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  • 關于地球的科學發明關于地球(最好是地球內部)的科學發明.也不知道怎么說.是怎么來證明地球那些那些的.

關于地球的科學發明關于地球(最好是地球內部)的科學發明.也不知道怎么說.是怎么來證明地球那些那些的.

匿名用戶 | 2017-05-23 10:42

全部答案

（共1個回答）
  • 第一節 地球的內部圈層
    一、地球內部圈層的劃分
    （一）劃分依據
    限于科學技術水平,人類可以直接觀察到的地下深度十分有限.現在世界上最深的礦井僅4～5km,最深的鉆井不過12.5km,即使是火山噴溢出來的巖漿,最深也只能帶出地下幾十到200km左右的物質.目前對地球內部的了解,主要是借助于地震波研究的成果.地震發生時,人們會感到地球在劇烈顫動,這是由于地震所激發出的彈性波在地球中傳播的結果,這種彈性波就叫地震波（seismic wave）.地震波主要包括縱波（P波）、橫波（S波）和面波,其中對地球內部構造研究有意義的是縱波和橫波（注：面波只沿地表傳播）.質點的振動方向與地震波傳播方向一致的波稱縱波；質點的振動方向與地震波傳播方向垂直的波稱橫波.地震波從地震的震源激發向四面八方傳播,到達地表的各個地震臺站后被地震儀所記錄下來.根據這些記錄,人們可以推斷地震波的傳播路徑、速度變化以及介質的特點,通過對許多臺站的記錄進行綜合分析研究,便可以了解地球的內部構造.所以,有人把地震比喻為地球內部的一盞明燈,它發出的地震波“照亮”了地球的內部.
    地震波傳播速度的大小與介質的密度和彈性性質有關,其關系可用公式表示為：

    式中,vp、vs分別為縱波和橫波速度,ρ為介質密度,K為介質的體變模量（即物體在圍限壓力下能縮小的程度,K值愈大物體愈難縮小）,μ為切變模量（即物體在定向力作用下形狀能改變的程度,μ值愈大物體愈難變形.體變模量和切變模量可統稱為彈性模量）.
    所以,地震波速的變化就意味著介質的密度和彈性性質發生了變化.縱波的傳播速度高于橫波,在同一介質中縱波速度約為橫波速度的1.73倍.在液體中,由于切變模量μ=0,所以橫波不能通過.
    地震波的傳播如同光波的傳播一樣,當遇到不同波速介質的突變界面時,地震波射線就會發生反射和折射,這種界面稱為波速不連續面.假如地球物質完全是均一的,那么由震源發出的地震波都將以直線和不變的速度前進.但實際分析的結果表明,地震波總是沿著彎曲的路徑傳播并且不同深度的波速不一致,這表明地球內部的物質是不均一的.傳播路線的連續緩慢彎曲表示物質密度和彈性性質是逐漸變化的,傳播速度的跳躍及傳播路線的折射與反射表示物質密度和彈性性質發生了顯著變化.
    （二）地球內部圈層的劃分
    地震波的傳播速度總體上是隨深度而遞增變化的.但其中出現2個明顯的一級波速不連續界面、1個明顯的低速帶和幾個次一級的波速不連續面.
    莫霍洛維奇不連續面（簡稱莫霍面,Moho discontinuity）該不連續面是1909年由前南斯拉夫學者莫霍洛維奇首先發現的.其出現的深度在大陸之下平均為33km,在大洋之下平均為7km.在該界面附近,縱波的速度從7.0km/s左右突然增加到8.1km/s左右；橫波的速度也從4.2km/s突然增至4.4km/s.莫霍面以上的地球表層稱為地殼（crust）.
    古登堡不連續面（簡稱古登堡面,Gutenberg discontinuity）該不連續面是1914年由美國地球物理學家古登堡首先發現的,它位于地下2885km的深處.在此不連續面上下,縱波速度由13.64km/s突然降低為7.98km/s,橫波速度由7.23km/s向下突然消失.并且在該不連續面上地震波出現極明顯的反射、折射現象.古登堡面以上到莫霍面之間的地球部分稱為地幔（mantle）；古登堡面以下到地心之間的地球部分稱為地核（core）.
