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第三章 地球的物理性質(zhì)和圈層結(jié)構(gòu)
§1 地球的密度和彈性
1. 地球的質(zhì)量和密度
從牛頓第二定律F=mg和引力定律G=fmM/r2,可以得到地球質(zhì)量應(yīng)該是M=mgr2/f。式中m是地表上一個(gè)受地心引力作用的物體的質(zhì)量，g是重力加速度。故計(jì)算地球的質(zhì)量只需要知道地球的半徑r和引力常數(shù)f。
計(jì)算得到的地球質(zhì)量除以地球體積，算得地球的平均密度為5.516g/cm3。實(shí)際測(cè)量卻遠(yuǎn)小于地球的平均密度。因此推斷地球內(nèi)部大部分物質(zhì)的密度，都必須大于地球的平均密度。
　　目前世界上最深的鉆孔僅達(dá)到約12km深度，只有地球平均半徑6371km的約1/530。因此，對(duì)地球內(nèi)部物質(zhì)的研究主要依靠各種間接的手段和依據(jù)。如通過(guò)對(duì)大量隕石的成分和結(jié)構(gòu)的鑒定和對(duì)比，通過(guò)對(duì)重力、地磁、地電、地?zé)峒暗卣鸩ǖ难芯克玫降男畔⑦M(jìn)行分析等。其中由地震波提供的信息最為重要。
通過(guò)地面接收站橫波和縱波間隔判斷距離
地震的距離————時(shí)間曲線
　　從圖中可以看到，隨著地球深度的增加，地球的密度也隨之逐步增大。但密度的增大隨深度的不同并非是均勻變化的，由此確定了內(nèi)、外地核的分界位置。此外，根據(jù)橫波不能通過(guò)外核的現(xiàn)象，還可以推出地球外核是液態(tài)（鐵）的結(jié)論。
由于橫波不能通過(guò)液體，所以在液態(tài)核心出現(xiàn)一個(gè)橫波屏蔽區(qū)
1.2固體潮與地球的彈性
　　海洋潮汐已是眾所周知。同樣在日月引力的作用下，類(lèi)似現(xiàn)象也會(huì)出現(xiàn)在固體地球表層，這就是固體潮。用精密儀器可以觀測(cè)到地球的固體表層也有和海洋潮汐相似的周期性升降現(xiàn)象，陸地表面的升降幅度因此可達(dá)7—15cm。當(dāng)存在固體潮時(shí)，某一觀測(cè)點(diǎn)的鉛垂線方向和地面的傾斜還會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，但其變幅不大，僅有千分之幾秒角度。固體潮的存在說(shuō)明固體地球具有一定的彈性，固體潮就是彈性地球在日月引潮力的作用下發(fā)生的彈性變形。此外，由于地震波也是一種彈性波，地球能夠傳播地震波的這一特征也從另一個(gè)側(cè)面證實(shí)了地球是有彈性的。不僅如此，地球同時(shí)還具有一定的塑性，地球在其自轉(zhuǎn)的過(guò)程中逐漸演化成為一個(gè)旋轉(zhuǎn)橢球體并保持下來(lái)，這表明看似剛體的地球?qū)嶋H上存在著永久性的塑性變形。
　　海洋和固體潮汐的存在不僅使地球的整體形態(tài)發(fā)生變化，而且不斷影響著地球的自轉(zhuǎn)過(guò)程和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。一方面，月球的吸積作用使地球自轉(zhuǎn)軸的方向發(fā)生偏移，另一方面，日月潮汐引起的磨擦力使地球的自轉(zhuǎn)速率越來(lái)越慢。從對(duì)珊瑚的研究發(fā)現(xiàn)，石炭紀(jì)時(shí)地球每年為397天，現(xiàn)在已減少到約365天。在遙遠(yuǎn)的將來(lái)，地球和月球的轉(zhuǎn)速還會(huì)進(jìn)一步減慢，直到逼近以48天為周期的極限自轉(zhuǎn)狀態(tài)。并且因?yàn)樘?yáng)潮汐的作用，月-地系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量變化將緩慢地傳遞給繞太陽(yáng)的軌道運(yùn)動(dòng)，其長(zhǎng)期作用的結(jié)果最終會(huì)使月球和地球相撞而結(jié)合成一體。
