存在重力均衡异常。山脉受剥蚀而降低时,重力均衡会使山脉上升而补偿一部分。地表的削 高填低和重力均衡使地壳趋于各处厚度相等,但地球的运动不断地造成新的山脉和盆地 有两种重力均衡模型一—普拉特模型和艾利模型 4地球内部的压力 地球内部的压力的大小用压强来表示。注意,在这里,压力和压强两个词常常被混淆。 如果压强(p)的单位为兆帕(10Pa),深度(h)的单位为千米,密度(p)的单位为 克每立方厘米(g/cm3),重力加速度(g)为9.8米每秒每秒,则有如下关系 p=hp.g 如果ρ取岩石的密度,则求出的是静岩压强;如果p取水的密度,则求出的是静水压强 在地壳上部某处的压强,可能是静岩压强,也可能是静水压强,也可能介于二者之间,取决 于裂隙的封闭程度。 5地磁场和古地磁 地球表面的磁场称为地磁场。地磁场的要素有磁场强度(T)、水平分量(H)、垂直分 量(Z)、磁偏角(D)、磁倾角(Ⅰ)。磁场强度的单位为安匝每米(Am)。 地磁场构成地球最外部的一个圈层—一磁层,磁层屏蔽了太阳发出的宇宙射线,保护地 球上的生物 由于太阳活动引起地磁场的剧烈变化称为磁暴。磁暴对通讯、电力等有强烈影响,可以 造成破坏。 选择若干地点测出地磁场数据,经过处理,作为理论值,各地实测值与理论值的差(ΔT) 称为地磁异常。地磁异常可以用来判断地壳上部的岩石组成,例如,花岗岩和玄武岩的磁异 常特征明显不同,也可以用来找矿。 地磁场的成因,双圆盘发电机假说,陆正亚的假说 古地磁 研究地球历史时期的地磁场的科学称为古地磁学 岩石形成时,磁性矿物颗粒平行于当时地磁场的方向排列,并且被固定在岩石中,这种 磁性称为原始剩磁。钻取定向样品,可以测出原始剩磁的方向,即当时当地的古地磁场方位 和磁倾角。采集不同地点同时代岩石的样品,可以测出一系列古地磁场方位,作出一系列磁 子午线,这些磁子午线的交点的平均位置即当时的古地磁极。由磁倾角(I)可以测出磁纬 tan=tano 古地磁学研究发现:地磁极绕地理极不断向西漂移,但在足够长时间(>10000年)内 的平均位置等于地理极位置。已知8000万年以来多次发生地磁场反转,即磁南、北极颠倒 的事件,间隔时间不定,平均约40万年,未发现处于反转过程中形成的岩石,说明反转过 程很短。在一个大陆内部不同地点测出的同一时代的古地磁极相同,不同大陆的同一时代的 古地磁极不同。这是大陆漂移的最好证据之 6地热能 地球外部圈层的运动的能量主要来自太阳辐射能,地球内部圈层的运动的能量主要来自 地球内部的热能,而地球内部的热能又主要来自放射性元素衰变和重力分异,其次来自地球 自转减慢和地球内部的物理化学反应。 地球内部的热不断地向外释放,所以从地表向下温度逐渐升高,称为地热增温现象 地下20~30米以上,地温受太阳影响随昼夜和季节而变化,称为变温层 变温层之下,约在距地表20~40米深处,地温与当地年平均气温相当并保持不变,称 为常温层 常温层之下,地温随深度增加而增加。 11
