地心之说.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,中国科学院老科学家科普演讲团,张少泉 研究员,（,中国地震局地球物理研究所,）,地 心 之 旅,探索地球内部的奥秘,序,在20世纪末，地球科学家,可以讲出一个,关于地球内部以及关于地球演化历史的,绚烂多彩的故事。,这个故事的精彩程度和真实性,是历史上所没有的。,目录,前言：敲开地球大门 寻找演化踪迹,第一部分：地球：行星家族中的一员,第二部分：,充满活力的地球：地震、海啸和火山,第三部分：大陆漂移、海底扩张和板块运动,第四部分：地球内部结构,第五部分：地球物理方法,第六部分：一次虚拟的“地心之旅”,结语：探索无穷无尽 梦想终究成真,第一部分：地球,行星家族中的一员,DSDP,ODP,第一部分：地球,行星家族中的一员,旋转的地球,组成太阳系的行星,太阳系的行星可分为两类。水星、金星、地球和火星离太阳较近，称为内行星；木星、土星、天王星、海王星、冥王星离太阳较远，称为外行星。内行星密度大、体积小，又称为小行星；外行星密度小、体积大，又称为大行星。,行星内部构造图,行星大都分为星壳、星幔和星核三部分。但是，因演化条件不同，不同行星内部的构造和物质组成有很大差异。,金星裂谷示意图,金星和地球的构造很相似，而且构造活动也很活跃。有人曾认为，它们是双星。金星表面的2/3为由火山岩构成的平原，另有5个高原和9个高地。高地之间有裂谷、岩流和火山口。这是一张根据观测资料所作的金星裂谷素描图，该裂谷长达1000,km,以上、宽200,km,左右。高地，特别是裂谷，可能是金星上的年轻构造。金星可能有一个铁核，但几乎没有磁场。,地球的历史,图上的数字，表示距离现在的时间，单位为亿年。图中文字，表示地球演化的几个时期和每个时期的特征。其中，板块运动开始于古生代中期。,地核的形成,原始地球有许多与陨石相似的颗粒组成，其中的硅酸盐颗粒密度较小、熔点较高，而金属铁镍颗粒密度较小、熔点较低，经过短寿命放射性物质的衰变加热后，硅酸盐物质与金属铁镍物质分离，轻者上升，重者下降，大概用一亿年时间，在地心形成铁镍地核，并在它的外面形成以硅酸盐物质为主要成份的地幔。,地球各圈层的相互作用,火山活动在地球演化和圈层形成过程中发挥了重要作用。地球内部的水蒸汽、氢气、氮气、二氧化碳等伴随熔融的岩浆，一起喷发到地面。其中水蒸汽凝成水，流入大海。二氧化碳经过光合作用，变成氧气。氮气和氧气等进入大气层。喷发的岩浆凝固后，形成火山岛，构成岩石圈大陆。,肯尼亚裂谷构造剖面图,在裂谷的上地幔有不规则的柱状低速体，表示该处的温度比周围高。低速体向上隆起，产生张力，使地壳变薄，形成裂谷。,喜马拉雅山地壳构造剖面图,这是一张反射地震剖面图，横坐标表示测线自藏南的帕里（南端），向北到雅鲁藏布江（北端，图中标为雅江）；纵坐标表示双程反射波走时（单位为秒），乘以纵波速度之半，则为对应深度。南端看到很强的莫霍面（,Moho,），,深度为73,km，,这是全球大陆中最厚的地壳。地壳中部有一很强的反射面（,MHT），,可能为印度地壳向欧亚地壳俯冲的上界面。由此往北，这两个反射面渐趋模糊，直到消失。这张图为大陆漂移（印度板块向北挤压欧亚板块）提供有力的深部结构证据。,地壳重力均衡模型,为解释重力测量的一个重要事实，即“高山下面物质轻，海洋下面物质重”，提出地壳重力均衡假说。图中（,a）,称为普拉特模型，（,b）,称为艾里模型。对照地震测量结果，艾里的解释与实际情况更为符合。这就是通常所说的，“山有山根，海有覆盆”，近似为一种非对称的镜像结构。