第一章总论 第一节地球概况 、地球的形状和大小 (一)对地球形状、大小的认识 人类在长期生产实践中,对于地球形状的认识经历了反复曲折的过程 当初人们确认地球的形状为圆球形,这是一个认识上的进步,有人比喻为第 级近似。到18世纪末,人们普遍认识到地球为极轴方向扁缩的椭球,这 是第二级近似。为了数学上计算方便,人们用“旋转椭球体”这一几何形体 来代表地球的形状。所谓旋转椭球体是将一个椭圆以它的短轴为轴旋转而成 的球体。地球因自转而变扁,这符合逻辑和事实,但地球不是流体,所以旋 转椭球体的光滑表面并不完全和地球真实形状一致。地球表面有大陆和海 洋,地势有高有低,其形状是非常不规则的。后来通过重力测量采用“大地 水准体”( Geoid)这个概念来代表地球的形状(图1-1),这是第三级近似。 大地水准体是指由平均海面所封闭的球体形状。海面上的重力位各处都是相 等的,即海面在重力作用下是一个等位面,把这个等位面延伸通过大陆,就 形成一个封闭曲面,这个曲面叫大地水准面。由于地球表面有71%为海洋所 占据,所以在一定程度上讲,大地水准面代表了地球的形状,而且这个面是 个实际存在的面。但它仍然是介于旋转椭球体和地球真实形状之间的一个 中间形态。 近年来,由于人造卫星等空间技术的发展,大大地推动了关于地球形状 的深入研究,取得了一些新的数据。概括说来,有以下几个方面的认识:(1) 大地水准面不是一个稳定的旋转椭球面,而是有地方隆起,有地方凹陷,相 差可达100m以上;(2)地球赤道横截面不是正圆形,而是近似椭圆形,长 轴指向西经20°和东经160°方向,长短轴之差为430m;(3)赤道面不是 地球的对称面,从包含南北极的垂直于赤道平面的纵剖面来看,其形状与标 准椭球体相比较,位于南极的南极大陆比基准面凹进24m;而位于北极的没 有大陆的北冰洋却高出基准面14m。同时,从赤道到南纬60°之间高出基准 面,而从赤道到北纬45°之间低于基准面。用夸大了的比例尺来看,这一形 状是一个近似“梨”的形状(图1-2)。这一认识是到目前为止对于地球认 识的一个新阶段。这种认识说明地球的形状及反映这种形状的内部物质状态 还未达到稳定平衡状态。当然,今后卫星测量还必须结合大地测量、重力测 量和天文测量等综合手段,才能获得进一步精确的数据。 (二)地球的形状和大小的最新数据(1975年9月,国际大地测量学和 地球物理学联合会第18届年会推荐和1980年公布的部分大地测量常数值, 后者带*号)
第一章总论 第一节地球概况 一、地球的形状和大小 （一）对地球形状、大小的认识 人类在长期生产实践中，对于地球形状的认识经历了反复曲折的过程。 当初人们确认地球的形状为圆球形，这是一个认识上的进步，有人比喻为第 一级近似。到 18 世纪末，人们普遍认识到地球为极轴方向扁缩的椭球，这 是第二级近似。为了数学上计算方便，人们用“旋转椭球体”这一几何形体 来代表地球的形状。所谓旋转椭球体是将一个椭圆以它的短轴为轴旋转而成 的球体。地球因自转而变扁，这符合逻辑和事实，但地球不是流体，所以旋 转椭球体的光滑表面并不完全和地球真实形状一致。地球表面有大陆和海 洋，地势有高有低，其形状是非常不规则的。后来通过重力测量采用“大地 水准体”（Geoid）这个概念来代表地球的形状（图 1-1），这是第三级近似。 大地水准体是指由平均海面所封闭的球体形状。海面上的重力位各处都是相 等的，即海面在重力作用下是一个等位面，把这个等位面延伸通过大陆，就 形成一个封闭曲面，这个曲面叫大地水准面。由于地球表面有 71％为海洋所 占据，所以在一定程度上讲，大地水准面代表了地球的形状，而且这个面是 一个实际存在的面。但它仍然是介于旋转椭球体和地球真实形状之间的一个 中间形态。 近年来，由于人造卫星等空间技术的发展，大大地推动了关于地球形状 的深入研究，取得了一些新的数据。