11 存在重力均衡异常。山脉受剥蚀而降低时，重力均衡会使山脉上升而补偿一部分。地表的削 高填低和重力均衡使地壳趋于各处厚度相等，但地球的运动不断地造成新的山脉和盆地。 有两种重力均衡模型——普拉特模型和艾利模型。 4 地球内部的压力 地球内部的压力的大小用压强来表示。注意，在这里，压力和压强两个词常常被混淆。 如果压强（p）的单位为兆帕（106Pa），深度（h）的单位为千米，密度（ρ）的单位为 克每立方厘米（g/cm3），重力加速度（g）为 9.8 米每秒每秒，则有如下关系： p = h·ρ·g 如果 ρ 取岩石的密度，则求出的是静岩压强；如果 ρ 取水的密度，则求出的是静水压强。 在地壳上部某处的压强，可能是静岩压强，也可能是静水压强，也可能介于二者之间，取决 于裂隙的封闭程度。 5 地磁场和古地磁 地球表面的磁场称为地磁场。地磁场的要素有磁场强度（T）、水平分量（H）、垂直分 量（Z）、磁偏角（D）、磁倾角（I）。磁场强度的单位为安匝每米（A/m）。 地磁场构成地球最外部的一个圈层——磁层，磁层屏蔽了太阳发出的宇宙射线，保护地 球上的生物。 由于太阳活动引起地磁场的剧烈变化称为磁暴。磁暴对通讯、电力等有强烈影响，可以 造成破坏。 选择若干地点测出地磁场数据，经过处理，作为理论值，各地实测值与理论值的差（ΔT） 称为地磁异常。地磁异常可以用来判断地壳上部的岩石组成，例如，花岗岩和玄武岩的磁异 常特征明显不同，也可以用来找矿。 地磁场的成因，双圆盘发电机假说，陆正亚的假说 古地磁 研究地球历史时期的地磁场的科学称为古地磁学。 岩石形成时，磁性矿物颗粒平行于当时地磁场的方向排列，并且被固定在岩石中，这种 磁性称为原始剩磁。钻取定向样品，可以测出原始剩磁的方向，即当时当地的古地磁场方位 和磁倾角。采集不同地点同时代岩石的样品，可以测出一系列古地磁场方位，作出一系列磁 子午线，这些磁子午线的交点的平均位置即当时的古地磁极。由磁倾角（I）可以测出磁纬 度（φ）： 2tanφ = tanI 。 古地磁学研究发现：地磁极绕地理极不断向西漂移，但在足够长时间（>10000 年）内 的平均位置等于地理极位置。已知 8000 万年以来多次发生地磁场反转，即磁南、北极颠倒 的事件，间隔时间不定，平均约 40 万年，未发现处于反转过程中形成的岩石，说明反转过 程很短。在一个大陆内部不同地点测出的同一时代的古地磁极相同，不同大陆的同一时代的 古地磁极不同。这是大陆漂移的最好证据之一。 6 地热能 地球外部圈层的运动的能量主要来自太阳辐射能，地球内部圈层的运动的能量主要来自 地球内部的热能，而地球内部的热能又主要来自放射性元素衰变和重力分异，其次来自地球 自转减慢和地球内部的物理化学反应。 地球内部的热不断地向外释放，所以从地表向下温度逐渐升高，称为地热增温现象。 地下 20～30 米以上，地温受太阳影响随昼夜和季节而变化，称为变温层。 变温层之下，约在距地表 20～40 米深处，地温与当地年平均气温相当并保持不变，称 为常温层。 常温层之下，地温随深度增加而增加
将深度每増加100米时地温增加的温度称为地温梯度,也称为地热増温率。大陆地区一 般为2~3℃/100m 地温梯度的局部变化称为地温异常,可以用来寻找地热资源或了解地壳构造。 地球内部通过地表单位面积单位时间向外传导的热量称为地热流(HFU),单位是 J/cm2s。地热流的全球平均值为6.15×106J/cm2-s 测量地热流可以了解地球深部构造 7地球的圈层结构 地球的外部圈层分为大气圈、水圈、生物圈,有人认为土壤也应该作为一个圈层 地球的内部圈层分为地壳、地幔、地核,每个圈层还可以进一步划分 本章讨论地球的内部圈层结构。注意下列概念: 莫霍面,古登堡面,岩石圖,软流圖,陆壳,洋壳 根据近年来的发现,大陆地壳更合适的划分方案可能是上、中、下三层结构。中层可看 成上、下地壳之间的过渡层,但是不连续,不是在各地普遍存在。中层的地震波波速比较低, 厚度约几千米