这个19世纪的重要学说，在20世纪的板块学说中，又有了新的意义。,第二部分：充满活力的地球地震、海啸和火山,DSDP,ODP,第二部分：充满活力的地球,地震、海啸和火山,地震灾害,火山活动,智利海啸,和达本尼奥夫带,观测资料表明，构造地震可以分成浅源地震和深源地震。大多数地震发生在地表以下30,km,以内，最深的可以达到650,km,左右；并且可以形成一个倾斜的地震带，。这个带称为和达-本尼奥夫带。把浅源地震和深源地震从“血缘”上联系在一起的，使北称为“地球科学革命”的全球板块构造理论。海洋型板块向大陆型板块俯冲，这个俯冲板块就是和达-本尼奥夫地震带。,19901995年全球强震分布图,（参见备注）,地震发生的物理解释,板块象一个坚硬的块体，不同块体之间的边界却不那么坚硬。板块的相对运动，在板块边界处积累了很大的变形；就象弯曲一根竹片，当变形超过竹片上最薄弱处的承受能力时，它就要发生断裂。这就是地震。由于地球介质是弹性连续体，板块相对运动（断裂）后，还留有未释放的弹性能。科学家把这个地震模型叫“断层的弹性回跳模型”。,在地面上看到的地震断裂,（,a）,一个农场的栅栏被地震断裂为平行的两段,（,b）,对图（,a）,的解释：地下断层的两盘沿断层线,D,错动，将栅栏,AB,错断为两段,AD1,和,BD2,中国地震烈度区划图,中国地震加速度区划图,中国地震反应谱周期区划图,火山喷发模型图,地壳或地幔中的岩浆和挥发物，由岩浆房喷至地面，向大气层喷射，形成火山。岩浆和挥发物构成的喷发柱高度，可达20,km30km，,甚至50,km。,喷发柱高度决定于岩浆房的大小、压力、挥发物含量和喷发口的直径等。富含挥发物的中碱性岩浆，往往发生爆炸式喷发。,火山喷发云照片,1989-1990年美国阿拉斯加一座火山发生一系列喷发，抛出大量火山灰云。其中，1989年12月15日的火山灰云，险些使一架载有231名乘客的波音747飞机坠毁。由此引发出“火山喷发与报警”问题。,长白山天池火山遗迹,湛蓝的天池和皑皑的白雪下面，是一座休眠的火山。在1215年左右，这里曾有火山喷发。经过地震观测和深部结构探测，认为它在“近期”不会发生喷发。这个“近期”的含义，可以是5000年，或2000年。,第三部分：大陆漂移、海底扩张和板块运动,DSDP,ODP,第三部分：大陆漂移、海底扩张,和板块运动,喜马拉雅山的崛起（动画片段,）,大陆漂移（动画片段）,DSDP（Deep Sea Drilling Project）,ODP（Ocean Drilling Program）,环视青藏高原影片（动画片段,）,关于青藏高原（1）,现今的喜玛拉雅山脉，是冈瓦纳古陆北缘的浅海部分。现在的拉萨向北推移了14个纬度!,青藏高原约300万年前，曾是一片海洋！这片海域，横贯现在的欧亚南大陆，与现在的北非、南欧、西亚和东南亚的海域相沟通，合称为,“,古地中海,”,，或,“,特,关于青藏高原（2）,2.5亿年前，地球表层形成两大古陆，北半球的劳亚古陆和位于南半球的冈瓦纳古陆。劳亚古陆包括现在的欧、亚大陆以及北美等地。冈瓦纳古陆包括现在的澳洲、南极洲、非洲、南美和印度等地。,经过几千万年，随着古陆的缓缓漂移，两个古陆重新组合，形成后来又被分解为如今大陆格局的盘古大陆。,全球板块分布图,全球岩石层可以分为七个大的板块：欧亚板块、太平洋板块、非洲板块、印度-澳洲板块、北美板块、南美板块、南极板块。（参见备注）,板块及其边缘的构造,这里给出两种板块边缘，即洋中脊和海沟处的构造。洋中脊是板块的增生处，通过地幔物质的上涌，不断补充岩石层；而海沟通过岩石层俯冲进入软流层而不断消减。