地球科学概论讲义+笔记.docx
《地球科学概论讲义+笔记.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《地球科学概论讲义+笔记.docx(118页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
![地球科学概论讲义+笔记.docx](https://file1.bdocx.com/fileroot1/2023-1/27/a648d7e3-e193-4f6a-801c-ad164ac5d4fd/a648d7e3-e193-4f6a-801c-ad164ac5d4fd1.gif)
地球科学概论讲义+笔记
宇宙中的地球
重点
1.“地球科学”基本概念
2.“将今论古”原理
3.研究方法、研究意义及发展简史
∙一、宇宙(university)
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。
o
(一)、宇宙中的天体和物质
1.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:
宇宙中最重要的天体,集中了宇宙中相当大的能量;构成恒星的主要气体为氢、其次为氦,其他元素很少;拥有巨大质量是恒星能发光的基本原因;体积相差悬殊,小则直径1000km,大者为太阳的2000倍;平均密度相差悬殊;距离地球都非常遥远,最近的半人马座a星4.3l·y;恒星不恒,一直在运动。
2.星际物质
弥漫于星际空间内极其稀薄的物质,包括星际气体和星际尘埃。
3.星际云
星际物质的密集形式。
4.星云(nebula)
星际物质更加庞大和更加密集的形式。
5.天体系统(spheresystems)
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,该系统叫天体系统。
o
(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;宇宙为何膨胀?
宇宙大爆炸的产物;多种事实证明,大爆炸的发生,距离今约150亿年。
∙二、太阳系(solarsystem)
o
(一)太阳系的主要特征(启发式,师生共同讨论,抓住以下要点)
太阳是其中唯一的一颗恒星,占太阳系99.87%,发出强光和热;围绕太阳旋转的是9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。
o
(二)太阳系的起源(用幻灯简述)
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(P.S.Laplace)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。
∙三、地球的诞生
拉普拉斯设想太阳系是炽热气体冷凝而成,星云物质冷却收缩的过程就是地球形成过程。
天文探测和地质研究结果不支持这种假设,认为形成太阳系的星云不是热的,而是冷的气体和尘埃。
目前较为一致的看法:
冷星云里微粒互相吸引形成星子;星子互相吸引,大吃小,不断吸积,逐渐增大,形成尘埃集合体;温度高,轻者(气体)跑掉,重者(尘埃)以固体为主,留在地球表面,受万有引力作用向中心聚积,体积缩小,物质密度越来越大;收缩并非无限,由于惯性离心力作用达到平衡;尘埃向中心集中,体积收缩,压力加大,会放出热,放射性元素蜕变和陨石撞击会放出热,因此,局部或一个时期的地球是高温熔融状态,(尤其在太古宙,46Ma);收缩停止,热者上升,又发生膨胀,轻者上升,重者下沉,形成了地核、地幔、地壳和水圈、大气圈等内部、外部圈层构造。
总之,行星地球是宇宙中的尘埃在引力的作用下逐渐形成的。
∙四、地球的形状
o
(一)地球的形状与大小
我们通常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10m。
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如课本P23所示。
o
(二)地球的表面形态
分陆地(30%)、海洋(70%)两部分;陆地多分布在北半球;海洋多分布在南半球;无论陆地或海底,表面起伏不平;世界屋脊(第三极)珠穆朗玛峰海拔8848.13m;太平洋西侧的马里亚纳深海沟,海拔-11034m。
o(三)陆地地形特征
6.山地(mountains):
海拔高程大于500m,相对高差大于200m的地形
500m—1000m低山
1000m—3500m中山
>3500m高山
线状延伸的山体称山脉,成因上相联系的若干相邻的山脉称山系。
