋旋进进运运动动( (或或称称岁岁差差) )的的主主要要原原因因是是月月球球对对地地球球赤赤道道隆隆起起部部分分所所施施加加的的吸吸引引力力。但但实实际际上上，太太阳阳、月月球球和和地地球球的的位位置置是是在在不不断断发发生生变变化化的的。太太阳阳每每年年两两次次通通过过赤赤道道，月月亮亮每每月月两两次次通通过过赤赤道道，因因而而作作用用到到地地球球上上的的引引力力十十分分复复杂杂。由由于于这这个个缘缘故故，在在地地轴轴长长期期的的旋旋进进过过程程中中，又又在在它它原原有有位位置置上上附附加加了了一一个个短短周周期期的的摆摆动动，这这个个摆摆动动叫叫做做章章动动。章章动动的的周周期期为为18.618.6年年, ,也也就就是是说说，地地轴轴的的进进动动不不是是一一个个简简单单的的锥锥面面，地地轴轴沿沿锥锥面面里里外外摆摆动动，使使锥锥面面带带上上一一个个“荷荷花花”式式的的花花边边，其摆动的振幅最大只不过其摆动的振幅最大只不过9.2069.206 。 第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论地地地地轴的进动与章动合成轨迹示意图轴的进动与章动合成轨迹示意图轴的进动与章动合成轨迹示意图轴的进动与章动合成轨迹示意图地轴进动轨迹地轴进动轨迹地轴进动章动地轴进动章动合成轨迹合成轨迹地轴地轴黄轴黄轴第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论地球的平动地球的平动地球的平动地球的平动 2.2.3 2.2.3 地球的平动地球的平动 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，义带着它的行星族转外，义带着它的行星族( (包括地球包括地球) )以每秒约以每秒约20km20km的速度向织女星方向奔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。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。太阳地球在宇宙太空中的运动并没有到此为止。太阳系系( (包括地球包括地球) )随着它周围的恒星群以大约每秒随着它周围的恒星群以大约每秒300km300km的速度绕银河系的质心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旋转，太阳系绕银中心转动一周大约2 2亿亿5 5千万年。而银河系本身又正以每千万年。而银河系本身又正以每秒秒600km600km的速度向长蛇星座运动的速度向长蛇星座运动。 第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论2.3地球内部圈层结构地球内部圈层结构 多多年年来来对对地地球球内内部部的的研研究究，在在全全球球范范围围内内已已积积累累了了丰丰富富的的资资料料，根根据据地地震震波波速速度度的的变变异异，地地球球内内部部可可概概略略地地分分为为地地壳壳、上上、下下地地幔幔和和内内、外外地地核核几几个个大大的的圈圈层层，这这些些层层圈圈之之间间都都存存在在一一个个物物性性分分界界面面，自自外外向向内内可为：可为：壳幔界面壳幔界面上下地幔之间的过渡层上下地幔之间的过渡层幔核界面幔核界面内外核边界内外核边界地球内部圈层结构地球内部圈层结构地球内部圈层结构地球内部圈层结构第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论地球内部结构示意图地球内部结构示意图地球内部结构示意图地球内部结构示意图第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论地球内部圈层示意图地球内部圈层示意图地球内部圈层示意图地球内部圈层示意图第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论地震资料揭示地球圈层结构地震资料揭示地球圈层结构地震资料揭示地球圈层结构地震资料揭示地球圈层结构第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论地球圈层特征地球圈层特征地球圈层特征地球圈层特征 (1)(1)壳幔边界壳幔边界 在在地地壳壳下下面面30-60km30-60km深深度度处处，P P波波速速度度从从6-7km/s6-7km/s，跳跳到到8km/s8km/s以以上上，它它是是地地壳壳与与地地幔幔的的分分界界面面，这这个个界界面面是是南南斯斯拉拉大大地地震震学学家家莫莫霍霍洛洛维维奇奇( (MohorovicicMohorovicic) )在在19091909年年研研究究阿阿尔尔卑卑斯斯地地区区的的区区域域地地震震P P波波震震相相时时发发现现的的，因此，这个界面又称为莫霍间断面因此，这个界面又称为莫霍间断面( (通常用通常用MohoMoho或或M M表示表示) )。 (2)(2)上下地幔的过渡层上下地幔的过渡层 从从19561956年年开开始始澳澳大大利利亚亚地地震震学学家家布布伦伦( (BullenBullen) )对对地地幔幔做做了了进进一一步步地地分分层层的的研研究究，认认为为地地幔幔由由上上地地幔幔、过过渡渡层层（速速度度变变化化不不均均匀匀）和和下下地地幔幔( (速速度度变化均匀变化均匀) )组成。组成。第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论地球圈层特征地球圈层特征地球圈层特征地球圈层特征 （续一） (3)(3)幔核边界幔核边界 在在地地幔幔内内部部，速速度度随随深深度度而而增增加加，在在大大约约2900km2900km处处，P P波波速速度度突突然然从从13km/s13km/s下下降降到到8km/s8km/s左左右右，在在地地球球内内部部出出现现第第二二大大间间断断面面。这这是是美美国国的的地地震震学学家家古古登登堡堡(Gutenberg)(Gutenberg)于于19141914年年通通过过大大量量天天然然地地震震震震相相分分析析首首先先提提出出的的，该界面又称为古登堡界面。