固體地球物理學(xué)概論1-2

1、地球物理與空間信息學(xué)院2014.02-2014.04,固體地球物理學(xué)概論,第一章,教材與參考書,劉運(yùn)生、毛春長等編：《地球物理學(xué)簡明教程》；王家映編：《地球物理學(xué)》；張少泉編著：《地球物理學(xué)概論》；張勝業(yè)、潘玉玲主編：《應(yīng)用地球物理學(xué)原理》，2004年。,第一章,課程主要內(nèi)容,第一章 序言 第二章 地球的起源、運(yùn)動與結(jié)構(gòu)第三章 地球形狀、密度及重力場第四章 地球磁場與地磁學(xué) 第五章 地球的電磁感應(yīng)和電性結(jié)構(gòu)第六章 地球

2、內(nèi)部的熱狀態(tài)與地?zé)釄鎏卣?第七章 地球內(nèi)部的地震波場第八章 實(shí)驗(yàn)與計(jì)算地球物理第九章 地球物理學(xué)領(lǐng)域的新進(jìn)展舉例,第一章,什么是地球物理?地球物理學(xué)研究那些內(nèi)容?地球物理與其他學(xué)科的關(guān)系地球物理的發(fā)展地球物理對社會發(fā)展的貢獻(xiàn),第一章 序言,以地球?yàn)檠芯繉ο蟮膽?yīng)用物理學(xué),第一章,地球物理學(xué)的定義,地球物理學(xué)是以地球?yàn)檠芯繉ο?研究地球的各種物理現(xiàn)象，以及這些現(xiàn)象與地球運(yùn)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

3、關(guān)系的學(xué)科。(Geophysics) 地球物理學(xué)最早是物理學(xué)的一個(gè)分支。廣義上說，地球物理研究的領(lǐng)域涉及天體物理學(xué)、地質(zhì)構(gòu)造物理學(xué)、大地測量學(xué)、海洋物理學(xué)、大氣物理學(xué)、空間物理學(xué)等。狹義上說，地球物理學(xué)指的是固體地球物理學(xué)，即以研究地球的各種物理特征與地球運(yùn)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(xué)科。 地球物理學(xué)是地球科學(xué)的重要組成部分，地球物理學(xué)、地質(zhì)學(xué)和地球化學(xué)被稱為地球科學(xué)的三大支柱。,第一章,

4、地球物理學(xué)與其它學(xué)科,地球物理學(xué)是天文學(xué)、物理、化學(xué)、地質(zhì)學(xué)之間的邊緣學(xué)科，是一個(gè)涉及多學(xué)科的、與其它學(xué)科相互交叉、相互滲透的學(xué)科。 數(shù)學(xué)、物理學(xué)、地質(zhì)學(xué)是研究地球物理學(xué)三大基礎(chǔ)。 現(xiàn)代儀器技術(shù)、信息科學(xué)、運(yùn)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(xué)已經(jīng)成為推進(jìn)人類社會發(fā)展的不可缺少的科學(xué)。 應(yīng)用地球物理——資源勘察、災(zāi)害調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測、工程檢測、軍事戰(zhàn)略……,固體地球物理學(xué)

5、的學(xué)科分支,第一章,第一章,固體地球物理學(xué)的學(xué)科分支,重力學(xué) 地球的形狀、重力場的變化、物質(zhì)密度的變化與分布，等等地磁學(xué) 地磁場的分布和變化、地磁場的起源、地磁場的演變，等等地震學(xué) 地震發(fā)生機(jī)制與震源分布、地震波類型與傳播、地震預(yù)報(bào)，等等地?zé)釋W(xué) 地溫場的分布和變化、地?zé)嵩醇捌浞植迹責(zé)岬膫鞑?，等等地電學(xué) 地球電磁感應(yīng)特征和變化、地電結(jié)構(gòu)，等等,第一章,地球物理學(xué)的發(fā)展,大體在本世紀(jì)之初，地球物理學(xué)已初具規(guī)

6、模，并自成體系。它的代表性著作之一，是杰弗里 (H．Jeffreys)所著的《地球及其起源、歷史和物理狀態(tài)》。The Earth, Its Origin, History and Physical Constitution, Cambridge University Press, 1924; 5th edn. 1970; 6th edn. 1976.,Born 22 April 1891Died 18 Mar

7、ch 1989 (aged 97)Fields: Mathematics Geophysics,第一章,地球物理學(xué)的發(fā)展,地球物理學(xué)從19世紀(jì)末到20本世紀(jì)初已形成體系，但對地球物理現(xiàn)象的觀察和探討，從遠(yuǎn)古就開始了。地球物理這門學(xué)科是由于人們要確定地球的形狀大小而發(fā)展起來的。“形而上學(xué)” 公元前六世紀(jì)，希臘人從亞那薩哥拉時(shí)代已把大地看成球體；公元前四世紀(jì)，古希臘的學(xué)者亞里士多德（A

8、rtistotle）就明確指出大地是球形，并且估計(jì)了地球的圓周值（指緯度變化1°所對應(yīng)的地面長度）。 公元八世紀(jì)，我國唐代的天文學(xué)家張遂(僧一行)獨(dú)立得出一度弧長值，其誤差約小于20％；……,第一章,地球物理學(xué)的發(fā)展,與希臘、中國和阿拉伯相比，歐洲人的地球物理工作開始較遲，大概在環(huán)球航行證實(shí)大地是球形以后開始的。在此階段，地球扁率和地球旋轉(zhuǎn)的效應(yīng)，在隨著大地測量精度的提高開始表現(xiàn)出來。 在此應(yīng)著重談?wù)勁ｎD的

