部分地球物理基础试题及答案.doc
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1、2002年地球物理基础答案15参考书1 地球物理学原理及应用(恽等,南京大学出版社)参考书2 地震勘探原理上、下(陆基孟,石油大学出版社)参考书3 勘探地球物理学(王妙月等,地震出版社)1、解释以下各词的物理意义地球重力位:引力和离心力的合力是地面物质的重力。设有一个函数,它是单值连续的函数,并且它在不同坐标方向的导数正好等于重力在该方向的分量,这个函数叫重力场的位函数,简称为重力位。参考书3P47地震波阻抗:当地震波在某一介质上传播时,密度与速度的乘积。参考书1P7叠加速度:当地下介质不是水平层状介质时,相应的反射波时距曲线将更加复杂,在实际速度分析工作中,为了简化问题,常将复杂的反射波时距
2、曲线看作双曲线,即t2=t02+x2/V2,式中V为叠加速度。参考书3P154视电阻率:电场作用范围内各种地层、各种地质体综合影响下得到的电阻率。参考书1P344磁场强度:单位正磁荷在磁场中某点所受的力,单位为奥斯特。参考书1P227地震波抟播介质的品质因子(Q值):参考书1P1361392、请简要叙述大洋中脊扩张的地球物理证据。(预备知识:1、地幔:莫霍面至古登堡面之间的圈层,厚约2800km,分为上地幔、下地幔两层。2、软流圈:地表以下80250 km的低速层,位于上地幔中,横波传播速度在该层中明显降低,该层中物质部分为溶融状态,因而物质可以缓慢流动。3、岩石圈:软流圈之上的刚性外层,包括
3、地壳和部分上地幔,全球各处厚度不等,一般厚约80180 km。4、板块:地球上刚性的岩石圈分裂成为许多巨大块体,全球分为7个板块北美洲板块、南美洲板块、太平洋板块、欧亚板块、非洲板块、印度板块、南极板块,板块之间的边界为洋中脊、海沟、转换断层、地缝合线,板块边界为地壳活动强烈的地带。)答:洋脊是绵延全球各大洋洋底之上的巨大山脉。洋脊横截面为平缓的等腰三角形,从其轴部向两坡呈阶梯状下掉。洋脊是地球上板块分离的边界,地幔物质局部熔融而形成的岩浆沿洋脊侵入而形成新的洋底岩石,新的洋底岩石随洋脊两侧的板块运动而运动。洋脊扩张的地球物理证据有:(1)高热流值,且从洋脊中部向两侧有递减趋势。这是由于熔融的
4、地幔物质在洋脊中部上涌形成新的洋底岩石,因为洋脊中部以下数公里是炽热的软流圈,地温梯度很大,所以洋脊中部热流值非常高。而当新形成的洋底岩石随洋脊两侧的板块运动而运动时,愈向洋脊两翼,岩石年龄变老,逐渐冷却,地温梯度和热流值减少。(2)磁异常的强度一般在洋脊轴部较大,向两翼强度减小,且成对称分布。这是由于熔融的地幔物质在洋脊中部上涌形成新的洋底岩石时,当它冷却经过居里点时,被当时的地球磁场磁化,形成磁异常,而后随着洋脊两侧的板块运动而运动,所以洋脊两侧的磁导常对称分布。因为洋底岩石中的铁磁性矿物在海底蚀变过程中遭受化学变化,所以远离洋脊轴部磁异常强度减小。(3)洋脊处于重力均衡状态。这是由于洋脊
5、轴部以下有低密度熔融的地幔物质,这种低密度的物质抵消了正向的洋中脊地形所引起的多余质量,从而使洋中脊的重力保持均衡状态。(4)由于洋中脊是板块分离的边界,岩石处于不断的拉张之中,所以岩石要遭受破坏,同时这种拉张作用只能集中在海底之中不深的部位,因此洋中脊地震频繁,震级低,震源浅,而且主要发生轴部上。3、如何根据地震波速度的变化、地震波的衰减特性与大地电磁测深结果研究地下的热状态。答:地震波速与传播介质或岩石的密度有关,对于同样物性的岩石,波速随密度的增大而增大。而当地震波在岩石中传播时,由于能量的衰减,振幅将减少,通常定义在一个周期中,储藏在振动系统中的能量与所损耗能量的比值为品质因素,即Q=
6、2(E/E)。由定义知,Q值与地震波的衰减系数成反比。Q值反映了介质中波的损耗性质。Q值越高,衰减系数越小,波在传播中的损耗越小,表明岩石介质密度大、硬,波速大。Q值越小,衰减系数越大,波在传播中的损耗越大,表明岩石介质密度小、塑性,波速小。大地电磁测深是研究地壳和上地幔构造的一种地球物理探测方法。它以天然交变电磁场为场源,当交变电磁场以波的形式在地下介质中传播时,由于电磁感应的作用,地面电磁场的观测值将包含有地下介质电阻率分布的信息,而且不同周期的电磁场信息具有不同的穿透深度。所以,研究大地对天然电磁场的频率响应,可获得不同深度介质电阻率分布的信息。现以全球一级地震波低速层为例作一下说明。当
