地球物理学简介课件.ppt
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1、采矿地球物理理论与技术采矿地球物理理论与技术第一章 地球物理学简介1.1 地球科学与地球物理学地球科学与地球物理学地球物理学地球物理学,是一门以地球为研究对象的应用物理学。其中,对,是一门以地球为研究对象的应用物理学。其中,对固体地球的研究,在本世纪六十年代以来,获得极大发展。它已固体地球的研究,在本世纪六十年代以来,获得极大发展。它已成为地学,即地球科学的重要组成部分,并且渗透到地学中的许成为地学,即地球科学的重要组成部分,并且渗透到地学中的许多分支。多分支。采矿地球物理学采矿地球物理学是采矿科学中的一个新的分支,是利用岩体中自是采矿科学中的一个新的分支,是利用岩体中自然的或人工激发的物理场
2、来监测岩体的动态变化和揭露已有的地然的或人工激发的物理场来监测岩体的动态变化和揭露已有的地质构造的一门学科。采矿地球物理学的最大特点是在更深层次上质构造的一门学科。采矿地球物理学的最大特点是在更深层次上认识地下岩层的特点及运动规律。认识地下岩层的特点及运动规律。表表1 地球科学的学科分类体系地球科学的学科分类体系1.1 地球科学与地球物理学地球科学与地球物理学地球物理学的研究范围涉及从地球最深部的地核到大气地球物理学的研究范围涉及从地球最深部的地核到大气圈的边界。它是由众多基础科学组成。图圈的边界。它是由众多基础科学组成。图1为地球物理学的形为地球物理学的形成和发展示意图。成和发展示意图。地球
3、物理学地震学重力学大地构造物理学地热学大地测量学地球动力学1.1 地球科学与地球物理学地球科学与地球物理学物理学天文学(地球作为星体)地质学(地球内部作为深部地质学)(应用)地球固体地球物理学空间物理学大气物理学大地测量学海洋物理学勘探地球物理学普通地球物理学采矿地球物理学重力学 地球起源地磁学 地球年龄地电学 地球自转地热学 地球形状地震学 地球动力行星物理学(地球物理学、天文学等共生学科)岩石物理学(地球物理学、地质学、地球化学等共生学科)图图1 地球物理学的形成和发展示意图地球物理学的形成和发展示意图 20世纪世纪30年代,由于成功地把地球物理学方法用于矿产资源年代,由于成功地把地球物理
4、学方法用于矿产资源勘探当中,使它得以迅猛发展。现在,地球物理学已经成为国勘探当中,使它得以迅猛发展。现在,地球物理学已经成为国内、外研究进展十分迅速的学科之一。内、外研究进展十分迅速的学科之一。地球物理学发展的总趋势有两种:一是多学科的综合,二是地球物理学发展的总趋势有两种:一是多学科的综合,二是科学的国际合作。科学的国际合作。第第1个国际间的协作计划是个国际间的协作计划是l9571958年的地球物理年。年的地球物理年。60年年代初,近代初,近50个国家参加了上地幔计划。个国家参加了上地幔计划。建立了建立了“板块大地构造假说板块大地构造假说”。1.1 地球科学与地球物理学地球科学与地球物理学地
5、球物理学的研究方向,从总体上说,不是朝着对个别事件地球物理学的研究方向,从总体上说,不是朝着对个别事件和单学科的观测与研究发展,而是朝着全球性多学科的综合探和单学科的观测与研究发展,而是朝着全球性多学科的综合探测与研究发展;测与研究发展;人类认识自然现象不受国界限制;人类认识自然现象不受国界限制;各国间的资料相互利用;各国间的资料相互利用;按照统一规划和统一的工作方法进行工作。按照统一规划和统一的工作方法进行工作。1.1 地球科学与地球物理学地球科学与地球物理学 地球从诞生到今天已有地球从诞生到今天已有46亿年,有其自身的演化过程。亿年,有其自身的演化过程。地球的幼年时代,表面没有山脉、海洋,