9、杰出貢獻(xiàn)。在牛頓以前，對地球的研究基本上是靜態(tài)的三角幾何問題。牛頓提出的運(yùn)動和萬有引力定律，給地球形狀和構(gòu)造的動力學(xué)研究，奠定了理論基礎(chǔ)。 牛頓的第一大貢獻(xiàn)：第一個(gè)估計(jì)了地球質(zhì)量。根據(jù)萬有引力定律，可得出在一級近似情況下的公式 g=GM/R2 ,其中g(shù)為重力測量值，G為萬有引力常數(shù)，M為地球質(zhì)量，R為地球半徑。因?yàn)間和R的數(shù)值可得，所以由此式可得GM值。 牛頓為分別取得G和M值，提出許多實(shí)驗(yàn)原則和途徑.當(dāng)時(shí)，他

10、做出了以下著名推測：“地球的整個(gè)質(zhì)量，比假定它全是由水組成的地球要大得五至六倍。”,第一章,地球物理學(xué)的發(fā)展,牛頓的第二大貢獻(xiàn)：第一個(gè)估計(jì)了地球的扁率ε的數(shù)值。 為了歸算成數(shù)學(xué)模式，他把地球看成密度恒定的旋轉(zhuǎn)流體，由此推導(dǎo)出ε=（a-b）/a=1/230，a、b分別為地球的赤道長軸和極短軸。同時(shí)，牛頓還認(rèn)識到地球密度不是恒定的，所得ε值應(yīng)該進(jìn)行修正。 在牛頓計(jì)算地球扁率之后幾年，惠更斯（Huygens）在不知

11、道牛頓這一推論的情況下，采用另一個(gè)不同的密度模式，得到ε值為1/577。,第一章,地球物理學(xué)的發(fā)展,在牛頓1727年去世以后的一個(gè)相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，絕大多數(shù)的地球物理研究者為英國人和法國人。在英法之間展開了巨大的競爭，結(jié)果使這兩個(gè)國家的地球物理工作獲得極其光輝的成就，從而使地球知識大大躍進(jìn)一步。 在英國方面，約翰·米歇爾（John Michell）設(shè)計(jì)了一套儀器，可以測定實(shí)驗(yàn)室內(nèi)兩個(gè)物體之間的引力，從而確定常數(shù)G。他的

12、學(xué)生卡文迪什（Cavendish）接替進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，于1798年對G進(jìn)行了很成功的測定，從而得到準(zhǔn)確的M值。再由公式ρ=M/V（V為地球體積），算出地球平均密度（ρ）為5.5g/cm3，由此證實(shí)了牛頓定律的早期推斷。 法國，幾乎所有法國大數(shù)學(xué)家都寫過有關(guān)固體地球物理學(xué)的論文。其中包括達(dá)朗倍爾（d′Alembert）、庫倫（Couloomb）、拉格朗日（Lagrange）、拉普拉斯（Laplace）、勒讓德（Legendre）、泊松

13、（Poission）、和柯西（Cauchy）等。他們把數(shù)學(xué)與物理結(jié)合起來解釋地球現(xiàn)象，從而使這門學(xué)科建立在嚴(yán)格的數(shù)理基礎(chǔ)上。,第一章,地球物理學(xué)的發(fā)展,布格（Bouguer）開創(chuàng)了重力測量學(xué)，從而奠定現(xiàn)代大地測量學(xué)的基礎(chǔ)。在理論方面。克萊羅（Clairaut）提出重力加速度g與扁度ε有關(guān)的重要公式，導(dǎo)出一個(gè)地球內(nèi)部密度隨扁度ε而改變的二階微分方程。 在那以后的一個(gè)半世紀(jì)里，許多地球物理問題是在牛頓和克萊羅的工作基礎(chǔ)上展開的。到

14、十九世紀(jì)初，十分重要的成就是運(yùn)用數(shù)學(xué)工具，把地球質(zhì)量、地球半徑、地表g值和關(guān)于歲差（一個(gè)天體的自轉(zhuǎn)軸指向因?yàn)橹亓ψ饔脤?dǎo)致在空間中緩慢且連續(xù)的變化）的天文數(shù)據(jù)，巧妙地結(jié)合在一起，得到地球的轉(zhuǎn)動慣量（或慣性矩）I。 在當(dāng)時(shí)提出兩個(gè)地球內(nèi)部密度分布數(shù)學(xué)模式，一個(gè)是勒讓德-拉普拉斯模式，另一個(gè)是羅歇（Roche）模式。這兩個(gè)模式所給的密度值變動范圍為：地表處約為3g/cm3，地心處約為11g/cm3。這樣，從轉(zhuǎn)動慣量I和密度ρ同時(shí)得出

15、地球內(nèi)部密度大或質(zhì)量集中的結(jié)論，這為研究地球內(nèi)部的密度分布提供了一個(gè)重要的邊界值。,第一章,地球物理學(xué)的發(fā)展,十九世紀(jì)為探索地球內(nèi)部密度分布花費(fèi)了極大的精力，但尚未達(dá)到成熟可信的程度。直到后一個(gè)世紀(jì)，地震學(xué)研究得到地球內(nèi)部的分層結(jié)構(gòu)，才從根本上解決了地球內(nèi)部的密度分布問題。 地震是人們早已覺察的現(xiàn)象。中國有世界矚目的長達(dá)兩千多年的地震記載。在地震觀測方面，遠(yuǎn)在東漢，文學(xué)家和科學(xué)家張衡，曾制造出世界上第一架地震儀——候風(fēng)地動儀。

