地概复习.docx
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地概复习
绪论
一、地球科学概况
1、四大起源问题：
人类、生命、地球、行星
2、地球科学框架：
固体地球科学：
地质学，地球物理学，地球化学，大地测量学
大气科学：
大气物理，大气化学，大气动力学
海洋科学
土壤科学
环境科学
3、C.S.H：
地球科学
•Composition（组成）:
岩石学.矿物学.地球化学.同位素地球化学.
•Structure（构造）：
地球物理学.构造地质学.全球构造.
•History（历史）：
地史学.古生物学.全球变化.
地震学—地球物理学—地球科学
4、地学发展简史：
1735年Geology-----1790-----课堂
水火不相容：
Hutton－火成论
Werner－水成论
岩石的形成既有火成又有水成
均变与灾变：
C.lyell1830《地质学原理》
Cuvier（灾变论）
灾变论错在认为所有因果关系都亘古不变，许多过程可以重复
均变与灾变皆存，灾变为主，多为地震
固定论与活动论：
Ъелоусов
Wilson
分歧在于水平方向：
前者认为水平方向不动或是被动的运动，后者认为是主动的运动
二、宇宙演化
1、弗里德曼证明了：
相对论，膨胀的宇宙
哈勃的发现：
大爆炸宇宙模型，非稳衡宇宙（红移）
2、多普勒效应：
奇点：
宇宙向前追溯的极限点：
1929年，24个星系，d已知
V=Kd;V=Hod
Ho=150km/秒.千万光年，即宇宙年龄的倒数
宇宙的年龄：
110-200亿年
3、验证：
1）2.7K的发现
1925年，贝尔实验室央斯基
最大的无线电干扰----射电辐射源
射电天文学3万个射电源
“类星体，脉冲星，3K，星际有机分子谱线”
普：
R.H迪克60年代寻找5K.
1962年，彭齐亚斯，威尔逊
1964年，排除噪声
1978年获诺贝尔物理学奖
2）He的丰度
预言：
天体He丰度为宇宙成分的26%
3）天体年龄
4、宇宙的结局：
有终结
关键是宇宙的平均密度，取决于将行星系拉回来的引力的大小
引力取决于：
宇宙中物质总量，宇宙半径
5、哥白尼原理：
宇宙中没有任何一点具有优越性，所有的位置都是平权的。
有限的无边宇宙没有中心。
——宇宙是弯曲的
三、太阳系
1、太阳系的轨道特性
近圆性,e=（a2-b2）0.5/a、同向性、共面性
2、第谷、开普勒：
行星运动三大规律：
1.行星在椭圆轨道上运动，太阳位于其中一个焦点上.
2.行星与太阳的连线在相等的时间内扫过相等的面积.
3.行星公转周期的平方与轨道半长径的立方成正比.
3、类地行星：
水金地火——距日近、密度大；体积小、密度大、卫星少、表面固态、Fe,Mg,Si,K,Ca,Al,Ti,Ni
类木行星：
木、土、天王、海王——H,He,CH4,氨冰，水冰
4、太阳系行星
1）冥王星：
不具行星特征（轨道上要扫清其他物质，质量足够大，而它与海王星交轨），固体，质量小，距日远；黄赤交角17度，冥王星的表面甲烷冰层覆盖，卡戎卫星
2）水星：
无水，有温室效应
3）金星：
即启明星，表面大气稠密，富含有毒气体
4）火星：
与地类似（公转周期、固态水），但上面没有生命（没有发现就是没有，除地球外没有生命）
5）木星：
气流呈带状，五卫星，自转速度太阳系中最快
6）土星：
“戴绿帽”，固体颗粒形成环状
7）海王星：
磁场，磁轴与自转轴的夹角约为50度；
海卫1，海卫2之外还有6颗卫星（呈碎块状）。
5、彗星：
液气物质团，头部密度大，头朝太阳
慧核，慧发：
固体C,冰冻水，CH4,NH3等
慧尾：
CO+,N2+,CO2+（gastail\dusttail）
来源：
太阳系外的Oort星云
地球上的水是彗星带来的，进入太阳系受太阳风影响故有周期
6、陨石：
撞击后果：
恐龙灭亡
中国无陨石坑，因人类活动多
流星雨即小陨石
7、空间观测计划：
用照相望远镜搜索近地天体、电子光探测器
