地球的物理性质和圈层结构.doc

地球的物理性质和圈层结构 1. 地球的质量和密度 　　从牛顿第二定律F=mg和引力定律G=fM/r2,可以得到地球质量应该是M=mgr2/f。式中m是地表上一个受地心引力作用的物体的质量，g是重力加速度。故计算地球的质量只需要知道地球的半径r和引力常数f。前者要用到一个简单的几何原理，后者则需通过一个精心设计的实验测算出来。 　　假定地球是一个圆球体，则测算地球半径的几何学原理是：一段圆弧的长度与其对应的圆心角成比例。当圆心角以弧度为单位时，这一比例的常数就等于圆的半径。如图3—1所示，在同一地理子午线上，取不同的两点A和B。A、B的距离即地表圆弧的长度。分别在两地同时观测同一颗恒星并求出各点与天顶的角距离，其差就是圆弧的中心角θ。公元前两世纪，希腊的伊拉托斯森尼斯就是用这一方法计算了地球的大小，其误差和今天的卫星测量结果相比只有约15%。 　　最早试图计算地球质量的是苏格兰的郝屯（J.Hutton）。他在山坡上测量悬垂的小物体偏离垂线的角度，先求出山体对物体的附加引力，再进而求解地球的引力。1798年，英国的卡文迪什用更为精确的扭称法，求出地球的引力常数为6.67×10-8cm3/gs2。这样就可以依据牛顿定律求出地球的质量了。现代计算地球质量时，则以旋转椭球作为地球模型，并进一步考虑了地球内部温度、压力的变化和物质分布不均等因素，结合动力学分析，得到地球的质量为5.9472×1024吨。 　　以计算得到的地球质量除以地球体积，算得地球的平均密度为5.516g/cm3。实际测量却表明，在地表出露的岩石中，砂岩﹑页岩和石灰岩等沉积岩的平均密度为2.6g/cm3，花岗岩的密度为2.85g/cm3,都远小于地球的平均密度。因此推断地球内部大部分物质的密度，都必须大于地球的平均密度。但它们具体又是怎样分布的呢？ 　　目前世界上最深的钻孔仅达到约12km深度，只有地球平均半径6371km的约1/530。因此，对地球内部物质的研究主要依靠各种间接的手段和依据。如通过对大量陨石的成分和结构的鉴定和对比，通过对重力、地磁、地电、地热及地震波的研究所得到的信息进行分析等。其中由地震波提供的信息最为重要。 地震波速度的大小与传播时介质的密度和弹性有关，理论上它们之间的关系应为 （3—1） （VP为纵波速度；VS为横波速度；K为介质的体变模量；μ为切变模量；ρ为介质密度。） 这表明在一般情况下，弹性波的传播速度应该与物质的密度值ρ成反比。但对于地球而言则不然，原因在于随着深部压力的增加，介质的弹性常数K和μ的增加要快于物质密度的增加。因此大多数岩石实际上都表现出密度与弹性波速成正比的特征。测试结果表明，两者的经验相关关系为： (3—2) 一次地震发生后，设置在全球各地的地震台站先后接收到穿过地球传来的地震纵波（或P波，Vp）、横波（或S波，Vs）及沿地面传播来的衍射波（或M波）（见图3-9）。经过计算，可以从中得到地球内部不同深度下的地震波速，进而推断得出相关的物质密度分布规律（图3—2）。也可以根据不同波组到达先后的走时差距，测量出震源至台站的距离。因为距离越远，Vp和Vs到达的时间差越大。 通过地面接收站横波和纵波间隔判断距离  地震的距离————时间曲线 　　从图3—2中可以看到，随着地球深度的增加，地球的密度也随之逐步增大。但密度的增大随深度的不同并非是均匀变化的，除了图中未能表示的地壳与地幔的分界（约为地表以下36km左右）外，在图中可以看到三个明显的突变处，即：在670km处从3.99跃升至4.39，这成为上、下地幔的分界；在2891km处从5.57跃升至9.90，这一变化最为悬殊，也是地幔和地核的分界面；在5150km处则由12.17变为12.75，由此确定了内、外地核的分界位置。此外，根据横波不能通过外核的现象，还可以推出地球外核是液态（铁）的结论。 由于横波不能通过液体，所以在液态核心出现一个横波屏蔽区 1.2固体潮与地球的弹性 　　海洋潮汐已是众所周知。同样在日月引力的作用下，类似现象也会出现在固体地球表层，这就是固体潮。用精密仪器可以观测到地球的固体表层也有和海洋潮汐相似的周期性升降现象，陆地表面的升降幅度因此可达7—15cm。当存在固体潮时，某一观测点的铅垂线方向和地面的倾斜还会相应发生变化，但其变幅不大，仅有千分之几秒角度。固体潮的存在说明固体地球具有一定的弹性，固体潮就是弹性地球在日月引潮力的作用下发生的弹性变形。此外，由于地震波也是一种弹性波，地球能够传播地震波的这一特征也从另一个侧面证实了地球是有弹性的。不仅如此，地球同时还具有一定的塑性-