    低速帶（或低速層,low-velocity zone）低速帶出現的深度一般介于60～250km 之間,接近地幔的頂部.在低速帶內,地震波速度不僅未隨深度而增加,反而比上層減小5％～10％左右.低速帶的上、下沒有明顯的界面,波速的變化是漸變的；同時,低速帶的埋深在橫向上是起伏不平的,厚度在不同地區也有較大變化.橫波的低速帶是全球性普遍發育的,縱波的低速帶在某些地區可以缺失或處于較深部位.低速帶在地球中所構成的圈層被稱為軟流圈（asthenosphere）.軟流圈之上的地球部分被稱為巖石圈（lithosphere）.
    因此,地球的內部構造可以以莫霍面和古登堡面劃分為地殼、地幔和地核三個主要圈層.根據次一級界面,還可以把地幔進一步劃分為上地幔和下地幔,把地核進一步劃分為外地核、過渡層及內地核.在上地幔上部存在著一個軟流圈,軟流圈以上的上地幔部分與地殼一起構成巖石圈.地球內部各圈層的劃分、深度及特征見圖3.2和表3.1.
    表3.1 地球內部圈層結構及各圈層的主要地球物理數據

    二、地球內部的主要物理性質
    地球內部的主要物理性質包括密度、壓力、重力、溫度、磁性及彈塑性等.
    （一）密度
    根據萬有引力公式可算出地球的質量為5.974×1021t,再利用地球體積可得出地球的平均密度為5.516g/cm3.但從地表巖石實測的平均密度僅為2.7～2.8g/cm3,可以肯定地球內部必定有密度更大的物質.
    目前,對地球內部各圈層物質密度大小與分布的計算,主要是依靠地球的平均密度、地震波傳播速度、地球的轉動慣量及萬有引力等方面的數據與公式綜合求解而得出的.計算結果表明,地球內部的密度由表層的2.7～2.8g/cm3向下逐漸增加到地心處的12.51g/cm3,并且在一些不連續面處有明顯的跳躍,其中以古登堡面（核-幔界面）處的跳躍幅度最大,從5.56g/cm3劇增到9.98g/cm3；在莫霍面（殼-幔界面）處密度從2.9g/cm3左右突然增至3.32g/cm3.各圈層物質密度的大小及變化見表3.1.
    （二）壓力
    地球內部的壓力是指不同深度上單位面積上的壓力,實質上是壓強.在地內深處某點,來自其周圍各個方向的壓力大致相等,其值與該點上方覆蓋的物質的重量成正比.地內的這種壓力又稱為靜壓力或圍壓,按靜壓力平衡公式可表示為ρ=hρhgh（即靜壓力ρ等于某深度h和該深度以上的地球物質平均密度ρh與平均重力加速度gh的乘積）.
    因此,地內壓力總是隨深度連續而逐漸地增加的.如果知道了地球內部物質的密度大小與分布,便可求出不同深度的壓力值.例如,地殼的平均密度的2.75g/cm3,那么深度每增加1km,壓力將增加約27.5MPa（MPa讀兆帕,1MPa=106N/m2）.計算證明,壓力值在莫霍面處約1200MPa、古登堡面處約135200MPa、地心處達361700MPa.地球內部各圈層的壓力大小及變化情況見表3.1.
    （三）重力
    地球上的任何物體都受著地球的吸引力和因地球自轉而產生的離心力的作用.地球吸引力和離心力的合力就是重力（gravity）.地球的離心力相對吸引力來說是非常微弱的,其最大值不超過引力的1/288,因此重力的方向仍大致指向地心.地球周圍受重力影響的空間稱重力場.重力場的強度用重力加速度來衡量,并簡稱為重力（單位為伽或毫伽：1Gal=1cm/s2=103mGal）.