目标：
发现小行星使之偏离轨道
8、角动量分配异常
C=MVR=MωR20.135%~99.4%
太阳系中太阳角动量占比例小
9、太阳系起源假说及其发展：
Kant-Laplace星云说：
无法解释角动量分配异常
灾变说和爆发说
新星云说
10、地球的早期演化
地球发展简史:
1.地球形成期（约46亿年前）
2.放射熔融期（41—45亿年前）
3.小天体碰撞期（41—39亿年前）
4.熔流外溢期（39—37亿年前）
5.板块构造发育期（37亿年前到现在）
决定地球演化的能量问题:
1.主要能量:
主要能量来自引力势能和放射性衰变能。
引力势能包括吸积释放能、压缩释放能、分异释放能。
2.主要能量的估计:
吸积能估计为2.02´1032J,90﹪是在地球生长到Me/4（Me是地球质量）前释放;压缩能估计为3.3´1031J。
分异能估计为1.4´1031J;放射性衰变能,半衰期为108—1011年的部分,在地球46亿年的演化中,释放约1.5´1031—3.0´1031J。
3.能量平衡:
通常为了计算地球温度,需将主要能量的产生、转移和消耗考虑进去,且涉及行星形成时间、地球物质热导率等因素,建立平衡方程。
第一章地震学的研究范围和历史
一、地震灾害
1、人类灾害：
水灾气象频度最高，地震损失最大
2、我国死亡最多地震：
1556陕西华县8级83万（明朝）
3、1976年唐山大地震：
中国历史上最具有破坏力的地震，20世纪全球人员伤亡最大的一次地震。
4、土耳其伊兹密特7.4级：
地震损失之最：
200亿美元
5、20世纪全球每年有记录地震500万次，超过7级的有13次，15%在大陆
6、破坏性地震在自然灾害中频度不是最高的，但突发性、毁灭性使其财产损失和人员伤亡居所有自然灾害首位。
95%伤亡由于建筑物倒塌，50%财产损失由于次生灾害（海啸、火灾）。
7、地震总是扎堆发生，但它是能量释放过程，所以发生强震后，其余地震不会太剧烈。
二、地震学
1、地球物理学：
用物理学的方法研究与地球系统有关的现象及其运动规律
•地球物理学（广义）的研究领域：
1~5：
固体地球物理学+空间物理学=地球物理学
•地震学
•地球电磁学与古地磁学
•重力与大地测量
•地球动力学
•构造物理
•空间物理学
•大气科学
•海洋科学
•水文学
•行星科学（比较行星学）
地球物理学是现代地球科学的重要分支，地震学是地球物理学的主要部分
是应用科学而非地质学，是应用物理学
2、地震学是研究地震的发生、地震波的传播及地球内部构造的一门科学。
是地球物理学的一个重要分支。
（通过地震波信息得知地球内部构造，为板块构造、大陆漂移提供证据）
3、地震学的贡献:
对科学宝库的贡献：
对地球科学的贡献：
•板块构造理论
•地球内部的结构（1D,3D,…）
•地球动力结构
•地球动力学
•行星科学
•对科学方法论方面贡献：
•反演理论及方法
•（弹性波）波动理论
•成像方法
复杂性科学
对社会发展的贡献：
•预防与减轻自然灾害（地震、海啸等）
•资源、能源探测（水资源、矿藏资源、石油天然气等）
•考古
•工程建设
•国防安全
反恐
三、古代的地震学
1、最早的可追溯到公元前1831年的山东省地震，该记载仅提到“泰山震”；张衡地动计
2、中国的“阴阳说”，古希腊的“气动说”，日本的“地震鲶”传说
第一个论述：
亚里士多德，不是从宗教或占星术中寻找解释，他注重当时的务实背景
四、二十世纪的地震学
1、世纪之交：
地震学的创业年代（二十世纪才有真正的地震学）
作为一门独立的学科登上现代科学的舞台，地震仪出现和广泛使用。
弹性回跳理论：
美国地震学家里德（H.F.Reid）, 1910年
2、10—40年代地球内部构造大发现：
地壳、上地幔、下地幔、外核、内核
内核自转速度比地幔块
3、60-70年代的地震学：
地球的自由振荡、震源物理、新的地震成因理论（大陆漂移、海底扩张、板块构造）、地震预报
五、现今的地震学
•地震预测：
