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1、1地 球 概 论THE EARTHAn Introduction to Physical Geology教学大纲授课对象：北京大学环境学院本科生必修课、3 学时/ 周、总学时 572绪 言一、地质学的研究对象地质学(geology)是研究地球 (the Earth)及其演变的一门自然科学，研究内容包括地球的组成、构造、发展历史和演化规律，目前的主要研究对象是岩石圈(lithosphere)。地质学学科分支。二、地质学的特点和研究方法（一） 、地质学的特点地质学的研究对象涉及到悠久的时间和广阔的空间地质现象具有多因素相互制约的复杂性地质学来源于实践又服务于实践（二）地质学的研究方法地质学的学科特
2、点决定了其研究方法建立在实践的基础上，根据地质事实进行推理论证，推理的基本方法是演绎和归纳。野外调查 野外调查是进行地质学研究的基本方法。室内实验和模拟实验 野外调查采集的样品和数据等资料，进行试验分析、鉴定。历史比较方法 对现代地质过程和方式进行研究获得规律性认识，把它应用到分析地质历史时期的地质现象分析中去。这种方法也叫“现实主义方法，或现实主义原则” ，也即“以今证古”或“将今论古”的研究方法。第一章 总 论第一节 地球概况一、地球的形状和大小地球的平均半径 6371 km地球的面积 51000 万 km2 （其中海洋面积 70.8%，陆地 29.2）地球的平均密度 5.517g/cm3
3、 二、地球的物理性质地球的密度 地球的平均密度是 5.517g/cm3 ，由地表向下地球的密度随深度增加，推测地核的密度可达 13g/cm3 。地球的重力 地球的万有引力。理论重力值-将地球理想化为旋转椭球体，且内部密度横向均匀，由此计3算的重力值为理论重力值。重力异常-实测重力值不同于理论重力值，即重力异常。地壳均衡说 (isostatic theory，isostasy) 是描述地壳状态和运动的一种理论，阐明地壳的各个地块趋向于静力平衡，即在大地水准面以下某一深度处常有相等的压力，大地水准面之上山脉（或海洋）的质量过剩（或不足）由大地水准面之下的质量不足（或过剩）来补偿。运用地壳均衡学说可
4、以研究地球内部构造，如上地幔的起伏等。地磁(geomagnetism) 地球是一个磁性体。表征某地地磁特征的要素：磁场强度、磁偏角、磁倾角。磁偏角- 某地地磁经线与地理经线的夹角。磁倾角- 某地地磁线与水平面的夹角。地磁异常(geomagnetic anomaly)- 地磁要素偏离正常值古地磁(paleomagnetism)-矿物岩石中保存的反映岩矿形成时地磁特征（要素）的信息。地热(geotherm) 地球内部的热能。地热增温级-常温层以下，温度每升高一度所增加的深度，单位 m /。地热梯度(geothermal gradient )-深度每增加 100m 所增加的温度，单位/m。第二节 地
5、球的结构地球由不同状态和不同物质构圈层(sphere)组成，具有圈层构造。分为外部圈层和内部圈层，外圈层有大气圈(atmosphere)、水圈(hydrosphere) 和生物圈(biosphere)，内圈层有地壳(crust)、地幔(mantle)和地核(core)。一、地球的外圈层大气圈 在 10000km 高空仍有大气分子存在，但其主要集中在 500km 以下。大气的主要成分是氮（78%） ，其次是氧（ 21%） ，还有少量二氧化碳、水气、惰性气体、尘埃。由地表向上又划分出：对流层、平流层、中间层、热力层等；大气密度、气压、温度向上降低。水圈 水圈主要有海洋、江河、湖泊、冰川、地下水、大