12 将深度每增加 100 米时地温增加的温度称为地温梯度，也称为地热增温率。大陆地区一 般为 2～3℃/100m。 地温梯度的局部变化称为地温异常，可以用来寻找地热资源或了解地壳构造。 地球内部通过地表单位面积单位时间向外传导的热量称为地热流（HFU），单位是 J/cm2 s。地热流的全球平均值为 6.15×10-6 J/cm2·s。 测量地热流可以了解地球深部构造。 7 地球的圈层结构 地球的外部圈层分为大气圈、水圈、生物圈，有人认为土壤也应该作为一个圈层。 地球的内部圈层分为地壳、地幔、地核，每个圈层还可以进一步划分。 本章讨论地球的内部圈层结构。注意下列概念： 莫霍面，古登堡面，岩石圈，软流圈，陆壳，洋壳 根据近年来的发现，大陆地壳更合适的划分方案可能是上、中、下三层结构。中层可看 成上、下地壳之间的过渡层，但是不连续，不是在各地普遍存在。中层的地震波波速比较低， 厚度约几千米
第五章地球的物质组成 1元素和化合物 宇宙大爆炸,基本粒子一一氢一一氦一一其他元素。 元素丰度一一某个对象中的元素的质量百分比,又称克拉克值 整个地球中元素丰度前十位的是Fe:O,MgSi,Ni,SCa,AlCo,Na 地壳中丰度大于1%的8种元素依次是氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁,它们的丰度 之和为98%。地壳中元素丰度前十位的是O,Si,Al,Fe, Ca, Na K, Mg,Ti,H 根据元素的地球化学行为,可将元素分为五类 造岩元紊,是指地壳中丰度前十位的元素,是组成地壳岩石的主要元素,又称主量元素、 常量元素,也称亲氧元素。 造岩元素中氧以阴离子形式存在,其他元素以阳离子形式存在,组成含氧盐和氧化物, 含氧盐中的硅酸盐是地壳的主要化合物形式 金属成矿元素,是指S、C1、F等以阴离子形式存在的元素和Cu、Pb、Zn等以阳离子 形式存在的金属元素,是组成金属矿物的主要元素。它们常常组成硫化物或硫盐,因此也称 亲硫元素。有时也组成单质或金属互化物 人类利用的金属元素大多数是从这些金属矿物中提炼的,另一些金属元素属于造岩元 素,主要从它们的氧化物或含氧盐中提炼 金属元素又可进一步分为贵金属元素、黑色金属元素、有色金属元素、稀有元素、稀土 元素等。 亲生物元素,是组成水圈、大气圈、生物圈的元素,主要指C、H、O、N、P、B,它 们的化合物形式主要是水、气体、有机物和生命物质。 此外,K、S、Ca、Na、Mg、Si、S、Al、Fe、Zn、Se、Pb、Cd、Hg、F等约二十多种 元素也具有亲生物性,对生命过程有影响 放射性元素,是具有放射性的一类特殊的元素。在元素周期表中,Po和排在Po后面的 元素都是放射性元素,排在Po前面的元素中有十几种同位素具有放射性。其中常用于地质 测年的有14C、40K、87Rb、147Sm、18Re、238U等 微量元素,指地壳中丰度很低的元素。不易形成独立矿物,多以类质同象的形式存在于 矿物中。(在某些场合,微量元素的另一种含义是指在某种物质中含量很少的元素。) 2矿物 地壳中元素的主要存在形式是矿物。 矿物是自然界中存在的单质或化合物,多数为无机晶质固体,少数为非晶质固体或胶体 煤、石油、天然气、琥珀等少数有机物可认为是特殊矿物 地壳中的矿物有3000多种,主要的造岩矿物只有十几种,主要的矿石矿物只有几十种。 