　　固體地球的彈性和塑性特點(diǎn)都是相對(duì)的，在不同的條件下有不同的表現(xiàn)。在施力速度快、作用時(shí)間短的條件下，地球往往表現(xiàn)為彈性體乃至類(lèi)似于剛性體，巖層會(huì)因此產(chǎn)生彈性變形或破裂；反之，在施力速度緩慢，作用時(shí)間漫長(zhǎng)的條件下，地球則表現(xiàn)出明顯的塑性特征。如上所述，在強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期間，巖石經(jīng)彎曲形成各種褶皺的現(xiàn)象，就是一種典型的地球塑性變形的實(shí)例。
塑性褶皺中的節(jié)理
１.３ 地球的振蕩
　　由于具有彈性，地球作為一個(gè)整體在受激后能夠產(chǎn)生無(wú)窮多種振型的自由振蕩。其兩類(lèi)基本的振蕩方式為：周期性的漲縮振蕩和扭轉(zhuǎn)振蕩。
　　漲縮振蕩是一種沿地球徑向發(fā)生的自由振蕩。
　　扭轉(zhuǎn)振蕩也是一種周期性振蕩；但同時(shí)也是一種純粹的切向振蕩，不存在沿地球徑向的分量。因此地球作扭轉(zhuǎn)振蕩時(shí)一般不會(huì)發(fā)生密度的變化。
　　作為一個(gè)彈性體，地球除了自由振蕩以外，還存在著一種與外部引力無(wú)關(guān)的自由歐拉進(jìn)動(dòng)。為了將其與外部激發(fā)引起的強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)相區(qū)別，以發(fā)現(xiàn)者的名字命名為錢(qián)德勒擺動(dòng)。錢(qián)德勒擺動(dòng)源于地球自轉(zhuǎn)軸與最大慣量軸之間的微小偏離。。
１.４ 地球的粘性
　　從理論上講，在一個(gè)完全彈性體中應(yīng)該沒(méi)有能量的損耗。因此，地震時(shí)除了面波因擴(kuò)展而發(fā)生的幾何衰減外，其它類(lèi)型的地震波應(yīng)該沒(méi)有運(yùn)動(dòng)衰減。這樣地球如果一旦發(fā)生某種形式的振蕩，也就應(yīng)該永遠(yuǎn)繼續(xù)下去。但這一分析結(jié)果與觀察事實(shí)相矛盾，表明地球有一定的衰減存在，并非是一個(gè)完全的彈性體。地球具有一定的粘性特征。
§2 地球的重力場(chǎng)
2．1 地球上的重力
　　地球上某處的重力是該處所受到的地心引力與地球自轉(zhuǎn)離心力的合力。
　　根據(jù)牛頓定律G=fmM/r2，重力加速度與地球的質(zhì)量成正比，而與半徑的平方成反比。因此地表的重力隨著緯度值的增大而增加。同理，地表的重力加速度還隨著海拔高度的增大而減小，兩者之間呈反比關(guān)系。而在地球內(nèi)部，由于要同時(shí)考慮質(zhì)量（密度）和半徑兩方面的變化，情況與地表相比不盡一致。一方面，深度增加使半徑減小，使重力加速度增大；另一方面，隨著深度增加，球內(nèi)的質(zhì)量也在減少（因?yàn)樯喜课镔|(zhì)產(chǎn)生的附加引力向上），這導(dǎo)致重力加速度隨之變小。因此在地球內(nèi)部，重力究竟是變大或變小，取決于誰(shuí)的影響占主導(dǎo)地位。在地球的上部層位，由于地球物質(zhì)的密度較小，引起的質(zhì)量變化要小于半徑變化造成的影響，故重力隨著深度的增加而緩慢增大，到2891km即古登堡面附近達(dá)到極大值1068cm/s2；在越過(guò)2891km界面后，地球物質(zhì)的密度變化造成的影響開(kāi)始大于半徑引起的變化，地球的重力也隨之急劇減??