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地球內(nèi)部密度的計(jì)算與分布,從地表到地心的奧秘

更新時(shí)間:2024-06-13 文章作者:佚名 信息來源:網(wǎng)絡(luò)整理 閱讀次數(shù):33次

地球內(nèi)部的主要物理性質(zhì)包括密度、壓力、重力、溫度、磁性和彈塑性。IHT物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

(1) 密度IHT物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

根據(jù)引力公式,地球的質(zhì)量為5.974×1021 t,地球的平均密度為5.516 g/cm3。然而,測(cè)得的地表巖石平均密度僅為2.7~2.8 g/cm3,因此可以肯定的是,地球內(nèi)部一定有更致密的物質(zhì)。IHT物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

目前,地球各圈物質(zhì)密度和分布的計(jì)算主要基于地球平均密度、地震波傳播速度、地球轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和引力的數(shù)據(jù)和公式。結(jié)果表明:地球內(nèi)部密度從地表的2.7~2.8 g/cm3逐漸增加到地心的12.51 g/cm3,在一些不連續(xù)點(diǎn)處有明顯的跳躍,其中古騰堡表面(地核-地幔界面)的跳躍幅度最大,從5.56 g/cm3增加到9.98 g/cm3。莫霍地表(殼-地幔界面)的密度從約2.9 g/cm3突然增加到3.32 g/cm3。各層密度的大小和變化如圖3-3a和表3-1所示。IHT物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

圖3-3 地球內(nèi)部的主要物理性質(zhì)IHT物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

(2) 壓力IHT物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

地球內(nèi)部的壓力是指不同深度的單位面積壓力,本質(zhì)上是壓力。在地球內(nèi)部的某個(gè)點(diǎn)上,來自地球周圍各個(gè)方向的壓力大致相等,其值與該點(diǎn)上方覆蓋的物質(zhì)的質(zhì)量成正比。地球內(nèi)部的這種壓力也稱為靜壓或圍壓,根據(jù)靜壓平衡公式可以表示為 p=hρhgh(即靜壓 p 等于地球質(zhì)量在一定深度 h 及以上的平均密度 ρh 與平均重力加速度 gh 的乘積)。IHT物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

因此,地球內(nèi)部的壓力總是隨著深度的增加而逐漸和持續(xù)地增加。如果我們知道地球內(nèi)部物質(zhì)的密度和分布,我們可以找到不同深度的壓力值。例如,如果地殼的平均密度約為 2.75 g/cm3,那么深度每增加 1 公里,壓力將增加約 27.5 MPa。計(jì)算表明,莫霍地表的壓力值約為1200 MPa,古騰堡地表的壓力值約為MPa,地心的壓力值約為MPa。圖3-3b和表3-1顯示了地球內(nèi)部每個(gè)球體中壓力的大小和變化。IHT物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

(3) 重力IHT物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

地球上的任何物體都會(huì)受到地球的引力和地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力。地球引力和離心力的合力是重力()。地球的離心力相對(duì)于引力很弱,其最大值不超過萬有引力的1/288,因此重力方向仍大致指向地心(圖3-4)。地球周圍空間中受重力影響的引力場(chǎng)。引力場(chǎng)的強(qiáng)度是通過引力加速度來衡量的,簡稱為重力(以加侖或毫加侖為單位)。IHT物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

圖3-4 重力、慣性離心力與重力關(guān)系示意圖IHT物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

磁場(chǎng)的基本性質(zhì)是什么IHT物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

由于重力和離心力之間的差異,地球表面每個(gè)點(diǎn)的引力值都顯示出一定的規(guī)律變化。根據(jù)萬有引力定律(F=Gm1 m2/r2),地球表面的引力與地球半徑的平方成反比,地球半徑接近赤道半徑稍大、極地半徑稍小的扁球體。因此,地球兩極的引力值最大,并且向赤道遞減,減少可以達(dá)到約1.8 cm/s2。根據(jù)離心力公式(C=mω2 r),在相同角速度下,地球表面各點(diǎn)的離心力與其與地球自轉(zhuǎn)軸的垂直距離成正比。因此,離心力在赤道處最大,高達(dá) 3.4 cm/s2,用于抵消重力。兩極的離心力逐漸減小到零,因此在重力和離心力的共同作用下,重力值隨緯度的增加而增大,赤道重力值為978.0318 cm/s2,兩極為983.2177 cm/s2,兩極與赤道相比增加5.1859 cm/s2。IHT物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

