成都理工大學地球物理學基礎復習資料.doc

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地球物理學基礎復習資料 緒論 一．地球物理學的概念，研究特點和研究內容 它是以地球為研究對象的一門應用物理學，是天文學，物理學與地質學之間的 邊緣學科。 地球物理學應用物理學的原理和方法研究地球形狀，內部構造，物質組成及其 運動規(guī)律，探討地球起源，形成以及演化過程，為維護生態(tài)環(huán)境，預測和減輕地球 自然災害，勘探與開發(fā)能源和資源做出貢獻。包擴地震學，地磁學，地電學，重力 學，地熱學，大地測量學，大地構造物理學，地球動力學等。 研究特點：1.交叉學科 地球物理學由地質學和物理學發(fā)展而來，隨著學科本身的發(fā)展，它不斷產生新的分支學科，同時促進了各分支學科的相互交叉，加強了它與地球科學各學科之間的聯系。2.間接性 都是通過觀測和研究物理場的信息內容實現地質勘查目標，研究的不是地質體本身，而是其物理性質。3 多解性 正演是唯一的，而反演存在多解。不同的地質體具有不同的物理性質，但產生的物理場可能相同。不同的地質體具有相近的物理性質，由于觀測誤差，物理場的觀測不完整以及物理場特點研究不夠，產生多解。不同的地質體具有相同的物理性質，即使知道了地質體的物性分布，也無法確定其地質屬性。 地球物理學的總趨勢：多學科綜合和科學的國際合作。 二．地球物理學各分支所依據的物理學原理和研究的物性參數。 地震學：波在彈性介質中的傳播。地震體波走時，面波頻散，自由振蕩的本征譜特征 重力學：牛頓萬有引力定律。地球的重力場和重力位 地磁學：麥克斯韋電磁理論。地磁場和地磁勢。 古地磁學：鐵磁學。巖石的剩余磁性。 地電學：電磁場理論。天然電場和大地電場 地熱學：熱學規(guī)律，熱傳導方程。地球熱場，熱源。 第一章 太陽系和地球 一．地球的轉動方式。 1.自轉 地球繞地軸的一種旋轉運動，方向自西向東，轉速并非完全均勻，有微小變化。 2.公轉 地球繞太陽以接近正圓的橢圓軌道旋轉的運動。 3.平動 地球隨整個太陽系在宇宙太空中不停地向前運動。 4.進動 地球由于旋轉，赤道附近向外凸出，日月對此凸出部分的吸引力使地軸繞黃軸轉動，方向自東向西。這種在地球運動過程中，地軸方向發(fā)生的運動即為地球的進動。 5.章動。地軸在空間的運動不僅僅是沿一平滑圓錐面上的轉動，地軸還以很小的振幅在錐面內,外擺動，地球的這種運動叫章動。 二．地球的形狀及影響因素。 地球為一梨形不規(guī)則回轉橢球體。 影響因素：1.地球的自引力---正球體；2.地球的自轉----標準扁球體； 3.地球內部物質分布不均勻--不規(guī)則回轉橢球體 三．地球內部結構 地殼：地下的一個地震波速度的間斷面，P波速度由界面上方的6.2km/s增至8.1km/s左右。這個間斷面稱為莫霍面（M面）。莫霍面以上的介質稱為地殼，以下的介質稱為地幔。地殼構造復雜，厚度不均，大陸厚，海洋薄。 地幔：從莫霍面到地下2900km深處這一層稱為地幔。分為上地幔和下地幔。 由地殼基底至約400km深處的B層介質叫做上地幔，B層上部存在低速層，稱為軟流圈，低速層上部和地殼并稱巖石圈。400km-1000km間的C介質叫過渡層。軟流圈和巖石圈統(tǒng)稱構造圈。