    地球表面各點的重力值因引力與離心力的不同呈現一定的規律性變化.根據萬有引力定律（F=Gm1m2/r2）,地球表面的引力與地球半徑的平方成反比,而地球的形狀接近于一個赤道半徑略大、兩極半徑略小的扁球體.因此,地球兩極的重力值最大,并向赤道減小,減小數值可達1.8Gal左右.依照離心力公式（C=mω2r）,在角速度相同的情況下,地表各點的離心力與它到地球自轉軸的垂直距離成正比.因此,離心力以赤道最大,可達3.4Gal,并全部用來抵消引力；向兩極離心力逐漸減小為零,所以,在引力與離心力的共同引響下,重力值具有隨緯度增高而增加的規律,赤道處重力值為978.0318Gal,兩極為983.2177Gal,兩極比赤道增加5.1859Gal.
    在地球內部,重力因深度而不同.由于地球內部的慣性離心力變得更加微弱,故地球內部的重力可簡單地看成是引力.地球大體上是一個由均質同心球層組成的球體,在這樣的球體內部,影響重力大小的不是地球的總質量,而只是所在深度以下的質量.如質點位于地下2885km深處的核-幔界面上時,對質點具有引力的只是地核,而地殼與地幔對質點的引力因其呈圈層狀而正好相互抵消.根據上述原理,利用地球內部的密度分布規律,便可求出地球內部不同深部的重力值.從地表到地下2885km的核-幔界面,重力值大體上隨深度而增加,但變化不大,在2885km處達到極大值（約1069Gal）.這是因為地殼、地幔的密度低,而地核的密度高,以致質量減小對重力的影響比距離減小的影響要小一些.從2885km 到地心處,由于質量逐漸減小為零,故重力也從極大值迅速減小為零（參見表3.1）.
    （四）溫度
    深礦井溫度增高、溫泉和火山噴出熾熱的巖漿等等事實,都告訴我們地球內部是熱的.溫度在地球內部的分布狀況稱為地溫場（geotermal field）.
    在地殼表層,由于太陽輻射熱的影響,其溫度常有昼夜變化、季節變化和多年周期變化,這一層稱為外熱層.外熱層受地表溫差變化的影響由表部向下逐漸減弱,外熱層的平均深度約15m,最多不過幾十米.在外熱層的下界處,溫度常年保持不變,等于或略高于年平均氣溫,這一深度帶稱為常溫層.在常溫層以下,由于受地球內部熱源的影響,溫度開始隨深度逐漸增高.通常把地表常溫層以下每向下加深100m所升高的溫度稱為地熱增溫率或地溫梯度（geothermal gradient）（溫度每增加1℃所增加的深度則稱為地熱增溫級）.世界上不同地區地溫梯度并不相同,如我國華北平原約為1～2℃,大慶油田可達5℃.據實測,地球表層的平均地溫梯度約為3℃；海底的平均地溫梯度為4～8℃,大陸為0.9～5℃,海底的地溫梯度明顯高于大陸.
    地溫梯度是據地殼淺部實測所得的平均值,一般只適合于用來大致推算地球淺層（地殼以內）的地溫分布規律,并不適用于整個地球內部.如果按平均100m增溫3℃計算,至地殼底部地溫將超過900℃,到地心將高達200000℃的驚人數值,在這樣的溫度條件下,地球內部除了地殼以外當絕大部分處于熔融甚至氣體狀態,這與地球內部絕大部分可以通過地震波橫波（即主要為固態）的觀測事實不符.實際上,地溫梯度是隨深度增加逐漸降低的.對于地球深部的溫度分布,目前主要是根據地震波的傳播速度與介質熔點溫度的關系式推導得出的.根據目前最新的推算資料,在莫霍面處的地溫大約為400～1000℃,在巖石圈底部大約為1100℃,在上、下地幔界面附近（約650km深處）大約為1900℃,在古登堡面（核幔界面）附近大約為3700℃,地心處的溫度大約為4300～4500℃（見表3.1）.由于熱具有從高溫向低溫傳播的性質,所以地球內部的高溫熱能總是以對流、傳導和輻射等方式向地表傳播并散失到外部空間,通常把單位時間內通過地表單位面積的熱量稱為地熱流密度（geothermal heat flow）.目前全球實測的平均地熱流值為1.47×41.686mW/m2,大陸地表熱流的平均值（1.46×41.686mW/m2）與海底的平均值（1.47×41.686mW/m2）基本相等.地表的不同地區地熱流值并不相同,一般在一些構造活動的地區（如年青山脈、大洋中脊、火山、島弧等）熱流值偏高,而在一些構造穩定的地區熱流值偏低.
