普通地质学02地球的圈层结构.ppt

第二章 地球的圈层结构第一节 地球的内部圈层第二节 地球的外部圈层第一节 地球的内部圈层三、地球内部圈层划分二、地球内部的主要物理性质一、地球内部圈层的划分依据目前对地球内部的了解主要是借助于地震波研究的成果地震波主要包括纵波(P波)、横波(S波)和面波，其中对地球内部构造研究有意义的是纵波和横波质点的振动方向与地震波传播方向一致的波称纵波；质点的振动方向与地震波传播方向垂直的波称横波地震波从地震的震源激发向四面八方传播，到达地表的各个地震台站后被地震仪所记录下来根据这些记录，人们可以推断地震波的传播路径、速度变化以及介质的特点，了解地球的内部构造一、地球内部圈层的划分依据地震波的传播如同光波一样，当遇到不同波速 介质的突变界面时，地震波射线就会发生反射和折 射，这种界面称为波速不连续面地震波的传播速度总体上是随深度而递增变化 的但其中出现2个明显的一级波速不连续界面、1 个明显的低速带和几个次一级的波速不连续面1）莫霍洛维奇不连续面(简称莫霍面)出现的 深度在大陆之下平均为33km，在大洋之下平均为 7km在该界面附近，纵波的速度从7.0km/s左右 突然增加到8.1km/s左右；横的速度也从4.2km/s突 然增至4.4km/s。

2）古登堡不连续面(简称古登堡面)位于地下2885 km的深处，在此不连续面上下，纵波速度由13.64km/s突然降低为7.98km/s，横波速度由7.23 km/s向下突然消失，并且地震波出现极明显的反射、折射现象低速带(或低速层)出现的深度一般介于60～250 km之间，接近地幔的顶部，在低速带内，地震波速度不仅未随深度而增加，反而比上层减小5％～10％左右 地球的内部构造以莫霍面和古登堡面划分为地壳、地幔和地核三个主要圈层根据次一级界面，还可以把地幔进一步划分为上地幔和下地幔，把地核进一步划分为外地核、过渡层及内地核在上地幔上部存在着一个软流圈，软流圈以上的上地幔部分与地壳一起构成岩石圈以我目前对地球内部各圈层物质密度大小与分布的 计算，主要是依靠地球的平均密度、地震波传播速 度、地球的转动惯量及万有引力等方面的数据与公 式综合求解而得出的密度：计算结果表明，地球内部的密度由表层 的2.7-2.8 g/cm3向下逐渐增加到地心处的 12.51g/cm3，并且在一些不连续面处有明显的跳跃 ，其中以古登堡面(核幔界面)处的跳跃幅度最大， 从5.56g/cm3剧增到9.98g/cm3；在莫霍面(壳幔界面) 处密度从2.9g/cm3左右突然增至3.32g/cm3。

二、地球内部的主要物理性质地球内部圈层结构及各圈层的主要地球物理数据重力：地球吸引力和离心力的合力就是重力 地球的离心力相对吸引力来说是非常微弱的，其最 大值不超过引力的1/288，因此重力的方向仍大致指向地心地球周围受重力影响的空间称重力场重力场的强度用重力加速度来衡量，并简称为 重力(单位为伽或毫伽：1Gal=1cm/s2=103mGal)地球表面各点的重力值因引力与离心力的不同呈现一定的规律性变化重力值具有随纬度增高而 增加的规律，赤道处重力值为978.0318Gal，两极 为983.2177Gal，两极比赤道增加5.1859Gal地球内部圈层结构及各圈层的主要地球物理数据地温：温度在地球内部的分布状况称为地温场通常把地表常温层以下每向下加深100 m所升高的温度称为地热增温率或地温梯度(温度每增加1℃所增加的深度则称为地热增温级)根据推算，在莫霍面处的地温大约为400-1000℃，在岩石圈底部大约为1100℃，在上、下地幔界面附近(约650km深处)大约为1900℃，在古登堡面(核幔界面)附近大约为3700℃，地心处的温度大约为4300-4500℃地球内部圈层结构及各圈层的主要地球物理数据磁性：地球周围存在着磁场，称地磁场。