16、,第一章,地球物理學(xué)的發(fā)展,1906年，奧爾德姆（Oldhem)從地震圖上得到地球有一個(gè)致密的液態(tài)地核的證據(jù)。這個(gè)證據(jù)對于長久以來地球內(nèi)部有高密度或質(zhì)量集中的假說，是一個(gè)有力支持。 1909年，南斯拉夫地震學(xué)家莫霍洛維奇契（A.Mohorovicic）發(fā)現(xiàn)，在巴爾干地表數(shù)十公里處的P波和S波速度急劇增加。這個(gè)速度急劇變化的界面，稱為莫氏面。這個(gè)面是全球性的 地殼與地幔的分界面。 1914年，德國人古登堡（B.Gute

17、nberg）在確定地殼和地核之間存在地幔的前提下，公布了一個(gè)著名的計(jì)算結(jié)果，他得出幔核界面的深度為2900km。 1936年，丹麥的萊曼（L.Lehmann）女士根據(jù)兩個(gè)新西蘭地震的歐洲記錄指出，地球的核有明顯的外部與內(nèi)部之分?，F(xiàn)在分別稱為內(nèi)核與外核。,第一章,地球物理學(xué)的發(fā)展,1946—1950年，澳大利亞的布倫（K.E.Bullen）根據(jù)地震學(xué)分析,得出內(nèi)核固態(tài)的結(jié)論。后來，這個(gè)結(jié)論又得到熱力學(xué)和理論物理學(xué)的支持。

18、 第二次大戰(zhàn)以后，增加了許多新的觀測資料其中地震臺陣記錄、長周期地震面波和地球振蕩記錄、長剖面地震記錄等，進(jìn)一步完善了地球的分層模型，并且發(fā)現(xiàn)地球結(jié)構(gòu)的橫向變化。,第一章,地球物理學(xué)的發(fā)展,其中用地震反射技術(shù)所得的細(xì)結(jié)構(gòu)(fine structure)和用全球標(biāo)準(zhǔn)臺網(wǎng)所 得的參考模型(Reference Earth Model)，更引起人們的關(guān)注。 1981年濟(jì)旺斯基(A．M． Dziewonski)和安

19、德森(D．L Anderson)提出一個(gè)全球參考模型PREM，這個(gè)模型比布倫模型要大大前進(jìn)一步，它以參量形式給出P波和s波的速度分布，并給出品質(zhì)因數(shù)Q值分布，以及地球的粘滯彈性和各向異性。,第一章,地球物理學(xué)的發(fā)展,國際上連續(xù)組織四次大協(xié)作，使地球物理學(xué)獲得巨大進(jìn)展，在地球物理研究的廣度和深度上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過以往的年代。這四次大協(xié)作是： 1957年—1958年的國際地球物理年（International Geophysical Ye

20、ar，簡稱IGY）； 在全球范圍建立了規(guī)范化的、布局合理的地震、重力、地磁、地?zé)岬扔^測臺網(wǎng)，為在規(guī)模研究提供了資料基礎(chǔ)。,第一章,地球物理學(xué)的發(fā)展,1960年—1970年的國際上地幔計(jì)劃（International Upper Mantle Program，簡稱IUP）；提出了“板塊構(gòu)造學(xué)說”，這是一次地球表層動態(tài)概念上的革命。 1974—1980年的國際地球動力學(xué)計(jì)劃（International Geodyn

21、amic Program，簡稱IGP）；對板塊運(yùn)動的驅(qū)動力問題，從多方面進(jìn)行了探討。 1981—1989年的國際巖石層（圈）計(jì)劃（International Lithosphere Program，簡稱ILP）。中心課題是：巖石層（圈）的現(xiàn)狀、形成、演化和動力過程。重點(diǎn)研究大陸板內(nèi)的地球物理現(xiàn)象，其中，板內(nèi)地震居于重要地位。 在近十多年，還開展了國際大陸科學(xué)鉆探計(jì)劃（ICDP）和地殼動力學(xué)計(jì)劃（C

22、DP）等。,第一章,地球物理學(xué)對人類社會發(fā)展的貢獻(xiàn),大地測量學(xué)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(shè)和規(guī)劃，…… 地磁學(xué)的研究，使人類了解了地磁場，并用于導(dǎo)航，…… 地?zé)釋W(xué)的研究，使人類了解如何直接利用能源，……. 地震學(xué)的研究,使人類了解地震、預(yù)報(bào)地震災(zāi)害，…….. 基于地球物理學(xué)理論的探測技術(shù)——應(yīng)用地球物理學(xué)，為人類創(chuàng)造財(cái)富，為人類排憂解難，…….,第一章,地球物理學(xué)的研究方法,最初

23、，地球物理學(xué)研究就是從對地球的觀測開始的，所以地球物理學(xué)研究是建立在對地球充分地觀測基礎(chǔ)進(jìn)行的。 地球物理學(xué)的研究方法可分為以下幾個(gè)方面： 觀測（結(jié)論的可靠性估計(jì)） 數(shù)據(jù)分析與處理 模擬真實(shí)對象的理論模型計(jì)算與實(shí)驗(yàn)（數(shù)學(xué)和物理模型的構(gòu)成和漸近性；實(shí)驗(yàn)?zāi)M方法） 推測真實(shí)對象反演計(jì)算（多解性）初值和邊值的約束作用；某些物理概念的相對性；地球物理學(xué)與地質(zhì)學(xué)的比較。。。。。。,第一章,地球物理學(xué)的研究方法,根據(jù)布倫的看法