；根據(jù)球體公式V=4πr3/3和密度公式ρ=M/V，可以將由牛頓定律所求出的地心處重力為0，因?yàn)榈匦奶幍陌霃絩=0，所以盡管在地心處的物質(zhì)密度增加到最大值，地心處的重力仍遞變?yōu)榱恪?br/>　　進(jìn)行重力研究時(shí)，將地球視作一個(gè)圓滑的均勻球體，以其大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)，計(jì)算得出的重力值稱(chēng)作理論重力值。對(duì)均勻球體而言，地表的理論重力值應(yīng)該只與地理緯度有關(guān)。但實(shí)際上，不僅地球的地面起伏甚大，內(nèi)部的物質(zhì)密度分布也極不均勻，在結(jié)構(gòu)上還存在著顯著差異。這些都使得實(shí)測(cè)的重力值與理論值之間有明顯的偏離，在地學(xué)上稱(chēng)之為重力異常。對(duì)某地的實(shí)測(cè)重力值，通過(guò)高程及地形校正后，再減去理論重力值，差值稱(chēng)作重力異常值。如為正值，稱(chēng)正異常；如為負(fù)值，則稱(chēng)為負(fù)異常。前者反映該區(qū)地下的物質(zhì)密度偏大，后者則說(shuō)明該區(qū)地下物質(zhì)密度偏小。地球物理勘探中的重力勘探方法，就是利用這一原理，通過(guò)發(fā)現(xiàn)各地的局部重力異常來(lái)進(jìn)行找礦和勘查地下地質(zhì)構(gòu)造的。
重力正異常 重力負(fù)異常 重力異常在找礦中的應(yīng)用
2.2 重力均衡
　略
2.3 地球的壓力
　　地球的壓力是一個(gè)與重力直接相關(guān)的地球物理性質(zhì)。地球某處的壓力是由上覆地球物質(zhì)的重量產(chǎn)生的靜壓力。靜壓力的大小與所處的深度、上覆物質(zhì)的平均密度及重力加速度呈正相關(guān)關(guān)系。但由于物質(zhì)的密度隨深度的增加是一種非線性遞增的關(guān)系，壓力-深度圖也不是一條直線而是一條曲線，在地球表層、地殼和接近地心附近時(shí)壓力增長(zhǎng)較平穩(wěn)，在下地幔和外核部分增長(zhǎng)得較快。利用密度分布的規(guī)律來(lái)估算地球內(nèi)部的壓力狀況，以截面為1cm2 的巖石柱作為壓力的計(jì)算表示法，可得到
P=hρ/100 （3—4）
（p—壓力；h—深度；ρ—密度）
利用此式，可以算出從地表到地下24km內(nèi)，壓力從1×105pa增加到0.6×109pa；到670km處，壓力增大到24×109pa；到2891km時(shí)，壓力增大到約136×109pa；最后在6371km即地心處，壓力會(huì)上升到最大值364×109pa。
§3 地球內(nèi)部的圈層結(jié)構(gòu)和圈層耦合
３.１ 地球內(nèi)部的圈層劃分
　　上兩節(jié)提到地球的密度和重力等性質(zhì)，從地表到地內(nèi)深處并非是均勻變化的，而是有幾處重大的突變現(xiàn)象存在。因此地球內(nèi)部的物質(zhì)分布究竟是逐漸和緩地過(guò)渡，還是存在著某種界面，從而可以將其劃分為不同的圈層，就成為一個(gè)引人注目的問(wèn)題。
地球物理學(xué)家根據(jù)地震波在地球內(nèi)部不同深度下傳播特征的變化情況，結(jié)合實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)的測(cè)試資料，發(fā)現(xiàn)了不同的波速與密度界面。以此為基礎(chǔ)推算了地球內(nèi)部的密度分布狀況，進(jìn)而分析了地球內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)和物質(zhì)分布的基本特征。
