第二节地球的物理性质

一、地球的质量和密度

1.地球内部大部分物质的密度，应大于地球的平均密度。

根据牛顿万有引力定律计算出地球的质量为5.9742×1024 kg。已知地球的体积为1. 08×1012 km3，用地球的质量除以地球的体积，可以得出地球的平均密度为5.517 g/cm3。

但在地表出露的岩石中，测得砂岩、页岩和石灰岩等沉积岩的平均密度为2. 6 g/cm3，花岗岩的密度为2.67 g/cm3，玄武岩的密度为2.95 g/cm3，都远小于地球的平均密度。因而推断，地球内部大部分物质的密度，应大于地球的平均密度。

2.地球的密度随深度增加而增大，但密度的增大是不均匀的（下图）。

二、地球的重力

1.概念

地球上某处的重力是该处所受地心引力与地球自转离心力（垂直地面分力）的合力。

2.特点

地球表面物体所受的重力随纬度值的增大而增大，即从赤道向两极逐渐增大。

3.理论值

如果把地球当作一个表面平坦的均质体，可以从理论上计算出以海平面为基准面的各地重力值，称为理论值，它只与地理纬度有关。

4.重力异常

定义：由于地面起伏、密度不均、成分和结构的差异，实际测量的重力值常与理论值不符，这种现象称为重力异常。

分类：实测值经过高度校正和密度校正后，大于理论值的为正异常，表示地下物质密度较大；小于理论值的为负异常，表示地下物质密度较小。

意义：这种异常反映了地球内部物质密度的变化，它是研究地质构造和地球内部物质变化的重要信息。

三、地球的压力

1.定义

地球的压力（内部压力）主要是由上覆地球物质重量所产生的静压力。

2.特点

静压力的大小与所处的深度、上覆物质的平均密度及平均重力加速度成正相关。

地球压力随深度的增加而增加，但由于物质的密度随深度的增加是一种非线性递增的关系，所以压力与深度呈曲线关系（上图）。

四、地球的温度（按温度变化的特征分）

变温层	特点：变温层是地球的表层，主要在地面附近受太阳辐射热影响明显，其中绝大部分又辐射回空中，只有极少一部分透入地下以增高岩石温度。温度变化：太阳辐射热影响造成温度的日变化、季节变化和年变化。日变化速度较快而幅度较小，影响深度为1~1.5 m；年变化速度较慢而幅度较大（70~-70 oC），影响深度为10~20 m，内陆地区达30~40 m，平均为15 m。因季节的不同，纬度的高低、海陆分布的差异在各地变化的幅度有所不同；

恒温层	定义：恒温层是地下温度常年保持不变的层位。温度：等于当地的年平均气温。深度：恒温层深度为20~30 m，在赤道和两极较浅，在中纬度及内陆区较深。

增稳层	分布：增温层在恒温层之下。温度：随深度的增加而增加，其原因是地内热流影响。地温梯度：通常把地表恒温层以下每向下加深100 m所升高的温度称为地温梯度（也称增温梯度或地热增温率），以oC/100 m为单位。大陆区一般为3 oC/100 m，洋底为4~8 oC/100 m。注：这种地温梯度只适用于地下20 km深的范围内。再向下由于压力、密度的影响，温度的增加将越来越缓慢。地热（温）异常区：地温较高的地区称为地热（温）异常区，可用于开发地下热水和热气。