24、，將地球物理結(jié)論大致分為五類：(1)可靠性高的：包括牛頓萬有引力定律，地磁、重力和地震波的球諧分析理論，地球形狀，地球自轉(zhuǎn)周期。 (2)可靠性較高的：全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)，地球的速度分層結(jié)構(gòu)。 (3)可靠性居中的：包括地球的分層結(jié)構(gòu)(由速度導(dǎo)出的密度、壓力、加速度、 體變模量和切變模量隨深度分布)，地球年齡。 (4)可靠性差的：包括大陸漂移和板塊構(gòu)造，地球內(nèi)部的溫度分布，地球內(nèi)部的物質(zhì)組成，地震預(yù)報(bào)。 (5)可靠性最差的

25、：包括地幔對流的各種假說，地球起源的各種假說，地磁場起源的各種假說。,第一章,地球物理學(xué)的研究方法,,地球物理反演過程用數(shù)學(xué)方法表示為：若已知異常 ，對待求的場源位置 ，幾何參數(shù)與物性參數(shù) ，建立它們之間關(guān)系的函數(shù)表達(dá)式：未知參數(shù) ， ，通常是異常 的多元非線性函數(shù)。,第一章,地球物理學(xué)的研究方法,,正演是反演的基礎(chǔ)。地球物理反演具有多解性。造成地

26、球物理反演多解性的主要原因：有限的觀測數(shù)據(jù)與觀測數(shù)據(jù)中帶有誤差。,第一章,如何學(xué)好本課程,地質(zhì)學(xué)與地球物理學(xué)的比較共性：同是對地球客體進(jìn)行研究，因?yàn)榭腕w不可能像室內(nèi)那么理想，因而都必須對客體進(jìn)行簡化、進(jìn)行模擬，并靈活應(yīng)用物理概念和定律。地球物理學(xué)通過觀測儀器獲得大量數(shù)據(jù)，對地球深部和整體進(jìn)行定量研 究；而地質(zhì)學(xué)主要通過觀察地表構(gòu)造形跡獲得大量感性材料，對地球上層和局部地區(qū)進(jìn)行定性或半定量的研究。簡言之，地球物理學(xué)可透過地球物

27、理場看深部，地質(zhì)學(xué)可通過地表地質(zhì)構(gòu)造看過去。它們分別在空間和時(shí)間上將視野延展，這是它們的個(gè)性。,第一章,如何學(xué)好本課程,閱讀參考書籍和專業(yè)期刊 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(xué)方法的應(yīng)用,第二章,,第二章 地球的起源、運(yùn)動與結(jié)構(gòu),太陽系及其組成與演化地球的轉(zhuǎn)動與軌跡地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu) 地球內(nèi)部的物質(zhì)組成,第二章,,太陽系、太陽系的組成,2.1 太陽系、太陽系的組成及起源

28、 2.1.1 太陽系的成員 ⑴太陽----恒星，是太陽系的中心，是質(zhì)量和體積最大的星體。 ⑵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)(3)矮行星：冥王星 ? 鬩神星 ? 谷神星 ? 鳥神星 ? 妊神星 (4)小行星：太陽系

29、約有30000多個(gè)小行星 (5)行星的衛(wèi)星 (6)彗星和星際塵埃,第二章,大行星位置排列示意圖,第二章,小行星、彗星 大行星衛(wèi)星圖片,月球,彗星,小行星,木星的衛(wèi)星,第二章,太陽系主要成員的基本特征,2.1.2 太陽系主要成員的基本特征,第二章,⑴軌道的規(guī)律性共面性：行星軌道平面幾乎平行，且與太陽赤道面平行。同向性：行星公轉(zhuǎn)方向都是自西向東，除金星、天王星以外，都與太陽自轉(zhuǎn)方向一致，為逆時(shí)針方向。近圓

30、性：行星軌道偏心率小，除水星（0.206）以外，均小于0.1。 ⑵日距分布特征——Bode定律 rn = 0.4 + 0.3× 2n (天文單位：AU） 其中n為行星秩序數(shù)，水星?。蓿鹦侨?，地球取1，火星取2，小行星帶取3，木星取4，土星取5，天王星取6，。。。取7。,軌道特征,第二章,,軌道特征,n帶入7時(shí)，得解38.8，較符合柯伊伯帶的距離，柯伊伯帶的矮行星-冥王星（29.

31、658～49.305AU，平均39.482AU）、鳥神星（38.509～53.074AU，平均45.791AU）、妊神星（35.164～51.526AU，平均43.335AU）大致在這個(gè)距離（上述距離為平均距離）。,第二章,,軌道示意圖（一）,第二章,⑶太陽系天體的自轉(zhuǎn) 行星的自轉(zhuǎn)可分兩種情況，類地星（水、金、地、火）自轉(zhuǎn)速率差異較大，金星需244天，火星只需1.03天；巨行星和遠(yuǎn)日星自轉(zhuǎn)較快，均不到1天。 太陽自轉(zhuǎn)有″

32、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。,自轉(zhuǎn)特征,第二章,⑷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）、巨行星（木星、土星）和遠(yuǎn)日星（天王星、海王星），則有 質(zhì)量分布：類地星＜巨行星＞ 遠(yuǎn)日星 密度分布：類地星 ＞遠(yuǎn)日星＞ 巨行星

33、 (5)太陽系的年齡 根據(jù)同位素測定，地球、月球和隕石的年齡約在45億年左右，如果太陽系中所有的行星和隕石在同一時(shí)期形成，太陽系的年齡也應(yīng)為45億年。,密度特征,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,天文學(xué)家把太陽結(jié)構(gòu)分為內(nèi)部結(jié)構(gòu)和大氣結(jié)構(gòu)兩大部分。太陽的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由內(nèi)到外可分為核心、輻射層、對流層3個(gè)部分，大氣結(jié)構(gòu)由內(nèi)到外可分為光球、色球、和日冕3層 。光球表面一種著名的活動現(xiàn)象便是太陽黑子。黑子是光球?qū)由?/p>

