地球物理学基础复习资料

muyuer · 发表于 2014-7-26 11:55

地球物理学基础复习资料

绪论

一．地球物理学的概念，研究特点和研究内容

它是以地球为研究对象的一门应用物理学，是天文学，物理学与地质学之间的

边缘学科。

地球物理学应用物理学的原理和方法研究地球形状，内部构造，物质组成及其

运动规律，探讨地球起源，形成以及演化过程，为维护生态环境，预测和减轻地球

自然灾害，勘探与开发能源和资源做出贡献。包扩地震学，地磁学，地电学，重力

学，地热学，大地测量学，大地构造物理学，地球动力学等。

研究特点：1.交叉学科地球物理学由地质学和物理学发展而来，随着学科本身的发展，它不断产生新的分支学科，同时促进了各分支学科的相互交叉，加强了它与地球科学各学科之间的联系。2.间接性都是通过观测和研究物理场的信息内容实现地质勘查目标，研究的不是地质体本身，而是其物理性质。3 多解性正演是唯一的，而反演存在多解。不同的地质体具有不同的物理性质，但产生的物理场可能相同。不同的地质体具有相近的物理性质，由于观测误差，物理场的观测不完整以及物理场特点研究不够，产生多解。不同的地质体具有相同的物理性质，即使知道了地质体的物性分布，也无法确定其地质属性。

地球物理学的总趋势：多学科综合和科学的国际合作。

二．地球物理学各分支所依据的物理学原理和研究的物性参数。

地震学：波在弹性介质中的传播。地震体波走时，面波频散，自由振荡的本征谱特征

重力学：牛顿万有引力定律。地球的重力场和重力位

地磁学：麦克斯韦电磁理论。地磁场和地磁势。

古地磁学：铁磁学。岩石的剩余磁性。

地电学：电磁场理论。天然电场和大地电场

地热学：热学规律，热传导方程。地球热场，热源。

第一章太阳系和地球

一．地球的转动方式。

1.自转地球绕地轴的一种旋转运动，方向自西向东，转速并非完全均匀，有微小变化。

2.公转地球绕太阳以接近正圆的椭圆轨道旋转的运动。

3.平动地球随整个太阳系在宇宙太空中不停地向前运动。

4.进动地球由于旋转，赤道附近向外凸出，日月对此凸出部分的吸引力使地轴绕黄轴转动，方向自东向西。这种在地球运动过程中，地轴方向发生的运动即为地球的进动。

5.章动。地轴在空间的运动不仅仅是沿一平滑圆锥面上的转动，地轴还以很小的振幅在锥面内,外摆动，地球的这种运动叫章动。

二．地球的形状及影响因素。

地球为一梨形不规则回转椭球体。

影响因素：1.地球的自引力---正球体；2.地球的自转----标准扁球体； 3.地球内部物质分布不均匀--不规则回转椭球体

三．地球内部结构

地壳：地下的一个地震波速度的间断面，P波速度由界面上方的6.2km/s增至8.1km/s左右。这个间断面称为莫霍面（M面）。莫霍面以上的介质称为地壳，以下的介质称为地幔。地壳构造复杂，厚度不均，大陆厚，海洋薄。

地幔：从莫霍面到地下2900km深处这一层称为地幔。分为上地幔和下地幔。

由地壳基底至约400km深处的B层介质叫做上地幔，B层上部存在低速层，称为软流圈，低速层上部和地壳并称岩石圈。400km-1000km间的C介质叫过渡层。软流圈和岩石圈统称构造圈。1000km-2900km为D层。下地幔比较均匀。但底部约厚200km的D''层中，速度梯度接近于零，所以该层介质不均匀。

地核：从地幔向下直至地心。2900km-4980km的E层称为外核。外核与地幔的分界面是速度间断面----古登堡面（G面）。

四．地球的演化史

原始地球被一层浓厚的气体包围，由于地球温度升高，气体的分子动能增大，地球的引力不足以吸引它们，质轻气体分子逃离地球，散逸到宇宙空间。地球幼年时代，表面没有山脉和海洋，持续约十亿年。称为第一次脱气。

地球温度升高，物质融化呈液态，在重力的作用下，密度大的铁镍物质下沉形成地核，密度小的硅酸盐物质上升成地表。由于放射性元素，地球温度越来越高，致使靠近地核的固态物质溶解为液体，地球就有了一个液态核。