根據(jù)地球內(nèi)部波速和密度的分異，首先可將其劃分出三個(gè)一級(jí)圈層，即我們熟悉的地殼、地幔和地核，這也是地球內(nèi)部最主要的物性及化學(xué)組分的分界單元。其中，地殼和地幔之間的分界面稱(chēng)作莫霍面，平均深度33km；地幔和地核之間的分界面稱(chēng)作古登堡面，深度2891km。這兩個(gè)界面上下的物質(zhì)，無(wú)論在化學(xué)組成、物質(zhì)狀態(tài)和物理性質(zhì)上，都有重大的區(qū)別。
　　地球內(nèi)部圈層的形成，一般認(rèn)為是由于地球內(nèi)部加熱、原始物質(zhì)分異和分層作用共同產(chǎn)生的結(jié)果。地殼也是地球分異作用的結(jié)果。
地球內(nèi)部：根據(jù)地震波可以將其劃分為：地殼，地幔和地核
3.2 殼幔圈層耦合
地球的各個(gè)子系統(tǒng)之間存在的相互作用，在很大程度上體現(xiàn)為地球圈層間在物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)方面的耦合過(guò)程，即圈層耦合。就長(zhǎng)期尺度的全球變化而言，殼－幔之間的物質(zhì)交換和動(dòng)力反饋是一種重要的內(nèi)因，并且也集中體現(xiàn)了圈層耦合的基本特征。
巖石圈板塊的運(yùn)動(dòng)是由分層發(fā)生的上地幔對(duì)流過(guò)程所驅(qū)動(dòng)的。上、下地幔內(nèi)部的熱對(duì)流各自相對(duì)獨(dú)立，除在兩者的界面之間存在著能量交換之外，在上，下地幔之間基本沒(méi)有明顯的物質(zhì)交換過(guò)程。
３.３ 地核差異旋轉(zhuǎn)
地球內(nèi)、外的各個(gè)圈層之間不僅有著互相耦合，協(xié)同演化的一面，也有相對(duì)獨(dú)立，差異運(yùn)動(dòng)的一面。其中，作為地球內(nèi)部驅(qū)動(dòng)源的地核，盡管其物理性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)特征歷來(lái)為人們矚目，但很少有人想到它的旋轉(zhuǎn)與整體地球會(huì)不相一致。
直到人們發(fā)現(xiàn)內(nèi)核中的地震波傳播在沿自轉(zhuǎn)軸方向的波速要大于其它方向，從而對(duì)長(zhǎng)期認(rèn)定的均勻球狀內(nèi)核模式提出了質(zhì)疑。并由此提出了內(nèi)核各向異性對(duì)稱(chēng)軸（亦即后來(lái)所稱(chēng)的內(nèi)核快軸）的概念。
３.４地球系統(tǒng)的自然驅(qū)動(dòng)力
　 從地球系統(tǒng)科學(xué)的概念出發(fā)，一個(gè)基本的觀點(diǎn)就是：地球系統(tǒng)的自然驅(qū)動(dòng)力是內(nèi)、外兩部發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合作用的結(jié)果。其中，外部發(fā)動(dòng)機(jī)指太陽(yáng)能，內(nèi)部發(fā)動(dòng)機(jī)則是指地球內(nèi)部的各種能量。此外，可以將地球系統(tǒng)的演化過(guò)程或全球變化過(guò)程劃分為長(zhǎng)期（幾十億年至幾百萬(wàn)年）過(guò)程和短期（幾十年至幾百年）過(guò)程。
　　在地球的長(zhǎng)期變化過(guò)程相互聯(lián)系的組成部分及它們之間的相互作用流程。太陽(yáng)驅(qū)動(dòng)過(guò)程、地幔和地核過(guò)程分別從內(nèi)、外兩方面同時(shí)推動(dòng)板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，后者因此在以百萬(wàn)年為特征時(shí)間尺度的長(zhǎng)期演化中，完成造山、大陸增生、海底擴(kuò)張和陸洋轉(zhuǎn)換等一系列全球空間尺度的地質(zhì)和全球變化事件。這些事件的結(jié)果又反饋、影響到地球內(nèi)部和外部?jī)蓚€(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)和演化規(guī)律。