7、地震波传播到软流圈时,地震波(特别是横波)在这层中的衰减程度比其上、下层次高得多,该层的Q值明显降低,降到100200。波速和Q值的降低,证明该层物质较热、较经、较软,呈现出部分熔融状态。另据大地电磁深资料,在低速层的深度上,导电率显著升高,称高导层或低阻层,而岩石的电阻率随温度的增高而降低。综合地震波速度的变化、地震波的衰减特性与大地电磁测深结果,表明软流圈的温度较高,物质处于部分熔融状态。洋中脊是软流圈物质上涌的地方,那儿热流值高,横波难以穿过,Q值很小,说明物质处于低密度的、部分熔融状态。4、试述地壳内低速、高导层的可能成因。答:地震波速与传播介质或岩石的密度有关,对于同样物性的岩石,波
8、速随密度的增大而增大,随密度的减小而减小。而岩石的电阻率通常与成分、结构、所含水分、温度有关。通过地球物理的方法,在地壳中发现了低速、高导夹层,而且有的地区存在两个低速层,它们的分布和特征与区域构造运动、地震活动、水热活动密切相关。低速、高导夹层的发现对构造分析有重要的意义,它们对块体的运动提供了位移吸收的地方。对它们的成因见参考书1P83。5、试述岩石磁性的成因以及对大陆漂移研究的意义参考书1 第5章答:磁性物质分为反磁性物质、顺磁性物质和铁磁性物质。只有铁磁性物质在外磁场作用下,可获得感应磁化强度,并在外磁场除去后,物质还保留剩余磁化强度。岩石有磁性,原因是岩石中含有铁磁性物质,岩石中的天
9、然剩磁分为热剩磁、沉积剩磁、化学剩磁、粘滞剩磁。热剩磁是岩浆在冷却经过居里点时,被当时的地球磁场磁化而获得的磁性。沉积剩磁是沉积岩中含有从母岩侵蚀而来的磁性颗粒,这些颗粒沉积时,受当时地磁场作用而定向排列,随后剩磁被固结在沉积岩中。化学磁性:一些磁性物质在其居里温度之下经过化学变化而获得的剩磁。粘滞剩磁:岩石形成后,长期置在地磁场中获得的剩磁。对地磁研究有意义的剩磁是热剩磁,这是由于热剩磁强度大、稳定、与外磁场一致。不过在测定热剩磁之前,先作退磁处理,以便只保留热剩磁。通过对热剩磁(古地磁)的研究,为大陆漂移提供了令人信服的证据,从而使大陆漂移变成了现实,使人们从固定论变成了活动论,地球科学发
10、生了革命。古地磁研究基于以下两个假说:一个是岩石的原生剩磁方向与岩石形成时的地磁场方向一致;另一个是古地磁场是轴向地心偶极场。在这二个假说的基础上,人们发现:1、一个地区测得的古地磁纬度与测点目前所处的纬度常有很大的差别,说明该地区有过漂移运动。2、把岩石剩余磁性得出的各个地质时代的磁极位置都标在地图上,可得到古地磁的迁移轨迹,如果是地磁极本身游移的结果,则迁移轨迹只有一条,但现发现不同大陆有不同的迁移轨迹,表明这些大陆之间发生过相对的运动,导致岩石测出的古地磁极的位置也跟着发生了位移。3、通过海底调查发现了磁性条带异常,正、负磁性条带异常沿洋中脊两侧对称分布,这是由于熔融的地幔物质在洋脊中部
11、上涌形成新的洋底岩石时,当它冷却经过居里点时,被当时的地球磁场磁化,形成磁异常,而后随着洋脊两侧的板块运动而运动,所以洋脊两侧的磁导常对称分布,并且通过将条带宽度除以该条带所延续的时间,可得出海底扩张的速度。古地磁的研究使大陆漂移从定性变成了定量,导致了地学的革命。6、试述地球物理正反演问题及其意义。(这是重中之重,自已好好琢磨一下答案如何归纳,并要和油储中有关这方面的问题结合起来,以免重复记忆)正演是从模型到数据,也就是现在流行的数值模拟。反演是从已测到的数据到建立符合数据的模型。两者的关系是反演得到的模型还需要正演中假设模型的检验。两者目的是获得有关地下介质结构或物理参数的信息。7、写出水
