1、第三章 地球的现状3.1 地球的形状、大小和基本性质n由于自转所形成的离心力和万有引力的共同作用，地球是一个两极半径比赤道半径略小的（21km）旋转椭球体。实际的测量表明，地球不仅是两极被压扁，而且沿赤道也有某种程度的差别，最大赤道半径和最小赤道半径差达213m，因此地球是一个三轴椭球体。由于地球自身的章动，南极半径比北极半径略小，因此地球的形态呈鸭梨状。3.1.1 地球的形状n实际上地球表面形态是非常复杂的，与地球表面形态最接近的是地球体，其表面与重力方向处处垂直。在大洋水域，地球体的表面与完全静止状态的大洋表面一致，如果把这一表面向大陆方向延伸，最终形成一个封闭的球体，即构成了地球体。n地
2、球体是与大洋水面相一致的重力位表面。地球体形态把去掉海水的地形高差扩大5倍后的地球表面形态，与地球体有较大的差别。北极南极赤道赤道半径 极半径 极扁度率表面积体积质量6378.245km6356.863km1/298.255.1108km21.0831012km35.9761027g地球形态基本参数高程048-4-820406080面积百分比累计大陆平均高度大洋平均深度km地球表面各高程分布0.86km3.90km 3.1.2 密度和压力n根据万有引力定律和重力资料计算，地球的平均密度为5.52g/cm3。地壳的平均密度为 2.8g/cm3，这个数值比地球的平均密度小，因此可以推断地球内部的密
3、度应有明显的增加，根据重力与地震资料可以算出地球内部压力随深度的变化：深度（km）101004001000290050006370压力（Mpa）11023.11031.41043.51041.41053.11053.6105深度（km）密度（g/cm3）地球内部的密度分布地球内部重力加速度随深度的变化加速度（m/s2）深度（km）3.1.3 大地热流与地热梯度n由于地球内部蕴涵有巨大的能量，这些能量在正常情况下通过大地热流的形式向地表释放，热流的度量单位习惯上用每秒每平方厘米微卡表示（cal/cm2s）。n对大地热流的研究表明，地球表面不同地区的热流值有很大的差异，其热流值大小和该区的地壳活动
4、性有关。资料显示，在大陆最稳定的地区（克拉通），热流值一般在0.91.2 cal/cm2s，局部地区可高达1.4 cal/cm2s或低至0.6 cal/cm2s。造山带通常有较高的热流值，有些地区可达24 cal/cm2s。广阔的大洋盆地热流值与大陆稳定区相近，平均为1.1 cal/cm2s，大洋中脊则有较高的热流值，一般为2 cal/cm2s，最高可达8 cal/cm2s。n全球平均热流值约为1.5 cal/cm2s。美国黄石国家公园热泉黄石公园的热喷泉老信徒n通过钻井和矿井资料获知，地球内部的温度随着深度的增加而增大，在单位深度内温度的增加量称为地热梯度。世界的不同地区，地热梯度有很大的不
5、同，大陆中地热梯度最大的在美国的俄勒冈州，地热梯度为150C/km，最小的则在南非，地热梯度仅为6C/km，大多数地区的地热梯度值在2050C/km的范围之间变化。应该指出的是，这一地热梯度变化值可能只适应于上地壳，如果按30C/km的地热梯度算，在地表以下100km的深度位置上的温度应该大约为3000 C，但从这一深度上升的岩浆，温度大约只在11001200 C左右。超过这一温度，在该深度下的岩石将熔融成岩浆，使地震横波无法通过，这与观测结果显然是不相符的。n地球内部较深处的温度主要是根据一些间接的资料来估计的，在地幔、地核深处，用来计算温度的热流值、岩石热导率、地热梯度等参数都是很难得到的
