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地球物理学基础

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。

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。

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