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地質學
第一章 概論
第十二章 河流與河流的地質作用
第十三章 地下水
第十四章 風的地質作用
第十五章 冰川與冰川的地質作用
第十六章 湖泊和沼澤的地質作用
第十七章 海洋
第十八章 海水的地質作用 - 海水的剝蝕和搬運作用
第十九章 板塊構造學說
第十一章 地質圖與地質圖的判讀
第十章 地層與地質時間
第二章 我們居住的地球
第三章 礦物
第四章 岩石概論
第五章 火山與火山作用
第六章 風化和土壤
第七章 地質作用、地殼變動與構造運動
第八章 化石與古生物學
第九章 地殼與生物進化的歷程概述
第二十章 環境地質學
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2-6 地球內部的物理性質
地球的質量和平均密度
 
任何兩個物體間都存在著相互吸引的力,即萬有引力。
 
根據測定的結果,地球的質量是5.98x1027克。由地球質量,可以算出萬有引力常數G 是6.67x10-8達因.釐米2/克2,即一克物質對另一克物質在相距一釐米的情況下具有6.67x10-8達因的引力。地球的體積是1.08x1012立方公里,即1.08x1027立方釐米。用體積除質量就是平均密度,即:
 
ρ = 5.98x1027克 ÷ 1.08x1027釐米= 5.52 克/釐米3

 
地球內部的密度
 
地球每一圈層都有自己的特點,其中包括密度、重力、壓力和溫度。
 
在地球各個圈層中,唯一可以直接觀測的是它的表層。構成地球表層的岩石主要是花崗岩和玄武岩,二者的密度分別是每立方釐米2.7克和2.8克,約等於地球平均密度(每立方釐米5.52克)的1/2。這清楚地表明,地球內部的物質密度不但高於花崗岩和玄武岩,而且高於地球的平均密度(圖2-19)。
 
如前所述,地球內部不同層次的密度同地震波波速有關。根據地震波的傳播情況,可以推算地球內部不同層次的密度。但是,同地震波速有關的不僅是物質密度,而且與物體的彈性有關。這兩者都是無法直接觀測的。因此,很難肯定某一圈層的某一波速變化究竟是哪一特性造成的,或者是兩種特性同時造成的。
 
為了解決這個問題,人們必須對地球內部某些特定深度上的密度或其變化做出某些假設。但是這些假設也不是任意的,它必須滿足一定的條件。例如,它必須自上而下地增加,不同層次的密度的計算結果,必須使其平均值與已知的平均密度相符合。這也是為什麼關於地球內部不同層次的物質密度的具體數據,目前還沒有取得一致的意見的原因。但就地殼和地幔而論,意見是比較接近的,也可能是比較接近事實的。
 
                                                               
 
根據布倫 1970年在《行星地球的內部的物理學》一書中提出的模式,地殼、地幔和地核的密度是如表2-5所示的。


                                                       
 

 
地球的重力和壓力
 
地球的重力與壓力的研究有助於地質構造的了解,重力異常的研究,更能幫助礦體的勘探。地面重力及其緯度分布地球上的任何質點,都受到地球的引力,也都受到地球自轉所產生的慣性離心力。這兩個力的方向和大小是互不相同的。這兩個力的合力就是重力(圖2-21)。
 
 
                                                                
 
重力的強度可以用單位質量所受重力的數值(達因)來表示,也可以用物體在重力作用下的加速度來表示。在釐米克秒制中,加速度的單位是每秒每秒釐米。在說明重力強度的時侯,這個單位叫做伽。伽的千分之一叫毫伽。
 
同地球引力比較起來,地球自轉產生的慣性離心力是十分微弱的。即使在慣性離心力最大的赤道上,慣性離心力的大小也僅及地球引力的0.3%。因此,地球上的重力基本上是地球引力;自轉產生的慣性離心力只能十分輕微地影響重力的方向和大小。
 