地幔获得足够热量后开始产生对流。初始的海底扩张加速地内散热速度，地幔固结了，外核依然为液态。外核的对流是产生现今地磁场的原因。

地球内部的气体在高温高压下，被挤到上层有空间或是密度较小的地方，从地壳的裂隙处喷出，这就是地球的二次脱气，距今30亿年前，地球出现大规模的火山喷发，使得大量气体随火山岩浆喷出地面，形成了大气圈和水圈。

第二章放射性和地球年龄

一．放射性衰变

在自然界中，某些元素的原子核能够在不受外界条件影响下，自发地变成另外一种元素的原子核，同时发射出射线，这种现象称为放射性衰变。不依靠外力而自发衰变的元素称为天然放射性元素。

二．放射性衰变规律

每单位时间所衰变的原子数目与压力，温度等外部条件无关，只于当时存在的衰变原子的数目成正比。

半衰期：原子数衰变到原来数目的一半所需的时间。放射性衰变的时间通常为半衰期的十倍。

三．放射性平衡

在母体同位素衰变时，初始衰变产物经常也具有放射性，它们也会发生一系列衰变，最终变成稳定的元素。中间过程的每个放射性元素都有自己的衰变常数，但经过一定的时间后，这个系列会达到平衡，即各中间产物的数量保持不变。

四．主要的放射性元素

铀\钍--铅，钾----氩，铷----锶，放射性碳，氚。

地球初期情况假设

1.在地球形成初期，各种铅同位素的比值在各处都相同；

2.从某时起，地球不同区域的铀，钍，铅都各有特征的比值，这些比值只随放射性元素的衰变而改变；

3.在以后某个时期，方铅矿和其它一些不含铀，钍的铅矿分离出来，铅同位素的比值不再变化

4.铅与铀，钍分离或成矿的时间可以独立地测定。

第三章天然地震

一．地震分类

成因：构造地震，火山地震，陷落地震。

震源深度：浅源地震（《60km），中源地震(60--300km)，深源地震(>300km)。

震中距：地方震（<100km）,近震（<1000km），远震(>1000km)

地震强度：弱震，有感地震，中强震，强震

二．全球地震带的分布和它与板块构造之间的关系

全球主要地震活动带：太平洋地震带，欧亚地震带，其他地震区带

我国主要地震活动带：

天山地震带，主要是指南--北天山，阿尔泰山一带地区；

南北地震带，由滇南的元江往北经西昌，松潘，海源，银川直到内蒙古嶝口；

华北地震带，指阴山，燕山一带，营口--郯城断裂带，汾渭河谷地区；

华南地震带，主要指东南沿海和海南岛北部等地区

西藏地震带，沿青藏高原周围和边境一带

台湾地震带，包括台湾及其东部海域。从地区属于环太平洋地震带，地震出

现频繁且强度大。

板块的划分与全球地震带的地理分布是一致的。

板块边界类型：

1. 发散型板块边界；2汇聚型板块边界；3.转换型板块边界

全球地震带的地理分布主要由三类板块边界，也就是岩石圈板块沿三类板块边界的相对运动决定。海沟-岛弧地区地震；洋脊及转换断层的地震；大陆内部的地震（板内地震）

三．射线参数P的物理意义

1.同一条地震射线，P为常数；

2.不同的P对应不同的入射角，即对应不同形状的射线；

3 .P完全确定了地震射线的性质；

4.射线参数P只给出了入射角i和圆心距r的关系，没给出射线的坐标方程。

四．频散

波速随频率或波长而变化称为频散。面波成群出现，每一群表现为一列波，每列波各自的频率具有不同的传播速度，这种现象称为面波的频散现象。由于波在层状介质中传播时相互叠加的结果，具有频散特性的面波不仅有相速度，而且具有群速度。

五．地球介质的Q值

在一个吸收介质中，地震波传播一定有频散现象发生，也就是吸收和频散总是同时存在。

为了描述地震波在地球介质中能量损耗的情况，引入参数Q值。定义为在一周期中质元所损耗的能量与原有能量的比值。Q值反映了介质损耗性质，值越大，介质品质因子越高，能量损耗越小，介质越接近完全弹性。根据Q值的变化研究波的吸收，可以得到介质的非弹性性质，从而进一步了解地球内部介质的性质。