6、这个时期持续地球的幼年时代,表面没有山脉、海洋,这个时期持续了约十亿年。地质学家把地球的这次脱气称为第一次脱气。了约十亿年。地质学家把地球的这次脱气称为第一次脱气。由于地球温度升高,致使物质发生熔化,熔化后的物质由于地球温度升高,致使物质发生熔化,熔化后的物质呈液态,易于对流。随后,地幔和地壳分化,以镁铁为主的呈液态,易于对流。随后,地幔和地壳分化,以镁铁为主的硅酸盐构成地幔,以铝铁为主的硅酸盐构成地壳。硅酸盐构成地幔,以铝铁为主的硅酸盐构成地壳。当地幔获得足够的热量后,开始发生对流。初始的海底当地幔获得足够的热量后,开始发生对流。初始的海底扩张使散热作用加速,地幔固结了,但外核仍为液态。外核
7、扩张使散热作用加速,地幔固结了,但外核仍为液态。外核的对流是产生现今地球磁场的原因。的对流是产生现今地球磁场的原因。1.2 地球物理场地球物理场1.2.1 地球的演化地球的演化 地球内部的气体,在高温高压的作用下,被挤压到上层地球内部的气体,在高温高压的作用下,被挤压到上层有空隙或是密度小的地方,从地壳的裂隙处喷出,这就是地有空隙或是密度小的地方,从地壳的裂隙处喷出,这就是地球的二次脱气。球的二次脱气。原始大气圈的成分与现代大气圈不同,其主要成分是水原始大气圈的成分与现代大气圈不同,其主要成分是水蒸汽与含有强还原的化合物如氢、甲烷和氨。大气圈上部水蒸汽与含有强还原的化合物如氢、甲烷和氨。大气圈
8、上部水蒸汽的分解所产生的氧不足以形成今天的富氧大气圈,现在蒸汽的分解所产生的氧不足以形成今天的富氧大气圈,现在的富氧大气圈是植物的光合作用造成的。的富氧大气圈是植物的光合作用造成的。水圈也有它自己的形成和演化过程。从原始的淡海水变水圈也有它自己的形成和演化过程。从原始的淡海水变成今天的咸海水,有一个逐渐的咸化过程。成今天的咸海水,有一个逐渐的咸化过程。地震是地球内部具有能量的最直接的证据。地球内部能地震是地球内部具有能量的最直接的证据。地球内部能量于瞬间释放时引起的地球快速颤动,从而引发大小不等量于瞬间释放时引起的地球快速颤动,从而引发大小不等、形式多样的地震活动。、形式多样的地震活动。按照震
9、源深度按照震源深度h的不同,地震可以分为:的不同,地震可以分为:浅源地震浅源地震(h70km),中源地震中源地震(70kmh300km)。岩石圈板块的运动有两种类型岩石圈板块的运动有两种类型:一种是陆陆碰撞,即碰撞发生于两个大陆板块之间;一种是陆陆碰撞,即碰撞发生于两个大陆板块之间;一种是洋陆俯冲,即在大陆板块和大洋板块之间进行一种是洋陆俯冲,即在大陆板块和大洋板块之间进行。1.2.2 地震地震 在陆陆碰撞的情况下,地震主要沿着碰撞板块的结合在陆陆碰撞的情况下,地震主要沿着碰撞板块的结合带边缘分布,发生于碰撞形成的断层带内(图带边缘分布,发生于碰撞形成的断层带内(图2-1a)。由此)。由此引发
10、的地震多数为浅源地震,也可有少量的中源地震发生。引发的地震多数为浅源地震,也可有少量的中源地震发生。在洋陆俯冲的情况下,洋壳板块沿着海沟带往大陆板在洋陆俯冲的情况下,洋壳板块沿着海沟带往大陆板块下部俯冲,并一直下插到地幔深度。在俯冲板块的不同部块下部俯冲,并一直下插到地幔深度。在俯冲板块的不同部位,应力分布的状态是不相同的:俯冲板块的后缘处于相对位,应力分布的状态是不相同的:俯冲板块的后缘处于相对拉张的构造环境,中、前部则受到强烈的挤压。在这种情况拉张的构造环境,中、前部则受到强烈的挤压。在这种情况中,前部则受到强烈的挤压。在这种情况下全部三种震源深中,前部则受到强烈的挤压。在这种情况下全部三