,海洋、大陆和软流圈层,盘古大陆的分裂,（参见备注）,（,a）、（b）（c）、,和（,d），,分别表示2亿年前、1.6亿年前、0.8亿年前和现在的大陆的分布。,有人认为，在漫长的地球历史中，象大陆这样合而分、分而合的过程，也许曾经多次出现，每次拼合和分离的时间大约5亿年。,东亚大陆块的形成,一个大陆可能由多个块体组成。中国的华北块体、华南块体、塔里木块体都是古生代以前的古老块体。在2.5亿年前，它们已经互相碰撞，并结合成东亚大陆。在块体之间由碰撞产生褶皱。之后，青藏高原的羌塘块体和拉萨块体，相继和东亚块体碰撞联在一起。直到0.5亿年前，印度次大陆才和东亚大陆碰撞。,印度次大陆的漂移,印度次大陆原先是冈瓦纳大陆的北缘，后来向北漂移和欧亚大陆结合。（,a）,表示不同年代的位置,。（,b）,表示不同年代的漂移速率。,山脉的形成,山脉的形成是一个复杂过程，由隆起、侵蚀和重力均衡组成。,（参见备注）,板块的碰撞,山脉的隆起是由板块的碰撞产生的。可分为两种类型：,（,a）,大陆板块与大陆板块碰撞，产生如欧亚大陆的喜马拉雅山、阿尔卑斯山；,（,b）,大陆板块与海洋板块碰撞，产生如美州的安第斯山。,美洲的安第斯山的形成,南美安第斯山是由太平洋岩石层向南美大陆俯冲所产生的，属于海洋板块-大陆板块的碰撞类型。当然，冷的海洋岩石层物质与大陆岩石层物质产生化学作用，使热物质向上迁移，形成与火山活动有关的山脉。,喜马拉雅山脉的形成,（参见备注）,（,a）5000,万年前,（,b）3500,万年前,（,c）2100,万年前,（,d）1100,万年前,驱动板块的几种动力模型,（,a）,推动板块：洋中脊的拉伸和俯冲带的沉降；（,b）,驱动板块：全地幔区域的对流模型：（,c）,驱动板块：上地幔区域的对流模型；（,d）,拖动板块：地幔热柱的上升和向两侧铺展。,第四部分：地球内部结构,DSDP,ODP,第四部分：地球内部结构,不同深度的地震波速度,横坐标表示深度（单位为公里），纵坐标表示地震波速度（单位为公里/秒），,Vp,和,Vs,分别表示纵波和横波（实线），,表示密度（虚线）。图中给出地壳-地幔、上地幔-下地幔、地幔-地核、外核-内核的分界面；其中，地幔-地核、外核-内核的分界面处，速度和密度发生突然变化，尤其是在地球外核，,Vs,降为零（表示为液态）。,地球内部结构切面图,根据地球不同深度的地震波速度曲线，将地球分成若干层次。层与层之间的主要分界面，如地壳与地幔、地幔与地核、外核与内核这三个分界面，分别以著名的地震学家莫霍诺维契、古登堡和莱曼（女）的名字命名。图中的岩石层（地壳+上地幔顶层）及其下面的软流层，分为海洋型和大陆型两种，前者比后者要浅。,地幔底部的结构,根据地震波观测结果，地幔底部即接近幔核边界，那里结构很不规则，分界面两侧的物质成分（地幔一侧的硅酸镁钙铁矿，地核一侧的铁镍合金）互相产生剧烈的化学作用。,地核与影区,（参见备注）,一次较大的地震激发的地震波，可以在很长的距离上观测到，结果发现在104,0,突然消失了，到了143,0,重又出现！也就是说，104,0,到143,0,“销声匿迹”。这是因为地球内存在一个速度很低的“核”，“影区”就是地核的影子,。,地球内核旋转的示意图,固体内核与固体地幔被液体外核分开。外核液体的粘滞度与水相差不大。因而不难相象，内核很容易自行自由转动。最早人们设想，外核对流产生的磁力线可以渗透到内核去，内核是个导体，就象一个通电的马达可以在磁场中转动一样。后来人们在计算机的数值模拟计算中得到证实；并且预测，内核的转动要比地幔快几度。这个结果促使地震学家寻找内核旋转的证据。,探测内核旋转的方法（宋晓东和理查兹，1996年）,从美国阿拉斯加地震台，观测南桑德维治岛在不同年代发生的地震。