除了赤道以外,地球自轉所產生的慣性離心力,都不是鉛直的,當然也不是水平的,因而都有它的垂直分力和水平分力。慣性離心力的水平分力使重力的方向不是嚴格地指向地球的質心;慣性離心力的垂直分力使重力在很小的程度上小於地球引力。
 
在不同的高度或深度上,地球上的重力有很大的差別。海平面上的重力,就是地面重力。在不同的緯度,地面重力有不同的量值,因而有它的緯度分佈。不同緯度的地面重力的平均值是980.665伽,即約980伽。同這個平均值比較起來,各地的實際重力有2-3伽的差別。
 
地面重力因緯度而不同,因為地面上的引力和自轉所產生的慣性離心力都因緯度而不同。由於地球半徑的緯度差異,地面上的引力以兩極為最大,赤道為最小。地面引力在赤道上是981.4伽,在兩極是983.2伽。二者相差1.8伽。各地的地面引力經過慣性離心力的訂正而成地面重力。地面上的慣性離心力自赤道向兩極減小。在赤道上是3.4伽;在南北兩極是0伽。影響重力大小的不是自轉慣性離心力本身,而是它的垂直分力;這個分力又隨緯度的增加而減小。在赤道上,自轉慣性離心力本身是垂直的,因而全部用來抵消地球的引力。在兩極,沒有慣性離心力。因此,經過自轉慣性離心力的垂直分力抵消以後,赤道上的重力變成978.0伽,而兩極的重力仍然是983.2伽。這樣,赤道和兩極的重力有5.2伽的差值。
 
赤道和兩極的重力約成189與190之比。物體的重量就是這個物體所受重力的總量。由於重力加速度的不同,同一物體在不同的地點有不同的重量。如果一個物體在赤道上是189公斤,它在兩極將是190公斤。這裏,用來衡量重量的工具必須是彈簧秤,而不是杆秤或天平。
 
地球表面的重力,不僅因緯度而不同,而且因地點而不同。有些地點的重力的大小,同所在地區的正常數值比較起來,往往有一個差值。這叫重力異常。重力異常的原因是地內物質的分布不均;而地內物質的分布情況往往同地質構迼和礦體的存在有聯繫。因此,重力異常的研究,有助於地質構造的了解和礦體的勘探。
 
地球內部的重力
 
地球的重力不僅因緯度而不同,而且因高度和深度而不同。在同一高度,重力的緯度差異不過5.2伽。但是,在不同的高度和深度,重力可以大到1000伽以上,也可以小到接近0伽。因此,對於重力的空間分布來說,高度和深度的因素是更加重要的。
 
在地面以上,重力因高度而不同。重力同高度的關係是簡單的,因為引力同高度的關係是比較簡單的,而慣性離心力可以略去。約略地說,在2500公里的高空,重力僅及地面重力的一半。在距地心384,400公里的高空,重力只有0.27伽。這是很小的重力。但是,正是這個很小的重力使得月球環繞地球旋轉,而不是作直線運動。
 
在地面以下,重力因深度而不同,因為地球引力和自轉慣性離心力都因深度而不同。深度的增加意味著圓運動半徑的減小。因此,自轉慣性離心力隨著深度的增加而減小。在地球表面上,最大的自轉慣性離心力只有3.4伽。在地面以下,這種慣性離心力更加微弱。在這種情況下,地球內部的重力,可以簡單地看成是地球的引力。
 
地球大體上可以看成是一個由均質同心球層組成的球體。在這樣的球體的內部,影響重力大小的不是地球的總質量,而只是所在深度以下的地球質量。如果質點位於地下2,900公里的深處,即位於地幔和地核的交界面上,對質點具有引力的只是地核,而不是整個地球,因為地殼和地幔對質點的引力正好相互抵消(圖2-22)。
 
                                                                    

 
根據上述原理,質點所在深度的增加,不但意味著吸引距離的減小,而且意味著吸引質量的減小。吸引距離的減小使重力按它的平方增加,而吸引質量的減小使重力按它的比例減小。二者的作用,正好相反。究竟重力怎樣隨深度的增加而變化,這要看二者相互抵消以後的結果如何。
 