大陆上最宏伟、最重要的山系:
阿尔卑斯—喜马拉雅山系和环太平洋山系。
7.丘陵(hills):
海拔小于500m
海拔<500m,相对高差数十米的低矮浑园地形。
8.平原(plain)
海拔<200m,相对高差数不超过数十米。
9.高原(plateau)
海拔>500m,表面比较平坦。
10.盆地(basin)
周围高,中央低的地区。
11.大陆裂谷(continentalrift)
宏伟的线状洼地,如东非裂谷,是地壳上拉张的结果,呈“之”字型。
o(四)海底地形特征
海底大致可分为大陆边缘、大洋盆地和大洋中脊三个地形单元。
12.大陆边缘(continentalmargin)
大陆与大洋盆地之间的过渡带,包括大陆架、大陆坡和大陆基。
图1-2海底地形的主要单元示意图
▪大陆架(continentalshelf)
海与陆地接壤的浅海平台,坡度小于0.3°。
▪大陆坡(continentalslope)
大陆架外侧坡度明显变、陡部分,平均坡度4.3°。
▪大陆基(continentalrise)
大陆坡与大洋盆地之间缓倾斜坡地,坡度为5′—35′。
▪岛弧(islandarc)
大洋边缘延伸距离很长,呈弧形展布的群岛。
如阿留申、千岛、日本、琉球、菲律宾、马里亚纳等群岛。
▪海沟(trench)
大洋边缘的巨型带状深渊,长度达1000km以上,宽度大于100km。
岛弧与海沟二者常组成岛弧—海沟系。
大陆边缘分两类:
一类由大陆架、大陆坡和大陆基组成,主要分布于大西洋,故称大西洋型大陆边缘;
另一类由大陆架、大陆坡和岛弧—海沟组成,主要分布于太平洋,故称太平洋型大陆边缘。
13.大洋盆地(oceanicbasins)
介于大陆边缘与大洋中脊之间的较平坦地带,平均水深4000—5000m。
14.大洋中脊(mid—eanicridge)
绵延在大洋中部(或内部)的巨型海底山脉,常发生地震和火山。
大洋中脊轴常有一条纵向延伸的裂隙状深谷,称中央裂谷。
∙五、大陆型地壳与大洋型地壳
表1-1大陆地壳与大洋地壳对比表
大陆地壳
大洋地壳
比例
面积的40%
占地壳
体积的79%
质量的63%
面积的60%
占地壳
体积的21%
质量的37%
平均厚度
33km
6km
平均密度
2.7g/cm3
3.0g/cm3
成分
沉积岩、岩浆岩、变质岩均有;SiO2含量>60%;低价铁和镁的氧化物百分含量低,分别为3.8与3.1,但铁的总含量高。
几乎全部由火山岩组成;SiO2<50%;低价铁和镁的氧化物百分含量高,分别为6.2与6.8,但铁的总含量低。
岩石时代
各地质历史时期形成的岩石均有,最老岩石年龄可达3800Ma。
岩石大部分生成于最近50Ma中,最老岩石不超过200Ma。
地质作用和地质构造
岩石受到强烈挤压,形成褶皱、断裂和由它们构成的高大山脉,区域变质作用较普遍。
没有强烈挤压褶皱形成的大山,海底大山主要为火山作用形成的。
没有区域变质作用。
引张大断裂发育。
重力异常
以负异常为主。
以正异常为主。
结构
上部为花岗质层(硅铝层),下部为玄武质层(硅镁层),最表层有不连续分布的松散沉积物。
底部为玄武质层(硅镁层),上部为松散沉积物层,两层之间为玄武岩夹已固结的沉积岩透镜体。
∙六、地壳的重力均衡(用船只、水中漂浮物等举例说明)
2.地壳厚度各处不同
一般地壳厚度较大的地方,地势较高;地壳越薄的地方,地势越低(图1-3)。
图1-3不同地理单元地壳厚度的差异
3.艾利的山根说
美国天文学家艾利(G.B.Aity,1855)认为,厚度大的地壳有较大重量,但因其下沉深,所获的浮力大;而厚度小的地壳具有较小重量,因其下沉浅,所获的浮力小,故两者都能达到均衡。
艾利看法的重点是高山之下有“根”,故称山根说(theoryofmountainroot)。
例如海中航行的船只,水中漂浮物等。
4.目前的观点
现今认为,均衡现象是存在的,但是引起均衡的动力不是岩块的浮力,而是重力。
其原理是,地球内部某一深度可以找寻一个水平面,称为补偿基面(compensationlevel)。
在此面单位面积上的所承受的上覆岩块的总重量都相同。
以此补偿基面为准,高山地区地势虽高,地壳厚度大,但其下部地幔厚度小;大洋地区地势虽低,但其拥有的地幔厚度大。
故两处岩块的总重量相等,从而可保持重力均衡(isogtasy)。
重点复习题
∙
(一)基本概念
1.宇宙;2.恒星;3.大陆裂谷;4.岛弧—海沟系;5.重力均衡。
∙
(二)画示意图并说明
1.海底地形特征;2.重力均衡示意图;3.地球形状
∙(三)填空
1.宇宙产生于¾亿年的大爆炸。
2.行星地球是¾在引力作用下逐渐形成的。
∙(四)回答问题
1.恒星的主要特征是什么?