六．弹性回跳理论

地壳运动使岩石产生应变，当应力在一个长时期内不断积累，超过一定限度时，地下岩层突然破裂，形成断层，或是沿已有断层发生突然滑动，使存储在岩石中的弹性应变能突然释放，就会形成地震。无应力状态---->应力作用变形，岩石产生相对位移---->应力超过阻力，岩块滑动或破裂形成断层，断层两侧的岩块又回到新的无应力状态。

七．P波初动。

P波刚到达地表时的地动位移。

P波初动解：从地面台站记录到P波的初动分布图出发，采用点源双力偶震源力学模型反演震源运动过程，从而求出震源参数。

八．震源参数

动力学参数：断层的传播方向和传播速度

静力学参数：断层长度和宽度，地震矩，应力降

几何参数：断层面的走向，倾向和倾角，相应力偶的取向和仰角

九．震相

将震源所发出的不同振动，不同传播路径的地震波在地震图上的特定标志称为震相。

自己分析理解

十．几种地震波的对比分析

第三章重力学和固体潮

1.重力场和重力位

如果不考虑外部天体对地球的作用，地球上单位质点所受的地球的引力和惯性离心力的矢量和称为地球在该点的重力矢量，该矢量场称为地球的重力场

地球在某点的引力位和离心位的和称为地球在该点的重力位。

地球重力位相同的点在空间构成的曲面称为重力等位面。

重力等位面得性质：1.在面上移动单位质量时，重力不做功2.两个等位面之间的位差是常数。一般等位面不平行，且在同一等位面上重力不是常量。

2正常地球场模型，正常重力场和重力异常场

质量等于地球总质量，以地球自转角速度绕其极半径为轴旋转，转动惯量与地球相同的参考椭球。

这种模型在其表面和外部空间产生的重力场称为地球的正常重力场。

真实地球与正常地球场模型的密度分布不同在该点产生的重力场的差值称为地球在该点产生的重力异常场

3影响各力的因素

1 引力：地球的形状，海拔高度，地壳内部的质量分布

2. 离心力：高度，纬度

3. 固体潮：地球自转，日，地，月三者的相对位置的变化

4.影响重力测量的因素

1 观测点值大地水准面的距离

2 地形质量。

5均衡模型

计算补偿质量在地球表层的分布，从而计算出补偿质量对观测点的重力影响。

考虑与全球地形质量相对应的补偿质量对观测点重力的影响的校正称为均衡校正

6.正反问题的例子

真实地球的密度与正常场地球模型的密度差称为地球的剩余密度。地球的剩余密度是重力异常场产生的原因。根据给定的地球剩余密度计算重力异常擦汗那个，称为重力异常场的正演问题。根据地面上测出的重力异常场求出地球剩余密度的分布称为重力异常的反演问题。反演的解不唯一，因此需要地质和其他地球物理资料来限制解的范围。当反演深度大的异常体时，要考虑地球表面的弯曲。

7.固体潮及其产生原因

地球整体在太阳和月亮的起潮力的作用下发生变形，这种变形称为固体潮。

地球在月球和太阳的起潮力的作用下发生变形，地球在地心和月心以及地心和日心的这两个连线上拉伸，在与它们垂直的两个平面内压缩，地球对起潮力的这种响应称为地球的固体潮。固体潮在地球内部形成潮汐应变和潮汐应力，并使地球自转角速度发生变化等等。

引潮力是作用在地球的单位质点上的日、月引力和地球绕地月（和地日）公共质心旋转所产生的惯性离心力的合力。

作用在地球表面上任一点的起潮力矢量的垂直分量使地球在该点的重力发生变化称为地球的重力固体潮.

8 固体潮在地表产生的物理现象

1.重力固体潮

2.地倾斜固体潮

3.应变固体潮

4.井水水位固体潮

5.经纬度固体潮

6.海潮

7.地球自转角速度的变化

第四章地磁

一．地磁场的组成

地磁场是一个弱磁场，由多种不同来源的磁场叠加而成。分为来源于地球内部的稳定磁场和来源于地球外部的变化磁场。稳定磁场远大于变化磁场，是地磁场的主要部分起源于地球内部的稳定磁场称为地磁场的内源场，起源于地球外部的稳定磁场称为外源场。外源场只占内源场的1%，因此稳定场主要起源于地球内部。外源变化磁场起源于地球外部的各种电流体系。这种磁场还会在具有导电性质的地球内部感应出一个内部电流体系，它就是产生内源变化磁场的原因。