    地表熱流值或地溫梯度明顯高于平均值或背景值的地區稱為地熱異常區.地熱異常可以用來研究地質構造的特征,同時對研究礦產（如金礦、石油等）的形成與分布也具有重要作用.地熱也是一種重要的天然資源,尋找地熱田可用于發電、工業、農業、醫療和民用等.
    （五）磁場
    地球周圍存在著磁場,稱地磁場（geomagnetic field）.地磁場近似于一個放置地心的磁棒所產生的磁偶極子磁場,它有兩個磁極,S極位于地理北極附近,N極位于地理南極附近.兩個磁極與地理兩極位置相近,但并不重合,磁軸與地球自轉軸的夾角約為15°.以地磁極和地磁軸為參考系定出的南北極、赤道及子午線被稱為磁南極、磁北極、磁赤道及磁子午線.1980年實測的磁北極位置為北緯78.2°、西經102.9°（加拿大北部）,磁南極位置為南緯65.5°、東經139.4°（南極洲）.長期觀測證實,地磁極圍繞地理極附近進行著緩慢的遷移.
    地磁場的磁場強度是一個具有方向（即磁力線的方向）和大小的矢量,為了確定地球上某點的磁場強度,通常采用磁偏角、磁傾角和磁場強度三個地磁要素.
    磁偏角是磁場強度矢量的水平投影與正北方向之間的夾角,變即磁子午線與地理子午線之間的夾角.如果磁場強度矢量的指向偏向正北方向以東稱東偏,偏向正北方向以西稱西偏.我國東部地區磁偏角為西偏,甘肅酒泉以西多為東偏.
    磁傾角是磁場強度矢量與水平面的交角,通常以磁場強度矢量指向下為正值,指向上則為負值.磁傾角在磁赤道上為0°；由磁赤道到磁北極磁傾角由0°逐漸變為+90°；由磁赤道到磁南極磁傾角由0°逐漸變為-90°.
    磁場強度大小是指磁場強度矢量的絕對值.地磁場的強度很弱,平均為50μT（T為特[斯拉]的符號）；在磁力線較密的地磁極附近強度最大,為6OμT左右；由磁極向磁赤道強度逐漸減弱；在磁赤道附近最小,
    近代對地磁場的研究指出,地磁場由基本磁場、變化磁場和磁異常三個部分組成.
    基本磁場占地磁場的99％以上,是構成地磁場主體的穩定磁場.它決定了地磁場相似于偶極場的特征,其強度在近地表時較強,遠離地表時則逐漸減弱.這些特征說明了基本磁場是起源于地球內部.對于基本磁場的起源,過去曾認為地球本身是一個大永久磁鐵,使得它周圍產生磁場.但現代物理證明,當物質的溫度超過其居里溫度點時,鐵磁體本身便失去磁性.鐵磁體的居里溫度是500～700℃,而地球深部的溫度遠遠超過此數值,所以地球內部不可能是一個龐大的磁性體.現今比較流行的地磁場起源假說是自激發電機假說.該假說認為地磁場主要起源于地球內部的外地核圈層.由于外地核可能為液態,并且主要由鐵、鎳組成,因此它可能為一個導電的流體層,這種流體層容易發生差異運動或對流.如果在地核空間原來存在著微樣的磁場時,上述差異運動或對流就會感生出電流產生新的磁場,使原來的弱磁場增強；增強了的磁場使感生電流增強,并導致磁場進一步增強.如此不斷進行,磁場增強到一定程度就穩定下來,于是便形成了現在的基本地磁場.
    變化磁場是起源于地球外部并疊加在基本磁場上的各種短期變化磁場.它只占地磁場的很小部分（＜1％）.這種磁場主要是由太陽輻射、太陽帶電粒子流、太陽的黑子活動等因素所引起的.因此,它常包含有日變化、年變化及太陽黑子活動引起的磁暴（即較劇烈的變化）等成分.