6、，甚至连岩石的准确成分都不很清楚。可以推测的是，地球内部的地热梯度大大减小，但温度还是随着深度的增加而增加，地幔的温度在10003700 C之间，外核的温度在37004300 C之间，内核的温度约为5000 C。3.1.4 地球的磁场n地球就像一块巨大的磁铁，周围环绕着磁力线，构成了地球的一个保护圈。地磁场是一个偶极场，现代地磁极位于地理极附近，但并不重合。n磁偏角 由于地壳表面岩石所含磁性矿物及其极化方向的不一致，以及磁北极与地理北极不重合，导致了磁偏角的产生。磁偏角是以当地罗盘磁针方向（即当地磁力线方向）与地理经度线的夹角定义的，罗盘磁针既可以向东，也可以向西偏转。n磁倾角 当地磁力线与水
7、平面之间的夹角称为磁倾角。磁倾角最大的两极地区。n地球磁场产生的原因一般认为：在地球自转过程中，由于液态外核产生了复杂的对流，产生了电流体系，从而导致了磁场产生。n地球磁场的存在大大减少了太阳辐射对地球的影响，极光的形成是太阳风从地球磁场两极薄弱处进入地球所产生的景观。n地球磁场会对居里面之上的地壳上层岩石产生影响，使岩石获得磁性。并使岩石的磁化方向与岩石形成时的地磁场方向一致。n通过对岩石剩余磁化及岩石形成历史的研究发现，地球的磁场曾经不止一次的发生重大的改变，甚至是南极变成了北极，北极变成了南极，也就是发生了地磁场的反转。3.1.5 地震波的传递和地球的波速结构n纵波 振动方向与传播方向一
8、致。n横波 振动方向与传播方向垂直。n面波 沿介质界面传播的地震波。地震波在地球内部的传递地 球 的 波 速 结 构n地壳、地幔、地核构成了地球的内圈，内圈的划分主要依据地震波在地球内部传播的变化来确定的。低速带岩石圈S波P波下地幔液态外核固态内核上地幔3.1.6 地球的圈层构造n外圈 大气圈 水圈 生物圈n内圈 地壳 地幔 地核大气圈n大气圈 厚度在几万km以上，压力每上升20km减小10倍。温度变化与大气热源有关。n对流层 从地面起在赤道到17km高度，两极到9 km高度。气温来源于地面的辐射，温度随高度增加而降低，可降至赤道-53C，两极-83 C 。n平流层 从对流层底部至50km高度
9、。温度随高度的增加上升至0 C以上，主要原因是因为臭氧吸收了紫外线辐射。大 气 环 流 图水 圈n水圈是地球表层的水体，大部分汇聚在海洋中，还有一部分分布在陆地上的河流、湖泊、冰川和土壤、岩石的孔隙中，另有极小部分分布在大气圈和生物圈中。由于海洋水具有很高的盐度，很难被人类所开发利用，人类所能利用的水资源只占总水体体积不到3的比例。生命离不开水，这是众所周知的真理，我们应该象珍惜自己的生命一样珍惜每一滴水。地球水圈水的分布单位：106km3水的循环系统生物圈n生物圈 大气圈10km高空，地壳中3km的深处都有生物存在。n可以在-250180C，8000个大气压下存活。主要分布在阳光、空气、水分
10、和有机质充足的地表和浅海附近。n地球上生命的存在至少有30多亿年的历史，但直到5.5亿年前的寒武纪，地球上的生物才有了突飞猛进的发展。n地球上的生物在漫长的演化过程中已经形成了相互依存的关系，即生物链。人类只不过是生物链中的一个环节，破坏了生物链的正常运转，造成的恶果也只能是人类自己去吞食。生长在大洋深处的水螅生长在海底的发光生物地 壳n莫霍面 地球内部的一级地震界面，由南斯拉夫地震学家莫霍洛维奇提出，在大陆地区位于地表以下30-75km处；在大洋地区位于5-12km处。是地壳和地幔的分界面。n康拉德面 地壳中的一个地震界面，通常作为上下地壳的界面，康拉德面并非全球连续。n上地壳的主要物质成分