地 磁场近似于一个放置地心的磁棒所产生的磁偶极子 磁场，它有两个磁极，S极位于地理北极附近，N 极位于地理南极附近两个磁极与地理两极位置相 近，但并不重合，磁轴与地球自转轴的夹角约为 15°地磁场的磁场强度是一个具有方向(即磁力线 的方向)和大小的矢量，为了确定地球上某点的磁 场强度，通常采用磁偏角、磁倾角和磁场强度三个 地磁要素地磁场由基本磁场、变化磁场和磁异常 三个部分组成地球内部圈层划分(地壳、地幔、地核)三、地球内部圈层划分地壳是莫霍面以上的地球表层其厚度变化在5－70 km之间其中大陆地区厚度较大，平均约为33km；大洋地区厚度较小，平均约7 km；总体的平均厚度约16km，约占地球半径的1/400，占地球总体积的1.55％，占地球总质量的0.8％地壳物质的密度一般为2.6－2.9g/cm3，其上部密度较小，向下部密度增大地壳为固态岩石所组成，包括沉积岩、岩浆岩和变质岩三大岩类地幔是地球的莫霍面以下、古登堡面(深2 885 km)以上的中间部分其厚度约2850km，占地球总体积的82.3％，占地球总质量的67.8％，是地球的主体部分从整个地幔可以通过地震波横波的事实看，它主要由固态物质组成。

根据地震波的次级不连续面，以650km 深处为界，可将地幔分为上地幔和下地幔两个次级圈层地核是地球内部古登堡面至地心的部分，其体积占地球总体积的16.2％，质量却占地球总质量的31.3％，地核的密度达9.98～12.5g/cm3 根据地震波的传播特点可将地核进一步分为三层：外核(深度2885～4170 km)、过渡层(4170～5155 km)和内核(5155 km至地心)在外核中，根据横波不能通过，纵波发生大幅度衰减的事实推测其为液态；在内核中，横波又重新出现，说明其又 变为固态；过渡层则为液体—固体的过渡状态地球内部各圈层之间的界面（包括相变界面），其实都不是一个截然的界面，而是一个过渡带的特点，在这个薄带内，具有上、下部物质混杂的特征整个固态地幔的温度在1000～3500℃之间，其地温梯度仅为0.088℃／100ｍ，相当于地壳内平均地温梯度的１／33．这种较低增温幅度在硅酸盐岩石内的热传导是很微弱的 研究认为，地幔内存在由深部到浅部的热对流，即可能由少量（约百分之几）氢、氮、碳、氧化物或硫化物以流体的形式在晶体 间隙、矿物颗粒间或岩石缝隙中流动，以保持地幔从下到上温度变 化较小另外，地幔内部并不是均质的，某些部分积聚的热量较多 ，可能成为热流向上运移的部位，称为地幔羽或地幔柱；较冷的地 幔热流体向下运动，这样就形成地幔内的热对流。

地幔热对流既有 全地幔大对流，又有分层对流 第二节 地球的外部圈层一、大气圈二、水圈三、生物圈（四）、大气的运动一、大气圈（一）、大气的组成（二）、大气圈的结构（三）、大气的热状况大气圈(atmosphere)是因地球引力而聚集在地表周围的气体圈层大气是人类和生物赖以生存必不可少的物质条件，也是使地表保持恒温和水分的保护层，同时也是促进地表形态变化的重要动力和媒介大气圈的总质量约5×1018kg，其中绝大部分分布在大气圈的下层自然状态下的大气是多种气体的混合物，主要由氮、氧、二氧化碳、水及一些微量惰性气体组成但是随着人类活动的日益增强和工业化的发展，大气中的有毒、有害物质和悬浮颗粒也明显增多就大气的组成成分而言，可分为恒定组分、可变组分和不定组分3种一）、大气的组成成分的分类及其特点：（1）、恒定组分：氮、氧、氩（2）、可变组分：二氧化碳、臭氧、水蒸汽（3）、不定组分：粉尘、硫氧化物、氮氧化物注意：我们现在讲的都是现阶段的大气组成，而且是低层 大气的组分（70km以下）高层大气以氮、氧、氢等的原子、离子为主地质历史时期的大气组分与现今也是不一样的氮，78.09％氧，20.94％氩，0.93%其他，0.04％恒定组分主要成分按体积计算按质量计算氮，75.51％氧，23.15％氩，1.28％其他，0.06％大气圈的下界通常是指地表，但在地面以下的松散堆积物及某些岩石中也含有少量空气，它们 是大气圈的地下部分，其深度一般小于3km；其上 界并无明确的界限，一般认为在2000～3000 km的高空向行星际尘埃的密度过渡。

