固體地球物理學導論

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1、 第 一 章 第 一 章 第 一 章 地 球 物 理 學 是 以 地 球 為 研 究 對 象 ,研 究 地 球 的 各 種 物 理 現(xiàn)象 ， 以 及 這 些 現(xiàn) 象 與 地 球 運 動 、 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 科 。 (Geophysics) 地 球 物 理 學 最 早 是 物 理 學 的 一 個 分 支 。 廣 義 上 說 ， 地 球 物理 研 究 的 領(lǐng) 域 涉 及 天 體 物 理 學 、 地 質(zhì) 構(gòu) 造 物 理 學 、 大 地 測 量 學、 海 洋 物 理 學 、 氣 象 學 、 大 氣 物 理 學 、 空 間

2、 物 理 學 等 。 狹 義 上說 ， 地 球 物 理 學 指 的 是 固 體 地 球 物 理 學 ， 即 以 研 究 地 球 的 各 種物 理 特 征 與 與 地 球 運 動 、 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 科 。 地 球 物 理 學 是 地 球 科 學 的 重 要 組 成 部 分 ， 地 球 物 理 學 、 地 質(zhì) 學 和 地 球 化 學 被 稱 為 地 球 科 學 的 三 大 支 柱 。 第 一 章 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 場

3、的 分 布 和 變 化 、 地 磁 場 的 起 源 、 地 磁 場 的 演 變 ， 等 等 地 震 發(fā) 生 機 制 與 震 源 分 布 、 地 震 波 類 型 與 傳 播 、 地 震 預 報 ， 等 等 地 溫 場 的 分 布 和 變 化 、 地 熱 源 及 其 分 布 ， 地 熱 的 傳 播 ， 等 等 地 球 電 磁 感 應 特 征 和 變 化 、 地 電 結(jié) 構(gòu) ， 等 等 第 一 章 地 球 物 理 學 是 天 文 學 、 物 理 、 化 學 、 地 質(zhì) 學 之 間 的 邊 緣 學科 ， 是 一 個 涉 及 多 學 科 的 、 與 其 它 學 科 相 互 交 叉 、 相 互 滲 透 的

4、學 科 。 數(shù) 學 、 物 理 學 、 地 質(zhì) 學 是 研 究 地 球 物 理 學 三 大 基 礎(chǔ) 。 現(xiàn) 代 儀 器 技 術(shù) 、 信 息 科 學 、 運 載 工 具 技 術(shù) 的 發(fā) 展 ， 是 推 動其 發(fā) 展 的 關(guān) 鍵 技 術(shù) 。 地 球 物 理 學 已 經(jīng) 成 為 人 類 社 會 發(fā) 展 的 不 可 缺 少 的 科 學 。 應 用 地 球 物 理 資 源 勘 察 、 災 害 調(diào) 查 、 環(huán) 境 監(jiān) 測 、 工 程 檢 測 、 軍 事 戰(zhàn) 略 第 一 章 地 球 物 理 學 從 19世 紀 末 到 20本 世 紀 初 已 形 成 體 系 ， 但 對 地 球 物 理 現(xiàn) 象的 觀 察 和

5、探 討 ， 從 遠 古 就 開 始 了 。 公 元 前 六 世 紀 ， 希 臘 人 從 亞 那 薩 哥 拉 時 代 已 把 大 地 看 成 球 體 ； 公 元 前三 世 紀 ， 古 希 臘 的 學 者 亞 里 士 多 德 曾 提 出 ： 運 動 物 體 的 下 落 時 間 與 其 重 量成 比 例 ； 戰(zhàn) 國 時 期 ， 我 國 發(fā) 明 了 指 南 針 ， 并 開 始 應 用 于 指 引 方 向 ； 公 元 三世 紀 我 國 東 漢 的 地 震 學 家 張 衡 成 功 地 進 行 了 地 震 觀 測 ； 公 元 八 世 紀 ， 我 國唐 代 的 天 文 學 家 張 遂 (僧 一 行 )獨 立

