动力地质学原理

第一章 地 球

第一节 宇宙

宇宙:古人称“四方上下曰宇，古往今来曰宙”。宇宙是无限、永恒、不断运动变化的客观物质世界。“宇”是空间的概念，是无边无际的；“宙”是时间的概念，是无始无终的。

一、宇宙中的天体和物质 ：

宇宙的统一性在于它的物质性，即任何宇宙空间无一不是物质的或由物质构成的。但宇宙中的物质存在于多种形式，一部分物质以电磁波、星际物质等形式呈连续状态弥散在宇宙空间；另一部分物质则积聚、堆积成团，表现为各种堆积形态的聚集实体。如地球、月球、行星、恒星和星云等。把包括星际物质和各种积聚态实体在内的所有宇宙星体统称为天体。

宇宙中的天体和物质: ,恒星（star）,星际物质——星际云——星云

（一）、恒星（star） ： 恒星是由炽热气体组成的、自身能够发光的球形或类似球形的天体。其主要特征是：

1、宇宙最重要的天体，集中了宇宙中相当大的能量；

2、构成恒星的主要气体为氢、次为氦，其他元素少；

3、拥有巨大质量是恒星能发光的基本原因；

4、体积悬殊，小则直径千km，大者为太阳的2000倍；

5、平均密度相差悬殊；

6、距地球非常遥远，最近的半人马座a星4.3 l·y；

7、恒星不恒，一直在运动。

（二）星际物质、星际云和 星云：

1、星际物质：在恒星与恒星之间 存在广阔的空间，称为星际空间。弥漫于星际空间内极其稀薄的物质称为星际物质，包括星际气体和星际尘埃。

2、星际云 ：星际物质的密集形式。

3、星云： 星际物质更加庞大和更加密集的形式，呈云雾状。

（三）天体系统（sphere systems）和星系：

宇宙中物质是运动的，并有一定的系统和规律，相互吸引和旋转，形成不同层次的天体系统。如月地系统，太阳系、银河系等。

二、宇宙的起源 ：

20世纪初，天文学家斯里弗尔（V.M.Slipher）发现星系以每秒数十万米高速退行；

1929年，哈勃（E.P.Hubble）观测到河外星系退行资料，离我们愈远退得愈快；

1916年，爱因斯坦（A.Einstien）提出广义相对论，演绎出宇宙在膨胀的理论；

天文学家继续观测证明，宇宙在膨胀；宇宙大爆炸的产物; 距离今约 150亿年。

第二节、银河系与太阳系

一、银河系（milk way systen）：是一个由大约1400亿颗恒星和大量星际物质组成的庞大系统。正面成旋涡状，侧面呈中间厚边缘薄的扁饼状。银河系的直径约10万光年。中心称银核，直径约1万光年；核外边缘称银盘；银盘的中心平面称为银道面。银河系的所有天体大体顺着银道面绕核心快速旋转运动，这种运动称为银河系自转。

二、太阳系（solar system）：以太阳为中心并受太阳引力支配的天体系统。

（一）太阳系的主要特征：

1、太阳：太阳是其中唯一的一颗恒星，占太阳系质量的99.87%，发出强光和热。太阳外部大气中有73种元素，其中氢为71%，氦为26.5%，氧、碳、氮、氖等气体攻占2%，镁、硅、镍、硫、钙等占0.4%，其余60多种元素占不足0.1%。太阳内部：主要由氢构成，中心

密度达160g/cm3, 压力为3.4X108Pa，温度高达15X108℃。在这里氢发生热核反应转变成氦（He）放出巨大的能量，这就是太阳发出光和热的能源。

光球层：太阳表面是光球层，他金光夺目，平均温度高达5500℃，厚约3000㎞，不断发出光和热，传向四面八方。只有约22亿分之一辐射到地球，造成地表合适的气温，为

地球生命的存活创造了条件。在光球层中常常出现大小不等的黑斑点，称为太阳黑子；黑子出现可引起磁暴，影响地磁场和无线通信。

色球层：光球层外面是色球层，呈玫瑰红色，向外不断喷出锯齿状火焰，温度高达数万度，厚约7000㎞。在色球层上空常常喷出高达数千公里的火舌，称为日珥；有时可出现巨大的亮点，称为耀斑；耀斑可发出强烈的电磁辐射和各种射线，引起地磁场和气候变化。

日冕：色球层之外为日冕，是太阳最外层稀薄的“大气”，该层呈亮白色，温度高达100万度以上。

2、行星与卫星：

围绕太阳旋转的是8大行星，小行星带及卫星、陨星和彗星等；太阳系天体以太阳为中心作高速旋转，自转和公转方向相同；行星分布及运转几乎都在一个共同平面内，该平面叫赤道面。

靠近太阳的4颗行星分别是水星、金星、地球和火星，他们的大小和物理性质与地球相似，称为类地行星；外侧的木星、土星、天王星和海王星四颗星个体较大，物理特性与木星相似，称为类木行星。

3、小行星带：在火星与木星之间，也就是内圈星与外圈行之间有一个相对集中的小行星带。

4、卫星：围绕行星运转的星体称为卫星。木星有12颗卫星，土星有23颗卫星，地球有1颗卫星----月球。

5、陨星：在太阳系还有一些无固定外形和轨道飞行的固态块体，称为陨星。他们有些会坠入个行星表面，当然也有少数到达地球。体积小的陨星在进入大气层时就烧化了，只留下一道流光，称为流星。

