地质学基础

Foundations of Geology

任课教师 :刘 强

地质学基础

参考教材：

《地质学基础》 ,杨坤光等编 ,中国地质大学出版社

《地球科学概论》，陶世龙等编著，地质出版社

《地球科学概论》，杨树锋主编，浙江大学出版社

《 Physical Geology-Exploring the Earth 》

《地质学概论》，叶俊林，黄定华，张俊霞编；地质出版社

使用教材

什么是地球科学？ 什么是地质学？ 怎么学地质学？

绪 论

地球科学是以地球为研究对象的学科的统称。

地球科学的学科分类

地质学研究的对象、内容和分科 研究对象：岩石圈 研究内容：主要研究岩石圈的物质组成，局部或整个岩 石圈的发展、演化历史和区域地质构造、岩 石圈的结构、运动规律等。 分支学科： 1 ．研究物质组成——结晶学，矿物学，岩石学，地球化学等 2 ．研究岩石圈结构，构造和运动——构造地质学，动力地质 学，大地构造学。 3 ．研究岩石圈演化历史——地层学，古生物学，地史学等 4 ．研究资源找寻和勘探——找矿勘探地质学，探矿工程学 5 ．研究地质环境评价和对策——环境地质学，工程地质学等。

地质学是关于固体地球组成、结构及地球演化历史的知识体系。现代地质学不仅要阐明固体地球的组成物质、控制物质转换的机制以及由这些物质记录的地球演化历史，而且要揭示改变固体地球外层的营力和改造地球表层的过程，并运用地质学知识探明可供利用的物质以及理解地质过程与人类活动相互作用的机理。

——国家自然科学基金项目指南

现代地质学的含义

地质学的主要特点 同物理、化学等基础科学比较，地质学研究具有较强

的地域性、历史性和综合性。只有根据足以充分说明空间和时间变化因素的丰富资料总结出来的地质学理论，才能有较广泛的适用性。

地质学的这些特点，决定了地质研究必须通过野外实际调查，配合相应的室内研究。野外调查和室内研究，构成一次观察、记录 (包括制图 )采样、初步综合、试验分析、总结提高以至复查验证的完整的地质研究过程。

（一）地质学研究对象的基本特点： 1 ．整体规模宏大 岩石圈表面积超过 5×108km2 ，平均厚度 100km 2 ．发展过程漫长 地球自形成以来的演化历史约有 4600Ma 3 ．作用因素复杂 ( 内力、外力、物理、化学、生物 ) 4 ．区域差异明显（高山、盆地的不同） （二）学习地质学应注意的问题： 1 ．建立认识地质事件的时空观念 2 ．掌握辩证的思维方法 3 ．运用现实类比（将今论古）和历史分析的原则 4 ．实践出真知

学习地质学应注意的几个问题

从研究眼前正在进行的地质过程入手，总结其规律，再去推论地质历史上同类事物发展和结局（英国地质学家，莱伊尔， 1830 ） 。 The present is the key to the past. A.Geikie,1905“ 历史分析”原则

“将今论古”的原则

第一章 地球概况第一章 地球概况

本章共分四个部分 :

1、地球的形状和大小

2、地球的外部圈层结构

3、固体地球的主要物理性质

4、地球内部的圈层结构

第一节 地球的形状和大小 一．地球极近似旋转椭球体 （自转所致，表明地球具有弹塑性） 二．地球不是严格的旋转椭球体 （内部物质分布不均匀） 三．地球形状的主要参数 赤道半径 a 6378.140km 两极半径 c 6356.755km 平均半径 R 6371.004km 扁率（ a-c） /a 1/298.253 表面积 510064472km2

体积 10832×108km3

第二节 地球的外部圈层结构第二节 地球的外部圈层结构 一．大气圈 大气圈是由包围着固体地球的大气层构成，总质量约 5.136×1015t， 3/4集中到地面以上 10km 范围内。 主要物质成分以氮（ 75.5%）和氧（ 23.1%）为主，其次有氩（ 1.28%），二氧化碳（ 0.05%）。 根据大气温度、密度等物理特征，一般把大气圈自下而上分为对流层、平流层、中间层、电离层和扩散层。

二．水圈 地球表面四分之三以上的面积被海洋、冰层、湖泊、沼泽、河流中的水体覆盖。地面以下的土壤和岩石缝隙中也充填有大量的地下水，它们共同构成一个连续而不规则的圈层，称为水圈。

三．生物圈 生物圈是生物及其生命活动的地带所构成的连续圈层。 地球上生命物质出现在 3500Ma。 在南非距今 3200Ma的层状岩石中发现了原核生物化石。 自 1000Ma以来植物和动物蓬勃发展。 生物的作用：产生氧气，促进化学循环

第三节 固体地球的主要物理性质

地球的质量和密度

地球的重力

地球的压力

地球的磁性

地球内部的温度

地球的弹性和塑性

一 . 地球的质量和密度

根据牛顿万有引力定律计算出地球的质量为 5.9472×1024kg，地球的平均密度为 5.516g/cm3。砂、页、灰岩平均密度为 2.6g/cm3,花岗岩密度为 2.67g/cm3,玄武岩密度为 2.85g/cm3。因而推论，地球内部大部分物质密度应大于平均密度。地球的密度随深度增加而增大，且是不均匀的。。

二 . 地球的重力

地球上某处的重力是该处所受地心引力与地球自转离心力（垂直地面分力）的合力。地球表面的重力随纬度值的增大而增大（赤道 978.0318cm/s2，两极 983.2177cm/s2， g 随海拔高度的增高而减小）。在地球内部，重力随深度的增加而缓慢增大（在 2891km 处达到最大， 1068cm/s2，在 2891km 之下急剧减小，地心处的重力值为零）。