6、得 出 地 球 圓 周 長 ， 其 誤 差 約 小 于 20 ； 公 元 16世 紀 以 來 ， 作 為 物 理 學 中 熱 門 ， 地 球 物 理 學 得 到 較 快 的 發(fā) 展 。伽 利 略 從 大 量 的 實 驗 中 總 結(jié) 出 ： 物 體 墜 落 的 路 徑 與 它 經(jīng) 歷 的 時 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 行 天 文 觀 測 時 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

7、 大 地 震 學 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 發(fā) 現(xiàn) 了 地 殼 與 地 幔 的 分 界 面 莫 霍 (Moho)界 斷 面 ； 第 一 章 大 地 測 量 學 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 和 規(guī) 劃 ， 地 磁 學 的 研 究 ， 使 人 類 了 解 了 地 磁 場 ， 并 用 于 導 航 ， 地 熱 學 的 研 究 ， 使 人 類 了 解 如 何 直 接 利 用 能 源 ， . 地 震 學 的 研 究 , 開 始 “ 預

8、 報 ” 地 震 災 害 ， . 基 于 地 球 物 理 學 理 論 的 探 測 技 術(shù) ， 為 人 類 創(chuàng) 造 財 富 ，為 人 類 “ 排 憂 解 難 ” ， . 第 一 章 最 初 ， 地 球 物 理 學 研 究 就 是 從 對 地 球 的 觀 測 開 始 的 ， 所 以地 球 物 理 學 研 究 是 建 立 在 對 地 球 充 分 地 觀 測 基 礎(chǔ) 進 行 的 。 地 球 物 理 學 研 究 方 法 可 分 為 以 下 幾 個 方 面 ： 觀 測 方 法 研 究 數(shù) 據(jù) 分 析 與 處 理 方 法 研 究 模 擬 真 實 對 象 的 理 論 模 型 計 算 與 實 驗 推 測 真 實

9、 對 象 反 演 計 算 第 一 章 閱 讀 參 考 書 籍 聽 、 記 、 問 掌 握 基 本 概 念 領(lǐng) 會 分 析 問 題 和 解 決 問 題 的 方 法 了 解 數(shù) 學 方 法 的 應 用 第 二 章 第 二 章 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） 、 地 球 （ Earth） 、 火 星 （ Mars） 、 木 星 （ Jupiter） 、 土 星 （ Saturn） 、 天 王 星 (Uranus)、 海 王 星 (Neptune)、 冥 王 星

10、(Pluto) 小 行 星 太 陽 系 約 有 30000多 個 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 二 章 第 二 章月 球 彗 星小 行 星 木 星 的 衛(wèi) 星 第 二 章 Distance(AU) Radius(Earths) Mass(Earths) Rotation(Earths) # Moons OrbitalInclination OrbitalEccentricity Obliquity Density(g/cm3) Sun 0 109 332,800 25.36* 9 - - - 1

11、.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 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

12、 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 第 二 章 軌 道 的 規(guī) 律 性l共 面 性 ： 行 星 軌 道 平 面 幾 乎 平 行 ， 且 與 太 陽 赤 道 面 平 行 。l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

13、 逆 時 針 方 向 。l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 r n = 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。 第 二 章 第 二 章 第 二 章 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

14、天 ，火 星 只 需 1.03天 ； 巨 行 星 和 遠 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 0.015%。若 將 行 星 分 為 三 類 ， 即 類 地 星 （ 水 星 、 金 星 、 地 球 、 火 星 ） 、 巨 行

15、星 （木 星 、 土 星 ） 和 遠 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 日 星 密 度 分 布 ： 類 地 星 巨 行 星 遠 日 星 第 二 章 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 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

16、 在 其 他 時候 要 用 日 冕 儀 才 可 觀 測 到 。 日 冕 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 二 章 太 陽 黑 子 圖 片 太 陽 黑 子 圖 片 第 二 章 水 星 及 其 表 面 圖 片 水 星 及 其 表 面 圖 片 第 二 章 金 星 圖 片 金 星 圖 片 第 二 章 地 球 的 衛(wèi) 星 攝 影 圖 片 地 球 的 衛(wèi) 星 攝 影 圖 片 第 二 章 地 球 與 月 球地 球 與 月 球 第 二 章 航 天 飛 機 攝 影 圖 片 “ 非 洲 角 ” 航 天 飛 機 攝 影 圖 片 “ 非 洲 角 ” 第 二 章 火