11、种震源深度的地震都有可能发生(图度的地震都有可能发生(图2-1b)。)。1.2.2 地震地震图图2-1a 陆陆-陆碰撞陆碰撞1.2.2 地震地震图图2-1 b 洋洋-陆碰撞陆碰撞1.2.2 地震地震 此外,无论是陆陆碰撞还是洋陆俯冲,在陆壳内部此外,无论是陆陆碰撞还是洋陆俯冲,在陆壳内部都会因为构造应力的局部集中而产生板内地震,这类地震为都会因为构造应力的局部集中而产生板内地震,这类地震为浅源型。浅源型。由断层活动诱发地震发生的具体过程可以用断层的弹性由断层活动诱发地震发生的具体过程可以用断层的弹性模型来解释。模型来解释。由于断层在孕育过程中积累了大量能量,一旦断层发生由于断层在孕育过程中积累
12、了大量能量,一旦断层发生整体断裂和滑移,被积累的能量就因为断层的运动和变形而整体断裂和滑移,被积累的能量就因为断层的运动和变形而迅速释放,从而导致地震。迅速释放,从而导致地震。但后来的研究发现,地震并非在整个断层的所有段落上但后来的研究发现,地震并非在整个断层的所有段落上都是同时发生的。因此有人提出了都是同时发生的。因此有人提出了断层闭锁段断层闭锁段的概念的概念,认,认 1.2.2 地震地震1.2.2 地震地震图图2-2 有断层闭锁段的地震断裂示意图有断层闭锁段的地震断裂示意图 为在断层内部往往存在着一到多处闭锁段,它(们)在断为在断层内部往往存在着一到多处闭锁段,它(们)在断 层开始作整体变
13、形和运移时,只发生剪切应变而不发生宏层开始作整体变形和运移时,只发生剪切应变而不发生宏 观滑移,即处于闭锁状态(图观滑移,即处于闭锁状态(图2-2)。)。地震的弹性回跳假说:地震的弹性回跳假说:(1)地层受到剪切作用而开始剪切变形;地层受到剪切作用而开始剪切变形;(2)除闭锁段(由虚线椭圆围限部分)外,断层其他部分均除闭锁段(由虚线椭圆围限部分)外,断层其他部分均以发生显著滑移;以发生显著滑移;(3)断层闭锁段被彻底剪断而发生瞬时滑移,地震因断层闭断层闭锁段被彻底剪断而发生瞬时滑移,地震因断层闭锁段的弹性回跳而产生,闭锁段也随之消失。锁段的弹性回跳而产生,闭锁段也随之消失。从图从图2-2中,我
14、们可以看到,断层闭锁段大致上呈一椭圆形中,我们可以看到,断层闭锁段大致上呈一椭圆形区域,其范围随着断层的活动演化而变化。区域,其范围随着断层的活动演化而变化。在开始阶段,由于断层在整体上还没有发生宏观滑移,断在开始阶段,由于断层在整体上还没有发生宏观滑移,断层闭锁段的范围也不明显(图层闭锁段的范围也不明显(图2-2a)。)。1.2.2 地震地震 此后,随着断层整体滑移量的增加,断层闭锁段的椭此后,随着断层整体滑移量的增加,断层闭锁段的椭圆形区域也随之增大(图圆形区域也随之增大(图2-2b)。)。但当断层内剪切应力的积聚超过了闭锁段的强度极限但当断层内剪切应力的积聚超过了闭锁段的强度极限后,断层