    磁異常（magnetic anomaly）是地球淺部具有磁性的礦物和巖石所引起的局部磁場它也疊加在基本磁場之上.一個地區或地點的磁異常可以通過將實測地磁場進行變化磁場的校正之后,再減去基本磁場的正常值而求得.如所得值為正值稱正磁異常,為負值稱負磁異常.自然界有些礦物或巖石具有較強的磁性,如磁鐵礦、鉻鐵礦、鈦鐵礦、鎳礦、超基性巖等,它們常常能引起正異常.因此,利用磁異常可以進行找礦勘探和了解地下的地質情況.
    （六）彈塑性
    地球具有彈性,表現在地球內部能傳播地震波,因為地震波是彈性波.日、月的吸引力能使海水發生漲落即潮汐現象,用精密儀器對地表的觀測發現,地表的固體表面在日、月引力下也有交替的漲落現象,其幅度為 7～15 cm,這種現象稱為固體潮,這也說明固體地球具有彈性.同時,地球也表現出塑性.地球自轉的慣性離心力能使地球赤道半徑加大而成為橢球體,表明地球具有塑性；在野外常觀察到一些巖石可發生強烈的彎曲卻未破碎或斷裂,這也表明固體地球具有塑性.地球的彈、塑性這兩種性質并不矛盾,它們是在不同的條件下所表現出來的.如在作用速度快、持續時間短的力（如地震作用力）的條件下,地球常表現為彈性體；在作用力緩慢且持續時間長（如地球旋轉離心力、構造運動作用力）或在地下深部較高的溫、壓條件下,則可表現出較強的塑性.
    三、地球內部各圈層的物質組成及物理狀態
    推斷地球內部各圈層物質組成的主要依據有下列幾個方面：
    （1）根據各圈層密度和地震波速度與地表巖石或礦物的有關性質對比進行推測.
    （2）根據各圈層的壓力、溫度,通過高溫高壓模擬實驗進行推測.
    （3）根據來自地下深部的物質進行推斷.火山噴發和構造運動有時能把地下深部（如上地幔）的物質帶到地表,為我們認識深部物質提供了依據.
    （4）與隕石研究的結果進行對比.
    隕石是來自太陽系空間的天體碎片,就目前獲得的大量隕石看,按成分可分三類：
    石隕石（stone meteorite）要由橄欖石、輝石等（鐵、鎂的硅酸鹽）礦物組成,按成分大約相當于地表見到的超基性巖,金屬狀態的鐵、鎳成分很少,密度3～3.5g/cm3或更大.
    鐵隕石（iron meteorite）主要由金屬狀態的鐵、鎳組成的天然合金,密度8～8.5g/cm3或更大；
    鐵石隕石 為上述兩類隕石的過渡類型,其中鐵、鎂硅酸鹽礦物與金屬狀態的鐵、鎳成分各占一部分.
    現代天文學及天文地質學的研究表明：①這些隕石應來自于太陽系內部的天體或小行星,當它們進入地球引力場時被地球吸引,并有相當一部分被大氣圈摩擦燃燒,其殘骸成為隕石落入地表.而太陽系以外的物質穿過遙遠的空間進入地球的可能性是極小的.②太陽系內部的物質成分及形成演化具有統一性,特別是人類登月獲得月球表面巖石與地球表面的某些巖石類似的事實,使太陽系物質統一性的信念進一步確立.因此,可以運用隕石的特征推斷地球內部的物質狀態.
    根據上述各方面的綜合研究,現今對地球內部各圈層的物質組成與狀態的認識如下：
    （一）地殼
    地殼是莫霍面以上的地球表層.其厚度變化在5～70km之間.其中大陸地區厚度較大,平均約為33km；大洋地區厚度較小,平均約7km；總體的平均厚度約16km,約占地球半徑的1/400,占地球總體積的1.55％,占地球總質量的0.8％.地殼物質的密度一般為2.6～2.9g/cm3,其上部密度較小,向下部密度增大.地殼為固態巖石所組成,包括沉積巖、巖漿巖和變質巖三大巖類.由于地殼是當前地質學、地球物理學、地理學等學科的主要研究對象,因此,有關其詳細情況將在下一節作進一步介紹.