17、星圖片火 星 圖 片 第 二 章 木 星 圖 片木 星 圖 片 第 二 章 土 星 圖 片 土 星 圖 片 第 二 章天 王 星 圖 片 天 王 星 圖 片 第 二 章 海 王 星 圖 片海 王 星 圖 片 第 二 章 冥 王 星 圖 片 冥 王 星 圖 片 第 二 章 隕 石 圖 片隕 石 圖 片 第 二 章 星 云 圖 片 星 云 圖 片 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 變 說 ” 、 “

18、俘 獲 說 ” 、 “ 原 始 星 云說 ” 和 “ 次 生 星 云 說 ” 。 災 變 說 災 變 說 認 為 ， 太 陽 是 先 形 成 的 ， 由 于 某 個 事 件 ， 如 一 個 恒 星 與 太 陽 相撞 或 距 離 很 近 時 ， 從 太 陽 中 “ 拉 出 ” 一 部 分 物 質(zhì) ， 并 賦 予 巨 大 的 轉(zhuǎn) 動 角 動量 ， 這 些 物 質(zhì) 后 來 逐 漸 形 成 了 行 星 及 其 衛(wèi) 星 。 俘 獲 說 （ 隕 石 說 ） 俘 獲 說 也 是 認 為 太 陽 是 先 形 成 的 ， 但 與 災 變 說 不 同 的 是 ， 它 認 為 原 始行 星 物 質(zhì) 是 來 自 其

19、它 星 際 ， 被 太 陽 的 引 力 俘 獲 而 來 的 ， 如 隕 石 。 第 二 章 原 始 星 云 說 原 始 星 云 說 屬 于 漸 變 說 ” 范 疇 。 這 種 學 說 認 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 為 形 成 太 陽 系 的 物 質(zhì) 基 礎(chǔ) 是

20、 星 云 ， 即 大 團 的 旋 轉(zhuǎn) 著 的 氣 體 和 塵埃 ， 形 成 太 陽 系 的 動 力 是 自 引 力 ， 即 星 云 各 部 分 的 相 互 吸 引 的 引 力 。 康 德認 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 開 始 把 周 圍 較 小 的 和 比 較 不 密 的 質(zhì) 點 吸 引 過 去 ， 以 后 較 小 的物 質(zhì) 凝 團 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

21、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 ” 。 第 二 章 在 20世 紀 中 葉 出 現(xiàn) 的 各 種 星 云 說 中 ， 霍 伊 爾 (F

22、Hoyle)的 學 說 較 有 代表 性 。 霍 氏 認 為 ， 太 附 系 開 始 時 是 一 團 凝 縮 的 星 云 ， 溫 度 不 高 ， 轉(zhuǎn) 動 角 速度 因 逐 漸 收 縮 而 加 快 。 當 初 始 的 太 陽 星 云 收 縮 到 現(xiàn) 今 水 星 軌 道 之 內(nèi) 不 遠 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 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 ，

23、 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 量 轉(zhuǎn) 移 給 圓 盤 ， 因 而 由 圓 盤 形 成的 行 星 具 有 較 大 的 角 動 量 。 在 原 始 太 陽 從 50倍 太 陽 半 徑 收 縮 到 1倍 太 陽 半 徑的 過 程 中 ， 表 面 溫 度 保 持 為 3500度 左 右

24、， 在 地 球 軌 道 附 近 地 區(qū) ， 沸 點 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 低 的 物 質(zhì) 可 以 保 留 ， 因而 使 得 土 星 、 木 星 的 化 學 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

25、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) 。 (續(xù) ） 第 二 章 第 二 章 1 3 24 第 二 章 第 二 章2.2 地 球 的 轉(zhuǎn) 動 與 軌 跡 在 廣 闊 的 宇 宙 空 間 中 ， 地 球 做 為 一 個 行 星 在 不 停 地 運 動 。 它 不 僅 繞 著一 條 軸 線 自 四 向 東 自 轉(zhuǎn) ， 同 時 也 沿 著 近 似 圓 形 的 軌 道 繞 著 太 陽 轉(zhuǎn) 動 。 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