在地球內(nèi)部,重力根據(jù)深度而變化。由于地球內(nèi)部的慣性離心力變?nèi)酰厍騼?nèi)部的引力可以簡單地認(rèn)為是重力。地球一般是由均勻的同心球體組成的球體,在這樣的球體內(nèi),影響重力大小的不是地球的總質(zhì)量,而只是深度以下的質(zhì)量。例如,當(dāng)粒子位于地下2885 km深度的地核-地幔界面處時(shí),只有核心對(duì)粒子有引力磁場(chǎng)的基本性質(zhì)是什么,而地殼和地幔對(duì)粒子的引力相互抵消,因?yàn)樗菆A形的。根據(jù)上述原理,利用地球內(nèi)部密度分布規(guī)律可以得到地球內(nèi)部不同深部的引力值。從地表到地下2885 km的地核-地幔界面,重力值總體上隨著深度的增加而增加,但變化不大物理資源網(wǎng),在2885 km處達(dá)到最大值(約1069 cm/s2)。這是因?yàn)榈貧ず偷蒯5拿芏鹊停睾说拿芏雀撸虼速|(zhì)量遞減對(duì)重力的影響小于距離遞減的影響。從到地心2885公里處,隨著質(zhì)量逐漸減小到零,重力也從最大值迅速降低到零,如圖3-3c和表3-1所示。IHT物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

(4) 溫度IHT物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

礦井溫度隨著深度的增加而升高,溫泉和火山噴出熾熱的巖漿等事實(shí)都告訴我們,地球內(nèi)部是熱的。地球內(nèi)部溫度的分布稱為場(chǎng)。IHT物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

在地殼表層,由于太陽輻射熱的影響,其溫度經(jīng)常晝夜變化,季節(jié)和多年周期,這一層稱為外熱層。熱層的平均深度約為15米,最大深度只有幾十米。在外熱層的下邊界,溫度常年保持恒定,等于或略高于年平均溫度,這個(gè)深度帶稱為常溫層。在正常溫度層以下,由于地球內(nèi)部熱源的影響,溫度開始隨著深度的增加而增加。地表溫度層以下每向下加深100 m,溫度升高通常稱為地?zé)嵘郎厮俾驶虻責(zé)崽荻龋?) (溫度每升高1°C的深度稱為地?zé)嵘郎厮剑J澜绮煌貐^(qū)的地?zé)崽荻炔槐M相同,例如華北平原約為2.5~3.5°C/100 m,大慶油田可達(dá)到4.5 °C/100 m。根據(jù)測(cè)量,地球表面的平均地?zé)崽荻燃s為 3 °C/100 m。海床地?zé)崽荻纫话銥?~8 °C/100 m,大陸地?zé)崽荻葹?~5 °C/100 m,海床地?zé)崽荻让黠@高于大陸。IHT物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

地?zé)崽荻仁窃诘貧\層測(cè)得的平均值,一般只適合粗略估計(jì)地殼淺層(地殼內(nèi))地?zé)釡囟鹊姆植迹贿m用于整個(gè)地球內(nèi)部。如果以3°C計(jì)算100米的平均升溫,地殼底部的地溫將超過900°C,地球溫度到地心將達(dá)到驚人的°C。事實(shí)上,地?zé)崽荻入S著深度的增加而減小。地球深處的溫度分布主要由地震波的傳播速度與介質(zhì)的熔點(diǎn)溫度之間的關(guān)系得出。根據(jù)最新預(yù)測(cè),莫霍地表地面溫度約為400~1000°C,巖石圈底部約為1100°C,上下地幔界面(約650 km深)附近約為1900 °C,古騰堡地表(地核-地幔界面)附近約為3700 °C,地心約為4300~4500 °C(圖3-3d, 表 3-1)。IHT物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