15、闭锁段即因其自身发生了宏观尺度的快速滑移而后,断层闭锁段即因其自身发生了宏观尺度的快速滑移而消失(图消失(图2-2c)。)。在地球内部,由人工激发或天然原因产生的地震,其在地球内部,由人工激发或天然原因产生的地震,其能量以波动形式向周围传播,这就是能量以波动形式向周围传播,这就是地震波地震波。我们所讨论。我们所讨论的地震波,其波长一般大于数百米甚至数千米。因此,从的地震波,其波长一般大于数百米甚至数千米。因此,从宏观上看,完全可以将地球视为均匀和连续的介质。物体宏观上看,完全可以将地球视为均匀和连续的介质。物体受外力作用后,其体积和形状将产生变化,统称为形变。受外力作用后,其体积和形状将产生变
16、化,统称为形变。1.2.2 地震地震1.2.2.1 地震波地震波 完全弹性体、塑性体完全弹性体、塑性体 各向同性、各向异性各向同性、各向异性 在地震波理论中,将地球介质当作均匀、各向同性和完全在地震波理论中,将地球介质当作均匀、各向同性和完全弹性介质来处理,只是一种简化的假定。但这并不影响我弹性介质来处理,只是一种简化的假定。但这并不影响我们引用弹性力学的基本理论。们引用弹性力学的基本理论。1.2.2.1 地震波地震波地震波体波面波纵波-P波横波-S波垂直横波水平横波瑞利波拉夫波1.2.2.1 地震波地震波图图 2-3 地震纵波和横波引起的质点振动地震纵波和横波引起的质点振动 在各向同性介质中
17、,地震波的传播速度仅与本身的物理性质有关在各向同性介质中,地震波的传播速度仅与本身的物理性质有关 (2-1)(2-2)式中式中vp、vs分别为纵、横波的传播速度,分别为纵、横波的传播速度,E为杨氏模量,为杨氏模量,为泊松比为泊松比,为介质密度。为介质密度。由式由式(2-1)与与(2-2)可求纵、横波的速度比可求纵、横波的速度比 (2-3)对于大多数岩石来说,对于大多数岩石来说,0.25,vp1.73vs,可见,可见P波比波比S波的传波的传播速度要快得多。播速度要快得多。1.2.2.1 地震波地震波)21)(1()1(Evp)1(21Evs21)1(2spvv1.2.2.1 地震波地震波质点振动
18、轨迹传播方向 yz图图2-4 瑞利波的传播方向和质点振动方向瑞利波的传播方向和质点振动方向1.2.2.1 地震波地震波传播方向xoyz质点振动方向图图2-5 拉夫波的传播方向和质点振动方向拉夫波的传播方向和质点振动方向 在爆炸地震学中在爆炸地震学中(主要是进行地质普查和勘探主要是进行地质普查和勘探),P波是最重要的波,波是最重要的波,S波的作用也在提高。在天然地波的作用也在提高。在天然地震学中,震学中,P波和波和S波对于研究地球的内部都很重要。波对于研究地球的内部都很重要。近来,面波波散的研究在了解地球表层及内部的速近来,面波波散的研究在了解地球表层及内部的速度结构方面,已成为一种有效的手段。
19、度结构方面,已成为一种有效的手段。1.2.2.1 地震波地震波 地震是一种自然现象,按成因分为地震是一种自然现象,按成因分为 构造地震构造地震 火山地震火山地震 崩塌地震崩塌地震 全球性的地震带有:全球性的地震带有:环太平洋地震带环太平洋地震带 海岭地震带海岭地震带 欧亚地震带欧亚地震带 我国也是地震多发区,破坏性地震大都聚集在一些狭窄我国也是地震多发区,破坏性地震大都聚集在一些狭窄 地带内。按照地震活动性和地质构造特征,可把我国分成地带内。按照地震活动性和地质构造特征,可把我国分成23个地震活动带,见图个地震活动带,见图2-6 1.2.2.2 天然地震天然地震1.2.2.2 天然地震天然地震