1000km-2900km為D層。下地幔比較均勻。但底部約厚200km的D層中，速度梯度接近于零，所以該層介質不均勻。 地核：從地幔向下直至地心。2900km-4980km的E層稱為外核。外核與地幔的分界面是速度間斷面----古登堡面（G面）。 四．地球的演化史 原始地球被一層濃厚的氣體包圍，由于地球溫度升高，氣體的分子動能增大，地球的引力不足以吸引它們，質輕氣體分子逃離地球，散逸到宇宙空間。地球幼年時代，表面沒有山脈和海洋，持續(xù)約十億年。稱為第一次脫氣。 地球溫度升高，物質融化呈液態(tài)，在重力的作用下，密度大的鐵鎳物質下沉形成地核，密度小的硅酸鹽物質上升成地表。由于放射性元素，地球溫度越來越高，致使靠近地核的固態(tài)物質溶解為液體，地球就有了一個液態(tài)核。 地幔獲得足夠熱量后開始產生對流。初始的海底擴張加速地內散熱速度，地幔固結了，外核依然為液態(tài)。外核的對流是產生現今地磁場的原因。 地球內部的氣體在高溫高壓下，被擠到上層有空間或是密度較小的地方，從地殼的裂隙處噴出，這就是地球的二次脫氣，距今30億年前，地球出現大規(guī)模的火山噴發(fā)，使得大量氣體隨火山巖漿噴出地面，形成了大氣圈和水圈。 第二章 放射性和地球年齡 一．放射性衰變 在自然界中，某些元素的原子核能夠在不受外界條件影響下，自發(fā)地變成另外一種元素的原子核，同時發(fā)射出射線，這種現象稱為放射性衰變。不依靠外力而自發(fā)衰變的元素稱為天然放射性元素。 二．放射性衰變規(guī)律 每單位時間所衰變的原子數目與壓力，溫度等外部條件無關，只于當時存在的衰變原子的數目成正比。 半衰期：原子數衰變到原來數目的一半所需的時間。放射性衰變的時間通常為半衰期的十倍。 三．放射性平衡 在母體同位素衰變時，初始衰變產物經常也具有放射性，它們也會發(fā)生一系列衰變，最終變成穩(wěn)定的元素。中間過程的每個放射性元素都有自己的衰變常數，但經過一定的時間后，這個系列會達到平衡，即各中間產物的數量保持不變。 四．主要的放射性元素 鈾\釷--鉛，鉀----氬，銣----鍶，放射性碳，氚。 地球初期情況假設 1.在地球形成初期，各種鉛同位素的比值在各處都相同； 2.從某時起，地球不同區(qū)域的鈾，釷，鉛都各有特征的比值，這些比值只隨放射性元素的衰變而改變； 3. 在以后某個時期，方鉛礦和其它一些不含鈾，釷的鉛礦分離出來，鉛同位素的比值不再變化 4. 鉛與鈾，釷分離或成礦的時間可以獨立地測定。 第三章 天然地震 一．地震分類 成因：構造地震，火山地震，陷落地震。 震源深度：淺源地震（《60km），中源地震(60--300km)，深源地震(>300km)。 震中距：地方震（<100km）,近震（<1000km），遠震(>1000km) 地震強度： 弱震 ，有感地震 ，中強震 ，強震 二．全球地震帶的分布和它與板塊構造之間的關系 全球主要地震活動帶：太平洋地震帶，歐亞地震帶，其他地震區(qū)帶 我國主要地震活動帶： 天山地震帶，主要是指南--北天山，阿爾泰山一帶地區(qū)； 南北地震帶，由滇南的元江往北經西昌，松潘，海源，銀川直到內蒙古嶝口； 華北地震帶，指陰山，燕山一帶，營口--郯城斷裂帶，汾渭河谷地區(qū)； 華南地震帶，主要指東南沿海和海南島北部等地區(qū) 西藏地震帶，沿青藏高原周圍和邊境一帶 臺灣地震帶，包括臺灣及其東部海域。