大气圈在垂直方向 上的物理性质有显著的差异，根据温度、成分、电 荷等物理性质，以及大气的运动特点，可将大气圈 自地面向上依次分为对流层、平流层、中间层、暖 层及散逸层二）、大气圈的结构大气圈分层的主要依据：(1)、物质组成(2)、大气温度变化(3)、电荷(4)、大气运动大气圈的垂直分层对流层厚度：平均11－13km，赤道17－18km，两极8－9km气温：从下向上是降温的，大气降温率是6.50C/km ，对流层顶约-830C大气运动：强烈的对流成分：含水蒸气、尘埃气象现象：风、霜、雨、雪、雹、雾等质量：约占大气圈质量的75％大气圈的垂直分层平流层高度：从对流层顶到55km质量：占大气圈质量的25％气温：从下向上是升温的，到平流层的顶温度升到 00C大气运动：水平运动成分：几乎不含水蒸气、尘埃，存在数层臭氧层无天气现象大气圈的垂直分层中间层高度：从平流层顶到80－90km气温：从下向上是降温的，到中间层的顶温度降到 -800C大气运动：对流运动存在电离层（D），反射无线电波大气圈的垂直分层暖层高度：从中间层顶到800km气温：从下向上迅速升温，到300km高空，温度达 10000C存在多层的电离层（E、F、G），也称电离层。

大气圈的垂直分层散逸层高度：从暖层顶到外层空间物质：多以原子、离子状态存在是地球物质向宇宙空间扩散的部位大气圈的垂直分层大气的热量分布状况是产生各种大气现象和过 程的根本原因炽热的太阳以电磁波的形式源源不 断地向宇宙空间放射能量称为太阳辐射太阳辐射 的能量主要集中在波长较短的可见光部分，所以人 们把太阳辐射称为短波辐射太阳辐射是地球表面最主要的能量来源平流 层中的臭氧能强烈地吸收波长较短的紫外线；对流 层中的水汽和二氧化碳等主要吸收波长较长的红外 线；但能量最多的可见光却很少被大气吸收,能够 穿透大气射到地面上来大气直接吸收的太阳辐射 能量是很少的(约为19%)三）、大气的热状况气温是指大气的温度在同一地点，由于地球 的自转使太阳辐射强度发生昼夜更替，从而导致气 温日变化一天之中，最低气温出现在日出前后， 直至午后2点 左右达到最高，以后开始逐渐降低 同一地点的气温因地球公转引起的季节变换而发生 气温年变化气温的年变化通常用多年来各月平均 气温的变化来表示就北半球来说，大陆上最高月 平均气温出现在7月(海洋上为8月)；大陆上最低气 温出现在1月(海洋上为2月)一年中最高月平均气 温与最低月平均气温之差反映出一地在一年中气温 变化的幅度，是划分气候类型的重要依据。

大气运动的产生及形式取决于气压的作用一个地方的气压随高度增加而降低，影响气压随高度变化的原因主 要是该地上空大气柱的高度和密度；在水平方向上，由于气温差异也会引起该方向上的大气密度的变化，并产生气压的水平变化由于大气在垂直 或水平方向上存在气压差，从而产生了气压梯度力，它的 方向是沿着垂直于等压面方向由高压区指向低压区，其大 小为这个方向上单位距离内气压的改变量气压梯度力可 分为水平气压梯度力和垂直气压梯度力真正造成大气水 平运动的力是水平梯度力此外，运动的大气还会受到地 转偏向力、惯性离心力及摩擦力的作用四）、大气的运动（二）、水圈的循环二、水 圈（一）、水圈的组成水圈(hydrosphere)是指由地球表层水体所构成的连续圈层水是一切生物生存必不可少的物质条件，对地球表层环境的形成和改造起到重要的作用自然界的水以气态、 固态和液态三种形式存在于大气圈、生物圈、海洋与大陆表层之中地球水体的总质量1.5×1018t，体积约1.4×1018m3，其中，海洋水约占 97.212％，大陆表面水约占2.167％，地下水为0.619％，大气水占0.001％如果设想将。