短期全球變化指時(shí)間尺度為幾十到幾百年的變化，由四個(gè)相互作用、相互依存的子系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)形成。除時(shí)間尺度的差異外，短期變化和長(zhǎng)期變化事件的區(qū)別還在于：在短期變化過(guò)程中的各個(gè)子系統(tǒng)之間，所有作用都是相互、即雙向進(jìn)行的，每一個(gè)環(huán)節(jié)既是作用者，又是被推動(dòng)者，這成為短期全球變化過(guò)程中最重要的基本特征。
§4 地球的磁場(chǎng)
4１ 地球磁場(chǎng)的基本特征和地磁要素
固體地球是一個(gè)磁性球體，有自身的磁場(chǎng)。根據(jù)地磁力線的特征來(lái)看，地球外磁場(chǎng)類(lèi)似于偶極子磁場(chǎng)即無(wú)限小基本磁鐵的特征。但其磁軸與地球自轉(zhuǎn)軸并不重合，而是呈11.5°的偏離。地磁極的位置也不是固定的，它逐年發(fā)生一定的變化。
地磁力線分布的空間稱(chēng)作地磁場(chǎng)，磁力線的分布情況可由磁針的理想空間狀態(tài)表現(xiàn)出來(lái)。由磁針指示的磁南、北極，為磁子午線方向，其與地理子午線之間的夾角稱(chēng)磁偏角（D）。磁針在地磁赤道上呈水平狀態(tài)，由此向南或向北移動(dòng)時(shí)，磁針都會(huì)發(fā)生傾斜，其與水平面之間的夾角稱(chēng)作磁傾角（I）。磁傾角的大小隨緯度增加，到磁南極和磁北極時(shí)，磁針都會(huì)豎立起來(lái)。
　　地磁場(chǎng)的偶極特征也取決于磁力線從一個(gè)磁極到另一個(gè)磁極的閉合特征。在地球表層，這一閉合結(jié)構(gòu)形成了一個(gè)磁撲獲系統(tǒng)，撲獲了大氣圈上層形成的帶電粒子而構(gòu)成一個(gè)環(huán)繞地球的宇宙射線帶，稱(chēng)作范艾倫帶。范艾倫帶的影響范圍可達(dá)離地面65000km以上。由大氣層上部約100—150km處氣體發(fā)光而形成的極光，就是范艾倫帶中的氣體分子受電磁擾動(dòng)的產(chǎn)物。沿著范艾倫帶，極光可以在不到１秒鐘的時(shí)間內(nèi)從一個(gè)受擾動(dòng)的極區(qū)于瞬間傳到另一個(gè)擾動(dòng)極區(qū)，因此極光的爆發(fā)在北極區(qū)和南極區(qū)幾乎是同時(shí)發(fā)生的。
　 將地磁場(chǎng)比作偶極子磁場(chǎng)的說(shuō)法中，隱涵著地磁場(chǎng)是永久不變的這一假定。但實(shí)際上不僅磁極在不斷發(fā)生擺動(dòng)，從發(fā)現(xiàn)地磁場(chǎng)以來(lái)，人們還逐漸發(fā)現(xiàn)了磁偏角在幾十到幾百年的時(shí)間內(nèi)，大致沿著緯線方向平穩(wěn)地向西移動(dòng)，這一性質(zhì)被稱(chēng)作地磁場(chǎng)的向西漂移。
磁暴是一種急劇的地磁場(chǎng)變化現(xiàn)象，也是一種危害性很大的災(zāi)害性自然現(xiàn)象。在發(fā)生磁暴時(shí)，不僅地磁場(chǎng)要素會(huì)發(fā)生激烈的跳躍式變化，還會(huì)使電力線受到破壞、通信線路和信號(hào)中斷、變壓設(shè)備發(fā)生故障、絕緣電纜被擊穿等。一般認(rèn)為，磁暴是受太陽(yáng)活動(dòng)所引起。