•探测地球内部构造
• 地震危险性预测：
• 抗震工程：
• 工程地震学：
• 地震工程学：
第二章地震波
一、波
在固体中可以传播横波或纵波，在液体、气体（因无剪切效应）中只能传播纵波。
波阵面：
在波动过程中，把振动相位相同的点连成的面（简称波面）。
波前：
在任何时刻，波面有无数多个，最前方的波面即是波前。
波前只有一个。
波线：
沿波的传播方向作的一些带箭头的线。
波线的指向表示波的传播方向。
波速的值通常取决于介质的弹性和质量密度。
频率和周期只决定于波源，和介质种类无关。
压强即应力，体积改变率即应变
弹性波在介质中传播时存在一个频率上限。
二、弹性力学
1、仙台大地震未发生在仙台，给地震取名是用最近的地名；月亮引力可能是引发地震的一部分原因，但不是主要因素；东京和旧金山都欠一个八级地震；远处地震高层震感更强
事实表明，超级月亮出现当天并未发生大灾难，故其对地球没有太大影响，最大的时候都没有引发地震。
2、弹性力学的物理基础:
牛顿定律在多体问题中的应用。
为解决多体问题，作为一种宏观分析方法的“连续介质力学”便应运而生。
弹性力学是“连续介质力学”的重要分支。
三、地震波传播理论
1、地震波与其它波动现象（如，光波、电磁波）一样，有反射、透射、衍射、散射等现象；也满足：
惠更斯原理（Huygens’Principle）（介质中任一处的波动状态是由各处的波动决定的。
）和费尔马原理（Fermat’sPrinciple）。
但控制地震波传播的最基本原理仍是牛顿定律，即：
牛顿定律在连续介质力学中的表达形式
2、地震学中的Fermat定理：
地震波在介质中传播的路径为走时最小的路径.
Fermat定理是地震波的高频近似解。
地震波的特征波长远小于所研究问题的特征尺度。
3、地震射线
能量束，能量分布呈高斯分布，能量束的宽度（d）反比于频率（f），当频率很大时，能量束成为“线”（射线）。
4、体波——横波和纵波
无限弹性介质中：
仅两种类型；有边界时：
还有面波和自由振荡
纵波速度比横波速度大（一般为：
VP=根号三倍VS）
因此，在地震记录上纵波总是首先到达。
所以，纵波也被称为P波（Primarywave）根号E除以密度
横波也被称为S波（Secondarywave）根号μ除以密度
5、面波
面波的性质：
（1）能量分布（简正振型）；深度越大，能量越小
（2）频散特征。
速度和衰减现象随频率而不同
类型：
Love波（左右晃）、Rayleigh波（转圈圈）
面波在研究地球内部结构问题上的应用：
将观测图与理论计算进行比较（理论曲线、实际曲线比较）
体波先到，面波后到
地震波来后先上下震，后左右震（先纵波后横波），横波伤害力较大
横波与纵波时间差：
计算该处距震源的距离
6、自由振荡
环形振荡：
扭转，横向，无垂直
球形振荡：
膨胀收缩，横向、垂直向
驻波，共振，固有频率，能量要够，周期为半至一小时
自由振荡的频散特征：
研究尺度较面波大，也可研究地球内部结构
影响自由振荡周期的因素：
（1）自转
（2）横向非均匀性
2004年12月26日，印尼西亚苏门答蜡岛附近海域里氏7.9级强烈地震
天体物理学问题，行星科学：
自由振荡；材料科学：
面波
7、波序：
P波、S波、LOVE波、RAYLEIGH波
第三章地震仪及基本参数的测定
测地震有不同的方法，有精度之分，有误差
一、张衡的候风地动仪（王振铎仿制）
是验震器，而非地震仪，地震仪要记录地震信息
二、现代地震仪
原理是内有一倒置钟摆，相差二分之π准确，差二分之三π相反
不动的摆，动的地面，滚轮显示时间轴，三个方向分别记录。
三、地震图——地震记录
P波在地表反射一次或两次后分别为PP和PPP波，如在最后一次反射后转换为S波，则得到PS和PPS波，S波在地表反射可产生SS和SSS波。
记录中最明显的是通过大洋路径传播过来的瑞利波
四、地震台与全球地震观测台网（GSN）
北京国家地球观象台（简称北京台）的前身是鹫峰地震台．鹫峰地震台是我国自己创建的最早的地震台