11、是以硅铝质矿物组成的岩石，其密度大约为2.5g/cm3，也叫花岗岩层。n下地壳的主要物质成分是镁铁质矿物组成的岩石，其密度大约为3.0g/cm3，也叫玄武岩层。这种观点目前正受到严峻的挑战，来自俄罗斯科拉半岛超深钻的资料表明，康拉德面以下的岩石仍然是硅铝质的片麻岩或麻粒岩，这个结果正在改变地质学家对地壳的传统认识。地 壳 均 衡 原 理 示 意 图 研究表明，地壳的厚度在大陆的造山带地区最厚，在大洋地区最薄，青藏高原的地壳厚度达到78km，而在大洋的一些地区甚至不到5km。这一现象可以用阿基米德原理加以解释，地壳在地幔之上如同漂浮在水面的木块，在地幔的某一深度面上，上覆岩石对地幔的压力处处相等
12、，处于一种均衡状态，地质学家称之为：地壳均衡原理。地 幔n古登堡面 位于地表以下2900km处一级地震界面。n上地幔的上部密度大约为3.33.4g/cm3，其物质成分一般认为是由橄榄石、辉石和石榴子石按不同的比例组成的。n下地幔的物质成分与上地幔基本相似，所不同的是物质发生了化学键的转变，由离子键转变成共价键时，物质的密度可以提高18。在2900km深处的地幔底部，其密度达到5.65.7g/cm3。地 核n地 核 也 可 以 分 为 上 下 两 个 部 分 ， 在 深 度4980km以上的部分称为外核，以下部分称为内核, 由于S波不能在外核中传播，所以外核应该是液态的。n外核的密度由地幔的底部
13、的5.65.7 g/cm3，急剧跳跃到9.7 g/cm3，然后逐渐增加到11.5 g/cm3，推测地球外核由氧化铁组成，在巨大的压力下它不仅是熔体，而且相变为密度更大的金属相。n内核物质的密度最大，大约是12.513g/cm3，主要由铁和镍组成，也可能有其它元素存在。岩石圈和软流圈n板块构造学说建立的过程中，地质学家对地球的圈层结构有了一些新的认识，在大约200km深度的位置上有一个S波的低速层，科学家们因此推测该层物质的塑性程度较高，在动力的作用下可以发生缓慢的流动，并称之为软流圈。在软流圈之上的地壳和上地幔的坚硬部分则称之为岩石圈。3.2 地球的受力状态n地球上的每一个质点都受到万有引力的
14、作用，万有引力来自两个方面：一是地球上所有物质之间的引力，一是来自太阳和月亮的引力。太阳和月亮对地球上质点的万有引力随地球的自转和公转、月亮绕地球的旋转而发生周期性的变化。由于地球是旋转椭球体，地球表面质点所受的地球的万有引力并不都是指向地心，只有两极和赤道才指向地心，其它质点则需要通过椭球积分来计算。由于矢量的椭球积分非常复杂，而且地球的极扁度率很小，在通常情况下可以近似地认为地球的引力是指向地心的。n地球自转产生的力有两种最基本的形式：旋转离心力和科氏力。地球自转时地球上的每一个质点都绕着自转轴作圆周运动，同时产生离心力。地球两极质点的线速度最小，所受的离心力最小；赤道地区质点的线速度最大
15、，所受的离心力也最大。科氏力的形成与物质在旋转体上的运动方向有关，北半球河流的右岸总是受到强烈的侵蚀就是科氏力作用的结果。 由日月的万有引力和地球自转的离心力合成了引潮力。引潮力对地球的作用最明显的结果就是海水的潮汐过程，引潮力同样可以造成地球固体物质的潮汐作用，称为固体潮。由于地球的自转，引潮力对地球的作用还有扭矩，其结果是使地球的物质产生向西运动的趋势。地球的固体物质也会产生自东向西的运动，岩石圈位于固体地球的最外层，所受的扭矩最大，发生向西运动的可能性也最大。 地球表面一点所受的力的总和就是重力，重力是一种复合力，主要由地球的引力、旋转离心力和其它作用力组成的。重力作用的趋势就是使密度大