该界面又称为古登堡界面。 (4)(4)内外核边界内外核边界 从从2900km2900km以以下下进进入入地地核核，P P波波速速度度逐逐渐渐回回升升，S S波波速速度度因因不不能能通通过过而而恒恒为为零零，直直到到大大约约5300km5300km深深处处S S波波才才出出现现，P P波波速速度度也也呈呈现现明明显显跳跳跃跃，成成为为地地球球内内部部的的第第三三大大间间断断面面。从从而而可可见见，外外核核物物质质为为液液态态，内内核核物物质质则则为为固固态态。这这是是丹丹麦麦地地震震学学家家莱莱曼曼(Lehmann)(Lehmann)女女士士在在19361936年年首首先先发发现现的的，并并记记为为L L面。面。第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论地球圈层特征地球圈层特征地球圈层特征地球圈层特征 （续二） 上上述述地地球球分分层层，即即主主要要简简单单的的划划分分，从从本本世世纪纪开开始始至至5050年年代代已已大大体体确确定定，而而且且习习惯惯上上采采用用A-GA-G字字母母广广以以命命名名：A(A(地地壳壳) )，B(B(上上地地幔幔) )，C(C(过过渡渡层层) )，D D( (下地幔下地幔) )，E E( (外核外核) )，F F间断面，间断面，G(G(内核内核) )。 最最近近3030年年来来，对对地地球球结结构构的的认认识识逐逐步步深深入入，目目前前在在横横向向变变化化、非非弹弹性性和和各各向向异异性性诸诸方方面面的的研研究究不不断断深深化化，使使地地球球模模型型逐逐渐渐发发展展和和完完善善。在在地地球球分分层层模模型型的的发发展展过过程程中中，曾曾先先后后出出现现佐佐普普列列兹兹盖盖格格模模型型，杰杰弗弗里里斯斯模模型型，古古登登堡堡(Gutenberg)(Gutenberg)模模型型，布布伦伦( (BullenBullen) )模模型型，安安德德森森哈哈特特模模型型以以及及初初步步地地球球参参考考模模型型(PREM)(PREM)。这这些些模模型型彼彼此此有有联联系系，也也有有一一些些区区别别，其其中中布布伦伦模模型型和初步地球参考模型，使用较广。和初步地球参考模型，使用较广。第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论地球圈层模型参数地球圈层模型参数地球圈层模型参数地球圈层模型参数第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论地球内部物质组成地球内部物质组成地球内部物质组成地球内部物质组成2.4地球内部物质组成地球内部物质组成 目目前前，许许多多学学者者都都是是借借助助于于宇宇宙宙的的丰丰度度和和已已知知的的观观测测事事实实，以以及及地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：球物理资料来构筑地球物质模型，主要考虑以下四个方面： 地地球球作作为为宇宇宙宙天天体体的的一一个个成成员员并并由由宇宇宙宙物物质质演演化化而而来来，地地球球的的元元素素丰丰度度应应与与宇宇宙宙的的元元素素丰丰度度大大致致相相同同，因因此此可可以以根根据据宇宇宙宙丰丰度度构构成成地地球球基本成分的简单模型；基本成分的简单模型； 地地球球基基本本成成分分及及其其分分布布必必须须符符合合深深部部地地震震资资料料所所反反映映的的物物质质密密度度、波速等物理参数；波速等物理参数； 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。地球元素分布必须符合地球内部温度、压力分布的状况。第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论地壳物质组成地壳物质组成地壳物质组成地壳物质组成 2.4.1 2.4.1 地壳物质组成地壳物质组成 根据矿物学研究，长石根据矿物学研究，长石( (钾长石、斜长石钾长石、斜长石) )是地壳中最丰富的矿物，其是地壳中最丰富的矿物，其次是石英和含结晶水的矿物。地壳平均密度约为次是石英和含结晶水的矿物。地壳平均密度约为2.7-2.8g/cmg/cm3 3，基于较富集，基于较富集矿物的速度和矿物的速度和Vs/Vs/VpVp比值的差异，故利用地震波的速度便可以有效地进行判比值的差异，故利用地震波的速度便可以有效地进行判别。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，有一些地区的镁铁岩是一种不稳定因素，有一些地区的MohoMoho界面可能不在玄武岩层的底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。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。若陆地壳内部密度一般小于海洋地壳。若MohoMoho界面是岩石学界面，即为硅铝界面是岩石学界面，即为硅铝质的或镁铁质的陆壳岩石与超铁镁岩的地幔岩石之间的边界。若质的或镁铁质的陆壳岩石与超铁镁岩的地幔岩石之间的边界。若MohoMoho界面界面是化学分界面，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以把一个相位间断面( (玄武一榴辉岩玄武一榴辉岩) )转变为化学间断面转变为化学间断面( (玄武一橄榄岩玄武一橄榄岩) ) 。 第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论地幔物质组成地幔物质组成地幔物质组成地幔物质组成 2.4.2 2.4.2 地幔物质组成地幔物质组成 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球的岩石圈。目前人类还不能取回深度超过13km13km的任何物质样品。除了幔的任何物质样品。