6、气中的水分，以及生物中的水分构成，与大气圈、生物圈和岩石圈有交叉。生物圈 生物主要生存在地表、水体中，分布范围包括大气圈下层、整个水圈和岩石圈上层。二、地球的内圈层地球物理学(geophysics)研究探明，能够反映地球物质密度和物态的地震波(seismic wave)在地下某些深度发生明显的速度剧变，地球物理学家认为在这些地方存在着“不连续面”(discontinuity)，表明地球内部物质组成和物态有明显的圈4层分异。在地下平均 33km 深度存在第一个主要“不连续面” ，由南斯拉夫地球物理学家莫霍洛维奇（Moholovicic, 1909）发现，称为 “莫霍洛维奇不连续面”(Moholo
7、vicic discontinuity)，简称“莫霍面”(Moho)。莫霍面是地壳与地幔的分界面。在地下 2900km 深度存在第二个主要“不连续面” ，由德国地球物理学家古登堡（Gutenberg, 1914）发现，称为“古登堡不连续面 ”(Gutenberg discontinuity)，简称“古登堡面” 。古登堡面是地幔和地核的分界面。（一）地壳 crust地壳的化学组成 组成地壳的主要化学元素有 O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg 等，占地壳元素重量的 98%以上。各元素在地壳中平均重量百分含量值，也称 “克拉克值”(Clark)。地壳的厚度 地壳的平均厚度 33
8、km，最厚 78km，最薄不足 5km。地壳的类型 地壳分为大陆型地壳(continental crust)，简称陆壳和大洋型地壳(oceanic crust)，简称洋壳。 陆壳的厚度较大（ 30-78km） ，具有花岗岩岩(granite)性质，也称花岗岩层，或硅铝层(sial)，密度较小（ 2.6-2.7g/cm3） 。洋壳的厚度较小（5-12km ） ，具有玄武岩岩(basalt)性质，也称玄武岩层，或硅镁层 (sima)，密度较大（2.9-3.0g/cm 3） 。（二）地幔(mantle) 莫霍面到古登堡面之间的圈层。根据地球物理资料，地幔内部深度 100km、400km 和 1000
9、km 处有次一级的不连续面。100km 以上为固态，具有橄榄岩(peridotite)性质，他与地壳一起构成所谓的 岩石圈(lithosphere)；100-400km 之间的上地幔物质处于熔融或部分熔融状态，可以发生塑性流动，称之为软流圈(asthenosphere)；以 1000km 为界，把地幔分为 上地幔和下地幔。（三）地核(core) 古登堡面以下至地心的圈层为地核，再以 5100km 深度将其分为外核和内核。外核为液态，内核为固态，地核的密度和温度都达到最大，密度在 9-13g/cm3，温度在 3000，最高 5000。第三节 地质作用地质作用 作用于地球的自然力，使地球的物质组成
10、、内部构造和地表形态发生变化的作用，总称为地质作用。地质营力 引起地质作用的自然力称为地质营力(geologic agents)。地质作用分类 由地球内部的能引起的地质作用称为内力地质作用，外力地质作用是由地球以外的能引起的地质作用。内力作用：构造运动(tectonic movement)、岩浆活动 (magmatic activity)、变质作用(metamorphism)、地震(earthquake)。外力作用：风化作用(weathering) 、剥蚀作用(denudation)、搬运作用(transportation)、沉积作用(sedimentation) 、成岩作用 (lithoge
11、nesis)。5第二章 矿 物矿物(mineral) 矿物是在各种地质作用下形成的具有相对固定化学成分和物理性质的均质体(isotropic body) ，是组成岩石的基本单位。第一节 矿物的基本特性一、矿物的内部结构和晶体形态大部分矿物都是晶质体(crystal)。晶质体内部质点（化学元素的离子、离子团或原子）按一定规则重复排列而成。规则排列的质点使晶质体内部具有一定的晶体构造(crystal structure)，或晶体格架(crystal lattice)。晶体(crystal) 具有良好几何外形的晶质体为晶体。单形晶体 由同形等大的晶面组成的晶体。聚形晶体 由两种(含)以上单形组成的晶