16、的物质向地心的方向迁移，也是地球在漫长的演化历史中形成了现今的密度分层的原因。n地球质点所受的这些力是永恒的，在地球的演化过程中必然要起到重要的作用，我国的地质学先驱李四光先生就很重视这些力的作用，并得出了地壳构造演化与地球自转有关的结论。然而板块构造学说对这些力的作用却视而不见，从未对这些作用力在板块构造演化中的作用做过任何解释。相反板块构造理论在探讨板块运动的推动力问题时，正逐渐把它引向不可知的深部。3.3 地球的能量系统n地球并不是一个封闭的体系，她每时每刻都在宇宙中运动着，同时也在宇宙中进行着能量与物质的交换。而且能量和物质总是紧密地联系在一起的，伴随着物质的获得或丧失，地球系统也同时
17、获得或丧失了能量。n在地球的能量系统中起主要作用的能量形式大致可以分为三大部分，太阳能、放射能和物理能。n太阳能是地球从太阳辐射中获得的能量，虽然地球从太阳辐射中所获得的太阳能只是太阳辐射能的22亿分之一，但地球平均每秒钟仍可获得1.81017焦耳的太阳能。n太阳的辐射使植物和依靠光合作用繁殖的藻类生物大量繁殖，构成生物链的基础，并在一定条件下可以转化成煤和石油储存起来。太阳能还可以使大气发生环流形成风能，使水蒸汽上升构成水的势能。因此，太阳能是地球生物活动（包括人类在内）的主要能源。放射能是地球中的放射性物质在蜕变过程中所产生的热能，由于地球所含放射性元素很多，放射性物质的总量也很大，由放射
18、性物质所产生的热能达到1.21014焦耳/秒。n物理能主要由地球的旋转能（包括自转和公转）和引力能。地球的旋转能在一定的时间尺度中基本保持在一定的总量范围里。地球公转所具有的能量在太阳系中处于平衡的状态，只有在与其他天体相互作用时才发生改变，因此对地球本身的物质运动和平衡的影响要么是一种长周期的作用，要么是一种灾难性的作用。n据地球的自转速度计算，现今地球自转的能量约为2.141029焦耳，这样巨大的能量哪怕有亿分之一的变化，也将产生相当于34000次8级地震的能量变化，引起地球剧烈变动。n地球的重力是地球物质产生的万有引力和自转离心力合力，构成了地球的重力场。重力能是一种势能，只有物质在重力
19、场中发生位移时才产生能量的变化。n引潮力是太阳和月亮的引力对地球共同构成的作用力，由于地球的自转和太阳、月亮与地球的相对位置会发生周期性的变化，引潮力也发生周期性的变化。引潮力在地球上最明显的结果是引起海水的潮汐变化，其功率大约为1.41012焦耳/秒。n除此以外，地球的能量系统中还有化学能、结晶能、生物能等其它的能量形式，并在地球的演化中起到一定的作用。辰砂n由于岩石圈主要由刚性岩石组成，热导率很低，根据地壳的平均热流值计算，地壳的平均散热量为1.81013焦耳/秒，因此仍有大量的热能在地球的内部积聚，构成了地球内动力地质作用的能量基础。地球内部的能量在积累到一定的程度之后就会转化成物质运动
20、的形式释放出来，这就导致火山、地震和构造运动等内动力地质作用的发生。3.4 地球的物质系统n地球的物质是由元素所组成的，由于地球经历了漫长的演化历史，各圈层的物质组成也存在很大的差异。地壳中各种元素的分布情况直接关系到人类的生存环境，了解地壳中各种元素及其同位素的分布情况，特别是元素的平均含量及各种元素的地球化学行为，对阐明元素的富集、扩散、迁移规律及其对人类生存的影响具有重要的意义。3.4.1 地球的物质组成n地壳中的元素在极少情况下是以单质的存在的（如金、金刚石等），绝大多数情况是以化合物的形态存在的。这些化合物的形成除了受元素本身的结构和化学性质所决定外，还受到外界的物理化学条件所控制。