12、平层状介质条件下的斯涅尔定律;导出一个水平反射界面情况下炮检距与深度、走时与深度的关系,并利用台劳展开,简化为小入射角度表达式;导出小入射角条件下走时与炮检距的关系。参考书1P2022及手写几页纸。8、试述Moho界面的地震学证据以及可能的组成形式。答:Moho界面是南斯拉夫地震学家莫氏于上世纪通过对一次天然地震的研究发现的。他发现地下30公里上下的纵波传播速度明显不一样。他认为这是因为这一深度上物质成分有明显变化,表示地球内部的一个圈层。后来的研究发现,这一深度的纵波传播速度的变化有全球性,后来为纪念他,命名为莫霍面。莫霍面以上为地壳,以下为地幔。但是,莫霍面在全球深度不一致,大陆下深,大洋
13、下浅。通过天然和人工地震,发现莫霍面是很复杂的,有三种类型:1、为一个纵波速度突变面;2、有一定厚度的速度梯度变化带;3、由一组高速和低速相间组成的薄层束。参考书1P7680和滕书191193。莫霍面的成因是:1、莫霍面上、下岩石所受压力、温度不同,导致岩石的成分、密度发生变化,莫霍面上的岩石密度小于莫霍面下的岩石密度,所以波速增大;2、可能是相转换的结果。2003年地球物理基础答案1、解释自由空气校正、布格校正、均衡校正的物理意义,简述相应的校正方法。答:自由空气校正也叫高度校正,即把实测的重力值换算成为假设在海平面上测量时应得的数值,即消除因离地心距离不等引起的重力值。高出或低于海平面部分
14、的岩石质量还引起了附加的重力值,对此需要扣除,称为中间层校正,中间层校正和自由空气校正合称为布格校正。均衡校正包括两方面的内容:1是将海平面以上多余的按正常地壳密度分布的物质全部移去,即遍布全球的地形校正;2是将移去的质量全部回填补到海平面以下至均衡补偿面之间,并计算出填补进去的物质在测点处产生的引力铅垂分量,加到布格重力异常中去,便得到均衡重力异常。均衡补偿面是一个假设的地下起伏面,它使上面的高原、平原、海洋似乎都漂浮在其上且保持重力相等,达到重力平衡。(补充:引力和离心力的合力是地面物质的重力,设海平面(大地水准面)以下的物质为均匀分布状态,据此求出的重力值为理论重力值或标准重力值。事实上
15、,由于海平面以下物质分布是不均匀的,各处物质的密度不一样,所以实测的重力值和理论重力值有差别,称为重力异常。如实测重力值大于理论值则为正异常,说明该处地下物质密度大于平均密度;实测重力值小于理论值则为负异常,说明该处地下物质密度小于平均密度。因此,通过重力异常的研究可以推导地下物质的分布状况。为了通过重力异常的研究推导地下物质的分布状况,必须要对一个测点得到的实测重力值按统一标准进行相应的校正,以便于对比。校正有:1、地形校正,实测重力值扣除测点旁边因地形高差很大而产生的附加重力值;2、中间层校正,实测重力值扣除高出或低于海平面部分的岩石质量引起的附加重力值;3、自由空气校正或叫高度校正,把实
16、测的重力值换算成为假设在海平面上测量时应得的数值,即消除因测点离地心距离不等引起的重力值。中间层校正和自由空气校正合称为布格校正。4、正常场(纬度)校正,扣除因纬度不同导致的正常重力值的不同。重力异常的物理地质意义:1、重力正异常,实测重力值大于理论值,说明该处地下物质密度大于平均密度;2、重力负异常,实测重力值小于理论值,说明该处地下物质密度小于平均密度;3、自由空气重力异常=实测的重力值换算成为假设在海平面上测量时应得的数值(自由空气校正或叫高度校正)+纬度校正测点在海平面投影处的理论重力值,自由空气重力异常表示地表面到海平面之间的物质的影响仍有,相当于把这层的物质都压缩到海平面上了,没有
17、改变地球的实际质量,大范围负的自由空气异常表明该区域下方的物质密度小于平均密度,即物质有亏损,大范围正的自由空气异常表明该区域下方的物质密度大于平均密度,即物质有盈余;4、布格重力异常=实测的重力值换算成为假设在海平面上测量时应得的数值(自由空气校正或叫高度校正)+纬度校正+中间层校正+地形校正测点在海平面投影处的理论重力值,布格重力异常消除了海平面上多余物质对重力值的影响,也消除了纬度的影响,所以布格重力异常包含了地下各种偏离平均密度分布的矿体和构造的影响,也包括了地下界面起伏导致的相对于上地幔质量亏损和盈余的影响。即山区是大面积的负值区,表示物质比平均密度小,物质有亏损,低密度的上地幔离地