26、 楚 的 原 因 ，故 地 球 的 轉(zhuǎn) 動 速 度 是 不 均 勻 的 。 研 究 地 球 的 轉(zhuǎn) 動 實 際 上 就 是 研 究 地 球 轉(zhuǎn) 動的 不 均 勻 性 。 地 球 旋 轉(zhuǎn) 軸 叫 地 軸 。 地 軸 同 地 球 表 面 的 交 點 就 是 南 北 極 。 地 軸 的 無 限延 長 就 是 天 軸 。 如 果 以 地 心 為 球 心 ， 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 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

27、球 公 轉(zhuǎn) 軌 道 叫 白 道 。 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 動 中 最 顯 著 的 運 動 ， 這 是 一 個 天 文學 問 題 ， 也 是 一 個 地 球 物 理 學 問 題 。 在 天 文 學 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 量 主 要 分 配 于 地 球 繞 太 陽 公 轉(zhuǎn) 、地 一 月 轉(zhuǎn) 動 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 上

28、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 ， 太 陽 日 和 太 陰 日 則 是 分 別 以 太 陽和 月 亮 為 參 考 點 計 算 的 一 天 的 長 度 。 如 果 把 地 球 中 心 和 一 個 遙 遠 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 間 ， 叫 恒 星 日 ， 如 果 這 一 直 線 是 連 結(jié) 地 球 中 心 和 太 陽 中 心 ，

29、那 么 ， 這 一 段 時 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 間 就 是 太 陰 日 。 第 二 章 恒 星 日 是 地 球 自 轉(zhuǎn) 的 真 正 周 期。 因 為 恒 星 的 位 置 在 天 球 上 是 固 定的 。 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 為太 陽 和 月 球 相 對 地 球 是 運 動 著 的 。由 于 太 陽 在 天 球 上 的 運 動 是 地 球 繞日 公 轉(zhuǎn) 的 反 映 。 月 球 在 天 球 上 的 運動 是 月 球

30、繞 地 公 轉(zhuǎn) 的 反 映 。 如 果 用 24時 00分 表 示 一 個 恒 星日 的 長 度 ， 那 么 太 陽 日 的 長 度 就 是24時 04分 ， 太 陰 日 的 長 度 是 24時 54 分 。 （ 續(xù) ） 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 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 算 ， 這 個 共 同 的 質(zhì) 心 距 太 陽 的 質(zhì) 心 僅 450km。

31、因 此 ， 可 以 把 地球 公 轉(zhuǎn) 說 成 地 球 繞 太 陽 的 運 動 。 地 球 公 轉(zhuǎn) 軌 道 是 一 個 橢 圓 ， 其 半 長 軸a=149.6 106km,半 短 軸 b=149.579 106km， 半 焦 距 c=2.5 106km非 常 接 近正 圓 。 由 于 太 陽 位 于 地 球 公 轉(zhuǎn) 軌 道 的 一 個 焦 點 上 ， 因 此 地 日 距 離 的 變 化 以 一年 為 周 期 。 十 分 明 顯 ， 參 考 點 不 同 ， 一 年 的 長 度 也 不 一 樣 。 若 把 太 陽 中 心和 一 個 位 于 地 球 公 轉(zhuǎn) 軌 道 平 面 的 恒 星 連 成 一 直

32、 線 ， 那 么 ， 地 球 兩 度 經(jīng) 過 這一 直 線 的 時 間 就 是 一 恒 星 年 。 恒 星 年 是 地 球 公 轉(zhuǎn) 的 真 正 周 期 。 第 二 章 除 恒 星 年 以 外 ， 在 天 文 學 上 還 有 回 歸 年 、 近 點 年 和 食 年 等 不 同 的 定 義 。如 以 春 分 點 ， 近 日 點 和 黃 白 交 點 (黃 道 和 白 道 在 天 球 上 的 交 點 )為 參 考 點 ，即 得 回 歸 年 、 近 點 年 和 食 年 。 由 于 春 分 點 ， 近 點 和 黃 白 交 點 在 天 球 上 不 是固 定 的 ， 因 此 ， 以 這 些 點 為 參 考 點