五、地震的全球分布
地震分布不均匀，环太平洋地震带有百分之八十至八十五的地震
喜马拉雅地震带是第二大地震带
洋脊地震带（海岭地震带、大洋中脊地震带）：
大西洋、太平洋中间
六、地震定位
1、地震波最初从地球内的一点发出，这点就是震源，位于地球表面的恰又位于震源之上那点称为震中。
地震学家们在建立观测台站之后的第一件任务就是找一种方法精确地确定震中。
如果可能的话，也确定每次记录到的地震的震源。
2、最简单的方法是通过直接的三角测量发现震中的位置。
根据从其他地区地震或者爆破研究收集的时间资料，可以画出曲线来显示P波或S波从震源传播不同距离所需的平均时间。
（速度也需测量）这些地震传播时间曲线（时-距曲线）是确定地震仪到震源距离的最基本工具。
如果有了P波和S波抵达的时间，从这两种波型的抵达某台时间间隔将可以直接求得震源到该记录台的距离。
然后，画3个圆，每个圆以一座地震台为圆心，半径是计算得到的距离（震中距）。
这3个圆将相交于，至少是近似的相交于所要求的震中。
实际上，三维空间中，须四个台才能定位
实际应用中，用50个台测，共有C50、4个震中，再用最小二乘法，求出距所有震中距离平方和最小的点
七、地震大小的确定
1、观测台站所用衡量地震大小的最普通单位是地震震级。
在1935年查尔斯·里克特在加州理工学院发明了相对的方法测量地震，提出按照地震仪器探测到的地震波的振幅将地震分级。
现在全世界地震的研究都使用这种分级系统。
里氏震级用于测远震，但实际上不应使用；不科学，无法解释汶川地震成都的震感。
2、精确的定义是：
里氏震级ML是最大地震波振幅以10为底的对数。
伍德-安德森（Wood-Anderson）的特殊地震仪记录到的振幅测量精度达到1‰毫米。
没有指定特殊的波型，因此最大振幅可以从有最高振幅的任何波形上取得。
由于一般振幅随着距离增大而减少，里克特选择距震中100千米的距离为标准。
用振幅除以千分之一毫米（以1μm为单位），所得是十的几次方（或再求其以十为底的对数），就是里氏几级，即震级。
3、震级本身没有任何上下限（虽然地震大小有上限）。
小断层的滑动可能产生小于零震级的地震（即负值）。
在局部地区记录的非常灵敏的地震仪可探测到小于-2.0级的地震。
4、强震加速度及加速度计
位移速度影响破坏力，加速度可能也会影响，所以三者都要记录。
5、地震震级差一级能量相差32倍，相差两级差1000倍，这是统计的结果（本应相差100倍，因能量与振幅的平方成正比），因为地震能量在摩擦中以热能形式损耗，地震波仅占释放能量的15%。
仙台地震：
太平洋板块俯冲到欧亚板块下方，角度是9—12度（与15度相比算小的）
有地震序列：
7级那次不是主震；震中破裂，向东北、西南方向位移
海啸是板块运动的结果：
海底下降，海水由于重力势能形成水墙，大陆下降
次生灾害：
海啸、核泄漏、火灾
这次在日本地震带来的影响几乎为零，海啸主要引发灾害；日本主要地震多发区是南方
第四章地震机制
第一节基本概念
一、物理概念
1、应力：
单位面积受到的力，与作用面的方向有关（面的外法向为其方向；外：
球上一点与球心连线指向球外）
2、应力张量：
二阶张量，三乘三，是对称张量
3、主应力：
任意方向曲面上的应力可以用应力张量表示
因为坐标是任意取的。
我们总能够找到一个特殊的坐标，在此坐标下应力张量只用三个数表示。
这个特殊坐标被称为主方向坐标，每个坐标方向对应于一个主应力。
三乘三一乘三矩阵
二、其他概念
1、各大板块都以断层为边界（有分大板块、次级板块）
2、岩石变形：
受力状态下，岩石发生变形。
冷的脆性岩石容易发生脆性破裂（断层），从而导致天然地震。
地球深部的岩石由于温度较高，在受力状态下岩石容易发生弯曲或流动。
故深处不易地震。
3、岩石行为：
一般情况下,处于应力状态的岩石或者流动或者发生破裂，主要取决于温度。
处于弹性状态时，岩石在破裂前能够承受一定程度的应变（应变能）.