矿物的性质:形态、颜色、透明度、光泽、硬度、密度、解理、断口、磁性、发光性 化学性质、热学性质、放射性等 形态,矿物晶体的形态有:各向等长的粒状;两向延长的板状、片状:一向延长的柱状、 针状、纤维状。矿物集合体的形态有:晶簇,蜂窝状、葡萄状、鲕状等。 颜色,矿物的颜色丰富多彩,一种矿物可能具有不同的颜色,但是大多数矿物具有一种 或少数几种比较固定的常见的颜色,可以作为鉴定特征之一。例如,正长石常为肉红色,斜 长石常为灰白色。对宝石矿物而言,颜色是重要的评价因素之 条痕色,是指深色矿物在白瓷板上留下的划痕的颜色,即矿物的粉末在白色衬底上的颜 色。对金属矿物而言,条痕色比颜色更固定,可作为鉴定特征之一。例如,金和黄铁矿的颜 色都是浅黄色,但金的条痕色是浅黄色,而黄铁矿的条痕色为黑色
13 第五章 地球的物质组成 1 元素和化合物 宇宙大爆炸，基本粒子——氢——氦——其他元素。 元素丰度——某个对象中的元素的质量百分比，又称克拉克值。 整个地球中元素丰度前十位的是 Fe,O,Mg,Si,Ni,S,Ca,Al,Co,Na。 地壳中丰度大于 1%的 8 种元素依次是氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁，它们的丰度 之和为 98%。地壳中元素丰度前十位的是 O,Si,Al,Fe,Ca,Na,K,Mg,Ti,H。 根据元素的地球化学行为，可将元素分为五类： 造岩元素，是指地壳中丰度前十位的元素，是组成地壳岩石的主要元素，又称主量元素、 常量元素，也称亲氧元素。 造岩元素中氧以阴离子形式存在，其他元素以阳离子形式存在，组成含氧盐和氧化物， 含氧盐中的硅酸盐是地壳的主要化合物形式。 金属成矿元素，是指 S、Cl、F 等以阴离子形式存在的元素和 Cu、Pb、Zn 等以阳离子 形式存在的金属元素,是组成金属矿物的主要元素。它们常常组成硫化物或硫盐，因此也称 亲硫元素。有时也组成单质或金属互化物。 人类利用的金属元素大多数是从这些金属矿物中提炼的，另一些金属元素属于造岩元 素，主要从它们的氧化物或含氧盐中提炼。 金属元素又可进一步分为贵金属元素、黑色金属元素、有色金属元素、稀有元素、稀土 元素等。 亲生物元素，是组成水圈、大气圈、生物圈的元素，主要指 C、H、O、N、P、B，它 们的化合物形式主要是水、气体、有机物和生命物质。 此外，K、S、Ca、Na、Mg、Si、S、Al、Fe、Zn、Se、Pb、Cd、Hg、F 等约二十多种 元素也具有亲生物性，对生命过程有影响。 放射性元素，是具有放射性的一类特殊的元素。在元素周期表中，Po 和排在 Po 后面的 元素都是放射性元素，排在 Po 前面的元素中有十几种同位素具有放射性。其中常用于地质 测年的有 14C、40K、87Rb、147Sm、187Re、238U 等。 微量元素，指地壳中丰度很低的元素。不易形成独立矿物，多以类质同象的形式存在于 矿物中。（在某些场合，微量元素的另一种含义是指在某种物质中含量很少的元素。） 2 矿物 地壳中元素的主要存在形式是矿物。 矿物是自然界中存在的单质或化合物，多数为无机晶质固体，少数为非晶质固体或胶体， 煤、石油、天然气、琥珀等少数有机物可认为是特殊矿物。 地壳中的矿物有 3000 多种，主要的造岩矿物只有十几种，主要的矿石矿物只有几十种。 