概括说来，有以下几个方面的认识：（1） 大地水准面不是一个稳定的旋转椭球面，而是有地方隆起，有地方凹陷，相 差可达 100m 以上；（2）地球赤道横截面不是正圆形，而是近似椭圆形，长 轴指向西经 20°和东经 160°方向，长短轴之差为 430m；（3）赤道面不是 地球的对称面，从包含南北极的垂直于赤道平面的纵剖面来看，其形状与标 准椭球体相比较，位于南极的南极大陆比基准面凹进 24m；而位于北极的没 有大陆的北冰洋却高出基准面 14m。同时，从赤道到南纬 60°之间高出基准 面，而从赤道到北纬 45°之间低于基准面。用夸大了的比例尺来看，这一形 状是一个近似“梨”的形状（图 1-2）。这一认识是到目前为止对于地球认 识的一个新阶段。这种认识说明地球的形状及反映这种形状的内部物质状态 还未达到稳定平衡状态。当然，今后卫星测量还必须结合大地测量、重力测 量和天文测量等综合手段，才能获得进一步精确的数据。 （二）地球的形状和大小的最新数据（1975 年 9 月，国际大地测量学和 地球物理学联合会第 18 届年会推荐和 1980 年公布的部分大地测量常数值， 后者带*号）：
地球赤道半经(a):6378137m 地球极半经(c):6356752m* 赤道标准重力加速度(Y。):(978032±1)×10-5m/s2 (三)地球的其它数据 地球平均半经:6371 子午线周长:40008.08km 赤道周长:40075.24km 地球的面积:51000万km2* 海洋面积:36100万km2,占地球总面积的70.8% 陆地面积:14900万km2,占地球总面积的292% 地球的体积:10830亿km3* 地球的质量:5.976×1027g* 地球的平均密度:5.517g/cm 物体脱离的临界速度:11.2km/s 赤道上点的线速度:465m/s 地球沿轨道运动的平均速度:29.78km/s 大陆最高山峰(珠穆朗玛峰):8846.27m 大陆平均高度:825m海洋最深海沟:-11034m 海洋平均深度:-3800m 大陆和海洋的平均高度:-2448m(即全球表面无起伏,将被2448m厚的 海水所覆盖) 从以上数据中,得知地球表面不仅海陆并存,而且地面起伏最大高差近 20km。但若把地球缩小,以3.2m为半径,画一道高1.5cm的圆周线带,则 地表的最高点和最低点均可包括在这道圆周线带内;同时,由于地球扁率只 有1/298,无论是旋转椭球体、大地水准体或近似“梨”形体,从宏观上看 地球仍然是近似球形的球体 、地球的物理性质 (一)地球的密度和重力 地球的质量是根据万有引力定律计算出来的,用地球的质量除以地球的 体积,便可得出地球的平均密度是5.517g/cm3,而地壳上部的岩石平均密度 是2.65g/cm3,由此推测地球内部必有密度更大的物质。根据地震资料得知, 地球密度是随着深度的加深而增大的,并且在地下若干深度处密度呈跳跃式 变化,推测地核部分密度可达13g/cm3左右
地球赤道半经（α）：6378137m* 地球极半经（с）：6356752m* 赤道标准重力加速度（γe）：（978032±1）×10-5m/s2 （三）地球的其它数据 地球平均半经：6371km 子午线周长：40008.08km 赤道周长：40075.24km 地球的面积：51000 万 km2* 海洋面积：36100 万 km2，占地球总面积的 70.8％ 陆地面积：14900 万 km2，占地球总面积的 29.2％ 地球的体积：10830 亿 km3* 地球的质量：5.976×1027g* 地球的平均密度：5.517g/cm3 物体脱离的临界速度：11.2km/s 赤道上点的线速度：465m/s 地球沿轨道运动的平均速度：29.78km/s 大陆最高山峰（珠穆朗玛峰）：8846.27m 大陆平均高度：825m 海洋最深海沟：-11034m 海洋平均深度：-3800m 大陆和海洋的平均高度：-2448m（即全球表面无起伏，将被 2448m 厚的 海水所覆盖） 从以上数据中，得知地球表面不仅海陆并存，而且地面起伏最大高差近 20km。