33、 所 測 得 的 年 也 不 是 地 球 公 轉(zhuǎn) 的 真 正 周 期 。據(jù) 測 定 恒 星 年 : 365日 6時 9分 10秒 ； 回 歸 年 : 365日 5時 48分 46秒 ； 近 點 年 : 365日 6時 12分 53秒 ； 食 年 : 346日 14時 52分 53秒 。（ 續(xù) ） 第 二 章 近日點遠日點 第 二 章2.2.2 地 軸 的 進 動 與 章 動 地 軸 的 進 動 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 而 在 地 球 赤 道 平 面 這 邊

34、， 時 而 又 在 赤 道 平 面 那 邊出 現(xiàn) ， 這 種 對 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 動 ， 即 所 謂 進 動 。 由 于 地 球 自 轉(zhuǎn) 的 方 向 是 由 西 向 東 ， 因 此 地 軸 的 進 動 的 方 向 是 由 東 向 西。 地 軸 進 動 的 速 度 是 每 年 50.26“ ， 故 地 軸 旋 進 的 周 期 為 (36060 60 /5.26” ) 25786(年 )。 這 是 一 種 極 為 緩 慢 的 運 動 。 由 于 地 軸 在 不 斷 進

35、動 ，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 指 向 織 女 星 。 由 于 地 軸 在 不 斷 進 動 ， 因 而 赤 道 平 面 的 位 置 也 會 相 應 地 發(fā) 生 變 化 。 其結(jié) 果 將 導 致 春 分 、 秋 分 、 夏 至 和 冬 至 四 個 點 的 改 變 ， 它 們 在 黃 道 上 也 以 每年 50.26“ 的 速 度 向 西 進 動 著 。 第 二 章 第 二 章 地 軸 的 章 動 研 究 表 明 ， 地 軸 這 種 象 陀 螺 一 樣 以 25786年 為

36、周 期 的 旋 進 運 動 (或 稱 歲差 )的 主 要 原 因 是 月 球 對 地 球 赤 道 隆 起 部 分 所 施 加 的 吸 引 力 。 但 實 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 雜 。 由 于 這 個 緣 故 ，在 地 軸 長 期 的 旋 進 過 程 中 ， 又 在 它 原 有 位 置 上 附 加 了 一 個 短 周 期 的 擺 動 ，這 個 擺 動 叫 做 章 動 。 章 動 的 周

37、 期 為 18.6年 ,也 就 是 說 ， 地 軸 的 進 動 不 是 一 個簡 單 的 錐 面 ， 地 軸 沿 錐 面 里 外 擺 動 ， 使 錐 面 帶 上 一 個 “ 荷 花 ” 式 的 花 邊 ，其 擺 動 的 振 幅 最 大 只 不 過 9.206。 第 二 章 地 軸 進 動 軌 跡地 軸 進 動 章 動合 成 軌 跡 地 軸黃 軸 第 二 章 2.2.3 地 球 的 平 動 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

38、 速 度 向 織 女 星 方 向 奔馳 。 地 球 隨 整 個 太 陽 系 在 宇 宙 太 空 個 不 停 地 向 前 運 動 ， 即 所 謂 平 動 。 從 相 對 論 的 觀 點 來 看 ,地 球 在 宇 宙 太 空 中 的 運 動 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 一 周 大 約 2億 5千 萬 年 。 而 銀 河 系 本 身 又 正 以 每秒 600km的 速 度 向 長 蛇 星 座 運 動 。 第 二 章2

39、.3 地 球 內(nèi) 部 圈 層 結(jié) 構(gòu) 多 年 來 對 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 大 的 圈 層 ， 這 些 層 圈 之 間 都 存 在 一 個 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 第 二 章 第 二 章 第 二 章 第 二 章 (1)殼 幔 邊 界 在 地 殼 下 面 30-60km深

40、 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 界 面 是 南 斯 拉 大 地 震 學 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 發(fā) 現(xiàn) 的 ，因 此 ， 這 個 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 家 布 倫 (Bullen)對 地 幔 做 了 進 一 步 地 分層 的 研 究 ，

41、認 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 二 章 （ 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 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

42、面 。 (4)內(nèi) 外 核 邊 界 從 2900km以 下 進 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 家 萊 曼 (Lehmann)女 士 在 1936年 首 先 發(fā) 現(xiàn) 的 ， 并 記 為 L 面 。 第 二 章 （ 續(xù) 二 ） 上 述 地 球 分 層 ， 即 主