地磁異常和重力異常類(lèi)似，如果差值為正，稱(chēng)正異常；差值為負(fù)時(shí)稱(chēng)負(fù)異常。一般情況下，正異常多是由于地下賦存著高磁場(chǎng)性的礦物或巖石，如磁鐵礦，鎳鐵礦和超基性巖類(lèi)等。負(fù)異常則多由地下賦存的石油，鹽礦，銅礦和花崗巖等低磁性或反磁性礦物或巖石引起。
4.2. 地磁場(chǎng)起源的成因假說(shuō)
　　略。
4.３ 地磁場(chǎng)反轉(zhuǎn)與大陸漂移
　　磁場(chǎng)的存在會(huì)導(dǎo)致巖石發(fā)生磁化，而磁場(chǎng)的變化會(huì)在磁化的巖石中留下記錄。巖石磁化的方式則隨巖漿巖、變質(zhì)巖和沉積巖等巖石類(lèi)型的不同而異。比如，熔巖從地下噴出時(shí)的溫度是在磁性物質(zhì)的居里點(diǎn)以上，然后在熔巖冷卻的過(guò)程中，磁性礦物沿著當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐拇艌?chǎng)方向被磁化。這種當(dāng)巖石冷卻時(shí)所獲得的磁性稱(chēng)為熱剩磁。一般情況熱剩磁是穩(wěn)定的，在此后即使巖石所在地的外部磁場(chǎng)發(fā)生變化，也不會(huì)使熱剩磁發(fā)生變化。沉積巖中的顆粒在已經(jīng)磁化的情況下，在沉積過(guò)程中，也會(huì)沿著當(dāng)?shù)卮嬖诘拇艌?chǎng)方向平行排列，形成沉積巖中的剩磁。此外如砂巖中的磁性礦物以化學(xué)方式析出，后者的磁性也會(huì)具有和當(dāng)?shù)卮艌?chǎng)平行的性質(zhì)。
　　由于具有不同的剩磁特征，巖石成為研究古磁場(chǎng)的特殊“化石”。從對(duì)巖石的磁性、特別是對(duì)它們剩磁方向的研究，可以弄清楚巖石磁化時(shí)在地球上的位置。所以將依據(jù)巖石磁性來(lái)研究地史時(shí)期地磁場(chǎng)的狀態(tài)、磁極變化和大陸漂移的學(xué)科稱(chēng)為古地磁學(xué)。
巖石中保留了地球磁極記錄
　　古地磁研究在板塊構(gòu)造理論的興起和確定過(guò)程中起了十分關(guān)鍵的佐證作用。在地磁極與地球自轉(zhuǎn)極性一致的前提下，某地的磁傾角I可以由該點(diǎn)的緯度角來(lái)確定。兩者之間的關(guān)系為
tgI=2tgθ （3—5）
　　如果大陸是固定不動(dòng)的，從各大陸的古地磁學(xué)資料中就可以確定地球自轉(zhuǎn)極隨著時(shí)間流逝而發(fā)生的移動(dòng)。理論上自轉(zhuǎn)極移動(dòng)曲線只可能有一條，因此無(wú)論在哪個(gè)大陸上所確定的地球自轉(zhuǎn)極移動(dòng)的曲線都應(yīng)該一致。但實(shí)際上，不僅每個(gè)現(xiàn)代大陸計(jì)算的結(jié)果大不相同，同一大陸內(nèi)部的不同地區(qū)也有明顯的差異，這只能是因?yàn)楦鞔箨懺l(fā)生過(guò)不同程度、不同方向的聚散和漂移所致。
　　地磁極不僅曾發(fā)生過(guò)漂移，還出現(xiàn)過(guò)反轉(zhuǎn)----即南、北極互相顛倒的現(xiàn)象。在距今大約100萬(wàn)年前的第四紀(jì)，地磁場(chǎng)的方向和現(xiàn)在完全相同。與之相應(yīng)，這一時(shí)期稱(chēng)作地磁場(chǎng)的正向期。但比第四紀(jì)更早的時(shí)代，通過(guò)對(duì)巖石磁法研究的結(jié)果，其磁化方向多數(shù)與現(xiàn)代地磁場(chǎng)的方向相反，因此也稱(chēng)其為反向期。正向期和反向期在地球歷史上交替出現(xiàn)，表明地史時(shí)期中曾有過(guò)多次地磁場(chǎng)反轉(zhuǎn)事件。
5、地球的能量和地震
5．1 地球內(nèi)部的溫度