但若把地球缩小，以 3.2m 为半径，画一道高 1.5cm 的圆周线带，则 地表的最高点和最低点均可包括在这道圆周线带内；同时，由于地球扁率只 有 1/298，无论是旋转椭球体、大地水准体或近似“梨”形体，从宏观上看 地球仍然是近似球形的球体。 二、地球的物理性质 （一）地球的密度和重力 地球的质量是根据万有引力定律计算出来的，用地球的质量除以地球的 体积，便可得出地球的平均密度是 5.517g/cm3，而地壳上部的岩石平均密度 是 2.65g/cm3，由此推测地球内部必有密度更大的物质。根据地震资料得知， 地球密度是随着深度的加深而增大的，并且在地下若干深度处密度呈跳跃式 变化，推测地核部分密度可达 13g/cm3左右
地球的平均密度和水星(5.4)相差不多,月球(3.341)和火星(395) 的密度都比地球小,其它行星的密度就更小了。当前很重视和其它星体对比 来研究地球。 地球的重力一般是指地球对地表和地内物质的引力。而万有引力 mmn2/r2,由此可知,重力与地球质量(m)和物体质量(m2)的乘积成正 比,与地球和物体二者质量中心的直线距离平方(r2)成反比。地表重力因 还受地球自转产生的离心力和各点与地心距离的影响,故各地并不相等,且 随海拔和纬度的不同而发生变化。据计算:在两极,重力比赤道地区大0.53 %,也就是说把在两极重100kg的物体搬到赤道地区时,则变成9947kg。 通常用单位质量所受的重力,即重力加速度(g)来表示各地的重力大小。 如在赤道的重力为9780318Ga①,在两极为9832177Ga。 如果把地球看作一个理想的扁球体(旋转椭球体),并且内部密度无横 向变化,所计算出的重力值,称理论重力值。但由于各地海拔高度、周围地 形以及地下岩石密度不同,以致所测出的实际重力值不同于理论值,称为重 力异常。比理论值大的称正异常,比理论值小的称负异常。存在一些密度较 大物质的地区,如铁、铜、铅、锌等金属矿区,就常表现为正异常;而存在 些密度较小物质的地区,如石油、煤、盐类以及大量地下水等,就常表现 为负异常。异常的大小取决于矿石与周围岩石的密度差、矿体的大小以及矿 体的埋藏深度。根据这个道理可以进行找矿和地质调查,这称为重力勘探, 是地球物理勘探方法之一。 但是,利用重力异常研究地质情况,必须对实测重力值进行校正,即必 须清除各种因素对实测值的影响。第一,实测点有一定的海拔高度,海拔越 高,距地心距离越大,而高差每增减1m,重力差则为0.3083mGal。因此, 须要一律校正至海平面高度,这种校正只考虑海平面与测点之间高差的影 响,而未考虑海平面与测点之间物质的影响,就好象那里是空的一样,所以 这种校正称自由空气校正。经这样校正后的重力值与理论重力值之差,称为 自由空气异常;第二,测点与海平面之间还有岩石(平均密度一般按 2.67g/cm3计算)对重力产生影响,测点周围地形也对重力产生影响,因此 自由空气校正后的重力值还必须减去这部分岩石和地形对测点所产生的重 力值,这种校正称为布格校正,布格校正后的重力值与理论重力值之差称为 布格异常。这种异常应用最广,在文献中所看到的重力异常一般皆指布格重 力异常。 图1-3是我国大陆部分布格重力异常图,从图上可以看出有两点值得注 意的情况:(1)青藏高原边缘和大兴安岭及太行山边缘有明显的“重力台 阶”,这说明地质情况有很大变化;(2)丘陵及平原地带重力异常值较小 而青藏高原等地负异常值较大,甚至达到负400-500mGal,这说明高原、高 山地带在海平面以下的部分存在着某种补偿作用,从而抵消了高山、高原对 重力的影响。根据这种现象,有人提岀“地壳均衡说”,认为山脉是较轻的
