地球内部结构.doc

地球内部物理学
教材与参考资料
成都理工大学
信息工程学院地球物理系

第一篇地球内部物理学
地球内部结构
地球内部物质性质
地球内部结构的地震学研究
地球内部物理学
地球内部模型
第二篇地震波传播理论
地震体波在地球内部传播
用地震体波反演地球内部结构,体波层析成像
地震面波的传播、面波频散理论
用面波反演地球内部结构、面波三维层析成像
第一篇地球内部物理学
地球内部结构学
引言
到达地球更深的内部几乎是不可能的(位于俄罗斯科拉半岛Kola peninsula的目前最深的钻孔是12KM,%),因此我门对地球内部的研究主要是通过间接的方式,包括太阳系的平均化学组成成分,地球近地表岩石的化学成分,地球密度和地震波速度分布的地球物理观测资料,还有对物质样本在实验室高温高压条件下的测量结果。目前,通过地震层析成像和在高温高压环境下的实验室研究成果的进一步发展,地球内部结构反演的分辨率已经得到了极大的提高。
本书的第一部分主要讨论地球的总体结构,意即地壳、地幔和地核的主要物质组成成分。第二部分讨论地球内部的温度分布,主要是由地热的产生和传递过程所决定的。温度的分布决定了热流的成层分布并且对地球动力有着显著的影响(见第四部分)。第三部分总结了硅酸盐矿物熔融状态的实验室观测结果。最后,第四部分对岩石的弹性性质和地球内部的动力系统做了一个总结。
1 地球总体结构
地球物理和地球化学观测
地震学和地球内部(详见地震学)
地震学和地球内部(详见地震学)表1总结了地球物理中的一些重要参数。标注了地球的平均密度为,明显比迄今为止在地球表面发现的密度最大的岩石的密度要大的多,迄今地球表面发现的岩石的最大密度为。另一项观测数据是(为惯性矩;为地球重量;为半径)却比类似球体的理论值明显小很多。这些观测数据表明地球密度一定是随着深度的增加而明显增加的。密度增加主要是由于两个因素:存在富含致密含铁元素物质的地核和地球内部压力的增加也导致了密度的增加。
各种物理模型或者地球组成成分的大多数详细信息主要来自与对地球内部传播的地震波的观测。各种类型的弹性波通常是探索地球的明灯。地震波包括体波、面波,还包括地球的自由震荡。
主要是由天然地震或者人工地震所导致的地球振动过程可以被检波器记录下来。地震发生时,远离震源的检波器所记录到的地震波在通过地球内部时的传播路径比近震源台站记录到的地震波的路径要达到地下更深的地方。与词相似的是,周期较长的面波和地球自由震荡要比周期较短的面波和自由震荡更能反映地球深部的地质形态。因此,利用不同台站的地震图,或者是不同周期的面波或自
由震荡的地震图我们能估计出不同深度情况下介质的弹性性质和密度。所要用到的信息主要有体波的旅行时,各种自由震荡模型的频率。
表1 地球参数
总质量,A4
平均半径,R
平均密度, ρ
惯性矩,C
C/MR2
按波在传播过程中质点振动方向不同体波可分为两种不同的弹性波:压缩波和剪切波。这两种波的波速(为压缩波的速度,为剪切波的速度)与介质的弹性常数之间存在定量关系:
(1)
(2)
其中为不可压缩模量,为刚性模量,为介质密度。这些关系式只适用与各向同性介质,但对目前部分领域的研究目的已经足够了。然而,如果研究地震波传播的实际情况时通常需要讨论地球内部的动力学系统,对各向异性介质的讨论就变得重要起来了。
建立地球模型(地震波速度和密度随深度的变化情况)所需的主要参数见表1,这种模型(PREM)包含了很多关于依赖地震波速度的频率和传播过程中的衰减效应信息,但却忽略了介质的横向变化和各向异性(地震波传播过程中速度的变化要随着传播方向的变化而变化,)。在第一部分讨论的地球总体结构主要是以横向平均模型作为参考模型的(地壳除外)。
按这种模型所包含的信息显示,地球内部可以分为三个圈层——地壳,地幔和地核。当一种模型被确立的时候并且有在高温高压条件下的介质的物理性质的数据,然后在把这种模型和实验所得到的密度和弹性参数做比较,我们就可以推断出地球的内部结构。这种研究显示这三个圈层有着不同的化学组成成分:地壳主要是由像石英或长石这种富含硅元素的物质组成,而地幔主要是由像橄榄石或辉石这种富含铁镁的的物质或它们在高压条件下的同质异形体组成。地核主要由铁元素和其他一些合金元素组成。每一个圈层化学组成部分的细节将在第二部分具体阐述。
图1 按照PREM模型,地震波平均速度,密度,压力随深度的变化
因此,上面导出的地球模型可以认为是理论上可行的,这种理想情况下地震波速度和介质密度是随深度变化而变化的,也就是说,在绝热扁平的类球体中这些参数随着深度的变化情况。在这种类球体中密度随绝热压力