從地區(qū)屬于環(huán)太平洋地震帶，地震出 現頻繁且強度大。 板塊的劃分與全球地震帶的地理分布是一致的。 板塊邊界類型： 1. 發(fā)散型板塊邊界；2匯聚型板塊邊界；3.轉換型板塊邊界 全球地震帶的地理分布主要由三類板塊邊界，也就是巖石圈板塊沿三類板塊 邊界的相對運動決定。海溝-島弧地區(qū)地震；洋脊及轉換斷層的地震；大陸內部的地震（板內地震） 三．射線參數P的物理意義 1.同一條地震射線，P為常數； 2.不同的P對應不同的入射角，即對應不同形狀的射線； 3 .P完全確定了地震射線的性質； 4.射線參數P只給出了入射角i和圓心距r的關系，沒給出射線的坐標方程。 四．頻散 波速隨頻率或波長而變化稱為頻散。面波成群出現，每一群表現為一列波，每 列波各自的頻率具有不同的傳播速度，這種現象稱為面波的頻散現象。由于波在層狀介質中傳播時相互疊加的結果，具有頻散特性的面波不僅有相速度，而且具有群速度。 五．地球介質的Q值 在一個吸收介質中，地震波傳播一定有頻散現象發(fā)生，也就是吸收和頻散總是同時存在。 為了描述地震波在地球介質中能量損耗的情況，引入參數Q值。定義為在一周期中質元所損耗的能量與原有能量的比值。Q值反映了介質損耗性質，值越大，介質品質因子越高，能量損耗越小，介質越接近完全彈性。根據Q值的變化研究波的吸收，可以得到介質的非彈性性質，從而進一步了解地球內部介質的性質。 六．彈性回跳理論 地殼運動使巖石產生應變，當應力在一個長時期內不斷積累，超過一定限度時，地下巖層突然破裂，形成斷層，或是沿已有斷層發(fā)生突然滑動，使存儲在巖石中的彈性應變能突然釋放，就會形成地震。無應力狀態(tài)---->應力作用變形，巖石產生相對位移---->應力超過阻力，巖塊滑動或破裂形成斷層，斷層兩側的巖塊又回到新的無應力狀態(tài)。 七．P波初動。 P波剛到達地表時的地動位移。 P波初動解：從地面臺站記錄到P波的初動分布圖出發(fā)，采用點源雙力偶震源力學模型反演震源運動過程，從而求出震源參數。 八．震源參數 動力學參數：斷層的傳播方向和傳播速度 靜力學參數：斷層長度和寬度，地震矩，應力降 幾何參數：斷層面的走向，傾向和傾角，相應力偶的取向和仰角 9． 震相 將震源所發(fā)出的不同振動，不同傳播路徑的地震波在地震圖上的特定標志稱為震相。 自己分析理解 10． 幾種地震波的對比分析 第3章 重力學和固體潮 1. 重力場和重力位 如果不考慮外部天體對地球的作用，地球上單位質點所受的地球的引力和慣性離心力的矢量和稱為地球在該點的重力矢量，該矢量場稱為地球的重力場 地球在某點的引力位和離心位的和稱為地球在該點的重力位。 地球重力位相同的點在空間構成的曲面稱為重力等位面。 重力等位面得性質：1.在面上移動單位質量時，重力不做功2.兩個等位面之間的位差是常數。一般等位面不平行，且在同一等位面上重力不是常量。 2正常地球場模型，正常重力場和重力異常場 質量等于地球總質量，以地球自轉角速度繞其極半徑為軸旋轉，轉動慣量與地球相同的參考橢球。 這種模型在其表面和外部空間產生的重力場稱為地球的正常重力場。 真實地球與正常地球場模型的密度分布不同在該點產生的重力場的差值稱為地球在該點產生的重力異常場 3影響各力的因素 1 引力：地球的形狀，海拔高度，地殼內部的質量分布 2. 