在重力同深度的關係方面,一般都認為:從地面到地下2900公里深處,重力大體上隨深度而增加,但變化不大,並且在地下2900公里深處達到極大值,因為地殼和地幔的物質密度是較低的,以致質量減小的影響比距離 減小的影響要小一些。那裏的重力極大值約為1000伽。從地下2900公里到地球質心,重力急劇減小。因為地核物質的密度很高,以致質量減小的影響遠遠大於距離減小的影響。在地球質心,重力是0伽,因為整個地球對於質心的引力,完全互相抵消(圖2-23)。
 
 
                                                                 

地球內部的壓力
 
物體受到重力,因而有重量,也就對其下的物體施加壓力。地面上的物體受到大氣的壓力。地下的物體不但受到大氣的壓力,而且受到岩層的壓力。同岩層的壓力相比較,大氣壓是徵不足道的。因此,地球內部的壓力力體上就是岩層的壓力。
 
在討論地球內部力壓力的時侯,杷大氣壓看成壓強單位,並且把這個單位定義為每平方釐米百萬達因的壓強。地球內部的壓力大小,決定於單位面積上的岩層質量和平均重力。單位面積上的岩層質量又決定於岩層的厚度和平均密度。因此,地球內部的壓強的大小,決定於岩層的厚度、平均密度和平均重力三個因素。
 
從地面到地心,地球內部的壓力一直隨著深度的增加而增加;但是,壓力增加的速度卻因深度而不同。在接近地面的層次和接近地心的層次,壓力的增加是比較緩慢的;反之,在它們之間的層次,壓力的增加是最快的。在接近地面的層次,物質的密度很低,而重力很大;在接近地心的層次,物質的密度很高,而重力很小;二者之間的層次,物質密度很高,而且重力很大。


                                                                   
 
 
地球內部不同深度的壓力還沒有完全一致的看法,但差別是不大的。關於地心的壓力,350萬大氣壓很可能是一個比較適中的估計(圖2-22)。這是全球最大的壓力。如前所述,在地心,重力等於0伽;物體沒有重量。但是,那裏的物體卻承受全球最大的壓力。在這裏,特別要注意是:對別的物體施加壓力和承受別的物體的壓力是兩回事。位於地心的物體沒有重量,因而不對其它物體施加壓力。這是一回事。地心以外的物體都有重量,都按當地的重力對地心施加壓力。這是另一回事。因此,位於地心的物體要承受自地面到地心6371公里的岩石柱的全部壓力;這自然是全地球最大的壓力。 
 
具體地說,在接近地面的層次,深度每增加一公里,地下壓力約增加270大氣壓,因為那裏的岩石密度大約是每立方釐米2.7克,而重力大約是980伽。整個地球的平均量值可能很接近這個量值。以地心為中心的幾百公里範圍內,壓力隨深度的增加是更加緩慢的。相反,在二者之間的層次,壓力的增加是很快的。在這襄,深度增加一公里,壓力估計要增加600大氣壓以上。
 
同一深度的壓力的大小是相同的。但是,對地球的表層來說,情況遠不是這樣簡單,因為地球表面存在著海洋和陸地的差異。海底承受的只是海水的壓力;陸地底下承受的是岩石的壓力。海水的壓力每公里(深度)100大氣壓;而地球表層的岩石的壓力每公里(深度)270大氣壓。因此,在10公里深的海溝,壓力不遇1000大氣壓。但是,在 10公里深的陸地底下,即使不計算陸上山嶺的每公里(高度)大約270大氣壓在內,壓力也高達2700大氣壓。二者的差值是很大的。我們知道:在海洋底下有較多的重物質。反之,在陸地底下有較多的輕物質。在海底以下一定的深度範圍以內,海下岩石的密度高於陸下岩石。由於這種密度上的對比,海陸底下同一深度的壓力對比,隨著深度的增加而逐漸減小。到一定深度後,壓力就趨於一致了。
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