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1、同济大学课程地球物理学2013 年教学要点一、物理的地球与地球的物理地球的物理演变不以人的意志为转移，人类生存、人类社会的发展又与地球的物理演变息息相关；地球物理场的产生和观测；可能的问题：1）地球的物理演变包括那些方面，结合实例说明这种演变可能造成的结果及对 人类生存、人类社会发展的影响； （物质垂向和水平方向的运移，温度场的变化）2）岩石的物性包括那些方面，地表附近常见岩石物性的变化范围；密度 速度 磁性（磁化率，磁化强度，剩磁） 电性（电阻率，介电参数，极化率） 热导率3）固体地球物理学的研究特点（？）与学科联系紧密的广泛综合领域，目的是深化研究地球本体。四维性全球性间接特点一元多场观测
2、的精确性海量数据特点相对性观测与模拟地球介质的各向异性地球物理的数学与物理变化的地球物理（地球物理场随时间的变化）4）地球物理学，固体地球物理学。地球物理学是应用物理学的原理、方法与技术，研究地球的物理性质、地球 自身产生的物理现象，间接地认识地球的一门现代应用物理学。地球科学领域里，地球物理学通常就指固体地球物理学。地球物理分为固体 地球物理学与空间地球物理学。5）固体地球物理学的分类。按研究内容分为：第一类，主体是研究大中尺度和深化对地球本体认识的理论和方法，称为普 通地球物理学；第二类，主体是研究小尺度或极小尺度地质体为对象的应用科学，也称为勘 探地球物理学。6）地球物理学在地学研究中的
3、作用板块构造理论的提出。7）地球物理学在国民经济建设中的作用资源的勘探与开发 环境的监测与保护 灾害的预测与防治8）地球物理学的主要研究内容地球物理学是研究地球的物理性质、地球自身产生的物理现象，间接地认 识地球（揭示地球本身的结构、探索地球的演化过程、总结地球形成演化过程 中的基本规律），服务于资源探查、环境保护、灾害防治（国民经济建设）的现 代应用物理学。还有地球自身及其与之有相互作用的太阳、太阳系的行星引 发的物理现象。二、地球的物理观测和推理地球的物理场是时空变化，这种时空变化是有原因的，认识地 球物理场和场源的关系；地球物理场观测受到各种干扰，是多源的，观测是有条件的；建立地球物理场
4、观测精度，干扰和有用信号的概念，掌握克服 干扰突出有用信号的技能。加深了解地球物理场的产生和如何对其进行观测。可能的问题：1、结合实例说明地球物理学是探索地球内部的高科技2、2、地球物理场和场源的关系，模型和模拟，正演与反演？3、结合实例说明对地球进行“透视”的手段和条件4、中国的地球物理场特征5、不同大陆边缘的地球物理场特征18）大陆边缘有几种类型？那些与板块边界有关？它们的地球物理场特征有何异同？1、主动型（1）西太平洋大陆边缘洋壳俯冲于陆壳之下大陆与海洋之间存在互相匹配的火山岛弧带-海沟俯冲带主动大陆边缘有火山岛弧、地震（2）东太平洋大陆边缘洋壳俯冲于陆壳之下主动大陆边缘大陆与海洋之间没
5、有火山岛弧带-海沟俯冲带有地震，向东直接是隆起的安第斯山系。2、被动型大西洋大陆边缘 洋壳与陆壳之间未发生俯冲 大陆与海洋之间仅存在陆棚-陆坡-陆隆简单组合 被动大陆边缘无火山岛弧、地 震 地球物理场的异同（选重力场、磁场、电阻率等一方面回答） 例如：主动型大陆边缘重力异常变化幅度较大，不均匀。被动型大陆边缘重力异常变化平缓，比较均匀（此题第一、二问来自于地质的 ppt）1、稳定大陆边缘：大西洋型大陆边缘 稳定大陆边缘由大陆架、大陆坡与陆隆组成。这里既无火山活动，又 缺乏地震，是构造上很稳定的地区。当今大西洋两侧最典型，故又将 稳定大陆边缘命为大西洋型大陆边缘。它是由于大陆岩石圈分裂扩张 而成