43、 要 簡 單 的 劃 分 ， 從 本 世 紀 開 始 至 50年 代 已 大 體 確定 ， 而 且 習 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間 斷 面 ， G(內(nèi) 核 )。 最 近 30年 來 ， 對 地 球 結(jié) 構(gòu) 的 認 識 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

44、 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 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 二 章 第 二 章2.4 地 球 內(nèi) 部 物 質(zhì) 組 成 目 前 ， 許 多 學 者 都 是 借 助 于 宇 宙 的 豐 度 和 已 知 的 觀 測 事 實 ， 以 及 地球 物 理 資 料 來 構(gòu) 筑 地 球 物 質(zhì) 模

45、 型 ， 主 要 考 慮 以 下 四 個 方 面 ： 地 球 作 為 宇 宙 天 體 的 一 個 成 員 并 由 宇 宙 物 質(zhì) 演 化 而 來 ， 地 球 的 元素 豐 度 應 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 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

46、合 地 球 內(nèi) 部 溫 度 、 壓 力 分 布 的 狀 況 。 第 二 章 2.4.1 地 殼 物 質(zhì) 組 成 根 據(jù) 礦 物 學 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 2.7-2.8g/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 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

47、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 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 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 分

48、 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 相 位 間 斷 面 (玄 武 一 榴 輝 巖 )轉(zhuǎn) 變 為 化 學 間 斷 面 (玄 武 一 橄 欖 巖 ) 。 第 二 章 2.4.2 地 幔 物 質(zhì) 組 成 地 幔 的 最 上 部 也 由 堅 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 帶 的 少 量 地 幔 巖 石 （

49、可 給 地 球 科 學 家 提 供 最 深 達 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 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 二 章 （ 續(xù) 一 ） (1)上 地 幔 根 據(jù) 地 球 物 理 資 料

50、和 高 溫 高 壓 實 驗 結(jié) 果 ， 巖 石 圈 地 幔 的 硅 酸 鹽 礦 物應 為 橄 欖 石 ， 大 洋 下 已 觀 測 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 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 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 將 被 忽 略 ， 導 致 波

51、 速 隨 深度 增 加 面 減 小 。 較 多 學 者 用 部 分 熔 融 或 斷 層 來 解 釋 低 速 帶 的 成 因 ， 認 為它 可 能 是 大 部 分 拉 斑 玄 武 巖 聚 集 區(qū) ， 對 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 二 章 （ 續(xù) 二 ） (2)過 渡 層 地 幔 中 在 400km和 67

52、0km深 處 存 在 兩 個 不 連 續(xù) 面 ， 其 間 稱 為 地 幔 過 渡 層。 在 400km深 度 的 溫 度 和 壓 力 條 件 下 ， 斜 方 晶 系 的 橄 欖 石 變 成 等 軸 晶 系 的 尖晶 石 ， 密 度 增 加 約 60 。 至 600km處 ， 尖 晶 石 分 解 成 更 重 的 氧 化 物 ， 如 方 鎂石 (MgO)、 方 鐵 礦 (FeO)和 斯 石 英 (一 種 比 重 達 到 4.28的 高 密 石 英 )。 (3)下 地 幔 下 地 幔 中 物 質(zhì) 結(jié) 構(gòu) 不 再 變 化 ， 地 震 波 速 度 的 平 緩 增 加 也 可 用 物 質(zhì) 結(jié) 構(gòu)已 經(jīng) 壓

53、 縮 成 較 致 密 來 解 釋 。 硅 酸 鹽 礦 物 已 轉(zhuǎn) 變 成 氧 化 物 或 具 鈣 鈦 礦 結(jié) 構(gòu) 的硅 酸 鹽 ， 隨 深 度 增 大 唯 一 的 成 分 變 化 表 現(xiàn) 為 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 雖 較 低 ， 但 它 們 可 能 有 一 些 富 集 區(qū) 。 下 地 幔 底 部 200km范 圍 內(nèi) 物 質(zhì) 較 上 覆 地 幔 致 密 ， 由 于 高 熱 梯 度 導 致 其 內(nèi) 物 質(zhì) 小 規(guī) 模