从地震震源到地震台的传播路径固定，传播的时间细微变化反映内核晶体在空间排列位置的细微变化。,全球,S,波速度横向变化图（层析成像）,兰色表示快速，上图：38,km,红色表示慢速，,中图：150,km,黄色表示常速，,下图：410,km,俯冲带的构造图（层析成像）,洋中脊的速度结构剖面图（层析成像）,海啸预报,地震方法,一个简单的垂直摆“地震仪”示意图,传统地震仪有三个方向的地震计，每个地震计由重锤、弹簧、粘性阻尼、记录滚筒和固定框架组成。古代地震仪（如我国东汉的张衡地动仪）含有一个重锤（包括内部导向槽和显示方向的龙头-蟾蜍嘴），是一个不能记录地面震动过程的验震器。现代地震仪称为宽频带、大动态、高增益数字化地震仪，增加了电子反馈系统、数据采集系统和数据传输系统。,纵波和横波,纵波和横波对地震波而言，都是在地球内部传播的弹性波，统称体波。沿地球表面还有一种波叫面波。纵波最快，横波次之，而面波最慢。比如在地壳，纵波波速为,6,km/s，,横波波速为,4,km/s，,而面波波速为3,km/s。,一张理想的地震记录图,图中包括纵波、横波和面波。它们分别用,P、S、L（R）、L（Q）,表示。,（参见备注）,近震三分向记录图,震源深度在10-30,km、,震中距在100,km,范围的地震记录上，没有面波、首波，只有,P,波和,S,波两种体波震相。而几百公里深度的深源地震，在几千公里距离的记录，与这张近震记录有惊人的相似之处。,地震波在地球内部的传播,这里用地震射线表示地震波的传播。,图中给出地幔、地球外核和地球内和地球内核结构，因此图中给出的是地幔体波和地核体波，其中包括地面和幔核界面的的反射波、转换波。每种波对应的震相符号，已标在相应射线的端部。,面波的频散,根据频散曲线，可以计算出地球的分层结构。,（参见备注）,公元前100年我国发明的汤勺状磁石指南针,（参见备注）,地球磁场的大致分布,地球磁场的分布与一个放在地心、并与自转轴呈11,0,交角的磁棒形成的磁场很相象。地磁场有一个地磁轴，两端为地磁极，所有的磁力线都是从一个磁极到另一个磁极。磁力线的形状，可以用一块撒上铁粉的玻璃板演示：当你把一块马磁铁放在那块玻璃板下，并轻轻移动时，就可以看到这些铁粉出现象贝壳或蝴蝶一样的对称的磁力线形状。,古地磁极的移动轨迹,从不同大陆的岩石得到古地磁极的位置。由于大陆漂移，不同大陆的漂移轨迹不同，所得古地磁极的移动轨迹有差别。图中字母和数字，表示不同的地质年代：,C1,为晚新生代，,C2,为中新生代,，,C3,为早新生代，,C,为石炭纪，,D,为泥盆纪,，,O,为奥陶纪,代，,E,为寒武纪，,PE,为前寒武纪。,洋底的磁异常,海洋洋底是这样形成的：在洋脊处，上地幔物质沿裂缝上升，使两旁的板块分裂开来，并向两侧移动。洋脊中间的区域被上升的上地幔物质所充填，形成新的洋底。新的洋底在海沟处，随海洋岩石层向另一板块的上地幔俯冲而消减。所以洋底在洋中脊处最新，在海沟处最老。根据地质年龄的测定，最老的太平洋洋底年龄不超过2亿年，比起数十亿年的大陆，洋底的年龄要年轻多了。还可以用海洋磁异常测定洋底年龄。,地幔热柱示意图,热柱是地球内部上升的熔流，其底部的深度可到达幔核边界，其顶部可到达岩石层，其直径可达几十到几百公里。当它到达岩石层底部时，因受阻挡，不能继续上升，转而向周围扩展，形成1000公里的磨菇云。热柱在地面的显示为热点。,热点的速度结构剖面图（层析成像）,这里给出夏威夷岛链和冰岛两处热点的速度垂直剖面结构。上图为两处热点的位置：用点线标出；横坐标为东经；纵坐标为南北纬。