五、地球的磁性

地磁场：地球是一个磁化的球体，其周围存在着磁场，称为地磁场。地磁场近似于一个放置在地心的磁棒所产生的磁偶极子磁场。

磁极：地磁场有两个磁极，磁南极位于地理北极附近，磁北极位于地理南极附近。两个磁极与地理两极位置相近，但并不重合。

磁子午线：地磁南北极在地表的连线称为磁子午线。

磁偏角：磁子午线与地理子午线之间的夹角称为磁偏角。

六、地球的弹性和塑性

地球既具有弹性也具有塑性，在不同条件下可以互相转化。

表现：在作用速度快、待续时间短的力（如潮汐力）的作用下表现为弹性体；在作用缓慢、持续时间长的力（如地球旋转力、重力）的作用下则表现为塑性体。

第三节地球的圈层结构

地球的物质成分及性质不均一→地球具有圈层结构的特征

一、地球的外部圈层

（一）大气圈

定义	环绕地球的由气态物质组成的圈层称为大气圈。大气圈是因地球引力而聚集在地表周围的气体圈层，是地球最外部的一个圈层。
成分	自然状态下的大气是多种气体的混合物，主要成分是氮（体积占比为78%）和氧（体积占比为 21%），此外还有氩、二氧化碳、水汽及微量惰性气体等。由于地心引力的作用，大气圈中79％的质量集中在地面以上18 km范围内，97％的质量聚集在距地表29 km以内。随高度的增加，大气组分由分子状态→原子状态→离子状态存在。
分层	自下而上，大气圈可进一步划分为对流层、平流层、中间层、暖层和外逸层。
上界	地球大气圈的范围在地面以上2000~3000 km，向上逐渐稀薄，无明显上界。
下界	土壤和某些岩石中也含有某些气体，是大气圈的地下部分，其深度一般不超过2 km。

（二）水圈

定义

水圈是指由地球表层水体所构成的连续而不规则圈层。

水的作用

水是组成自然界最重要的物质之一，是一切生物生存必不可少的物质条件，对地球表层环境的形成和改造起到重要的作用。

水的分类（按天然水所处的环境不同）

海洋水：约占水圈总质量的97%，是地球水圈的主体。

陆地水：主要包括地面流水、地下水、湖泊与沼泽及冰川。陆地水占比不足3%。

大气水：是指存在于大气圈中的水，它以气态的形式存在。

海洋水、陆地水和大气水随时随地通过相变和运动进行着大规模的交换，实现循环。

（三）生物圈

定义	生物圈是指地球表层由生物及其生命活动的地带所构成的连续圈层，是地球上所有生物及其生存环境的总称。
与大气圈、水圈的关系	它同大气圈、水圈和岩石圈的表层相互渗透、相互影响、相互交错分布，它们之间没有一条绝对的分界线。

二、地球的内部圈层（根据地球内部地震波波速和密度的分异划分）

地壳和地幔之间的分界面称为莫霍洛维奇间断面（以下简称莫霍面），地幔和地核之间的分界面称为古登堡面。

地球内部圈层

（一）地壳

定义

莫霍面以上由固体岩石组成的圈层即为地壳，它是固体地球最外层的薄壳。地壳占地球总体积的0.3%，占地球总质量的0. 7%。

厚度

横向变化大，厚度各地不一。其中大陆部分较厚，平均约为33 km，最厚可达70~80 km；大洋部分厚度较小，平均约6 km。

密度

一般为2. 6~2. 9 g/cm3，其上部密度较小，向下密度增大。

在大陆地区普遍存在一个不连续的次级界面，称为康拉德面（以下简称康氏面）。这个界面把地壳分为上、下两部分（即上地壳和下地壳）。

（二）地幔

定义

莫霍面以下、古登堡面以上的中间部分称为地幔。其深度约在24~2891 km，约占地球总体积的83.4%，占地球总质量的67. 8%，是地球的主体部分。

分层

根据地震波的次级不连续面，可将地幔分为上地幔、过渡层和下地幔，或将过渡层归入上地幔而直接分为上、下地幔。

（1）上地幔顶部：莫霍面以下深度为24~80 km的上地幔顶部层位，为固态，结构与地壳类似，它也是分层的，且横向变化大。

（2）软流层：地幔上部从地下80 km延伸到220 km左右，被称为软流层或软流圈。软流圈的温度可达700~1300 oC，熔融物质可能仅占1%~10%；熔融物质散布于固态物质之间，大大降低了圈层强度，使软流圈具有较强的塑性或流动性。软流圈物质已接近熔融的临界状态，因此，它可能为岩浆的重要发源地。

（3）下地幔：一般认为下地幔也是固态的，密度和压力较大。下地幔的化学成分相当于镁铁的硅酸盐矿物，与上地幔无甚差别，但由于这里压力很大，这些硅酸盐矿物可能形成晶体结构紧密的高密度矿物。

（三）地核

定义

古登堡面以下直至地心的部分称为地核。其体积约占地球总体积的16.3%，质量却占地球总质量的31.4%，地核的密度达9. 90~13. 09 g/cm3。

分层

根据地震波的传播特点，可将地核进一步分为3层：外核（深度2891~4771 km）、过渡层（深度4771~5150 km）和内核（深度5150~6371 km）。

根据横波传播情况，推测外核为液态，内核为固态，过渡层则为液体到固体的过渡状态。

化学组成

地球具有主要由内部物质引起的磁场，这说明地球内部一定具有高磁性的铁、镍物质非常集中的某个圈层，而地壳、地幔中均不存在。综合多方面推测，地核最合理的化学组成应包含铁、镍及少量的硅、硫等轻元素。