地球的平均密度和水星（5.4）相差不多，月球（3.341）和火星（3.95） 的密度都比地球小，其它行星的密度就更小了。当前很重视和其它星体对比 来研究地球。 地球的重力一般是指地球对地表和地内物质的引力。而万有引力 F=m1m2/r2，由此可知，重力与地球质量（m1）和物体质量（m2）的乘积成正 比，与地球和物体二者质量中心的直线距离平方（r2）成反比。地表重力因 还受地球自转产生的离心力和各点与地心距离的影响，故各地并不相等，且 随海拔和纬度的不同而发生变化。据计算：在两极，重力比赤道地区大 0.53 ％，也就是说把在两极重 100kg 的物体搬到赤道地区时，则变成 99.47kg。 通常用单位质量所受的重力，即重力加速度（g）来表示各地的重力大小。 如在赤道的重力为 978.0318Gal①，在两极为 983.2177Gal。 如果把地球看作一个理想的扁球体（旋转椭球体），并且内部密度无横 向变化，所计算出的重力值，称理论重力值。但由于各地海拔高度、周围地 形以及地下岩石密度不同，以致所测出的实际重力值不同于理论值，称为重 力异常。比理论值大的称正异常，比理论值小的称负异常。存在一些密度较 大物质的地区，如铁、铜、铅、锌等金属矿区，就常表现为正异常；而存在 一些密度较小物质的地区，如石油、煤、盐类以及大量地下水等，就常表现 为负异常。异常的大小取决于矿石与周围岩石的密度差、矿体的大小以及矿 体的埋藏深度。根据这个道理可以进行找矿和地质调查，这称为重力勘探， 是地球物理勘探方法之一。 但是，利用重力异常研究地质情况，必须对实测重力值进行校正，即必 须清除各种因素对实测值的影响。第一，实测点有一定的海拔高度，海拔越 高，距地心距离越大，而高差每增减 1m，重力差则为 0.3083mGal。因此， 须要一律校正至海平面高度，这种校正只考虑海平面与测点之间高差的影 响，而未考虑海平面与测点之间物质的影响，就好象那里是空的一样，所以 这种校正称自由空气校正。经这样校正后的重力值与理论重力值之差，称为 自由空气异常；第二，测点与海平面之间还有岩石（平均密度一般按 2.67g/cm3 计算）对重力产生影响，测点周围地形也对重力产生影响，因此 自由空气校正后的重力值还必须减去这部分岩石和地形对测点所产生的重 力值，这种校正称为布格校正，布格校正后的重力值与理论重力值之差称为 布格异常。这种异常应用最广，在文献中所看到的重力异常一般皆指布格重 力异常。 图 1-3 是我国大陆部分布格重力异常图，从图上可以看出有两点值得注 意的情况：（1）青藏高原边缘和大兴安岭及太行山边缘有明显的“重力台 阶”，这说明地质情况有很大变化；（2）丘陵及平原地带重力异常值较小， 而青藏高原等地负异常值较大，甚至达到负 400—500mGal，这说明高原、高 山地带在海平面以下的部分存在着某种补偿作用，从而抵消了高山、高原对 重力的影响。根据这种现象，有人提出“地壳均衡说”，认为山脉是较轻的
岩块浮在较重的介质之上,仿佛冰山浮在海水中一样,山越高,它深入下部 介质中的深度也越大,这深入的部分通称“山根”。这种论点现已为许多证 据所证实。 (二)地磁 地球周围形成一个巨大的地磁场。早在公元前3世纪战国时期,我国就 已利用磁性发明了指南仪器——司南。后来人们还发现地磁极与地理极的位 置是不一致的。地球磁场同置于地球中心的一个大条形磁铁(条形磁铁与地 轴呈11.5°相交)所产生的偶极磁场相类似(图1-4)。条形磁铁的北极指 向地球的南磁极,条形磁铁的南极指向地球的北磁极。其磁力线是从南磁极 出发进入北磁极的。当然事实上地球内部并无这样一个条形磁铁。为了确定 地表任何一点的地磁场,需要进行磁场强度测量。如图1-5所示,箭头代表 向量,其长度代表磁场强度(磁场强度单位为奥斯特0e),它在水平面上的 投影为水平强度,它的垂直分量为垂直强度,图中θ角称磁偏角,α称磁倾 角。磁偏角也就是地磁子午线与地理子午线的夹角,以指北针为准,偏东为 正,偏西为负。