2.太阳系有哪些主要特征?
3.简述地球的诞生。
4.宇宙的内涵究竟怎样理解?
如何认识?
5.何谓均衡原理?
地球的外部圈层
大气圈和生物圈
重点
对流层与平流层及DNA和RNA。
∙一、 大气圈
大气圈(atmosphere)是因地球引力而聚集在地表周围最外部的气体圈层。
o
(一)、大气的组成
1.恒定组分
主要由氮(78.09%)、氧(20.94%)、氩(0.93%)组成。
2.可变组分
二氧化碳、臭氧和水蒸气,随季节、气象、和人类活动的影响而发生变化。
3.不定组分
这部分物质在大气中含量变化非常大,如尘埃、硫化氢、煤烟、金属粉尘等。
它们一是来源自然界,二是来自人类生产、生活活动。
o
(二)、大气圈的结构
自地面向上,依次分为对流层、平流层、中间层、暖层及散逸层(对流层和平流层最重要)。
4.对流层(troposphere)
对流层的主要特征是:
①温度随高度增加而降低,平均升高1km温度降低6℃(大气降温率);②空气具有强烈的对流运动,因而发生一系列天气现象,如风、雪、云、雨等;③气象要素水平分布不均匀,天气现象复杂;④受人类活动影响最显著,污染严重;⑤占大气圈总质量的70%—75%。
5.平流层(stratosphere)
平流层是从对流层顶至35—55km高空的大气层,其主要特征是:
①质量约占大气圈总质量的20%;②气流以水平方向运动为主(最显著特征);③不存在对流层中各种天气现象;④该层上部存在多层含臭氧的层,能吸收紫外线,因而是生物的保护伞;⑤随高度增加温度升高。
6.中间层(mesosphere)
自平流层顶至85km高空的大气层,气温随高度增加而下降,故又称冷层,空气又出现对流。
7.暖层(thermosphere)
从中间层顶到800km高空的大气层,温度随高度增加而上升,氧、氮被分解成电离状态,又称电离层。
8.散逸层(exosphere)
位于800km以上至2000—3000km的高空,地球引力作用弱,气体质量不断扩散,亦称外逸层。
o(三)大气的热状况
9.大气受热过程
10.气温的日变化、年变化和水平分布有何特征?
o(四)大气的运动
11.大气运动的力
1.真正造成大气水平运动的动力是水平梯度力。
2.运动的大气还会受到地转偏向力等的作用。
地转偏向力是由于地球自转和地球的球面效应所引起的(图2-1)低纬度向高纬度运动的大气,使风向东偏。
高纬度向低纬度运动的大气,使风向西偏。
图2-1地转偏向力示意图
3.河流的侧蚀,在北半球偏向东岸;在南半球偏向西岸。
4.用由西向东转动乒乓球上的发射物演示,在其北部向东落,在其南部向西落。
5.用从西向东转动的赤平投影球演示,由于赤道大圆处转得最快,在上半球从南向北发射的物体向东落,在下半球从南向北发射的物体向西落。
∙二、生物圈
生物圈(biosphere)是指地球表层由生物及其生命活动地带所构成的连续圈层。
o
(一)生物圈的主要组成
12.原核生物界
单细胞,无真正的细胞核,如细菌和蓝绿藻。
13.原生生物界
单细胞,有细胞核,如藻和原生动物。
14.真菌界
低等真核生物,如蘑菇,木耳等。
15.植物界
16.动物界
o
(二)DNA
17.概念
生命是一种能自我复制、记载、累积和传递遗传信息的有机体,掌握这个生命系统运作的是细胞核中的脱氧核糖核酸(Deoxyribonucleic),即DNA。
18.组成
①组成的大分子有三种:
脱氧核糖(s)、磷酸盐(p)和碱基。
②次一级单元是核苷酸,s居中,两端连接p,侧面连接碱基。
碱基有四种:
腺嘌呤A(adinine)、鸟嘌呤G(guanine)、细胞嘧啶C(cytosine)和胸腺嘧啶T(thymine)。
他们有严格的配对关系。
人们梦寐以求的基因或称遗传密码,就藏在其中。
o(三)RNA
另一种对生命活动有重要意义的核糖核酸(Ribonucleicacid)即RNA。
o(四)RNA与DNA的关键差别
19.核糖取代了脱氧核糖;
20.尿嘧啶(uracil)取代了胸腺嘧啶;
21.RNA为单链结构而DNA为双链结构;
22.RNA包括三种类型m(信使核糖核酸mRNA,核糖体核糖核酸rRNA和转移核糖核酸tRNA)