二．地磁场的基本特征

1.近似于一个均匀磁化球体或一个处于地心的磁偶极子所形成的磁场。

2.地磁场强度整体很弱，在两极处的地磁场强度最强，赤道处最弱，约为2倍关系。

三．地磁场的长期变化特征

1.地磁场强度按0.05%/a衰减

2.磁偶极子以0.05%a沿经度西移

3.磁偶极子以0.02%/a沿纬度北移

4.非偶极子场以0.2%/a沿经度西移

5非偶极子场以10nT/a量级增加

6地磁场长期变化本身以0.3%a西移

1.变化磁场的分类和产生原因

平静变化：起源于电离层中比较稳定的电流体系的周期性变化，是连续出现的各种周期性的平缓变化，并且叠加在地球基本磁场之上。分为太阳日变化(日变)，太阴日变化以及年变化。日变幅度最大

干扰变化：即磁扰。分为磁暴和地磁脉动。

磁暴和太阳活动与地磁相互作用存在密切联系。

分为三阶段：1.初相阶段，磁场强度增加。

2.主相阶段，磁场水平强度下降；3.恢复相阶段，环形电流逐渐衰减，地磁场逐渐恢复。

地磁脉动：可能是由于地表以上1000km磁层内或磁层边界等离子体不稳定性以及太阳风（太阳连续不断的向外发射的等离子体）和磁层的相互作用下，磁流波沿磁力线的共振激发引起的

短周期的地磁干扰，形态，周期和振幅各异。

第五章古地磁学

1.古地磁研究的直接对象是岩石的剩余磁性

2.岩石剩余磁性，类型及其特征

岩石的磁性一般是岩石所含的铁磁性矿物在地磁场作用下产生的。

1.岩石的原生剩磁方向与形成岩石时的地磁场方向一致，而且岩石的原生剩磁具有高度的稳定性。

2.古地磁场是轴向地心偶极场。

热剩磁TRM：1.在弱磁场中，热剩磁强度比常温下获得的剩磁强度大很多；2. 对于各向同性的火成岩，热剩磁的方向与外磁场一致，其天然剩磁方向代表岩石形成时的地磁场方向；3.弱磁场中剩磁强度正比于外磁场强度；4.部分热剩磁具有可加性；

5.火成岩中的铁磁质颗粒的弛豫时间极长。

沉积剩磁：由沉积岩中的母岩风化侵蚀而来的铁磁性碎屑颗粒，在沉积过程中其磁矩沿地磁场方向排列所获得的剩磁。1.含水量超过一半，剩磁的偏角和倾角和地磁场一致；2.沉积过程中所获得剩磁是稳定的；3.剩磁强度与外磁场成正比；4.剩磁强度远小于热剩磁，稳定性也不如热剩磁。

化学剩磁：1.弛豫时间长，稳定性高，弛豫时间随铁磁性颗粒的体积增大而加长；2.在弱磁场中，剩磁强度正比于外磁场；3在同洋的外磁场的作用下，剩磁强度为热剩磁强度的几十分之一。

黏滞剩磁：属于次生剩磁，是岩石长期置于地磁场中获得的剩磁；2地磁场方向不断变化，黏滞剩磁的方向也会变化，因此黏滞剩磁给地磁研究带来干扰，需要磁清洗，消除次生剩磁。

3.古地磁的应用

地磁学方面：

测量古地磁场强度。

研究古地磁场的长期变化

古地磁场的长期平均性质

地磁场的反转

地质学方面：大陆漂移，海底扩张，古纬度，岩石年龄，研究构造运动

第六章地电场

一．地电场的概念

研究大气，海洋和固体地球电性及电场分布的一门科学，利用电法勘探中的某些方法，来研究地球内部介质及其周围的电性和电场分布规律，电法勘探的目的在于研究地质构造和寻找能源，矿产。

地电场的分类：大地电场：平静变化，干扰变化。

自然电场：氧化还原电场，产生条件是矿体本身是良导性矿体，围岩溶液具有氧化还原作用。

过滤电场：绝大多数沉积岩吸附负离子，碳酸盐类吸附正离子。它包括裂隙电场，山地电场，上升泉电场，河流电场。

接触扩散电场：

地然电场法的目的

勘察埋藏不深的金属硫矿物和部分金属氧化矿物矿床，寻找石墨和无烟煤，确定断层的位置，以解决寻找含水破碎带，确定地下水流向等水文地质问题。

大地电磁测深法的原理

依据的原理：电磁波的趋肤效应；研究的对象：低频电磁波；计算公式：卡尼亚标量阻抗表达式；测量要素：天然变化电磁场。

由于测区地下地质条件相当复杂，介质的各向异性非常明显，这就造成了大地电磁测深曲线的畸变，畸变类型：一是地表电性不均匀或地形起伏引起的曲线畸变，称电流型畸变；二是电流沿构造走向流动，引起横向电场的畸变，称感应畸变。