離心力：高度，緯度 3. 固體潮：地球自轉 ，日，地，月三者的相對位置的變化 4. 影響重力測量的因素 1 觀測點值大地水準面的距離 2 地形質量。 5均衡模型 計算補償質量在地球表層的分布，從而計算出補償質量對觀測點的重力影響。 考慮與全球地形質量相對應的補償質量對觀測點重力的影響的校正稱為均衡校正 6. 正反問題的例子 真實地球的密度與正常場地球模型的密度差稱為地球的剩余密度。地球的剩余密度是重力異常場產生的原因。根據給定的地球剩余密度計算重力異常擦汗那個，稱為重力異常場的正演問題。根據地面上測出的重力異常場求出地球剩余密度的分布稱為重力異常的反演問題。反演的解不唯一，因此需要地質和其他地球物理資料來限制解的范圍。當反演深度大的異常體時，要考慮地球表面的彎曲。 7. 固體潮及其產生原因 地球整體在太陽和月亮的起潮力的作用下發(fā)生變形，這種變形稱為固體潮。 地球在月球和太陽的起潮力的作用下發(fā)生變形，地球在地心和月心以及地心和日心的這兩個連線上拉伸，在與它們垂直的兩個平面內壓縮，地球對起潮力的這種響應稱為地球的固體潮。固體潮在地球內部形成潮汐應變和潮汐應力，并使地球自轉角速度發(fā)生變化等等。 引潮力是作用在地球的單位質點上的日、月引力和地球繞地月（和地日）公共質心旋轉所產生的慣性離心力的合力。 作用在地球表面上任一點的起潮力矢量的垂直分量使地球在該點的重力發(fā)生變化稱為地球的重力固體潮. 8 固體潮在地表產生的物理現象 1.重力固體潮 2.地傾斜固體潮 3.應變固體潮 4.井水水位固體潮 5.經緯度固體潮 6.海潮 7.地球自轉角速度的變化 第四章 地磁 一．地磁場的組成 地磁場是一個弱磁場，由多種不同來源的磁場疊加而成。分為來源于地球內部的穩(wěn)定磁場和來源于地球外部的變化磁場。穩(wěn)定磁場遠大于變化磁場，是地磁場的主要部分起源于地球內部的穩(wěn)定磁場稱為地磁場的內源場，起源于地球外部的穩(wěn)定磁場稱為外源場。外源場只占內源場的1%，因此穩(wěn)定場主要起源于地球內部。外源變化磁場起源于地球外部的各種電流體系。這種磁場還會在具有導電性質的地球內部感應出一個內部電流體系，它就是產生內源變化磁場的原因。 二．地磁場的基本特征 1.近似于一個均勻磁化球體或一個處于地心的磁偶極子所形成的磁場。 2.地磁場強度整體很弱，在兩極處的地磁場強度最強，赤道處最弱，約為2倍關系。 三．地磁場的長期變化特征 1.地磁場強度按0.05%/a衰減 2.磁偶極子以0.05%a沿經度西移 3.磁偶極子以0.02%/a沿緯度北移 4.非偶極子場以0.2%/a沿經度西移 5非偶極子場以10nT/a量級增加 6地磁場長期變化本身以0.3%a西移 1. 變化磁場的分類和產生原因 平靜變化：起源于電離層中比較穩(wěn)定的電流體系的周期性變化，是連續(xù)出現的各種周期性的平緩變化，并且疊加在地球基本磁場之上。分為太陽日變化(日變)，太陰日變化以及年變化。日變幅度最大 干擾變化：即磁擾。分為磁暴和地磁脈動。 磁暴和太陽活動與地磁相互作用存在密切聯系。 分為三階段：1.初相階段，磁場強度增加。 2.主相階段，磁場水平強度下降；3.恢復相階段，環(huán)形電流逐漸衰減，地磁場逐漸恢復。 