21、不管是单质还是化合物，它们都是以独立矿物的形式在地壳中存在的，并构成的地壳的主体岩石。另有极少数的微量元素，由于它们丰度很低，很难以独立矿物的形式存在，这类元素常以类质同象的形式或胶体吸附的形式存在于其它矿物中。碳元素在高温高压下形成的单质矿物地壳中最常见的化合物石英含有Be的硅酸铝矿物祖母绿n氧O 硅Si 铝Al 铁Fe 钙Ca 镁Mg 钠Na 钾K n46.50 25.70 7.65 6.24 5.79 3.23 1.81 1.34n占98.26% 地壳中8种主要元素的含量n氧O 铁Fe 镁Mg 硅Si 硫S 镍Ni 钙Ca 铝Aln30.25 29.76 15.69 14.72 4.17
22、 1.65 1.64 1.32n占99.2%地球中8种主要元素的含量3.4.2 元素的地球化学行为 元素的地球化学除了与元素本身的性质密切相关外，还与元素及其化合物赋存的环境有关，不同的物理化学条件，元素会表现出不同的行为特征，形成不同的化学平衡。如碳元素在正常情况下形成石墨，在高温高压条件下可以形成金刚石；又如石膏和硬石膏在不同条件下的化学平衡： CaSO4 + 2H2O CaSO4 H2O + H2O CaSO42H2O 根据元素的行为特征，可以进行各种示踪研究，尤其是稳定同位素的示踪作用，为研究地球的物质循环、运动等方面的研究，提供了可借鉴的方法。 如碳循环、氧循环、铍同位素、钕同位素示
23、踪等。3.4.3 地球的物质的运动形式宏观的运动是以地球物质的集合体形式发生的，其规模可以大到地幔对流、板块运动等，并可以在瞬间释放巨大的能量。微观的运动是以元素的迁移形式发生的，迁移速度可以慢到任何仪器都难以观察到。3.5 地质作用概述3.5.1 地质作用三重概念 没有能量地质作用就不可能发生，但并不是所有地球的能量都会转化成地质作用的形式。由能量转化而成的，能够导致地质作用发生的力称为营力。 像放射性能、动能、重力能、化学能、结晶能等来源于地球内部的能量称为地球的内能，以内能作为营力的地质作用称为内动力地质作用，内动力地质作用主要作用于地球的内圈并最终反映到地壳。来源于地球外部的能量称为外
24、能，其相应的地质作用称为外动力地质作用，外动力作用则主要作用于地球的外圈和地球的表层系统。地质作用有不同的表现形式，内动力地质作用的形式主要有：构造运动、地震作用、岩浆作用和变质作用等方式；外动力地质作用的主要形式是地球外圈对地壳的风化、侵蚀、搬运、沉积过程，并对地球的表层系统进行改造。3.5.2 地质作用的方式重力参与作用沉积作用搬运作用侵蚀作用风化作用外动力地质作用重力作用变质作用岩浆作用地震作用构造运动内动力地质作用地质作用3.5.3几个基本术语 在刻划外动力地质作用所搬运和沉积的碎屑物经常用到以下的几个概念： 粒级反映碎屑物颗粒的大小（下表）粒径（mm）5.0名称粘土粉砂细砂粗砂细砾粗
25、砾分选反映碎屑物粒径大小的集中程度。沉积物中碎屑的粒径方差越小，分选性越好。 磨圆度碎屑物在搬运过程中棱角会逐渐地被磨损，使碎屑颗粒逐渐变圆，反映碎屑颗粒被磨圆的程度就是磨圆度。 3.6 矿物和岩石 岩石圈的物质组成是岩石，岩石是矿物的集合体，矿物则是由元素及其化合物形成的。矿物和岩石构成了地壳物质的基础，是地质作用的对象，也是地质学研究的主要对象，了解和研究地壳或岩石圈的地质过程，就必须了解矿物、岩石的地球化学行为和岩石学特征以及地质过程对它们的影响。 矿物是指自然条件下，在一定的物理化学环境中形成的元素或化合物。大多数的矿物是晶体，少数为非晶体。矿物的晶体结构表现为规则的几何多面体，天然的