由于熱量從高溫傳播到低溫的性質(zhì),地球內(nèi)部的高溫?zé)崮芸偸莻鞑サ降乇恚⑼ㄟ^對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射的方式流失到外層空間。目前,全球平均實(shí)測(cè)地?zé)嵬恐导s為61.3 mW/m2(mW讀數(shù)毫瓦),大陸表面熱通量平均值(61.0 mW/m2)與海底熱通量平均值(61.5 mW/m2)基本相同。地表不同區(qū)域的地?zé)嵬棵芏戎挡煌话阍谝恍?gòu)造活動(dòng)區(qū)(如年輕山脈、洋中脊、火山、島弧等)熱通量值較高,而在一些構(gòu)造穩(wěn)定區(qū),熱通量密度值較低。IHT物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

地表熱通量密度或地?zé)崽荻让黠@高于區(qū)域平均值或背景值的區(qū)域稱為地?zé)岙惓^(qū)。地?zé)岙惓?捎糜谘芯康刭|(zhì)結(jié)構(gòu)的特征(包括地震活動(dòng)),并且在礦物(如金、油等)的形成和分布中也起著重要作用。地?zé)崮芤彩且环N重要的自然資源,地?zé)崽锟捎糜诎l(fā)電、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、旅游和民用。IHT物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

(5)磁場(chǎng)IHT物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

圖3-5 地球偶極子磁場(chǎng)IHT物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

地球周圍有一個(gè)磁場(chǎng),稱為磁場(chǎng)。地磁場(chǎng)類似于放置在地心的磁棒產(chǎn)生的磁偶極子磁場(chǎng)(圖3-5),它有兩個(gè)磁極,S極靠近地理北極,N極靠近地理南極。兩個(gè)磁極靠近地理極點(diǎn),但不重合,磁軸與地球自轉(zhuǎn)軸之間的角度約為11.5°。以地磁極和地磁軸為參照系確定的北極、南極、赤道、子午線稱為磁南極、磁北極、磁赤道、磁子午線。1980年,在北緯78.2°和西經(jīng)102.9°(加拿大北部)測(cè)量了磁北極,磁南極在南緯65.5°和東經(jīng)139.4°(南極洲)。長期觀測(cè)證實(shí),地磁極正在地理兩極周圍緩慢遷移。IHT物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

地磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度是具有方向(即磁力線的方向)和大小的矢量,為了確定地球上某一點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度,通常用三個(gè)地磁元素來描述:磁偏角、磁傾角和磁場(chǎng)強(qiáng)度(圖3-6)。IHT物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

圖3-6 地球磁場(chǎng)強(qiáng)度和地磁元素的矢量圖IHT物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

磁偏角是磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量的水平投影與正北方向的夾角,即磁子午線與地理子午線的夾角。如果磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量的方向在正北方向上偏向東,則稱為東,如果磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量在正北方向上偏向西,則稱為西。我國東部的磁偏角偏角向西,甘肅省酒泉以西多為東。IHT物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

磁傾角是磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量與水平面相交的角度磁場(chǎng)的基本性質(zhì)是什么,通常磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量朝下為正,向上時(shí)為負(fù)。磁赤道處的磁傾角為0°;從磁赤道到磁北極的磁傾角從0°逐漸變?yōu)?90°。從磁赤道到磁南極的磁傾角從0°逐漸變?yōu)?90°。IHT物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小是指磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量的絕對(duì)值。地磁場(chǎng)的強(qiáng)度非常弱,平均為50μT(T是Te[Sla]的符號(hào));在磁力線密集的地磁極附近,強(qiáng)度最高,約為60 μT。強(qiáng)度從磁極到磁赤道逐漸減弱;它是磁赤道附近最小的,為30.7 μT。IHT物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

現(xiàn)代對(duì)地磁場(chǎng)的研究已經(jīng)指出,地磁場(chǎng)由基礎(chǔ)磁場(chǎng)、變磁場(chǎng)和磁異常三部分組成。IHT物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