54、頻 繁 對 流， 而 且 該 區(qū) Ca,Al,Ti較 上 覆 部 分 富 集 。 第 二 章 2.4.3 地 核 物 質(zhì) 組 成 根 據(jù) 推 測 ， 地 核 中 的 主 要 的 元 素 成 分 是 Fe和 Ni， 所 以 地 核 常 被 稱 為 鐵鎳 核 ， 但 純 鐵 鎳 核 與 地 核 已 知 的 地 球 物 理 資 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 較 輕 的 元 素 。 目 前 一 般 推 斷 外 地 核可 能 由 液 態(tài) 鐵 組 成 ， 其 中 鎳 含 量 可 能 達 10 ， 并 有 大 約 5 -

55、15 較 輕 的 元素 ， 如 硅 、 氧 、 鉀 、 氫 等 。 內(nèi) 地 核 應 為 剛 性 很 高 的 ， 在 極 高 壓 下 結(jié) 晶 的 固體 鐵 鎳 合 金 組 成 。 因 地 核 尺 度 太 小 ， 很 難 精 確 測 定 其 密 度 值 ， 對 地 核 成 分的 確 定 僅 依 據(jù) 波 速 簡 單 地 將 內(nèi) 核 看 成 是 外 核 的 凝 結(jié) 變 相 體 。 由 于 內(nèi) 外 核 之間 (47715150km)是 一 個 溫 度 梯 度 很 高 的 厚 近 380km熱 邊 界 層 ， 既 可 引 起 鐵在 邊 界 聚 集 ， 又 使 輕 質(zhì) 元 素 難 以 在 內(nèi) 核 中 穩(wěn) 定

56、 ， 這 樣 的 熱 邊 界 也 可 能 是 化 學 邊 界 。 對 地 核 物 質(zhì) 狀 態(tài) 的 認 識 還 存 在 不 確 定 性 ， 地 核 可 能 處 于 近 乎 化 學均 一 的 絕 熱 狀 態(tài) 和 近 似 化 學 分 層 狀 態(tài) 之 間 的 過 渡 狀 態(tài) 。 第 二 章 太 陽 系 的 成 員 (太 陽 、 大 行 星 、 小 行 星 、 行 星 的 衛(wèi) 星 、 彗 星 )軌 道 的 規(guī) 律 性 (共 面 性 、 同 向 性 、 共 圓 性 )質(zhì) 量 與 密 度 分 布 特 征太 陽 系 天 體 的 自 轉(zhuǎn) （ 行 星 的 自 轉(zhuǎn) 、 太 陽 自 轉(zhuǎn) ）基 本 參 照 （ 天 軸

57、、 天 球 、 天 極 、 天 赤 道 、 黃 道 、 黃 極 ）地 球 自 轉(zhuǎn) （ 周 期 、 恒 星 日 、 太 陽 日 與 太 陰 日 ）地 球 公 轉(zhuǎn) （ 周 期 、 恒 星 年 、 春 分 點 、 秋 分 點 、 夏 至 點 、 冬 至 點 、 南 北 回 歸 線 ）地 軸 進 動 、 章 動 與 地 球 平 動 第 二 章 （ 續(xù) ）地 殼 、 上 地 幔 、 過 渡 帶 、 下 地 幔 、 外 核 、 內(nèi) 核地 殼 硅 鋁 質(zhì) 、 鎂 鐵 質(zhì) 巖 石上 地 幔 固 相 超 鐵 鎂 質(zhì) 和 鐵 鎂 質(zhì) 巖 石 ， 堿 性 玄 武 巖 巖 漿過 渡 帶 高 密 度 橄 欖 石 和 氧 化 物下 地 幔 高 密 度 橄 欖 石 和 氧 化 物 ， 氧 化 鐵 含 量 小 幅 度 增 高外 地 核 由 液 態(tài) 鐵 組 成 ， 其 中 鎳 含 量 可 能 達 10 ， 并 有 少 量 較 輕的 元 素 內(nèi) 地 核 結(jié) 晶 的 固 體 鐵 鎳 合 金 組 成 待 續(xù)