    （二）地幔
    地幔是地球的莫霍面以下、古登堡面（深2885km）以上的中間部分.其厚度約2850km,占地球總體積的82.3％,占地球總質量的67.8％,是地球的主體部分.從整個地幔可以通過地震波橫波的事實看,它主要由固態物質組成.根據地震波的次級不連續面,以650km深處為界,可將地幔分為上地幔和下地幔兩個次級圈層.
    1.上地幔
    上地幔的平均密度為3.5g/cm3,這一密度值與石隕石相當,暗示其可能具有與石隕石類似的物質成分.從火山噴發和構造運動從上地幔上部帶出來的深部物質來看,也均為超基性巖.近年來通過高溫高壓試驗來模擬地幔巖石的性質時發現,用橄欖巖55％、輝石35％、石榴子石10％的混合物作為樣品（礦物成分相當于超基性巖）,在相當于上地幔的溫壓條件下測定其波速與密度,得到與上地幔基本一致的結果.根據以上理由推測,上地幔由相當于超基性巖的物質組成,其主要的礦物成分可能為橄欖石,有一部分為輝石與石榴子石,這種推測的地幔物質被稱為地幔巖.
    上地幔上部存在一個軟流圈,約從70km延伸到250km左右,其特征是出現地震波低速帶.物理實驗表明,波速降低可能是由于軟流圈物質發生部分熔融,使其強度降低而引起的.據地內溫度估算,軟流圈的溫度可達700～1300℃,已接近超基性巖在該壓力下的熔點溫度,因此一些易熔組分或熔點偏低的組分便可開始發生熔融.據計算,軟流圈的熔融物質可能僅占1％～10％,熔融物質散布于固態物質之間,因而大大降低了強度,使軟流圈具較強的塑性或流動性.由于軟流圈物質已接近熔融的臨界狀態,因此它成為巖漿的重要發源地.
    2.下地幔
    下地幔的平均密度為5.1g/cm3,由于這里經受著強大的地內壓力作用,使得存在于上地幔的橄欖石等礦物分解成為FeO、MgO、SiO2和Al2O3等簡單的氧化物.與上地幔相比,其物質化學成分的變化可能主要表現為含鐵量的相對增加（或Fe/Mg的比例增大）.由于壓力隨深度的增大,物質密度和波速逐漸增加.
    （三）地核
    地核是地球內部古登堡面至地心的部分,其體積占地球總體積的16.2％,質量卻占地球總質量的31.3％,地核的密度達9.98～12.5g/cm3.根據地震波的傳播特點可將地核進一步分為三層：外核（深度2885～4170km）、過渡層（4170～5155km）和內核（5155km至地心）.在外核中,根據橫波不能通過,縱波發生大幅度衰減的事實推測其為液態；在內核中,橫波又重新出現,說明其又變為固態；過渡層則為液體—固體的過渡狀態.
    地核的密度如此之大,從地表物質來看只有一些金屬物質才可與之相比,而地表最常見的金屬是鐵,其密度為8g/cm3,它在超高壓下完全可以達到地核的密度.地核的密度與鐵隕石較接近,也表明地核可能主要為鐵、鎳物質.地球具有主要由內部物質引起的磁場,這說明地球內部一定具有高磁性的鐵、鎳物質非常集中的某個圈層,而地殼、地幔中均不存在,那么它應存在于地核中.此外,人們用爆破沖擊波提供的瞬時超高壓來模擬地核的壓力狀態,并測定一些元素在瞬時超高壓下的波速與密度,結果發現地核的波速與密度值與鐵、鎳比較接近.綜合多方面推測,地核應主要由鐵、鎳物質組成.近年來的進一步研究還發現,在地核的高壓下,純鐵、鎳的密度略顯偏高,推測地核最合理的物質組成應是鐵、鎳及少量的硅、硫等輕元素組成的合金.
    匿名用戶 | 2017-05-23 10:42

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