磁倾角即磁针与各处水平面的夹角,常随纬度而变化,在两 磁极α角为90°,在磁赤道则为0°,以指北针为准,下倾者为正,上仰者 为负。 概括而言,地磁具有以下特点 (1)地磁南北极和地理南北极的位置不一致,并且磁极的位置逐年都 有变化,如表1-1,磁极有向西缓慢移动的趋势。 (2)地面上每一点都可从理论上计算出它的磁偏角和磁倾角。如磁偏 角和磁倾角与理论值不符时,叫做地磁异常。局部的地磁异常主要是由地下 岩石磁性差异引起。属于地球物理勘探方法之一的磁法勘探就是据此寻找地 磁异常区,从而发现隐伏地下的高磁性矿床。此外通过研究在亿、万年前所 形成的岩石中保存下来的剩余磁性的方向和强度,来判断地球磁场方向的变 化,称古地磁学。它可以配合其它方法探索地球岩石圈构造发展的历史。 表1-1近代地磁极位置
岩块浮在较重的介质之上，仿佛冰山浮在海水中一样，山越高，它深入下部 介质中的深度也越大，这深入的部分通称“山根”。这种论点现已为许多证 据所证实。 （二）地磁 地球周围形成一个巨大的地磁场。早在公元前 3 世纪战国时期，我国就 已利用磁性发明了指南仪器——司南。后来人们还发现地磁极与地理极的位 置是不一致的。地球磁场同置于地球中心的一个大条形磁铁（条形磁铁与地 轴呈 11.5°相交）所产生的偶极磁场相类似（图 1-4）。条形磁铁的北极指 向地球的南磁极，条形磁铁的南极指向地球的北磁极。其磁力线是从南磁极 出发进入北磁极的。当然事实上地球内部并无这样一个条形磁铁。为了确定 地表任何一点的地磁场，需要进行磁场强度测量。如图 1-5 所示，箭头代表 向量，其长度代表磁场强度（磁场强度单位为奥斯特 Oe），它在水平面上的 投影为水平强度，它的垂直分量为垂直强度，图中θ角称磁偏角，α称磁倾 角。磁偏角也就是地磁子午线与地理子午线的夹角，以指北针为准，偏东为 正，偏西为负。磁倾角即磁针与各处水平面的夹角，常随纬度而变化，在两 磁极α角为 90°，在磁赤道则为 0°，以指北针为准，下倾者为正，上仰者 为负。 概括而言，地磁具有以下特点： （1）地磁南北极和地理南北极的位置不一致，并且磁极的位置逐年都 有变化，如表 1-1，磁极有向西缓慢移动的趋势。 （2）地面上每一点都可从理论上计算出它的磁偏角和磁倾角。如磁偏 角和磁倾角与理论值不符时，叫做地磁异常。局部的地磁异常主要是由地下 岩石磁性差异引起。属于地球物理勘探方法之一的磁法勘探就是据此寻找地 磁异常区，从而发现隐伏地下的高磁性矿床。此外通过研究在亿、万年前所 形成的岩石中保存下来的剩余磁性的方向和强度，来判断地球磁场方向的变 化，称古地磁学。它可以配合其它方法探索地球岩石圈构造发展的历史。 表 1-1 近代地磁极位置
年代 北磁极 南磁极 70.1°N,96.8°W 1841 75.0°S,153.7°E 70.5°N,96.5°W 72.4°S,153.3°E 1912 S,150.8°E 73.0°N,100W 68.7°S,143.0°E 67.1°S,142.7°E 1965 75.5°N,100.5°W66.5°S,139.9°E 1970 76.2°N,101.0°W66.0°S,139.1°E 1975* 76.2°N,100.6°W 1975 76.1°N,100.0°W65.8°S,139.4°E 1980 78.2°N,102.9°W65.6°S,139.4°E 65 2°S,138.7°E *实验位置 3〕根据人造卫星在地球外层空间探测发现,地球磁场的磁力线并不 像图1-4所示那样规则,而是由于太阳风的影响,地球的磁场被压缩在一个 固定区域内,这个区域叫磁层(图1-6)。磁层像一个头朝太阳的彗星,磁 层顶部朝向太阳,距离地球有10个地球半径远,而尾部可以拖到几百个地 球半径那么远。磁层可以使地球上生物免受宇宙射线和粒子袭击的危害。 (4)关于地球磁场形成的原因,曾有种种推测:很早人们认为地球的 地核部分为具有磁性的镍铁物质,从而形成地球磁场。