12、体。双晶(twin) 两个或两个以上同类晶体有规则地连生在一起。晶体习性 在相同条件下形成的同种晶体经常所具有的形态。分为：一向延伸型晶体，如石棉、辉锑矿等；二向延伸型晶体，如云母、石墨等；三向延伸型晶体，如萤石、石榴子石等。矿物集合体的形态：粒状矿物集合体片状矿物集合体（鳞片状）柱状矿物集合体（针状、纤维状、放射状）晶簇(crystal druse)杏仁体和晶腺(druse)结核(nodule)和鲕状体 (oolith)钟乳状(stalactite) 等二、矿物的化学成分单质矿物 由一种自然元素组成的矿物，如金刚石、石墨。化合物矿物 由多种元素化合而成的矿物，如石英、方解石。类质同像(iso
13、morph) 在结晶格架中，性质相近的离子可以相互顶替的现象。如闪锌矿中的 Zn 可以部分被 Fe 代替，而不改变其晶体格架。橄榄石里的 Mg 和Fe 也可以按一定比例置换。同质多像(polymorphism) 同一化学成分的物质，在不同的外界条件（温度、压力、介质）下可以结晶成两种或两种以上构造的晶体，其晶体形态和物理性质不同，这种现象叫同质多像。如金刚石和石墨的化学成分都是 C。三、矿物的物理性质6颜色 矿物的颜色各种各样。自色 矿物本身固有化学组成中含有某些色素离子呈现的颜色。他色 矿物所含杂质成分引起的颜色，与其本身化学成分无关。假色 矿物表面的干涉色、氧化膜的锖色等。条痕(strea
14、k) 矿物粉末的颜色。光泽(luster) 矿物表面对光线反射形成光泽。金属光泽半金属光泽非金属光泽玻璃光泽金刚光泽(adamantine luster)透明度(transparence) 光线透过矿物的程度。透明矿物半透明矿物不透明矿物硬度(hardness) 矿物抵抗外力刻划、压入、研磨的程度。摩氏硬度计(Mohs hardness)矿物 硬度 矿物 硬度滑石 talc 1 正长石 orthoclase 6石膏 gypsum 2 石英 quartz 7方解石 calcite 3 黄玉 topaz 8萤石 fluorite 4 刚玉 corundum 9磷灰石 apatite 5 金刚石 d
15、iamond 10解理(cleavage) 在力的作用下，矿物晶体按一定方向破裂并产生光滑平面的性质。只在一个方向上产生解理，则该矿物有一组解理。有些矿物存在二、三、四或六个方向上的解理，即有二组解理，三组解理等。不同的矿物，或同一矿物不同方向上，其解理面的光滑平整程度不一样，分为以下等级。最完全解理完全解理中等解理不完全解理极不完全解理断口(fracture) 矿物受力破裂面不规则的断开面。其他 比重、磁性、电性、发光性、脆性、延展性、弹性、挠性7第二节 重要矿物简述矿物分类 根据化学成分，矿物分为五大类型：自然元素矿物、硫化物、卤化物、氧化物和氢氧化物、含氧盐矿物。然后再根据阴离子或络阴离子细分。矿物命名（看书） 。以下重点矿物按照化学成分、晶体形态、光学性质、力学性质掌握。一、自然元素矿物石墨 graphite 化学式 C，鳞片状、片状或块状集合体，铁黑或钢灰色，条痕黑灰色，金属光泽，不透明，一组极完全解理，硬度 1-2。导电。金刚石 diamond 化学式 C，晶体八面体或六八面体，无色透明，强金刚光泽，完全解理，硬度 10。二、硫化物方铅矿 galena 化学式 PbS，晶体六面体或六面体与八面体的聚形，铅灰色，不透明，金属光泽，三组完全解理，硬度 2.5-3。比重较大。闪锌矿 sphalerite 化学式 ZnS，一般为致密块状或粒状集