一些大的陨星进入大气层可因摩擦迅速升温而爆炸，没烧尽的落在地面形成陨石，散落较多的称陨石雨。

6、陨石：分石陨石、铁陨石和过度类型的石铁陨石三类。这是天赐的宇宙物质标本，对研究天体的物质组成、结构和演化有重要意义。

（二）太阳系的起源

康德—拉普拉斯星云假说。1775年，哲学家康德（I.kant）认为，在万有引力作用下，原始弥漫物质逐渐分别凝聚，形成了太阳系内的各天体；1796年，法国科学院院士拉普拉斯（place）从数学和力学角度进行了阐述：太阳系本是一团旋转的炽热气体，由于冷却收缩，越转越快，离心力加大，变得扁如圆盘；当外缘离心力大于引力时，一部分物质被抛出，成为圆环；抛出物分离，凝结成行星；行星周围的卫星也有类似形成过程；星云中心成为太阳。

第三节、地球的物理性质

一、地球的形状与大小：

地球是太阳系自内向外的第三颗行星。距离地球约为1.496X10的8次方公里（一个天文单位）。公转一周约365.256d。自转一周的时间为23小时56分4秒。

1、形状：古人认为地球是方的，有“天圆地方”之说。后来经过环球航行，才弄清地球是圆的。由于地球表面起伏不平，决非光滑的球面，也称为地球体。实际上是一个近似的三轴椭球体。我们现在说的地球形状指大地水准面所圈闭的形状。 大地水准面（geoid）----由平均海平面所构成并延伸通过陆地的封闭曲面。

地球的真实形状略呈梨形，南极向内下凹30m，北极向上凸出约10 m。

2、大小：国际大地测量与地球物理联合会（1980）公布地球大小主要数据：

赤道半径： a=6378.137km; 赤道周长 40075.7km;

两极半径： c=6356.752km; 子午线周长 40008.08km;

平均半径： 6371.012km; 表面积 5.101X108km2；

扁率： a-c/a=1/298.257 体积 10832X108km3

二、地球的重力（gravity）；

地球表面某点的重力是该点所受地心引力和绕轴旋转的离心力的合力。具有随纬度增高而增加的规律。重力在地球内部0km—2900（或2885）km递增，地表（0km）为981Gal,在33~35km处为983Gal，650km处为995Gal，2885km为1069Gal，且达最大值；2900（2885）km往地心递减，最终变为0反映地内物质的密度存在巨大变化。

三、地球的密度和压力：

1、密度（density）： 密度=质量/体积；0km处密度约2.6g/cm3；＜33km处密度约2.9g/cm3；＞33km处密度约3.32g/cm3；＜2900（2885）km处密度约5.56g/cm3；＞2900（2885）km处密度约9.98g/cm3；内核处为12.51 g/cm3；总体规律：从地表到地心，密度逐渐增大，在33km、2900(2885)km以及其他深度，密度突然增高。

2、压力（compressive stress）： 静压力，即压强（intensity of pressure）随深度增加压力不断增加； 33km处为1200Mpa，2900(2885)处为135200Mpa，地心处可达361700Mpa。

四、地球的温度（temperature）：

地表的火山、温泉都告诉我们，地球的内部是炽热的。据地内温度分布可分为三层：

1、变温层（外热层）：地表受太阳影响，温度一年四季，白天黑夜呈周期变化的表层。

2、常温层：在外热层之下界一个厚度不大的地带，其地温常年保持不变。

3、内热层：在常温层之下，由地球内热提供热量，使温度随深度增加而有规律的升高。

地温增量有如下两种表达方式：

地热增温率或地温梯度（geothermal gradient）—常温层之下，每向下加深100m所升高的温度，平均3℃。

地热增温级—温度每增加1℃所增加的深度，是地温梯度的倒数。33km处约400℃—1100℃，2885km处为3700℃，地核高达4500℃。

所以地内热量主要用于造山作用和推动地壳水平运动；太阳热引起大气运动、风化作用等外动力地质作用。

五、地球的磁场（magnetic field）：

地球周围存在着磁场，称为地磁场（geomagnetic field）。 地磁场主要要素（geomagmetic ）有：

1、磁偏角：磁场强度矢量的水平投影与正北方向的夹角，即磁子午线与地理子午线之间的夹角。

2、磁倾角：磁场强度矢量与水平面的交角。

3、磁场强度：磁场大小的绝对值，平均为50μT。

4、磁异常（magnetic anomaly）：地球浅部具磁性物质引起的局部异常。 地磁场不稳定，有三种变化：1、磁场强度变化；2、地磁极的移动；3、地磁极性变化。

六、地球的弹塑性：

地球既有弹性特征，也有塑性变形特征。

1、地球具有弹性：表现在地球内部能传播地震波，因为地震波是弹性波。地表的固体岩石在日、月引力的作用下也有交替的涨落现象，其幅度为7—8cm,这种现象称为固体潮。

2、地球具有塑性：地球是旋转椭球体；地球中的韧性变形。

第四节 地球的结构

一、地球的内部圈层

1、划分依据：

最初，地质学主要是通过对地表出露的岩石、地下矿井直接观察地球内部进行研究。其深度只有几千米，最深的钻井也只有12.5 公里。从地表海拔最高点加上最深的钻井也只有20来公里，和地球的半径相比只能说是皮毛。

后来，开始利用地震波进行研究，可以了解整个地球的内部结构。

地震波分纵波、横波和面波，面波只沿地面传播，因此在地球内部主要通过纵波和横波来研究。纵波质点的振动方向与地震波的传播方向一致，横波质点的振动方向与地震波的传播方向垂直。因此横波不能通过液态物质。