34、的巨大氣流旋渦，大多呈現(xiàn)近橢圓形，在明亮的光球背景反襯下顯得比較暗黑，但實(shí)際上它們的溫度高達(dá)4000℃左右。太陽黑子的變化存在復(fù)雜的周期現(xiàn)象，平均活動周期為11.2年。,太陽內(nèi)部結(jié)構(gòu),第二章,太陽黑子,太陽黑子圖片,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,溫度達(dá)上百萬攝氏度,包含著鐵、鎳和其他氣體的極高度電離的原子,這些帶電粒子運(yùn)動速度極快，以致不斷有帶電的粒子掙脫太陽的引力束縛，射向太陽的外圍。形

35、成太陽風(fēng)。日全食時(shí)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),但在其他時(shí)候要用日冕儀才可觀測到。,日冕,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,1993年5月在NASA的航天飛機(jī)上看“非洲之角”，照片上的橙色和棕褐色區(qū)域代表半干旱氣候下的大片土地。,航天飛機(jī)攝影圖片″非洲角″,第二章,火星圖片,火星圖片,第二章

36、,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,隕石（meteorite）是地球以外未燃盡的宇宙流星脫離原有運(yùn)行軌道或成碎塊散落到地球或其它行星表面的，石質(zhì)的、鐵質(zhì)的或是石鐵混合物質(zhì)，也稱“隕星”。大多數(shù)隕石來自小行星帶，小部分來自月球和火星。,隕石圖片,第二章,星云是塵埃、氫氣、氦氣、和其他電離氣體聚集的星際云。通常也是恒星形成的區(qū)域。,星云圖片,Eagle n

37、ebula pillars,貓眼星云行星狀星云,Ω星云發(fā)射星云,第二章,2.1.3 太陽系的起源 任何事物都有它的產(chǎn)生、發(fā)展和衰亡的過程，太陽系也不例外。太陽系的起源，也即地球的起源問題。稱為“星云假說”的廣泛接受模型，最早是由18世紀(jì)的伊曼紐·斯威登堡、伊曼努爾·康德和皮埃爾-西蒙·拉普拉斯提出。其隨后的發(fā)展與天文學(xué)、物理學(xué)、地質(zhì)學(xué)和行星學(xué)等多種科學(xué)領(lǐng)域相互交織。自1950年代太空時(shí)代降臨，以

38、及1990年代太陽系外行星的發(fā)現(xiàn)，此模型在解釋新發(fā)現(xiàn)的過程中受到挑戰(zhàn)又被進(jìn)一步完善化。 ⑴ 災(zāi)變說--法國生物學(xué)家布封（G. L. L. Buffon） 災(zāi)變說認(rèn)為，太陽是先形成的，由于某個(gè)事件，如一個(gè)恒星與太陽相撞或距離很近時(shí)，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。 ⑵ 俘獲說（隕石說）--前蘇聯(lián)地球物理學(xué)家施密特Schmidt 俘獲說也是認(rèn)為太陽是先形

39、成的，但與災(zāi)變說不同的是，它認(rèn)為原始行星物質(zhì)是來自其它星際，被太陽的引力俘獲而來的，如隕石。,太陽系起源的假說（一）,第二章,⑶ 原始星云說 （Nebular Hypothesis）   原始星云說屬于″漸變說″范疇。這種學(xué)說認(rèn)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（激變）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

40、星云說。他認(rèn)為： 形成太陽系的物質(zhì)基礎(chǔ)是星云，即大團(tuán)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(rèn)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(diǎn)開始把周圍較小的和比較不密的質(zhì)點(diǎn)吸引過去，以后較小的物質(zhì)凝團(tuán)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

41、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。,太陽系起源的假說（二）,第二章,⑶ 原始星云說 （Nebular Hypothesis）   在41年以后，拉普拉斯提出了和康德相似的″原始星云說″。 由于康德和拉普拉斯的基本觀點(diǎn)相同，都認(rèn)為地球是從原始星云轉(zhuǎn)化而來，所以后人把二者統(tǒng)稱為康德---拉普拉斯原

42、始星云說。 應(yīng)該指出，兩人的原始星云說也是有區(qū)別的。拉普拉斯認(rèn)為原始星云是熾熱發(fā)光的，而康德卻沒有提到這一點(diǎn)。 在地球起源學(xué)說的研究中，最困難的問題依然是角動量(angular momentum)的特殊分布問題，即它無法解釋太陽相對其行星而言缺少角動量。角動量是轉(zhuǎn)動的一種量度，它大致等于質(zhì)量、速度和軌道半徑的乘積。,太陽系起源的假說（二）,第二章,在太陽系里，太陽的質(zhì)量約為行星總質(zhì)量的750倍，占全系

43、統(tǒng)的99%以上，但它的角動量卻只有全系統(tǒng)的2%，行星的質(zhì)量雖小，但角動量卻很大。 通過一種什么作用，才能導(dǎo)致這樣一個(gè)轉(zhuǎn)動系統(tǒng)？如果行星和太陽是同一來源，就必須找出一個(gè)使角動量重新分布的物理過程。 最明顯的能使角動量轉(zhuǎn)移的物理過程，就是磁場對于帶電粒子的作用。,太陽系起源的假說（二） (續(xù)）,第二章,1972年，霍伊爾（F.hoyle）從經(jīng)典的星云假說出發(fā)，考慮星際空間的磁場作用，定量地計(jì)算了太陽和行星的角動量，從而

44、有效地解釋了太陽系特殊的角動量問題?；羰险J(rèn)為： 太陽系開始時(shí)是一團(tuán)凝縮的星云，溫度不高，轉(zhuǎn)動角速度因逐漸收縮而加快。當(dāng)初始的太陽星云收縮到現(xiàn)今水星軌道之內(nèi)不遠(yuǎn)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(gè)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，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。,太陽系起源的假