下图为两处热点剖面的速度结构图：横坐标为距离，单位为度（,0,）；纵坐标为深度，单位为,km；,图中速度等值图，用百分比表示，在+5%-5%变动。热点下面约在100250,km,有低速物质存在，最低速度大约在150,km,深度。低速介质可能表示地幔柱上部的磨菇云。,海底扩张与火山形成,洋中脊多为隆起的山脉，中央有宽2030,km、,深1,2,km,的地堑，人们称为大洋裂谷。大洋内的火山就分布在大洋裂谷上。此类火山属于海底喷发。在大洋中脊之下，由于热的地幔岩石上升而发生玄武质火山作用和高热流值，使洋中脊成为海底扩展中心。海底碎片的分离，使洋中脊张开裂谷，引发一系列浅源地震。冷岩石的下沉，使得较老的海底在海沟处沉降，形成和达本尼奥夫带，并在这个带上发生深源地震。,夏威夷群岛火山,地幔中存在一些位置比较固定的地幔热柱（地表出露点称为热点）。当热柱上升时，喷出地表的岩浆形成火山。图中的夏威夷岛的地下就可能存在一个热柱。由于太平洋板块不断向西北方向移动，就形成一系列北西向的夏威夷火山链。这个火山链的年龄向西北方向逐渐变老。表现为平顶山链，没有或很少地震。图中的,Ma,为百万年。,第六部分：一次虚拟的“地心之旅”,DSDP,ODP,第六部分：一次虚拟的“地心之旅”,地球的千里眼（遥感卫星,）,登月照片,哥伦比亚航天飞机的腾空和失事,2003年1月25日哥伦比亚飞船上宇航员工作的情景,1996年10月23日 北京人民广播电台少年儿童节目：,大篷车,“,地心之旅,”,（19：00,19：45）,故事情节：获悉，宇宙魔王在地心放了一个爆炸力极强的魔盒，要摧毁地球和人类。为此，一批小小科学家要驾驶宇宙飞船，穿越地壳、地幔，进入地心，赶在魔盒爆炸前将它解除。结合这个节目，进行团结协作训练和地球知识的学习,。,在北京广播电台演播室和主持人等合影,大篷车“地心旅行”的现场录音,分为“准备”、“出发”、“穿过地壳”、“穿过地幔”、“穿过外核”、“进入内核”、“解除魔盒危险”、“返航”几个阶段。,地心之旅（设想）,四个阶段：无人驾驶飞船阶段机器人搭乘飞船阶段虚拟人搭乘飞船阶段载人飞船阶段。,关键问题：核动力、高温高压环境、运行轨迹的遥控；“内失重”（接近地心的零重力状态）条件下的生物实验；虚拟人体实验（人体器官承受冲击能力）。,“中国虚拟人”的制作、进展和用途,（参见备注）,虚拟人 并不是真人，而是在电脑里合成的三维人体详细结构。为采集数据，先要选取一具尸体，将人体切成非常薄的片，每切一次片，都要用数码像机和扫描仪对已切片的切面进行拍照，之后将数据输入电脑，最后由电脑进行三维人体合成。,结语：探索无穷无尽 梦想终究成真,DSDP,ODP,结语：探索无穷无尽,梦想终究成真,张衡的故事（电影片段）,“不以高官厚禄为荣，但以无德无才为耻”东汉地动仪复原的故事,魏格纳和他的大陆漂移,偶然的发现和科学的论证的故事,魏格纳的故事,“没有梦想就没有未来，没有风险就没有发现”,请记住他们的名字,为我们的“地心之旅”插上路标的地震学家,莫霍诺维齐（前南斯拉夫）,地壳与地幔分界面的发现者,古登堡（美国）,地幔与地核分界面的发现者,莱曼（丹麦，女）,外核与内核分界面的发现者,青藏高原在300万年前，还是一片海洋！几千万年来，拉萨向北推移了个纬度!,这片海域横贯现在欧亚大陆的南部地区，与北非、南欧、西亚和东南亚的海域沟通，称为“特提斯海”、或“古地中海”.,2亿5千万年前(二迭和石炭期)之前的,两个古大陆,：,冈瓦纳古陆，位于南半球，包括现在的澳洲、南极洲、非洲、南美和印度等地。,劳亚古陆，位于北半球，包括现在欧、亚大陆以及北美等地。,DSDP,ODP,谢 谢 大 家,