o(五)DNA与RNA的相互作用
一个细胞就像一个工厂,DNA为总设计师,mRNA复制并带来图纸,rRNA是车间,tRNA是运输工具。
在DNA统一指挥下,这个工厂按照图纸合成蛋白质,生命从而得到延续、发展。
重点复习题
∙
(一)基本概念
大气圈生物圈DNA
∙
(二) 简述下列两组基本概念的主要区别
1.对流层与平流层2.DNA与RNA
∙(三)回答
简述DNA与RNA的相互作用。
水圈
重点
海水、河流和冰川。
∙一、 水圈(hydrosphere)
指由地球表层水体所构成的连续圈层,以气态、固态和液态三种形式为主。
海洋占97%,冰川占2.15%,地下水占0.6%。
∙二、水的类型
据天然水所处的环境不同分海水、大气水和陆地水三类。
o
(一)海水(seawater)
▪①盐度介于3‰—37‰之间,以35‰代表海洋的标准盐,如果明显高于35‰的海洋称为咸化海,如红海(>40‰),低于35‰的为淡化海,如波罗的海(<10‰)。
▪②海水的运动呈波浪状,水质点基本绕某个平衡位置作圆周运动,只是向前移动很小距离。
引申张伯声院士创立“地壳波浪运动”形式:
宏观(地层弯曲);微观(波状消光);超微观(位错像“毛毛虫”运动)。
▪③海啸(tsunami)
地震、火山喷发可释放出巨大的能量,产生汹涌的海浪,波高可达几十米。
▪潮汐(tide)
全球性海水周期性涨落现象。
太阳、月球对地球的引力与离心力的合力为引潮力。
在地—月体系中,该合力在对月点和背月点最大,且方向垂直指向球面外空间,因而可使海面上升凸起,发生涨潮。
而在对月点、背月点方位为90°的地区,合力最小,形成落潮。
由于地球自转,地球上同一地点一天内可出现两次涨潮和落潮。
如果月球、太阳、地球处在一条直线上时,可出现特高潮和特低潮。
由潮汐引起海面高度变化迫使海水作大规模水平运动,称为潮流。
这对海岸的剥蚀、搬运、沉积有重要作用。
▪海(洋)流(oceancurrent)
大洋中沿一定方向有规律移动的海水。
▪⑥浊流(turbiditycurrent)
海洋或湖泊中载有大量悬浮物质的高密度水下重力流,多由地表、火山等因素引发,因而具有较大的剥蚀、搬运能力,常形成冲槽、冲沟、铸模等,沉积物具鲍马序列。
o
(二)陆地水(continentalwater)
1.地面流水
1.暂时性流水
片流(sheetflow):
刚下雨后,沿山体斜坡无固定水道的面状流水。
洪流(floodflow):
下雨后沿山谷或河道流动的暂时性线状流水。
2.常年性流水
河流(river):
地球表面具有固定河道的线状常年性流水。
水系和干流的概念:
大大小小若干条河流组成的水流系统为水系。
水系与水系之间以分水岭相隔,如长江、黄河水系。
水系中最大、直接注入海洋或湖泊者为干流,如长江、黄河。
注入干流者为支流,如渭河为黄河的一个重要支流。
层流:
水质点平行运动。
紊流:
水质点运动紊乱,无规律。
环流:
水质点绕平行方向的轴作螺旋状规律运动。
涡流:
水质点绕垂直方向的轴作螺旋状运动。
2.地下水(groundwater)
1.岩石中存在孔隙、裂隙和溶隙(用幻灯演示岩石显微照片)。
2.包气带水:
埋藏在包气带中的水。
3.潜水:
埋藏在地表之下第一个稳定隔水层以上,具有自由表面的重力水(饱水带水)。
4.承压水:
埋藏在两个稳定隔水层之间的透水层内的重力水(层间水)。
3.湖泊(lake)
1.世界上最大的湖泊是西亚的里海(咸水湖),面积约43×104km2。
第二大湖是北美的苏比利尔湖(淡水湖),面积8×104km2
2.世界上最深的湖泊是俄罗斯的贝加尔湖,水深1741m。
3.世界上最高的湖泊是我国西藏高原的纳木湖,海拔4718m。
最低的是死海,海拔-395m。
4.沼泽(marsh)
陆地上潮湿积水,喜湿植物大量生长并有泥炭堆积的地方,成因有多种。
5.冰川(glacier)
指由积雪形成并能运动的冰体。
可分两类:
1.大陆冰川(continentalglacier)
分布在高纬度和两极,雪线低,面积大,冰层厚,由中间向四周流动,流速快。
2.山岳冰川(mountainsglacier)