45、說（二） (續(xù)）,第二章,太陽系起源——星云假說示意圖,第二章,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)緣發(fā)生電磁流體力學(xué)的作用而產(chǎn)生一種磁致力矩。通過這個(gè)力矩，太陽對圓盤作功，從而將太陽的角動量轉(zhuǎn)移到圓盤上。圓盤因角動量增加而向外擴(kuò)張，但太陽因?yàn)槔^續(xù)收縮和角動量減小，可以使它的角速度變化不大。這樣就解決了太陽轉(zhuǎn)得慢的問題。,太陽系起源的假說（二） (續(xù)）,第二章,戴文賽先生（1911—1979），天文學(xué)家，

46、福建人，生前任南京大學(xué)天文系教授、主任。他在分析和評價(jià)國外和多種假說的基礎(chǔ)上，提出自己的太陽系起源（其中包括地球起源）假說。 該假說繼承和發(fā)展了康德-拉普斯的星云說，較全面、系統(tǒng)地論述了太陽系各種特征的由來，其中對波特定則的說明，對木星、土星、天王星的衛(wèi)星和環(huán)帶的說明以及角動量問題，都得出不同于前人的解釋。 戴文賽先生認(rèn)為：行星的形成要經(jīng)過“原始星云→星云盤→塵層→星子→行星”這樣幾個(gè)步驟。,戴文賽的新星云假說,第二

47、章,原始星云的形成 原始星云是由一塊星際云塊塌縮并瓦解而成的。 首先要考慮星際云的塌縮，這里要用到研究物質(zhì)團(tuán)收縮和膨脹的一個(gè)重要物理定理——維里定理。 維里定理所要分析的是，使其膨脹的能量U（如分子熱運(yùn)動熱能）和使其收縮的能量Ω（如引力位勢）是否平衡。 根據(jù)U、Ω的物理意義不難得出： 當(dāng) 2U+Ω＞0時(shí)，物質(zhì)團(tuán)膨脹； 當(dāng) 2U+Ω＜0時(shí)，物質(zhì)團(tuán)收縮； 當(dāng)

48、2U+Ω＝0時(shí)，該物質(zhì)團(tuán)處于既不膨脹也不收縮的平衡狀態(tài)。 對于一個(gè)天體系統(tǒng)：根據(jù)維里定理，當(dāng)忽略自轉(zhuǎn)、磁場及湍流，只考慮引力勢能和熱能時(shí)，可得出如下星際云自吸引塌縮條件：,戴文賽的新星云假說,第二章,原始星云的形成 M＞2.44×103M0.式中 M0=1.99×1033g，為太陽現(xiàn)質(zhì)量。M為星際云質(zhì)量。該式表明，星際云質(zhì)量比太陽現(xiàn)質(zhì)量大三個(gè)數(shù)

49、量級，它才會塌縮。 當(dāng)星際云塌縮到密度為10-15g/cm3時(shí)，內(nèi)部會發(fā)生不穩(wěn)定情況，即：出現(xiàn)擾動物時(shí)，會造成渦流，將星際云瓦解為上千個(gè)小云，其中之一則是太陽系前身——原始星云。 原始星云其質(zhì)量為βM0，β=1-1.3。原始星云的角動量約為今日太陽系角動量的158-200倍。,戴文賽的新星云假說,第二章,星云盤的形成 原始星云盤繼續(xù)塌縮，半徑逐漸減小，因角動量守恒，造成自轉(zhuǎn)速度增大。赤道面上的外邊緣物質(zhì)，當(dāng)

50、其慣性離心力與中心部分引力相抗衡時(shí)，便停下來，逐漸形式類似“鐵餅”的星云盤。星云盤形成的同時(shí)，云盤中心的原始太陽亦形成。 為了對星云盤的的密度做出估計(jì)，需要介紹羅奇密度的概念。首先讓我們看圖2.2-1所示大小球吸引的例子。分析兩個(gè)小球在大球作用下聚集的條件。,戴文賽的新星云假說,第二章,星云盤的形成大球作用于靠近它的小球1和遠(yuǎn)離它的小球2的引力，分別為因?yàn)镕1＞F2，若沒有其它力的作用，這兩個(gè)小球就要在共同靠近大

51、球的過程中，彼此分開。但是，兩個(gè)小球之間還存在引力，大小為這個(gè)力使兩個(gè)小球彼此聚集。顯然，使兩個(gè)小球聚集而不致分開的條件是 f12＞F1－F2,戴文賽的新星云假說,第二章,星云盤的形成將F1 、 F2 和 f12的表達(dá)式代入上式，并利用小球質(zhì)量與密度的關(guān)系，經(jīng)整理后變成：ρ＞ρ0＝4（M／a3）式中ρ0稱為羅奇密度，上式稱為聚集條件。 作為一般情況，除引力外，還存在小球軌道運(yùn)動的離心力、電磁力等其

52、它作用，這時(shí)上式中的系數(shù)不為4，可能還要大些，一般寫成 η，故此得出 ρ＞ρ0＝η（M／a3）可以用上式分析氣體星云在太陽引力下的穩(wěn)定性問題。,戴文賽的新星云假說,第二章,星云盤的形成當(dāng)氣體星云的密度ρ達(dá)到由太陽質(zhì)量和距離決定的羅奇密度ρ0時(shí)，太陽的引力與氣體星云內(nèi)物質(zhì)自身引力相平衡。當(dāng)超過羅奇密度時(shí)，實(shí)現(xiàn)了星云自身引力的穩(wěn)定性，開始行星的聚集過程?，F(xiàn)太陽質(zhì)量M=1.99×1033g，日地距離α=1.49&#