但是,地內温度高达 几千摄氏度,远远超过铁磁性矿物的居里点①,不可能产生磁场。目前所知, 仅仅在20km范围内的岩石圈部分可以具有铁磁性,但它所产生的磁场强度 不可能达到地磁场强度的数量级。还有人认为巨大质量物体的转动可以导致 电磁效应,这种看法也被否定了。目前倾向于这种认识:地核的外核部分为 液态的金属铁镍物质,是一种导电流体,在地球旋转过程中,产生感应自激, 形成地球磁场。又因在地球转动过程中,流体地核比固体地幔略有滞后,因 此产生地球磁场逐渐向西漂移。但这些假说有待于继续研究证实。 (三)地热 地球内部储存着巨大的热能,这就是常说的地热。地壳表层的温度常随 外界温度而有日变化和年受化,但从地表向下到达一定深度,具温度不随外 界温度而变化,这一深度叫常温层。它的深度因地而异,在我国北方,温度 具有年变化的深度大约在30m左右。在年常温层以下,地温随深度而增加, 此增温规律可以用地热增温级或地热梯度表示。所谓地热增温级是在年常温 层以下,温度每升高1℃时所增加的深度,单位是m/C,例如,大庆的地热
年代 北磁极 南磁极 1831 * 70.1 ° N ， 96.8 ° W 1841 * 75.0 ° S ， 153.7 ° E 1904 * 70.5 ° N ， 96.5 ° W 1909 72.4 ° S ， 153.3 ° E 1912 * 71.2 ° S ， 150.8 ° E 1948 * 73.0 ° N ， 100W 1952 * 68.7 ° S ， 143.0 ° E 1960 74.9 ° N ， 101.0 ° W 67.1 ° S ， 142.7 ° E 1965 75.5 ° N ， 100.5 ° W 66.5 ° S ， 139.9 ° E 1970 76.2 ° N ， 101.0 ° W 66.0 ° S ， 139.1 ° E 1975 * 76.2 ° N ， 100.6 ° W 1975 76.1 ° N ， 100.0 ° W 65.8 ° S ， 139.4 ° E 1980 78.2 ° N ， 102.9 ° W 65.6 ° S ， 139.4 ° E 1983 * 65.2 ° S ， 138.7 ° E *实验位置 （3）根据人造卫星在地球外层空间探测发现，地球磁场的磁力线并不 像图 1-4 所示那样规则，而是由于太阳风的影响，地球的磁场被压缩在一个 固定区域内，这个区域叫磁层（图 1-6）。磁层像一个头朝太阳的彗星，磁 层顶部朝向太阳，距离地球有 10 个地球半径远，而尾部可以拖到几百个地 球半径那么远。磁层可以使地球上生物免受宇宙射线和粒子袭击的危害。 （4）关于地球磁场形成的原因，曾有种种推测：很早人们认为地球的 地核部分为具有磁性的镍铁物质，从而形成地球磁场。但是，地内温度高达 几千摄氏度，远远超过铁磁性矿物的居里点①，不可能产生磁场。目前所知， 仅仅在 20km 范围内的岩石圈部分可以具有铁磁性，但它所产生的磁场强度 不可能达到地磁场强度的数量级。还有人认为巨大质量物体的转动可以导致 电磁效应，这种看法也被否定了。目前倾向于这种认识：地核的外核部分为 液态的金属铁镍物质，是一种导电流体，在地球旋转过程中，产生感应自激， 形成地球磁场。又因在地球转动过程中，流体地核比固体地幔略有滞后，因 此产生地球磁场逐渐向西漂移。但这些假说有待于继续研究证实。 （三）地热 地球内部储存着巨大的热能，这就是常说的地热。地壳表层的温度常随 外界温度而有日变化和年受化，但从地表向下到达一定深度，具温度不随外 界温度而变化，这一深度叫常温层。它的深度因地而异，在我国北方，温度 具有年变化的深度大约在 30m 左右。在年常温层以下，地温随深度而增加， 此增温规律可以用地热增温级或地热梯度表示。所谓地热增温级是在年常温 层以下，温度每升高 1℃时所增加的深度，单位是 m/℃，例如，大庆的地热