分布在高山地带的冰川,雪线高,规模小,冰层薄,面积小,受地形控制,从上往下流动。
3.冰川的运动
为固体流,上部具脆性变形,下部为塑性变形,可见羊背石、丁字擦痕、漂砾等。
o(三)大气水
存在于大气圈对流层中的水,以气态形式存在。
主要来自海水蒸发,由于污染可形成酸雨,可使地面具“温室效应”。
重点复习题
∙
(一)基本概念
水圈潮汐浊流冰川包气带水潜水承压水
∙
(二) 简述下列两组基本概念的主要区别
1.大陆冰川与山岳冰川;2.片流与洪流;3.层流与紊流;4.环流与涡流。
∙(三)填空
1.世界上最大湖泊是_,为_水湖,面积_km2。
2.世界上第二大湖泊是_,为_水湖,面积_km2。
3.世界上最深湖是_,水深_m。
4.世界上最低湖是_,海拔_m。
5.世界上最高湖是_,海拔_m。
∙(四)回答
6.海水有何性质?
如何运动?
为什么?
7.冰川是如何形成的?
怎样运动?
8.简述水圈的循环。
9.地球上的水为什么处在永不停息的运动之中?
地球的内部圈层
地球内部圈层的划分
重点
三个一级圈层和两个一级界面。
∙一、 地球内部的主要物理性质
o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;<2885km处密度约5.56g/cm3;>2885km处密度约9.98g/cm3;内核处为12.51g/cm3;
总体规律是:
从地表到地心,密度逐渐增大,在33km、2885km以及其他深度,密度突然增高。
o压力(compressivestress)
静岩压力,即压强(intensityofpressure)随深度增加压力不断增加;33km处为1200Mpa,2885处为135200Mpa,地心处可达361700Mpa。
o温度(temperature)
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。
常温层—外热层之下,地温常年保持不变的地方。
地热增温率或地温梯度(geothermalgradient)—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℃。
o重力(gravity)
地球吸引力和离心力的合力。
具有随纬度增高而增加的规律。
33km为983Gal,2885km为1069Gal,0km—2885km递增,且达最大值;2885km—地心递减,最终变为0。
o磁场(magneticfield)
地球周围存在着磁场,称为地磁场(geomagneticfield)。
o地磁要素(geomagmetic)
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。
磁倾角—磁场强度矢量与水平面的交角。
磁场强度—磁场大小的绝对值,平均为50μT。
磁异常(magneticanomaly)—地球浅部具磁性物质引起的局部异常。
o地震波(earthquakewave)
表3-1地球各圈层的物理特征
纵波—质点振动方向与传播方向相同,速度快,任何物质均可通过,又称P波;横波—质点振动方向与传播方向垂直,速度慢,不能通过液态介质,又称S波;33km处,P波的速度从7.0km/s突然增加至8.1km/s,S波的速度从4.2km/s突然增加至4.4km/s;60—100km处,P波从8.2km/s降至7.93km/s,S波从4.6km/s降至4.36km/s;2885km处,P波从13.54km/s降至7.98km/s,S波从7.23km/s降至0;5155km处,S波从0变为3.46km/s。
∙二、地球内部圈层的划分
根据前面讲授的地球内部各种物理性质,尤其是地震波波速的变化,可将地球内部划分为以下三个一级圈层和两个不连续界面:
1.地壳(crust)
0—33km,大陆型地壳(Si—Al层)以花岗岩为代表;大洋型地壳(Si—Mg层),以玄武岩为代表
2.地幔(mantle)
33—2885km。
上地幔(33—650km),上部为固态(33—60km);中部为部分熔融状态(60—250km,岩浆发源地),上地幔上部固态与地壳组