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200km200km深深处的物质）样品外，直接研究地幔处的物质）样品外，直接研究地幔( (及其以下部分及其以下部分) )的愿望并未实现。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同部位的压力条件。盐矿物的结构变化能反映地幔不同部位的压力条件。 第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论地幔物质组成地幔物质组成地幔物质组成地幔物质组成 （续一） (1)(1)上地幔上地幔 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，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。成是橄榄石和辉石的集合体。 岩石圈地幔底界变化于岩石圈地幔底界变化于6060220km220km深处，其下有一个地震波的低速层，深处，其下有一个地震波的低速层，无疑是高热梯度区。在高温条件下压力效应将被忽略，导致波速随深度无疑是高热梯度区。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。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。 220220400km400km深度的上地幔下部物质又变得致密、刚性，温度也回归正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。的形成区。 第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论地幔物质组成地幔物质组成地幔物质组成地幔物质组成 （续二） (2)(2)过渡层过渡层 地幔中在地幔中在400km400km和和670km670km深处存在两个不连续面，其间称为地幔过渡层。深处存在两个不连续面，其间称为地幔过渡层。在在400km400km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，密度增加约石，密度增加约6060。至。至600km600km处，尖晶石分解成更重的氧化物，如方镁石处，尖晶石分解成更重的氧化物，如方镁石( (MgOMgO) )、方铁矿、方铁矿( (FeOFeO)和斯石英和斯石英( (一种比重达到一种比重达到4.284.28的高密石英的高密石英) )。 (3)(3)下地幔下地幔 下地幔中物质结构不再变化，地震波速度的平缓增加也可用物质结构下地幔中物质结构不再变化，地震波速度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硅酸盐，随深度增大唯一的成分变化表现为FeOFeO含量的小幅度增高。含量的小幅度增高。 下地幔的主要成分可能是下地幔的主要成分可能是MgOMgO和和SiOSiO2 2, , 其次是其次是CaOCaO和和AlAl2 2O O3 3,CaO,CaO和和AlAl2 2O O3 3在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200km200km范围内物质较上覆地幔致密，由于高热梯度导致其内物质小规模频繁对流，范围内物质较上覆地幔致密，由于高热梯度导致其内物质小规模频繁对流，而且该区而且该区Ca,Al,TiCa,Al,Ti较上覆部分富集。较上覆部分富集。第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论地核物质组成地核物质组成地核物质组成地核物质组成 2.4.3 2.4.3 地核物质组成地核物质组成 根据推测，地核中的主要的元素成分是根据推测，地核中的主要的元素成分是FeFe和和NiNi，所以地核常被称为铁，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，其中镍含量可能达可能由液态铁组成，其中镍含量可能达1010，并有大约，并有大约5 5-15-15较轻的元较轻的元素，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。由于内外核之间间(4771(47715150km)5150km)是一个温度梯度很高的厚近是一个温度梯度很高的厚近380km380km热边界层，既可引起铁热边界层，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。均一的绝热状态和近似化学分层状态之间的过渡状态。第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第二章第二章第二章第二章 内容提要内容提要内容提要内容提要pp太阳系及其组成与演化太阳系及其组成与演化太阳系及其组成与演化太阳系及其组成与演化太阳系的成员(太阳、大行星、小行星、行星的卫星、彗星)轨道的规律性(共面性、同向性、共圆性)质量与密度分布特征太阳系天体的自转（行星的自转、太阳自转）pp地球的转动与轨迹地球的转动与轨迹地球的转动与轨迹地球的转动与轨迹基本参照（天轴、天球、天极、天赤道、黄道、黄极）地球自转（周期、恒星日、太阳日与太阴日）地球公转（周期、恒星年、春分点、秋分点、夏至点、冬至点、南北回归线 ）地轴进动、章动与地球平动第二章第二章固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第二章第二章第二章第二章 内容提要内容提要内容提要内容提要（续）pp地球内部的结构地球内部的结构地球内部的结构地球内部的结构地壳、上地幔、过渡带、下地幔、外核、内核pp地球内部的物质组成地球内部的物质组成地球内部的物质组成地球内部的物质组成地壳硅铝质、镁铁质岩石上地幔固相超铁镁质和铁镁质岩石，碱性玄武岩岩浆过渡带高密度橄榄石和氧化物下地幔高密度橄榄石和氧化物，氧化铁含量小幅度增高外地核由液态铁组成，其中镍含量可能达10，并有少量较轻的元素内地核结晶的固体铁镍合金组成第二章第二章待续