当应力撤销时，岩石又恢复到原先的状态.（若发生脆性破裂则撤销应力后不能复原）
这时岩石的表现叫弹性体。
5、岩石破裂：
破裂面的两边未发生相互移动时，叫结合。
.死断层
破裂面两边发生相互移动后，叫断层.
断崖、断层崖—暴露的断层面
6、地震发生在断层上,有些发生在老断层上，有些是新的断层破裂。
断层滑动开始的地方叫震源,震中是震源在地表的垂直投影.
震源是一个点，相对滑动的是一整个区域
7、断层破裂的尺度
较大的地震断层的滑动面也较大.
8、断层几何术语
i.断层上盘/断层下盘
ii.走向：
站在断层的地表面上，上盘在你的正右方，你所面对的方向为走向方向。
断层面和地表的交线的走向方向与正北的顺时针夹角叫断层的走向。
范围为：
0－360度。
iii.倾角：
断层面与地球表面的夹角叫倾角。
范围为0—90度（垂直截面）
iv.滑移：
描述断层的上盘相对于下盘滑动的方向。
（角度与三角函数单位圆一致）
9、断层类型
四种基本类型
a）正断层（Normal）：
正常滑移方向
b）逆断层（Reverse）：
上盘向上滑移（汶川与日本皆是，太平洋板块与亚欧板块之间的挤压导致应力释放）
c）走滑断层（Strike-Slip）：
左旋、右旋：
站在一边的断层上，看另一边是向左还是向右移动了
d）斜滑断层（Oblique）
断层类型取决于断层的滑移方向（Slip）。
10、断层作用与应力：
1）断层面上的应力超过其摩擦力时断层发生滑动。
2）断层作用的类型（正断层、逆断层等）也能告诉我们关于地球内部的应力状况。
3）我们用三种应力来描述地球内部的应力状况，两个水平的一个垂直的.
正断层应力：
垂向压力最大
逆断层应力：
垂向压力最小
走滑断层应力：
垂向压力中等
4）三种主应力作用在断层上，两个水平的一个垂直的。
如果垂直压应力
最大－正断层
最小－逆断层
中等－走滑断层
三、板块构造学说
1、意义：
地球科学中的革命
2、三个阶段：
大陆漂移、海底扩张、板块构造
3、定义：
板块—刚性（或半刚性的）固态的巨大板状岩石块体。
板块构造—地球的最外层由若干个大小不等的板块组成，他们飘浮在相对较软的流动的热物质上作相互运动。
4、现今的大陆是由一整块大陆或叫泛大陆2亿年前分裂而成：
超级大陆大约在225－200百万年前开始分裂，最后漂移到现今大陆的位置。
水平方向移动，反对固定论
5、固定论：
17世纪以前，地质现象的解释是灾变说。
1785年，苏格兰地质学家JamesHotton提出均变原理：
“Thepresentisthekeytothepast”。
19世纪中叶，均变说被地质学家广泛接受。
“将今论古方法”—地质学中最重要的原理。
直到19世纪末20年代初，权威的地质学说认为，地质构造的运动主要是垂直向的，横向运动只是垂向运动的副产品。
槽台说：
近百年来传统地质学以地槽地台学说占统治地位，槽台说认为：
地台是稳定的，是长期无巨大变化的地区，纵有活动，也是原地升升降降，与全球大局并无影响；地槽是活动的，其活动方式先是原地下陷，到一定时期通过全球同时发生的造山幕褶皱迥返，上升为山。
传统地质学是一种固定论观点，把地球的面貌看作一成不变。
固定论的困境：
阿尔卑斯－喜马拉雅大规模的推覆构造。
太平洋西部的弧状岛屿（简称岛弧）、岛弧后的边缘海盆地。
恐龙（dinosaur）化石几乎遍布世界各大陆。
南极大陆储藏着煤、酷热的非洲大陆有冰川的遗迹。
6、1915年，德国气象学家魏格纳（AlfredLotharWegener，1880－1930）提出“大陆漂移假说”。
大陆漂移之父
证据：
1）形状复杂的板块拟合
2）化石：
各大洲都有，进化不可能一个速度
3）岩石：
大西洋两岸的岩石组成、年龄、地质结构相似，当两边的大陆连在一起，地质现象具有连续性
4）山脉
5）古气候数据：
现今的非热带地区有热带气候的证据.现今的非沙漠地区发现低纬度才有的干旱沙漠证据.现今的热带气候地区发现冰川的证据.