26、矿物晶体形态是多种多样的，其形态是由原子、离子、分子等基本质点在空间上按一定的规律排列形成的。 物理化学条件和热力学条件对于矿物的形成具有重要意义。在不同的物理化学条件下，相同的物质可以形成不同的晶体形态。石墨和金刚石是一个最好的例子，两种矿物都是由纯碳元素组成，由于构成石墨的是六方晶系的板状晶体，成为一种最软的矿物，其硬度只有1；金刚石则属于正方晶系，是自然界中最硬的矿物，硬度达到了10。化学成分相同的物质形成不同晶格的固体形态的性能被称为多形现象。雄黄（左）、黄铁矿（中上）、萤石（右上）、磁铁矿（中下）、云母（右下）矿物的外形 矿物常具有一定的外形，根据矿物的外形可以区别一些常见的矿物。如
27、磁铁矿是正八面体，黄铁矿是正方体或五角十二面体，云母为薄片状，石英则为六边柱状体等。实际上自然界中的矿物由于晶体的生长受到限制。其外形往往是不规则的，只有在矿物形成的过程中有足够的时间和空间，才能形成形态完整的矿物。 肾状赤铁矿矿物还常常会以许多较小的单体聚集在一起，形成矿物的集合体。如粒状集合体、片状集合体、肾状集合体、纤维状集合体等。矿物的颜色 矿物的颜色是多种多样的，色彩艳丽的颜色尤为引人注目，很多矿物就是因为其颜色而得名，如赤铁矿（红色）、褐铁矿（褐色）、孔雀石（蓝绿色）等。同一种矿物由于所含的杂质不同也会有不同的颜色，如不含杂质的石英是无色透明的，而当石英含有杂质时则可以形成紫水晶、
28、烟水晶等。 各种颜色的水晶矿物光泽 光泽的强弱取决于矿物的反射率、折射率和吸收系数。反射率越大，矿物的光泽就越强。在矿物学中将光泽的强度依反射率（R）分为三级：金属光泽（R0.25）；半金属光泽（R0.190.25）；和非金属光泽（R0.190.04）。非金属光泽常见的有：金刚光泽；玻璃光泽；珍珠光泽；丝绢光泽；油脂光泽；蜡状光泽 矿物的条痕 条痕是指矿物在坚硬的物质上留下划痕的颜色，其本质是矿物粉末的颜色。矿物的颜色与矿物的条痕经常是不一致的，如黄铜矿的颜色是铜黄色，而条痕却是暗绿色。一般地说，条痕只适合于低硬度矿物的鉴定。矿物的硬度 矿物的软硬程度称为矿物的硬度。硬度是反映矿物表面抵抗外力
29、的能力，地质学中通常采用的是相对硬度的方式来确定矿物的硬度。如用甲矿物去划乙矿物，乙矿物出现划痕而甲矿物未受损伤，则认为甲矿物的硬度大于乙矿物。 标准摩氏硬度计的10种矿物列于下表 1度滑石6度正长石2度石膏7度石英3度方解石8度黄玉4度萤石9度刚玉5度磷灰石10度金刚石矿物的解理 矿物受力后会沿一定的方向裂开成光滑面的特性称为矿物的解理，光滑的平面称为解理面。如云母可以揭成一层层的小薄片是因为云母具有一组极完全解理，方解石打碎后仍然呈菱面体是因为方解石具有三组完全解理。矿物的这种特性是因为矿物晶格按某种特殊的结构排列,并形成了一些薄弱面的表现。矿物的断口 另外一些矿物，在受力后并不沿着一定的方向破裂，而是形成不规则的破裂面，这种破裂面称为断口。常见的断口形态有贝壳状、锯齿状、羽状和不规则状等。解理和断口是互为消长关系的，解理发育的矿物，断口则不发育，反之亦然。 云母的解理面和晶体结构 矿物在地质作用下所形成的集合体称为岩石。岩石可以是由单一矿物组成的，如纯净的大理岩就是由方解石组成的，但大多数的岩石是由两种或两种以上的矿物组成的，如花岗岩就是由石英、长石和云母三种矿物组成的。构成地壳的岩石按照其成因可分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类，分别由岩浆作用、沉积作用和变质作用形成 。