矿物的性质：形态、颜色、透明度、光泽、硬度、密度、解理、断口、磁性、发光性、 化学性质、热学性质、放射性等。 形态，矿物晶体的形态有：各向等长的粒状；两向延长的板状、片状；一向延长的柱状、 针状、纤维状。矿物集合体的形态有：晶簇，蜂窝状、葡萄状、鲕状等。 颜色，矿物的颜色丰富多彩，一种矿物可能具有不同的颜色，但是大多数矿物具有一种 或少数几种比较固定的常见的颜色，可以作为鉴定特征之一。例如，正长石常为肉红色，斜 长石常为灰白色。对宝石矿物而言，颜色是重要的评价因素之一。 条痕色，是指深色矿物在白瓷板上留下的划痕的颜色，即矿物的粉末在白色衬底上的颜 色。对金属矿物而言，条痕色比颜色更固定，可作为鉴定特征之一。例如，金和黄铁矿的颜 色都是浅黄色，但金的条痕色是浅黄色，而黄铁矿的条痕色为黑色
光泽,是当物体表面发生光的反射时表现出的一种特征。常见矿物的光泽有金属光泽 金刚光泽、玻璃光泽、蜡状光泽、树脂光泽、丝绢光泽、油脂光泽、沥青光泽、土状光泽等 透明度,一般可分为透明、半透明、不透明三级。透明度可帮助鉴定矿物。对宝石矿物 而言,透明度是重要的评价因素之 硬度,有绝对硬度和相对硬度之分,绝对硬度是用仪器定量检测的。相对硬度也称摩氏 硬度,是将矿物的硬度分为10度,用10种常见矿物作标准,其他矿物的硬度通过与这10 种矿物相比较而定。 滑石1 石膏2方解石3萤石4磷灰石5 正长石6水晶7黄玉8 刚玉9金刚石10 通常也可以与指甲、小刀、玻璃相比较而大致确定矿物的硬度范围 指甲2.5小刀5.5玻璃6 密度,一般可分为小、中等、大三类,金属矿物的密度较大。在准确鉴定矿物时,例如 鉴定宝石时,可以用天平准确测量密度,作为鉴定的重要特征之 解理,是指矿物晶体受力时沿某些固定的面裂开的性质,分为极完全解理、完全解理 中等解理、不完全解理、无解理 断口,是指矿物不沿解理面裂开时的破裂面,断口的特征有助于鉴定矿物,如石英的贝 壳状断口。 磁性,大多数矿物无磁性,磁铁矿具有明显的磁性,赤铁矿和黄铁矿具有弱的磁性 发光性,某些矿物在紫外线照射下发出荧光,如白钨矿。 化学性质,是指矿物在遇到酸、碱等化学物质时表现出的性质。例如,方解石遇盐酸时 剧烈起泡:白云石遇盐酸几乎不反应,加热方可见缓慢起泡 常见矿物 按是否构成地壳岩石的主要矿物成分分为造岩矿物和非造岩矿物 按是否可利用分为矿石矿物和非矿石矿物。 按化学组成分为硫化物矿物、卤化物矿物、氧化物矿物、硅酸盐矿物、碳酸盐矿物、单 质矿物等 常见的造岩矿物:正长石、斜长石、石英、黑云母、白云母、金云母、普通角闪石、普 通辉石、橄榄石、方解石、白云石、髙岭石、石榴石、蛇纹石、绿泥石、阳起石、磷灰石等。 常见的矿石矿物:磁铁矿、赤铁矿、镜铁矿、褐铁矿、黄铜矿、辉铜矿、蓝铜矿、孔雀 石、方铅矿、闪锌矿、辉钼矿、黑钨矿、白钨矿、锡石、硬锰矿、辉锑矿、辰砂、黄铁矿 雄黄、雌黄、石膏、滑石等。 宝石是具有瑰丽、稀罕、耐久三个基本特征的矿物(宝石)或岩石(玉石)。 常见的宝石矿物:金刚石(钻石)、刚玉(红宝石、蓝宝石)、绿柱石(祖母绿、海蓝宝 石)、电气石(碧玺)、黄玉(托帕石)、石英(水晶)、石榴石、橄榄石、硬玉岩(翡翠) 透闪石岩(软玉)、蛇纹岩(岫玉)、蛋白石(欧泊)、玛瑙等 3岩石 岩石是矿物的集合体。分为岩浆岩、沉积岩、变质岩三大岩类 岩浆岩—一由岩浆冷凝结晶形成的岩石。占地壳体积的大部分。 岩浆岩按产状分为侵入岩和火山熔岩二个系列,按二氧化硅的含量分为酸性岩、中性岩、 基性岩、超基性岩四个系列。主要岩石类型有 酸性岩中性岩基性岩超基性岩 侵入岩花岗岩闪长岩辉长岩橄榄岩 火山熔岩流纹岩安山岩」玄武岩苦橄岩 岩浆岩的矿物成分主要有正长石、石英、斜长石、黑云母、角闪石、辉石、橄榄石等