由于地面起伏和地球物质密度不均匀以及结构差异等原因使实测重力值与理论值不符，这种现象称为重力异常（正、负异常）。

三 . 地球的压力

地球内部某处的压力是指由上覆地球物质的重量所产生的静压力。静压力的大小与所处的深度、上覆物质的平均密度及重力加速度成正相关。

固体地球类似于磁化的球体，磁力线特征类似于偶极场的特征。地磁轴与地球自转轴并不重合，二者约成 11.5°的交角；地磁极的位置是不固定的，它逐年变化的。

磁场特征要素：磁场强度（ F）、磁偏角（ D）、磁倾角（ I）。

地磁异常是叠加在地球基本磁场之上，由地壳内的岩石矿物及地质体的磁性差异引起的磁场，或实际测量值与理论值不符。

四 . 地球的磁场

自地面向地下深处，地热增温现象是不均匀的： 1．变温层（外热层） 0-20m 地温主要受太阳光辐射热的影响，温度随季节、昼夜的变化而变化，故称变温层。 2．常温层 20-40m 地温与当地年平均温度大致相当，且常年保持不变，其深度大致为 20-40m。 3．增温层 >40m 常温层之下，地温随深度增大而逐渐增加。 深度每增加 100m 所升高的温度，称地温梯度。 大陆每 30米温度升高 1 度 ;海洋每 15米温度升高 1 度

热能的来源：热能的来源： 11、放射性元素的衰变、放射性元素的衰变 22、重力、重力 33、地球自转、地球自转 44、化学反应、化学反应六．地球的弹性和塑性 弹性现象：地震波的传播；固体潮弹性现象：地震波的传播；固体潮 塑性现象：岩层的褶皱变形等。塑性现象：岩层的褶皱变形等。

五 .地球内部温度及弹塑性

第四节 地球的内部圈层结构 一．地球内部圈层划分的依据

（ 1）宇宙地质依据 宇宙物质具有内在的统一性，宇宙天体物质成

分可作为推断地球内部物质成分的参考依据（例如陨石）；

（ 2）地质学依据 研究喷出岩物质成分和形成的温压条件可帮助人

类认识地下的物质状态及环境。

超基性岩常来自地球深部（例如含金刚石的金伯利岩，金刚石生成

温度为 1100-2200℃、 压力为 5 万个大气压，相当 150km 深度）。

（ 3）地球物理依据 主要是地震波速的变化。

地震波是弹性波，分为体波、面波和自由振动等类型。体波有纵波（ P）和横波（ S）之分；纵波（ Vp）可在固态、液态和气态的介质中传播；横波（ Vs）只能在固态介质中传播；Vp2=(k+4/3μ)/ρ

Vs2=μ/ρ

K 为体变模量（围压）； μ 为切变模量（定向压力）

地震波的基本特征

（一）地壳莫霍面（大陆 33km、洋底 5-8km）莫霍面是地震波速显著增加的不连续面（南斯拉夫莫霍诺维奇 ,1909）。 莫霍面以上的由固体岩石组成的地球最外部圈层称为地壳。

地壳平均厚度约 18km，平均密度 2.8g/cm3，质量约 2.35×1022kg。

地壳厚度变化大，大陆区 20-80km，平均 33km，又分为上地壳和下地壳（以康拉德面为界，深约 15km）。

二．地球内部圈层的特征

地壳结构地壳结构

上地壳（厚约 15km）平均密度约 2.7g/cm3 ，由沉积岩、变质岩和岩浆岩组 成，一般称硅铝层或花岗质岩壳；下地壳（厚约 18km）平均密度约 2.9g/cm3 ，一般称硅镁层或玄武质岩壳；大洋区平均 7km，且较为均匀，普遍堆积有 0.5km 厚的沉积层，向下为 5-8km 的硅镁层（密度 2.9g/cm3）。

大西洋深海平原地震断面图

（二）地 幔

古登堡面（ 2891km），美国地震学家古登堡于 1912 年发现，S 波终止， P 波急剧减低。莫霍面以下至古登堡面的圈层称为地幔。地幔的厚度约 2870km，物质密度由顶层的 3.31g/cm3增至 5.55g/cm3,平均约 4.5g/cm3, 质量约 4.03×1024kg。根据地幔上部与下部物质成分和温度、压力的差异性，和 670km 深处的地震波速显著间断面分为上、下地幔。

盖层 深度为 20-80km，密度 3.37g/cm3, 物质成分推测为橄榄岩 , 为固态；低速层 深度 80-220km，顶面在大陆区较深，大洋区较浅 ，底 界的差异不大；密度 3.36g/cm3，全球普遍存在、 厚度不很均一的波速减低层。横波局部地区不能通过 , 表明低速层部分物质可能呈熔融态 , 因而又称软流层 （或软流圈）；均匀层 深度 220-400km。波速传播均匀 , 表明物质成分变 化不大； 过渡层 深度 400-670km，密度 3.73-3.99g/cm3；

上地幔

深度 670-2891km,厚度 2221km,平均密度 5.1g/cm3。据实验岩石学分析，由呈紧密堆积结构的氧化矿物，如 MgO、 FeO和 SiO2组成。

下地幔

古登堡面以下直至地心的部分称地核，半径为 3480km的球体，平均密度为 10.83g/cm3；一般认为物质成分主要为铁；划分为外核、过渡层、内核。

（三）地核

（四）岩石圈地壳与上地幔的顶部（软流圈以上部分），都是由固态岩石组成，称岩石圈；平均厚 80km，大陆区厚 60－ 150km，大洋区厚 30－ 90km；平均密度为 3.25g/cm3；体积分数为 3.72％，质量分数为 2.19％。

地球内部圈层的特征