基本磁場(chǎng)占據(jù)了99%以上的磁場(chǎng)強(qiáng)度,是構(gòu)成地磁場(chǎng)主體的穩(wěn)定磁場(chǎng)。它確定地磁場(chǎng)與偶極子場(chǎng)相似,其強(qiáng)度在地表附近較強(qiáng),在離地表較遠(yuǎn)時(shí)逐漸減弱。這些特征表明,基本磁場(chǎng)起源于地球內(nèi)部。至于基本磁場(chǎng)的起源,人們過去認(rèn)為地球本身就是一個(gè)巨大的永磁體,在它周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)。但現(xiàn)代物理學(xué)已經(jīng)證明,當(dāng)物質(zhì)的溫度超過居里點(diǎn)時(shí),鐵磁體本身就會(huì)失去磁性。鐵磁體的居里溫度為500~700°C,而地球深處的溫度遠(yuǎn)高于這個(gè)值,因此地球內(nèi)部不可能是一個(gè)巨大的磁體。關(guān)于地磁場(chǎng)起源的流行假說是自激運(yùn)動(dòng)假說。這一假說表明,地磁場(chǎng)主要起源于地球內(nèi)部的外核。由于外核可能是液態(tài)的,主要由鐵和鎳組成,因此它可能是易受差分運(yùn)動(dòng)或?qū)α饔绊懙膶?dǎo)電流體層。如果地核空間存在弱磁場(chǎng),上述差動(dòng)或?qū)α鲿?huì)感應(yīng)出電流產(chǎn)生新的磁場(chǎng),從而增強(qiáng)原有的弱磁場(chǎng)。增強(qiáng)的磁場(chǎng)增加了感應(yīng)電流并導(dǎo)致磁場(chǎng)進(jìn)一步增強(qiáng)。這樣,磁場(chǎng)在一定程度上增強(qiáng)并穩(wěn)定下來,從而形成了目前的基本地磁場(chǎng)。IHT物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

變磁場(chǎng)是起源于地球之外并疊加在基本磁場(chǎng)上的各種短期變化磁場(chǎng)。它只占磁場(chǎng)的很小一部分(<1%)。這種磁場(chǎng)主要是由太陽輻射、來自太陽的帶電粒子流動(dòng)以及太陽的太陽黑子活動(dòng)等因素引起的。因此,它通常包含由太陽黑子活動(dòng)引起的晝夜變化、年變化和磁暴(即更劇烈的變化)。IHT物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

磁異常()是由地球淺層的磁性礦物和巖石引起的局部磁場(chǎng),它們也疊加在基本磁場(chǎng)之上。一個(gè)區(qū)域或位置的磁異常可以通過校正變化磁場(chǎng)的測(cè)量地磁場(chǎng)并減去基本磁場(chǎng)的法線值來獲得。如果得到的值為正,則稱為正磁異常,如果為負(fù)值,則稱為負(fù)磁異常。自然界中的一些礦物或巖石具有很強(qiáng)的磁性,如磁鐵礦、鉻鐵礦、鈦鐵礦、鎳礦石、超基性巖等,往往會(huì)引起正異常。因此,磁異常可用于勘探、勘探和了解地下地質(zhì)。IHT物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

(6)彈塑性IHT物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

地球是有彈性的,這表現(xiàn)在地球內(nèi)部可以傳播地震波,因?yàn)榈卣鸩ň褪菑椥圆āL柡驮铝恋囊梢允购K鸱闯毕F(xiàn)象,用精密儀器對(duì)表面的觀察表明,表面的固體表面在太陽和月亮的引力作用下也有交替波動(dòng),其振幅為7~15厘米, 這種現(xiàn)象稱為固體潮汐,這也表明固體地球是有彈性的。同時(shí),地球也表現(xiàn)出可塑性。地球自轉(zhuǎn)的慣性離心力可以增加地球赤道的半徑,變成橢球體,說明地球是可塑的。在野外,經(jīng)常觀察到一些巖石強(qiáng)烈彎曲而沒有斷裂或斷裂,這也表明固體地球是可塑的。地球的彈性和可塑性并不矛盾,它們?cè)诓煌臈l件下表現(xiàn)出來。例如,在速度快、持續(xù)時(shí)間短的力(如地震力)的條件下,地球通常表現(xiàn)為彈性體;在緩慢而持久的力(如地球自轉(zhuǎn)離心力和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)力)條件下或在地下深處的高溫高壓條件下,都能表現(xiàn)出較強(qiáng)的塑性。IHT物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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