18、面远,山越高,布格负异常越大,物质亏损越大,上地幔高密度物质离地面越远;而在海洋区,为大面积的布格正异常区,表明该区域下方的物质密度大于平均密度,物质有盈余,上地幔高密度物质离地面近。2、地壳、地幔界面和内核界面存在的地震学证据有那些?简述研究地球内部速度结构的几种方法的原理,所需资料及已取得的成果。答:壳幔界面又叫莫霍面,表现为纵波传播速度在莫霍面上下明显不一样,其上为地壳,其下为地幔,莫霍面在全球深度不一致,大陆下深,大洋下浅,平均为35km。幔核界面又叫古登堡面,表现为角距100140之间出现一个纵波的空白区,且围绕地球呈环带状分布,表明地核存在,起着球形凸镜的作用,纵波到达这里后,发生
19、了反射和折射,故在地表上产生了阴影区;同时纵波在地壳和地幔中的传播速度是逐渐增加的,而穿过地核后纵波速度减少,横波不能穿过地核,表明地核表层是液态,所以古登堡面是固体地幔和液态外核的分界面。在地核内部又有一个分界面,表现为在角距110140之间可以记录到地震相;同时,纵波速度又逐渐上升,出现横波,表明地核内部有固体介质。所以地核分为二部分,外核为液态,内核为固态,其间是一个性质逐渐变化的过渡带。研究地球内部速度结构的方法有:1利用体波走时(纵波和横波)研究速度随深度的变化,所用资料为走时、走时差、射线参数=dt/d(为角距),此方法得到体波在地球中传播速度的变化,通过速度变化对地球内部结构进行
20、了划分地壳、地幔、地核,同时对三者又进行了细分。2、利用理论地震图研究速度结构,原理是把震源发出的地震波经过地球介质和地震仪的全部影响作用加以计算而得出在观测点的理论地震图,把理论地震图和实际观测图作对比,即可找出有关地球内部速度分布情况的信息,所需资料为观测波形和地震仪的脉冲响应,用理论地震图方法主要用来研究地壳和上地幔部分的精细结构及地球深部某些部分的细致结构。3、有面波研究速度结构,原理是把由面波记录图得出的观测频散曲线和由频散方程得出的理论频散曲线作对比,即可反推地下结构,所需资料为由面波记录测定相速度和群速度,目前能提供深至几百公里的地下构造。4、用地球自由振荡研究速度结构,地球自由
21、振荡理论给出了计算给定地球构造下球型和环型各阶振荡的周期的公式,把理论值和实际观测到的各阶振荡周期作对比,求其残差,通过逐步逼近,便可得出实际可能的地球构造,所震资料为观测到的振荡周期,这种方法主要用在核查以往基于体波研究得出的地球内部构造和对以往的模型作出修改。5、初步参考地球模型的速度结构,即在以往研究的基础,人为地定义一个波速只随深度变化的“平均地球”,从而为正、反演计算和其它领域的研究工作带来方便,所震资料天文大地测量资料、自由振荡和面波资料、体波资料,初步参考地球模型给出了速度、密度、压力、重力和弹性系数随深度变化。3、现代地学研究发现大洋脊是扩张的,请扼要叙述你所知道的洋脊扩张的证
22、据。试述全球板块构造学说的地球物理和地质方面的主要依据。答:洋脊是绵延全球各大洋洋底之上的巨大山脉。洋脊横截面为平缓的等腰三角形,从其轴部向两坡呈阶梯状下掉。洋脊是地球上板块分离的边界,地幔物质局部熔融而形成的岩浆沿洋脊侵入而形成新的洋底岩石,新的洋底岩石随洋脊两侧的板块运动而运动。洋脊扩张的证据有:(1)高热流值,且从洋脊中部向两侧有递减趋势。这是由于熔融的地幔物质在洋脊中部上涌形成新的洋底岩石,因为洋脊中部以下数公里是炽热的软流圈,地温梯度很大,所以洋脊中部热流值非常高。而当新形成的洋底岩石随洋脊两侧的板块运动而运动时,逐渐冷却,地温梯度和热流值减少。(2)磁异常的强度一般在洋脊轴部较大,
23、向两翼强度减小,且成对称分布。这是由于熔融的地幔物质在洋脊中部上涌形成新的洋底岩石时,当它冷却经过居里点时,被当时的地球磁场磁化,形成磁异常,而后随着洋脊两侧的板块运动而运动,所以洋脊两侧的磁导常对称分布。因为洋底岩石中的铁磁性矿物在海底蚀变过程中遭受化学变化,所以远离洋脊轴部磁异常强度减小。(3)洋脊处于重力均衡状态。这是由于洋脊轴部以下有低密度熔融的地幔物质,这种低密度的物质抵消了正向的洋中脊地形所引起的多余质量,从而使洋中脊的重力保持均衡状态。(4)由于洋中脊是板块分离的边界,岩石处于不断的拉张之中,岩石遭受破坏,同时拉张作用只能集中在海底之中不深的部位,因此洋中脊地震频繁,震级低,震源
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