20、 图图2-6 我国的地震活动带我国的地震活动带 震级震级是地震固有的属性,它仅与地震释放的能量有关是地震固有的属性,它仅与地震释放的能量有关,而与观测点的远近或地面土质情况无关,所以可利用地,而与观测点的远近或地面土质情况无关,所以可利用地震波的最大振幅、平均周期和震中距来计算震级。震级即震波的最大振幅、平均周期和震中距来计算震级。震级即可以用体波也可以用面波来计算,但对同一地震,计算出可以用体波也可以用面波来计算,但对同一地震,计算出的体波震级和面波震级是不同的。的体波震级和面波震级是不同的。地震烈度地震烈度是地面某点观测的地震效应的量度,它不但是地面某点观测的地震效应的量度,它不但与地震的
21、震级有关,而且与震中距离、震区地质条件、建与地震的震级有关,而且与震中距离、震区地质条件、建筑物的类型等都有关系。人们根据地震所产生的自然现象筑物的类型等都有关系。人们根据地震所产生的自然现象、对建筑物的破坏及人的感觉将地震烈度分为十二个等级、对建筑物的破坏及人的感觉将地震烈度分为十二个等级。1.2.2.2 天然地震天然地震 全世界全世界90以上的地震属于构造地震,关于构造地震以上的地震属于构造地震,关于构造地震成因的断层学说的基本观点是:成因的断层学说的基本观点是:当地壳变形时,能量以弹性应变能的形式储存在岩石中,当地壳变形时,能量以弹性应变能的形式储存在岩石中,直到某一点积累的形变超过了极
22、限,岩石就发生破裂,或直到某一点积累的形变超过了极限,岩石就发生破裂,或者说产生了断层。断层两盘回跳到平衡位置,储存在岩石者说产生了断层。断层两盘回跳到平衡位置,储存在岩石中的应变能便释放出来。中的应变能便释放出来。一部分应变能转化为热,一部分用于使岩石破碎,还一部分应变能转化为热,一部分用于使岩石破碎,还有一部分转化为使大地震动的弹性波能量。在断裂前,断有一部分转化为使大地震动的弹性波能量。在断裂前,断层附近的剪切应变如图层附近的剪切应变如图2-7a、b、c所示,经历了正常状态所示,经历了正常状态、应力集中、岩层破裂等阶段,地震时岩层发生弹性回跳、应力集中、岩层破裂等阶段,地震时岩层发生弹性
23、回跳恢复正常,见图恢复正常,见图2-7d。1.2.2.3 震源机制震源机制1.2.2.3 震源机制震源机制(a)(b)(c)(d)图图2-7 弹性回跳理论示意图弹性回跳理论示意图 (1)震源模型)震源模型 图图2-8a为单力偶模型,力偶在为单力偶模型,力偶在XOY平面内沿平面内沿Y轴作用,轴作用,YOZ平面相当于直立的震源断层面。见图平面相当于直立的震源断层面。见图2-8b,当,当P波到波到 达时,箭头前方介质受到压缩,而后方介质受到拉伸,位达时,箭头前方介质受到压缩,而后方介质受到拉伸,位 移的垂直分量分别是向上和向下移的垂直分量分别是向上和向下(常用常用“+”号和号和“”号号表示表示)。震
24、源周围的空间被两个互相正交的平面。震源周围的空间被两个互相正交的平面(称节面称节面)分隔成分隔成 初动压缩和膨胀交替排列的四个区域。随后,两节面扩展初动压缩和膨胀交替排列的四个区域。随后,两节面扩展 后与地面的交线后与地面的交线(称节线称节线)把把P波初动符号分成正负相间的四波初动符号分成正负相间的四个象限。个象限。1.2.2.3 震源机制震源机制YXYX0Y0ZXPTPT(a)(b)(c)0YXZ图图2-8 震源力学模型震源力学模型 双力偶模型双力偶模型 双力偶模型所引起的双力偶模型所引起的P波初动符号分布与单力偶模型相同波初动符号分布与单力偶模型相同,并且两个模型均等效于图,并且两个模型均
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