第六章地热学

1.热流密度

简称热流，表示单位时间内通过地球表面单位面积流出的热量，它是地球内部热状态在地表的显示，可以在地表直接测量。地球产生变化的力量来源是能量，地球能量的来源有两种：内能和外能。地球内能是指由地球本身产生的能量，主要有来自地球旋转的旋转能、地球内部的热能和地球内部的策略能三方面。

2.地球能量的来源和释放方式

主要分为地球外能和地球内能

地球外能是指由地球外部产生的能量，主要有来自太阳的太阳辐射能和日、月的引力能。

地球内能有

①：旋转能地球自转的动能，称为地球旋转能，又称地球动力能②：热能　地球内部是一个巨大的热库，我们称为地球内部热能。地球内部热能的主要来源是由地球内部放射性元素衰变而产生的。③：地球重力能　由地心引力导致的地球物质变位，重力分异作用等所产生并积累的能量叫做地球重力能，也称地球策略能。在一定的条件下，重力能可转换为热能，也可转化为动力能。　

④：太阳辐射能太阳辐射能是地球表面最主要的能源，也是地表水和大气运动的主要动力。它能使地球表面发生风化、剥蚀而改变原来的面貌。

⑤：日、月引力能由太阳和月亮的作用力——天体引力，即日、月对地球吸引而产生的能量，我们把它叫做日、月引力能。它也是地球能量的重要来源。

河流冲蚀，搬运以及人类采矿改变区域性地壳平衡，并与之相伴产生一定的能量。

导致地球由于地球始终要受到以上各方面的影响，所以地球的能量，也就不断地产生和积累，当能量积累达到一定的程度时，就要释放出来。当然，能量的释放形式是多种多样的，而且不同方面的能量也是可以互换的。不管地球能量以何种方式释放出来，它都要产生相应的后果。而这种后果对人类及所有生命的影响是多方面的，有时它会造成巨大的破坏力，改变地球的生态面貌，有时通过地壳运动变化，形成新的矿床资源。

地球能量释放形式

当地球能量积累达到一定的程度时，就要释放出来，释放时常伴随着一定的地质现象：

（一）：地震灾害地震是地球内部能量突然释放时，局部岩石圈的破裂而产生的地质现象。（二）：火山喷发当地球体的部分区域所承受的压力达到一定程度时，地下灼烈的岩浆就会沿着地壳的薄弱地带上升，喷出地表形成火山爆发。而岩浆冷凝成岩石，就造成了对周围岩石的侵入。不管岩浆喷发或侵入，都能够使地球内部积聚的部分能量得到释放，从而形成新的平衡。岩浆作用可以给人类带来灾难，也可留下美丽壮观的火山景观，形成与岩浆、热液有关的矿产资源。

（三）：地壳运动在地球动力能的作用下，使构成地壳的岩石形态、位置发生变化的机械运动，我们称为地壳运动。在野外考察中，我们常常看到地质岩层出现弯曲、破裂或错断等现象，地质学中称为褶皱和断层。这些现象的发生，都是由于地球内部能量的释放造成的。地壳运动可分为垂直运动、水平运动及组合运动类型。运动的结果可形成高山深谷和海陆位置的变迁。例如，喜马拉雅山原来是一片海洋，它的崛起是由于构成地壳的两个巨大岩石体，相互水平挤压，其中的一个插入到另一个岩石体之下，将其抬升，成为今天的世界最高峰，至今这种挤压还在进行，同样喜马拉雅山的抬升也在继续进行着。

（四）：大地热流　大地热流也称岩石散热，是地球热能释放的主要渠道。当地球通过岩石向外释放热量时，在一定的温度和压力下，能使原来的岩石发生变质，形成新的岩石类型，如变质岩。

地球能量释放的几种主要方式通常会相互伴生，有时也会同时进行。正因为地球能量不断地释放，从而改变和破坏了地球原来的面貌，而随着地球新面貌的出现，我们也会发现和得到新的自然景观和矿床资源。