地磁脈動：可能是由于地表以上1000km磁層內或磁層邊界等離子體不穩(wěn)定性以及太陽風（太陽連續(xù)不斷的向外發(fā)射的等離子體）和磁層的相互作用下，磁流波沿磁力線的共振激發(fā)引起的 短周期的地磁干擾，形態(tài)，周期和振幅各異。 第5章 古地磁學 1.古地磁研究的直接對象是巖石的剩余磁性 2.巖石剩余磁性，類型及其特征 巖石的磁性一般是巖石所含的鐵磁性礦物在地磁場作用下產生的。 1.巖石的原生剩磁方向與形成巖石時的地磁場方向一致，而且?guī)r石的原生剩磁具有高度的穩(wěn)定性。 2.古地磁場是軸向地心偶極場。 熱剩磁TRM：1.在弱磁場中，熱剩磁強度比常溫下獲得的剩磁強度大很多；2. 對于各向同性的火成巖，熱剩磁的方向與外磁場一致，其天然剩磁方向代表巖石形成時的地磁場方向；3.弱磁場中剩磁強度正比于外磁場強度；4.部分熱剩磁具有可加性； 5.火成巖中的鐵磁質顆粒的弛豫時間極長。 沉積剩磁：由沉積巖中的母巖風化侵蝕而來的鐵磁性碎屑顆粒，在沉積過程中其磁矩沿地磁場方向排列所獲得的剩磁。1.含水量超過一半，剩磁的偏角和傾角和地磁場一致；2.沉積過程中所獲得剩磁是穩(wěn)定的；3.剩磁強度與外磁場成正比；4.剩磁強度遠小于熱剩磁，穩(wěn)定性也不如熱剩磁。 化學剩磁：1.弛豫時間長，穩(wěn)定性高，弛豫時間隨鐵磁性顆粒的體積增大而加長；2.在弱磁場中，剩磁強度正比于外磁場；3在同洋的外磁場的作用下，剩磁強度為熱剩磁強度的幾十分之一。 黏滯剩磁：屬于次生剩磁，是巖石長期置于地磁場中獲得的剩磁；2地磁場方向不斷變化，黏滯剩磁的方向也會變化，因此黏滯剩磁給地磁研究帶來干擾，需要磁清洗，消除次生剩磁。 3. 古地磁的應用 地磁學方面： 測量古地磁場強度。 研究古地磁場的長期變化 古地磁場的長期平均性質 地磁場的反轉 地質學方面：大陸漂移，海底擴張，古緯度，巖石年齡，研究構造運動 第六章 地電場 一．地電場的概念 研究大氣，海洋和固體地球電性及電場分布的一門科學，利用電法勘探中的某些方法，來研究地球內部介質及其周圍的電性和電場分布規(guī)律，電法勘探的目的在于研究地質構造和尋找能源，礦產。 地電場的分類：大地電場：平靜變化，干擾變化。 自然電場：氧化還原電場，產生條件是礦體本身是良導性礦體，圍巖溶液具有氧化還原作用。 過濾電場：絕大多數沉積巖吸附負離子，碳酸鹽類吸附正離子。它包括裂隙電場，山地電場，上升泉電場，河流電場。 接觸擴散電場： 地然電場法的目的 勘察埋藏不深的金屬硫礦物和部分金屬氧化礦物礦床，尋找石墨和無煙煤，確定斷層的位置，以解決尋找含水破碎帶，確定地下水流向等水文地質問題。 大地電磁測深法的原理 依據的原理：電磁波的趨膚效應；研究的對象：低頻電磁波；計算公式：卡尼亞標量阻抗表達式；測量要素：天然變化電磁場。 由于測區(qū)地下地質條件相當復雜，介質的各向異性非常明顯，這就造成了大地電磁測深曲線的畸變，畸變類型：一是地表電性不均勻或地形起伏引起的曲線畸變，稱電流型畸變；二是電流沿構造走向流動，引起橫向電場的畸變，稱感應畸變。 第6章 地熱學 1. 熱流密度 簡稱熱流，表示單位時間內通過地球表面單位面積流出的熱量，它是地球內部熱狀態(tài)在地表的顯示，可以在地表直接測量。地球產生變化的力量來源是能量，地球能量的來源有兩種：內能和外能。