6、。2、活动大陆边缘：太平洋型大陆边缘 活动大陆边缘由大陆架、大陆坡与岛弧、海沟组成。这里是火山和地 震的强烈活动带。当今环太平洋地带最典型，故又将活动大陆边缘命 为太平洋型大陆边缘。稳定、活动大陆边缘对比：大西洋型洋壳与陆壳之间未发生俯冲 大陆与海洋之间仅存在陆棚-陆坡-陆隆简单组合 被动大陆边缘无火山岛弧、地 震太平洋型洋壳俯冲于陆壳之下大陆与海洋之间存在互相匹配的火山岛弧带-海沟俯冲带 主动大陆边缘有火山岛弧、地震 太平洋型大陆边缘是洋壳俯冲与陆壳之下，且有火山岛弧、地震分布， 处于汇聚型板块边界处。6、一致性的概念和重要性。如何测定仪器及各部件的一致性？7、如何利用地球物理手段来确定板块
7、边界？板块边界有几种类型，天然地震带与板块边界有何联系？（1）发散型板块边界：岩石圈在洋中脊处不断新生，两侧的岩石圈 向相背离的方向运动，因此称洋中脊为发散型板块边界。（2）汇聚型板块边界：在海沟处一侧的大洋岩石圈俯冲于另一侧的 岩石圈之下，两侧岩石圈为相向运动，因此称海沟带为汇聚型板块边 界。（3）转换型板块边界：此种板块边界沿转换断层分布，其两侧的岩石圈相对平移运动，既无新岩石圈形成，也无老岩石圈消减，称之为 转换型板块边界。全球地震活动带的地理分布主要分布在上述三类板块边界，也就是岩 石圈板块沿三类板块边界的相对运动决定。板块的划分与全球地震带 的地理分布是一致的。a、海沟一岛弧地区（包
8、括太平洋地震带和中美洲地震带的大部分）地震；b、洋脊及转换断层的地震，大西洋底的地震系列是沿着洋脊和横切 它的转换断层发生的浅震。c、大陆内部的地震（板内地震）。如何利用地球物理手段来确定板块边界？ 板块的边界是空间上的概念：既有水平范围上的界限；还应该考 虑到界限在地球内部的分布。地震、地磁、重力异常等，依据相邻板块的地球物理性质差异 确定板块边界：如：a、地震波速的突变面、震源分布的空间规律b、导电性质突变的面c、重力异常的梯度带d、磁异常条带I-等等8、地壳与地幔的地球物理特征有哪些差异？ 波速，密度，磁性，导电性，产热率9、地球内部纵向上可分成那几个层？依据是什么？ 地球内部有那些圈层
9、和重要界面，各有哪些特点? 地球内部可分成那几个主要区域？ 地壳、地幔、外核、内核。三、动荡大地与震波妙曲可能的问题：1）何为地震波？震源，震源深度，震中，对震中，震中距离，地震波，地震射线，贝尼奥夫带。震源：地球内部发生地震而破裂的地方，理论上可将该区域抽象 为点。震源深度：震源到地面的垂直距离震中：震源在地面上的垂直投影 对震中：与震中相对的地球直径的另一端 震中距离：在地面上，从震中到观测点的距离，用字母 表示，也可用此距离对地心所长的角距离e表示地震波：发生于震源并在地球介质中传播的弹性波地震射线：地震波波阵面的法线方向的联线 贝尼奥夫带：沿太平洋边缘存在的地震带2）纵波，横波，面波，
10、同类波，转换波，Snell定律纵波：当弹性介质中（如岩层）某一部分受到外力作用发生体积形变时 由于体变和法向弹力的相互作用，使质点成层的发生振动，这种振动 表现为各质点层面间的膨胀与压缩，并使这种振动沿着整个弹性介质 传播出去，形成膨胀与压缩互相交替着的纵波，质点的振动方向与波 的传播方向致，这是纵波的特点。横波：当弹性介质中某一部分受到外力作用发生切变时，由于切变和 切向弹力的互相作用，使质点成层的发生振动，这种振动表现为各质 点层面间来回的滑动，并使这种振动沿整个弹性介质传播出去。横波 的特点是质点的振动方向和波传播的方向垂直，而且只在弹性固体中 传播。面波：通常把这类能量集中在界面附近，