问题：
大陆漂移的力学机制是什么？
Wegner的回答：
月亮的潮汐力足以推动大陆运动。
（它有周期性，会将所有板块往赤道附近拉）大陆穿过海洋地壳。
（海洋为岩石圈，漂移后不可能不导致海洋的分裂）
证据：
大西洋中脊、澳大利亚极低恐龙
8、海底扩张
海床岩石年轻，海床不平（海岭和火山）。
海底地磁条带，地磁极多次反转。
地震和火山大都分布在海沟和海岭
1）海底地形测量、大洋中脊
2）海地地磁测量（大洋中脊两边的岩石的磁极性不是随机分布的而是沿洋中脊两边成对称的条带状分布。
）（岩石可以记录地球磁性，在六纬度处无磁性）
地磁条带和地磁极性反转：
正常极性的岩石的磁极与现在地球的磁性一致。
反常极性的岩石的磁极与现在地球的磁极相反。
岩浆冷却，富铁岩石固结过程中温度低于580C°时地球的磁性被记录在岩石中。
当温度高于居里温度（580C°），磁性物质将失去磁性。
最初的解释：
大洋中脊是结构上比较弱的区域，热的岩浆从洋中脊冲出推动海洋地壳向两边运动形成新的洋壳，从而形成地磁条带。
“地球膨胀假说”缺乏物理和地质上的证据。
海底扩张假说：
熔融的岩浆从地球的深部沿着洋中脊流出产生新的洋壳，并向两边扩展，最后在海沟处消失，回到地球内部，形成洋壳的不断更新和循环。
1962年Hess发表论文（1959年未正式发表手稿）
Hess估计海洋的年龄最老不超过300百万年。
为什么海洋地壳的沉积层薄。
为什么海洋化石的年代没有超过180百万年的，而陆地上的海洋沉积化石（喜马拉雅山8500米高处也有发现）要老得多。
大陆不是穿过海洋漂移，而是随着海洋一起漂移（Wegner的问题被解决）。
科学预测：
大洋中脊应该有热泉存在。
3）进一步证据
海洋钻探
地震和火山的分布
同位素测定年龄：
海洋地壳的年龄（最老的海洋地壳的年龄只有180百万年，比大陆地壳的年龄小20多倍。
）
Hess：
海底扩张假说的创立者，利用战斗的间隙做了大量的太平洋海域的海底声纳测量。
探测深部海底：
海底热泉、海底奇特生物、洋中脊黑烟囱（硫，热量孕育生命）
9、板块构造
地球的基本结构
板块的划分
板块的边界类型
1）地球的基本结构：
地球内部主要由三层构成
•地壳
•地幔
•地核
2）七大板块：
若为六大则把南北美一起算作美洲板块
•印度-澳大利亚板块
•太平洋板块
•北美板块
•南美板块
•欧亚板块
•非洲板块
南极板块
3）板块边界类型
扩散边界—新的地壳在此产生。
大西洋中脊是扩散边界的例子；冰岛—研究扩散边界最好的陆上天然实验室；东非裂谷正在演示200百万年前大西洋最初形成的过程，东非裂谷将成为新的大洋，非洲东部地区将成为孤岛；红海，亚丁湾，东非裂谷—三合点
汇聚边界—地壳在此消失（消减带）。
三种碰撞—洋陆碰撞；洋洋碰撞；陆陆碰撞
海洋岩石圈与大陆岩石圈碰撞：
海沟、消减带；特点：
火山弧，陆壳迅速隆起，深源地震。
（安第斯山脉火山带）（海洋：
硅镁；大陆：
硅铝；前者密度大）
洋—洋碰撞：
特点：
火山弧，岛弧，大的
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