53、215;1013cm。若僅考慮引力（取η=4）可計(jì)算；羅奇密度ρ0=2.3×10-6g/cm3。地球密度ρ=5.5g/cm3 ＞＞ρ0，故地球在太陽引力作用下，不會被分離，但可產(chǎn)生變形（固體潮）。,戴文賽的新星云假說,第二章,塵層的形成云盤中塵粒（包括土物質(zhì)和冰物質(zhì)）跟氣體一起繞太陽轉(zhuǎn)動，同時(shí)也做布朗運(yùn)動，彼此發(fā)生碰撞，結(jié)合成顆粒（碰撞吸積），并在引力 z 方向分量作用下，顆?？朔怏w阻力，向赤道沉降，逐漸形成塵層。,

54、戴文賽的新星云假說,第二章,星子的形成當(dāng)塵層的物質(zhì)密度足夠大時(shí)，局部擾動會導(dǎo)致引力不穩(wěn)定性，使塵層瓦解為許多物質(zhì)團(tuán)。物質(zhì)團(tuán)的密度隨時(shí)間而指數(shù)式增長。當(dāng)物質(zhì)團(tuán)的密度超過羅奇密度時(shí)，就可以自吸引塌縮，聚集成固體－星子。瓦解之后的星子質(zhì)量估計(jì)為1018g（內(nèi)區(qū)）到1020g（外區(qū)）。各物質(zhì)團(tuán)自吸引收縮，很快形成星子。估計(jì)地球處由物質(zhì)團(tuán)形成星子的時(shí)間為104a，木星處的時(shí)間為106a。,戴文賽的新星云假說,第二章,行星（胎）的形成

55、初始星子繞太陽作開普勒運(yùn)動外，還有隨機(jī)運(yùn)動。大量的星子軌道是雜亂章的，因而頻繁地相遇和碰撞，發(fā)生結(jié)合或者碎裂。實(shí)驗(yàn)表明，相對速度小于0.5km/s的星子碰撞，其結(jié)果總是結(jié)合，而相對速度大于1 km/s的星子碰撞，其結(jié)果可能發(fā)生碎裂。前者成為更大星子，后者成為更小星子。大星子引力較強(qiáng)，更有效地吸積周圍的物質(zhì)和小星子（引力吸積），迅速成長。小星子引力較弱，吸積殘余塵粒而緩慢生長。較大星子（直徑大于1 km）因?yàn)樽陨砦鰪?qiáng)，由碰撞聚

56、積為主過渡到引力吸積為主。物質(zhì)不斷聚集到大星子上，使其生長更快更大，最大星子成為行星胎。由星子結(jié)合行星時(shí)間，各人用不同方法估算，就地球而言，竟差3-4量級。據(jù)戴文賽估計(jì)，地球形成時(shí)間為106-107a，木星（固體核）形成時(shí)間為107a，水星為104-106a。這與隕星母體的形成時(shí)間為幾千萬年大致相符。,戴文賽的新星云假說,第二章,,太陽系形成過程的一般輪廓,冷 的、自轉(zhuǎn)的原始星云,中部形成太陽外部形成星云盤,云盤中部(赤道面)形

57、成塵層,物質(zhì)團(tuán) 集聚為星子,星子集聚為行星,自吸引而收縮,凝聚的固體顆粒沉降,物質(zhì)密度足夠大，發(fā)生引力不穩(wěn)定性而瓦解,吸積,第二章,任何假說都是為解釋觀測事實(shí)而提出的。建立起源假說的觀測事實(shí)僅僅靠太陽系的天文學(xué)觀測現(xiàn)象是不夠的，還應(yīng)對我們?nèi)祟惗ň拥牡厍蛞约靶l(wèi)星的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行合理的解釋。,新星云假說對若干觀測事實(shí)的解釋,第二章,在原始太陽收縮的過程中，表面溫度保持為3500度左右，在地球軌道附近地區(qū)，沸點(diǎn)低的揮發(fā)性物質(zhì)相繼逃逸

58、，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(diǎn)低的物質(zhì)可以保留，因而使得土星、木星的化學(xué)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)。,新星云假說對若干觀測事實(shí)的解釋,第二章,地球與類地行星、月球等星球，在一些

59、重要特性方面具有大致相同的歷史。地球形成后6×108-7×IO8a或更長時(shí)間以后，與其他星球的主要差別才開始顯露出來。地球的整體發(fā)展大致可以分為五個(gè)時(shí)期。A、地球形成期 (約46億年前) 地球與其他行星、月球、隕石等都是在4.6x109a前大致同時(shí)形成，都是太陽系原始星云凝聚的產(chǎn)物。凝聚時(shí)，星云物質(zhì)在旋轉(zhuǎn)中向核心凝聚，產(chǎn)生強(qiáng)烈的核反應(yīng)，并不斷地發(fā)生塌縮作用。B、 放射熔融期 (45-41億年前)

60、地球在不同時(shí)間不同區(qū)域發(fā)生熔融。,地球發(fā)展簡史,第二章,B、 放射熔融期 (45-41億年前)由于熔融不完善，在地球內(nèi)部還保留了部分放射性物質(zhì)，且淺部較多。它們在逐漸釋放能量，成為后期地殼運(yùn)動及內(nèi)部分異的重要動力來源。在這階段，從固-液態(tài)地球中分異的大量氣體和揮發(fā)成分，形成了一個(gè)高溫濃厚的大氣圈。C、小天體碰撞期 (41-39億年前) 由于地球的質(zhì)量在類地行星中是最大的，引力也是最大的，故有較多較大的小天體