　　火山噴發(fā)、溫泉以及礦井隨深度而增溫的現(xiàn)象表明地球內(nèi)部?jī)?chǔ)存有很大的熱能，可以說(shuō)地球是一個(gè)巨大的熱庫(kù)。但從地面向地下深處，地?zé)嵩鰷氐默F(xiàn)象隨著深度的改變是不均勻的。地面以下按溫度變化的特征可以劃分為三層：
　　外熱層（變溫層） 該層地溫主要是受太陽(yáng)光幅射熱的影響，其溫度隨季節(jié)、晝夜的變化而變化，故也稱(chēng)作變溫層。日變化造成的影響深度較小，一般僅1—1.5m，年變化影響圈套，其影響的范圍可達(dá)地下20—30m。
　　常溫層 該層地溫與當(dāng)?shù)氐哪昶骄鶞囟却笾孪喈?dāng)，且常年基本保持不變，其深度大約為20—40m。一般情況下在中緯度地區(qū)較深，在兩極和赤道地區(qū)較淺；在內(nèi)陸地區(qū)較深，在濱海地區(qū)較淺。
　　增溫層 在常溫層以下，地下溫度開(kāi)始隨深度增大而逐漸增加。大陸地區(qū)常溫層以下至約30km深處，大致每往下30m，溫度會(huì)增加1°大洋底到15km深處，大致每加深15m,地溫增高1°。為規(guī)范計(jì)算地下溫度變化的規(guī)律，將深度每增加100m時(shí)所增高的溫度稱(chēng)作地溫梯度， 其單位是°C/100m。由于地下的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和組成物質(zhì)不同，地溫梯度在各地是有差異的。例如在我國(guó)華北平原，當(dāng)?shù)氐牡販靥荻纫话銥?--3°C/100m，在靠近大斷裂的安徽廬江則為4°C/100m。
　　在地下更深處，由于受到壓力和密度增大等因素的影響，地溫的增加逐漸趨于緩慢。
5.2 地球的能量
　 地球是由內(nèi)、外兩部發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的，這兩部發(fā)動(dòng)機(jī)提供了地球的全部能量來(lái)源。其中熱能是地球最主要的能源。
　　地球從太陽(yáng)吸收的能量每年大約為4.2×1024 焦耳，超過(guò)地球上全部煤炭?jī)?chǔ)量完全燃燒后所能夠獲得的熱能的300倍。但在地球吸收的太陽(yáng)能中，有1/3左右的能量被大氣圈和地球表面反射掉，并直接分散到宇宙空間中去。剩下的2/3被地球表層系統(tǒng)吸收，再以各種方式轉(zhuǎn)化為地球演化所需的能源。
　　地球內(nèi)部熱能的來(lái)源問(wèn)題尚無(wú)定論。一般認(rèn)為，由巖石中放射性元素衰變釋放的熱是地?zé)岬闹饕獊?lái)源。其次，因地球本身的重力作用過(guò)程也可以轉(zhuǎn)化出大量熱能，其總熱量可能十分接近于放射性熱能。此外，地球自轉(zhuǎn)的動(dòng)能和地球物質(zhì)不斷進(jìn)行的化學(xué)作用等都可以產(chǎn)生大量的熱能。
地內(nèi)熱場(chǎng)的其它分量，受到地球內(nèi)部或深部的多種作用所控制。不同區(qū)域的能量變化相差很大。但這種熱源一般是相當(dāng)穩(wěn)定的，并且維持從深部到地表的熱流。
鈾、釷和鉀的放射性同位素是衰變熱源的主要供給者。構(gòu)成地殼上部的花崗巖和沉積巖層，具有放射性元素含量最高的特點(diǎn)。在玄武巖中，它們的含量低好幾倍，而且在上地幔巖石中最少。在球粒隕石和鐵隕石中，放射性含量是微不足道的，可以與地幔下層和地核中的含量相對(duì)應(yīng)。
5.3 地幔部分熔融
　　地?；旧鲜枪虘B(tài)的，但其中仍有部分層位處于熔融狀態(tài)。地幔部分熔融就是指在地幔的上部層位，有部分巖石因受到復(fù)雜的地質(zhì)作用而發(fā)生部分熔解，從而顯示為高度可塑甚至液態(tài)的現(xiàn)象。地幔是否部分熔融，直接影響到大洋中脊的形成，海底擴(kuò)張，大陸板內(nèi)伸展作用和裂谷型玄武巖噴發(fā)的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，故一直在地球科學(xué)的前沿研究中占有一席之地。但在過(guò)去對(duì)殼幔部分熔融過(guò)程的模擬，基本上是在靜態(tài)即無(wú)差異應(yīng)力的條件下進(jìn)行的．結(jié)果所得到的熔融結(jié)構(gòu)有較高的強(qiáng)度，使礦物顆粒產(chǎn)生滑移變形的可能性大為減少。這對(duì)殼幔物質(zhì)運(yùn)動(dòng)是一種不利的限制。