地球內能是指由地球本身產生的能量，主要有來自地球旋轉的旋轉能、地球內部的熱能和地球內部的策略能三方面。 2. 地球能量的來源和釋放方式 主要分為地球外能和地球內能 地球外能是指由地球外部產生的能量，主要有來自太陽的太陽輻射能和日、月的引力能。 地球內能有 ①：旋轉能 地球自轉的動能，稱為地球旋轉能，又稱地球動力能②：熱能　地球內部是一個巨大的熱庫，我們稱為地球內部熱能。地球內部熱能的主要來源是由地球內部放射性元素衰變而產生的。③：地球重力能　由地心引力導致的地球物質變位，重力分異作用等所產生并積累的能量叫做地球重力能，也稱地球策略能。在一定的條件下，重力能可轉換為熱能，也可轉化為動力能?！? ④：太陽輻射能 太陽輻射能是地球表面最主要的能源，也是地表水和大氣運動的主要動力。它能使地球表面發(fā)生風化、剝蝕而改變原來的面貌。 ⑤：日、月引力能 由太陽和月亮的作用力——天體引力，即日、月對地球吸引而產生的能量，我們把它叫做日、月引力能。它也是地球能量的重要來源。 河流沖蝕，搬運以及人類采礦改變區(qū)域性地殼平衡，并與之相伴產生一定的能量。 導致地球由于地球始終要受到以上各方面的影響，所以地球的能量，也就不斷地產生和積累，當能量積累達到一定的程度時，就要釋放出來。當然，能量的釋放形式是多種多樣的，而且不同方面的能量也是可以互換的。不管地球能量以何種方式釋放出來，它都要產生相應的后果。而這種后果對人類及所有生命的影響是多方面的，有時它會造成巨大的破壞力，改變地球的生態(tài)面貌，有時通過地殼運動變化，形成新的礦床資源。 地球能量釋放形式 當地球能量積累達到一定的程度時，就要釋放出來，釋放時常伴隨著一定的地質現象： （一）：地震災害 地震是地球內部能量突然釋放時，局部巖石圈的破裂而產生的地質現象。（二）：火山噴發(fā) 當地球體的部分區(qū)域所承受的壓力達到一定程度時，地下灼烈的巖漿就會沿著地殼的薄弱地帶上升，噴出地表形成火山爆發(fā)。而巖漿冷凝成巖石，就造成了對周圍巖石的侵入。不管巖漿噴發(fā)或侵入，都能夠使地球內部積聚的部分能量得到釋放，從而形成新的平衡。巖漿作用可以給人類帶來災難，也可留下美麗壯觀的火山景觀，形成與巖漿、熱液有關的礦產資源。 （三）：地殼運動 在地球動力能的作用下，使構成地殼的巖石形態(tài)、位置發(fā)生變化的機械運動，我們稱為地殼運動。在野外考察中，我們常?？吹降刭|巖層出現彎曲、破裂或錯斷等現象，地質學中稱為褶皺和斷層。這些現象的發(fā)生，都是由于地球內部能量的釋放造成的。地殼運動可分為垂直運動、水平運動及組合運動類型。運動的結果可形成高山深谷和海陸位置的變遷。例如，喜馬拉雅山原來是一片海洋，它的崛起是由于構成地殼的兩個巨大巖石體，相互水平擠壓，其中的一個插入到另一個巖石體之下，將其抬升，成為今天的世界最高峰，至今這種擠壓還在進行，同樣喜馬拉雅山的抬升也在繼續(xù)進行著。 （四）：大地熱流　大地熱流也稱巖石散熱，是地球熱能釋放的主要渠道。當地球通過巖石向外釋放熱量時，在一定的溫度和壓力下，能使原來的巖石發(fā)生變質，形成新的巖石類型，如變質巖。 地球能量釋放的幾種主要方式通常會相互伴生，有時也會同時進行。正因為地球能量不斷地釋放，從而改變和破壞了地球原來的面貌，而隨著地球新面貌的出現，我們也會發(fā)現和得到新的自然景觀和礦床資源。