14 光泽，是当物体表面发生光的反射时表现出的一种特征。常见矿物的光泽有金属光泽、 金刚光泽、玻璃光泽、蜡状光泽、树脂光泽、丝绢光泽、油脂光泽、沥青光泽、土状光泽等。 透明度，一般可分为透明、半透明、不透明三级。透明度可帮助鉴定矿物。对宝石矿物 而言，透明度是重要的评价因素之一。 硬度，有绝对硬度和相对硬度之分，绝对硬度是用仪器定量检测的。相对硬度也称摩氏 硬度，是将矿物的硬度分为 10 度，用 10 种常见矿物作标准，其他矿物的硬度通过与这 10 种矿物相比较而定。 滑石１ 石膏２ 方解石３ 萤石４ 磷灰石５ 正长石６ 水晶７ 黄玉８ 刚玉９ 金刚石 10 通常也可以与指甲、小刀、玻璃相比较而大致确定矿物的硬度范围。 指甲 2.5 小刀 5.5 玻璃６ 密度，一般可分为小、中等、大三类，金属矿物的密度较大。在准确鉴定矿物时，例如 鉴定宝石时，可以用天平准确测量密度，作为鉴定的重要特征之一。 解理，是指矿物晶体受力时沿某些固定的面裂开的性质，分为极完全解理、完全解理、 中等解理、不完全解理、无解理。 断口，是指矿物不沿解理面裂开时的破裂面，断口的特征有助于鉴定矿物，如石英的贝 壳状断口。 磁性，大多数矿物无磁性，磁铁矿具有明显的磁性，赤铁矿和黄铁矿具有弱的磁性。 发光性，某些矿物在紫外线照射下发出荧光，如白钨矿。 化学性质，是指矿物在遇到酸、碱等化学物质时表现出的性质。例如，方解石遇盐酸时 剧烈起泡；白云石遇盐酸几乎不反应，加热方可见缓慢起泡。 常见矿物 按是否构成地壳岩石的主要矿物成分分为造岩矿物和非造岩矿物。 按是否可利用分为矿石矿物和非矿石矿物。 按化学组成分为硫化物矿物、卤化物矿物、氧化物矿物、硅酸盐矿物、碳酸盐矿物、单 质矿物等。 常见的造岩矿物：正长石、斜长石、石英、黑云母、白云母、金云母、普通角闪石、普 通辉石、橄榄石、方解石、白云石、高岭石、石榴石、蛇纹石、绿泥石、阳起石、磷灰石等。 常见的矿石矿物：磁铁矿、赤铁矿、镜铁矿、褐铁矿、黄铜矿、辉铜矿、蓝铜矿、孔雀 石、方铅矿、闪锌矿、辉钼矿、黑钨矿、白钨矿、锡石、硬锰矿、辉锑矿、辰砂、黄铁矿、 雄黄、雌黄、石膏、滑石等。 宝石是具有瑰丽、稀罕、耐久三个基本特征的矿物（宝石）或岩石（玉石）。 常见的宝石矿物：金刚石（钻石）、刚玉（红宝石、蓝宝石）、绿柱石（祖母绿、海蓝宝 石）、电气石（碧玺）、黄玉（托帕石）、石英（水晶）、石榴石、橄榄石、硬玉岩（翡翠）、 透闪石岩（软玉）、蛇纹岩（岫玉）、蛋白石（欧泊）、玛瑙等。 3 岩石 岩石是矿物的集合体。分为岩浆岩、沉积岩、变质岩三大岩类。 岩浆岩——由岩浆冷凝结晶形成的岩石。占地壳体积的大部分。 岩浆岩按产状分为侵入岩和火山熔岩二个系列，按二氧化硅的含量分为酸性岩、中性岩、 基性岩、超基性岩四个系列。主要岩石类型有： 酸性岩 中性岩 基性岩 超基性岩 侵 入 岩 花岗岩 闪长岩 辉长岩 橄榄岩 火山熔岩 流纹岩 安山岩 玄武岩 苦橄岩 岩浆岩的矿物成分主要有正长石、石英、斜长石、黑云母、角闪石、辉石、橄榄石等