61、沖擊地球，形成一些大型凹坑或凹地。由于地球的地殼較薄，內(nèi)部為半熔融狀態(tài)，在小天體的沖擊下，地殼產(chǎn)生破裂，深部半熔融物質(zhì)亦會被波及影響。,地球發(fā)展簡史,第二章,D、熔流外溢期 (39-37億年前) 由于小天體的大量撞擊，地球的殼層產(chǎn)生更多的破裂帶，沿破裂帶有玄武巖流溢出。因噴溢區(qū)域較大，噴溢次數(shù)較多，以至將原始地殼大部分吞噬。這樣，在現(xiàn)在的地球表面很難找到原始地殼的殘留痕跡。E、板塊構(gòu)造發(fā)育期(37億年前到現(xiàn)在)

62、這是地球地質(zhì)發(fā)展史所特有的。上述小天體的沖擊不僅影響地殼，產(chǎn)生破裂和熔流外溢，而且直接影響到幔層。因那里的可塑性大和溫度高，導(dǎo)致大量物質(zhì)對流，形成軟流層。地殼經(jīng)過多次反復(fù)破碎，殼塊之間裂隙帶分異出玄武巖層，下部可塑性較高的軟流層通過熱對流作用自破裂處從中間向外移動，這就導(dǎo)致板塊構(gòu)造的產(chǎn)生。,地球發(fā)展簡史,第二章,E、板塊構(gòu)造發(fā)育期(37億年前到現(xiàn)在) 這是地球地質(zhì)發(fā)展史所特有的。板塊構(gòu)造早期，板塊數(shù)量多，面積小，分裂中心多，

63、屬微型板塊階段。這時(shí)陸殼薄，剛度低，地表熱流大，軟流層可塑性較大;溫度高，板塊構(gòu)造運(yùn)動常造成表層強(qiáng)烈褶皺。隨著時(shí)間的推移，巖石層厚度逐漸變大，板塊集中規(guī)模變大，地表熱流量逐步降低，火山活動和變質(zhì)作用的強(qiáng)度逐步減弱而進(jìn)入現(xiàn)代板塊活動階段。,地球發(fā)展簡史,第二章,原始地球是一個(gè)溫度不太高的均質(zhì)球體。后來放射性元素蛻變等作用產(chǎn)生的熱能，使其內(nèi)部溫度增高，發(fā)生重力分異，形成地核與地幔。那時(shí)地表是熔融狀態(tài)，后逐漸冷卻，原始地殼。在距今4

64、0×1O8a，隕落的星子增多，使地幔上部熔化和玄武巖噴發(fā)，形始大洋地殼。后來的構(gòu)造巖漿活動又將其余的原始地殼改造成大陸地殼。在地球形成過程中 被吸積物質(zhì)釋放出的氣體形成原始還原大氣。地幔排出的氣體以及植物光合作用等使原始大氣逐漸變成現(xiàn)在的氧化大氣圈。大氣中的水汽冷凝成水，形成水圈。,地球分化成同心圈層的過程,第二章,復(fù)習(xí)要點(diǎn)：1 ．太陽系的成員有哪些？它們的軌道、質(zhì)量與密度分布有哪些規(guī)律和特征？2．簡述戴文賽新

65、星云假說的要點(diǎn)。3．維里定理、羅奇密度原理，在研究地球起源時(shí)分別解決什么問題？ 4．簡述地球早期演化中的圈層分化過程。 作業(yè)：地球內(nèi)部主要有哪些圈層？每個(gè)圈層的主要物性特征（如密度，速度結(jié)構(gòu)）如何？物質(zhì)組成是什么？,思考題與練習(xí)題,第二章,2.2 地球的轉(zhuǎn)動與軌跡 在機(jī)械運(yùn)動范圍以內(nèi)，地球的運(yùn)動就有許多種，其中最顯著的是自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)和平動。平動是地球隨太陽系在太空不停 地向前運(yùn)動。 除自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)和平動以外，

66、地球還有所謂進(jìn)動(即地球在運(yùn)動過程中，地軸方向發(fā)生 的運(yùn)動)和章動兩種運(yùn)動。它們比自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)和平動要復(fù)雜得多。,地球的轉(zhuǎn)動,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(gè)行星在不停地運(yùn)動。它不僅繞著一條軸線自西向東自轉(zhuǎn)，同時(shí)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(shí)際上就是研究地球轉(zhuǎn)動的不均勻性。,地球的轉(zhuǎn)

67、動,第二章,2.2 地球的轉(zhuǎn)動與軌跡 地球旋轉(zhuǎn)軸叫地軸。地軸同地球表面的交點(diǎn)就是南北極。如果以地心為球心，以無限大為半徑構(gòu)成的球面為天球，則天軸和天球的交點(diǎn)叫天極。北邊叫北天極，南邊叫南天極。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，月球繞地球公轉(zhuǎn)軌道在地球表面的投影叫白道。黃道和 天赤道的文點(diǎn)，即春分點(diǎn)和秋分點(diǎn)；黃道上距天赤道最遠(yuǎn)的兩點(diǎn)，就是夏至點(diǎn)和冬至點(diǎn)。,地球的轉(zhuǎn)動,第二章,2.2.1 地球的

68、自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn) ⑴地球的自轉(zhuǎn) 地球自轉(zhuǎn)一周是一日。在天文學(xué)上“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(diǎn)，太陽日和太陰日則是分別以太陽和月亮為參考點(diǎn)計(jì)算的一天的長度。如果把地球中心和一個(gè)遙遠(yuǎn)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(shí)間，叫恒星日，如果這一直線是連結(jié)地球中心和太陽中心，那么，這一段時(shí)間就叫太陽日，如果這一直線是連結(jié)的地