5.4. 地震
　　地震是地球內(nèi)部具有能量的最直接的證據(jù)。地球內(nèi)部能量于瞬間釋放時(shí)引起的地球快速顫動(dòng)，從而引發(fā)大小不等、形式多樣的地震活動(dòng)。按震源深度地震一般可分為三類(lèi), 即淺源地震、中源地震和深源地震。破壞性巨大的淺源地震往往發(fā)生于板塊內(nèi)部, 特別是發(fā)生在陸殼板塊的內(nèi)部, 被認(rèn)為是各種斷層突發(fā)性活動(dòng)的產(chǎn)物。 中國(guó)境內(nèi)發(fā)生的多數(shù)地震屬于前者。而后兩種多被認(rèn)為主要只與板塊作用過(guò)程有關(guān), 尤其是與板塊邊緣的俯沖、碰撞過(guò)程密不可分。
　　巖石圈板塊的運(yùn)動(dòng)有兩種類(lèi)型，一種是陸-陸碰撞，即碰撞發(fā)生于兩個(gè)大陸板塊之間；另一種是洋-陸俯沖，即在大陸板塊和大洋板塊之間進(jìn)行。在陸-陸碰撞的情況下，地震主要沿著碰撞板塊的結(jié)合帶邊緣分布，發(fā)生于碰撞形成的斷層帶內(nèi)。由此引發(fā)的地震多數(shù)為淺源地震，也可有少量的中源地震發(fā)生。在洋-陸俯沖的情況下，洋殼板塊沿著海溝帶往大陸板塊下部俯沖，并一直下插到地幔深度。在俯沖板塊的不同部位，應(yīng)力分布的狀態(tài)是不相同的：俯沖板塊的后緣處于相對(duì)拉張的構(gòu)造環(huán)境，中、前部則受到強(qiáng)烈的擠壓。在這種情況中、前部則受到強(qiáng)烈的擠壓。在這種情況下全部三種震源深度的地震都有可能發(fā)生。
巖石圈板塊運(yùn)動(dòng)類(lèi)型：a陸-陸碰撞，b洋-陸碰撞
　　此外，無(wú)論是陸-陸碰撞還是洋-陸俯沖，在陸殼板塊的內(nèi)部都會(huì)因?yàn)闃?gòu)造應(yīng)力的局部集中而產(chǎn)生板內(nèi)地震，這類(lèi)地震一般多為淺源型。
　　由于斷層在孕育過(guò)程中積累了大量能量, 一旦斷層發(fā)生整體斷裂和滑移, 被積累的能量就因?yàn)閿鄬拥倪\(yùn)動(dòng)和變形而迅速釋放, 從而導(dǎo)致地震。 但后來(lái)的研究發(fā)現(xiàn), 地震并非在整個(gè)斷層的所有段落上都是同時(shí)發(fā)生的。 因此有人提出了斷層閉鎖段的概念, 認(rèn)為在斷層內(nèi)部往往存在著一到多處閉鎖段, 它（們）在斷層開(kāi)始作整體變形和運(yùn)移時(shí), 只發(fā)生剪切應(yīng)變而不發(fā)生宏觀滑移, 即處于閉鎖狀態(tài)。
地震的彈性回跳假說(shuō)
a.斷層受到剪切作用而開(kāi)始剪切變形
b.除閉鎖段（由虛線橢圓圍限部分）外，斷層其他部分均以發(fā)生顯著滑移；
c.斷層閉鎖段被徹底剪斷而發(fā)生瞬時(shí)滑移，地震因斷層閉鎖段的彈性回跳而產(chǎn)生，
閉鎖段也隨之消失
有斷層閉鎖段的地震斷裂示意圖
　 要真正做到準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)地震，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)仍將是一件任重而道遠(yuǎn)的事。
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