11、并沿界面传播的地震波称为 地震面波同类波：同入射纵波类型相同的反射纵波P11和透射纵波P12称之为同类波转换波：与入射纵波类型不同的反射横波和透射横波称为转换波Snell定律：竺=竺,i1为入射角，i2为折射角，v为对应地层的vv12波度3）地面振动的影响因素和影响地震波传播速度的因素各有哪些？这些影响因素对探测地下结构有何用途？4）反射波，折射波，首波，滑行波，直达波，波阻抗，盲区，近震，远震 反射波：地震波在传播中遇到弹性不同的地质体分界面时 ,有一部分 能量遵循光学的反射原理,从界面上回到原来的岩层中。这种入射线、 反射线和法线在一平面内,入射线和反射线居法线两侧,入射角等于反 射角的地
12、震波称为反射波。折射波：地震波在传播中遇到下层的波速大于上层的波速的弹性分界 面,而且入射角达到临界角（使透射角为 90）时,透过波将沿分界面滑 行,又引起界面上部地层质点振动并传回地面,这种波称为折射波。它 与光学中的折射波不同,其射线是以临界角从界面发出的,在临界点处 首波：首波是波在界面上的入射角达到全反射时产生的地震波，它是 近震的主要体波震相之一。滑行波：首波也称滑行波 直达波：在均匀地层中由震源直接传播到观测点的地震波称为直达波 波阻抗：密度和波速的乘积成为波阻抗。盲区：当i1 viO时不出现首波，即震中附近为首波盲区近震：震中距小于 1000km 的地震远震：震中距大于 1OOO
13、km 的地震5）刚体，弹性体和塑性体，均匀介质、层状介质和连续介质刚体：一个物体在外力作用下发生平移或转动，并且可沿着力的作用 方向传递力的作用，称为刚体 弹性体：当外力作用取消后，物体的应力、应变状态立刻消失，并恢 复物体的原有形状，这类物体称为弹性体。塑性体：有些物体，当外力作用停止后，物体逐渐恢复其原有形状， 或者不能完全恢复其原有形状，而保留一定的变形，称为塑性体，或 不完全弹性体。均匀介质：均匀介质是指在空间每个点上速度值不随空间坐标而变 层状介质：若其介质的性质表现为成层性,则称之为层状介质。 连续介质：称波速是空间连续变化函数的介质为连续介质 ,它是层状 介质的极限过程6）真速度
14、，视速度，走时曲线，相速度，群速度真速度：波沿射线传播的速度视速度：波沿地表传播的速度走时曲线：t为纵波（横波）的走时，为震中距，称t-曲线为走时曲线，其形状是双曲线。相速度：单色（一个频率w）简谐波在传播过程中，波的同相面（波阵面）的传播速度称为相速度 群速度：用合成振动振幅的极大值传播的速度来表示其速度，是波的 群速度7）人工地震与天然地震有何异同？为了实现对地下的观测，人工地震相对天然地震，做了那些创新性的改进与提高。a、震源深度、地震强度和规模：天然地震的规模常大于人工地震，震源深度远远高位于地表激发的人工地震b、主动和被动：天然地震尚不可预测，人们建立常年的地震台 站等待天然地震的发
15、生，获取观测数据；人工地震为人所控制，在人 工地震前布好了观测系统。c、震源位移形式：天然地震多由板块位移时能量的短暂释放所 造成，板块位移具有双向性，震源运动不唯一；人工地震由一点激发， 震动唯一。8）为了通过人工地震实现对地下的探测,研究区必须具备哪些条件。9）干扰、有用信号和信噪比的概念。震源激发后，在地表不同处观 测到的地震波有哪些差异？在干扰条件相同情况下各处的信噪比是 否一致。10）莫霍面，频散现象，共反射点，共深度点，动校正和静校正多次覆盖，剩余时差，叠加速度，观测系统， T0 时间。莫霍面： 1909 年，南斯拉夫地震学 家莫霍洛维契（AMohorovicic）在研 究阿尔卑斯地区的近震时，发现在 巴尔干地区地表以下数十公里处的P波速度由63 km/s急剧增加到7. 9 km /s ,称其为莫霍(Moho) 界面。频散现象：相速度随频率而变化的现象。共反射点：界面上任一点A,它在地面的投影为M,以M点为中心 分别在地面O1、02、O3On点激发，在对应的Gl、G2、G3Gn 点接收来自界
