同济大学课程
《地球物理学概论》 2010年教学要点
一、
物理的地球与地球的物理
地球的物理演变不以人的意志为转移，人类生存、人类社会的发展又与地球的物理演变息息相关；
地球物理场的产生和观测； 可能的问题：
1、 地球的物理演变包括那些方面，结合实例说明这种演变可能造成的结果
及对人类生存、人类社会发展的影响； （物质垂向和水平方向的运移，温度场的变化）（敖瑞德）
答：地球的物理演变包括物质垂向和水平方向的运移，温度场的变化等。 实例:四季的变换就有温度场的变化，这种变化既可以给人带来福，也可能给人带来祸。春种秋收，人们得以繁衍生息；极端的高温或低温，可能危及生命。
2、 岩石的物性包括那些方面，地表附近常见岩石物性的变化范围；
答：岩石物理性质指岩石的力学、热学、电学、声学、放射学等特性参数和物理量。
磁性
常用的岩石磁性参数是磁化率、磁化强度、剩余磁化强度矢量，以及剩余磁化强度同感应磁化强度的比值Q。
剩余磁化强度：10-5~10A·m-1(《地球物理学基础》P125)
磁化率：反磁性矿物磁化率为恒量，负值，且较小；顺磁性矿物磁化率为恒量,正值，也比较小；铁磁性矿物磁化率不是恒量，为正值，且相当大。
密度：2千克/立方米~3千克/立方米
孔隙度：变质岩的孔隙度很小，一般为0.1～3％,很少有达5％的。
沉积岩的孔隙度变化较大，一般为2～35％,也有高达50％以上的。喷出岩的孔隙度比侵入岩大。
弹性波传播速度：酸性岩石的造岩矿物如正长石、石英等，vP一般为5.70～6.25公里／秒；其暗色矿物如黑云母中的波速较低。基性岩石的造岩矿物如角闪石、辉石，vP大于7.0公里/秒。超基性岩中的造岩矿物例如橄榄石，vP达8.0公里/秒以上。
电性
地球物理勘探中常用的岩石电性参数有电导率σ 或电阻率ρ等 电阻率：10-1 ~106欧姆·米（《地球物理学基础》P168）
热学性质
热导率：在地球物理工作中常用的热学参数是热导率。变质岩的热导率一般在2.0瓦／米·度以上，石英岩高达7.6瓦／米·度。岩浆岩和变质岩的热导率相对于沉积岩来说变化范围不大，数值较高。
放射性：。岩石的放射性元素含量以岩浆岩和变质岩为最高，沉积岩次之。岩浆岩中，按超基性、基性、中性、酸性的顺序，放射性元素含量逐渐增加。
3、 对地球演变的物理规律的认识（涉及问题的大小所建立的物理模型不同，
空间位置的不同，时间阶段的不同决定了所考虑的主控物理规律的不同）；（鲍家旺） 答：首先，地球的演变不以人的意志为转移。地球演变有物理过程和化学过程，化学演变与生物的进化有关。而地球由大气圈，水圈和岩石圈组成，地球的物理过程在这三个圈中不停地发生和演变着。 当研究地球在宇宙中的演变时，把地球看作是一个球体，研究质点绕太阳公转，地球的自传等。
当研究地球上的地震波时，关于地球介质的几点假设： 均匀连续 各向同性 完全弹性。简记为各向同性均匀连续弹性介质，这是波动方程等公式推导的前提，在这些假设下，描述地球介质的弹性常量可以由36个减少为2个，一个是切变模量G，一个是拉梅常数?。
当研究地热?当研究地磁场?当研究板块构造时 与上面类似的总结 根据自己理解谈谈就行
4、 地球的物理现象对物理学的贡献。（略） 5、 学了地球物理学后有何体会与收获? （略）
二、
地球的物理观测和推理
地球的物理场是时空变化，这种时空变化是有原因的，认识地球物理场和场源的关系；
地球物理场观测受到各种干扰，是多源的，观测是有条件的；
建立地球物理场观测精度，干扰和有用信号的概念，掌握克服干扰突出有用信号的技能。加深了解地球物理场的产生和如何对其进行观测。
可能的问题：
1、 结合实例说明地球物理学是探索地球内部的高科技（鲍家旺）
答：物理规律有很多是看不见摸不着的，自然科学就是如此。人类对地球的了解还很少，地球物理的作用就是了解地球的物理性质，认识发生的物理过程，解释产生的物理现象，把地球物理作为工具进行无损探测和遥测，地下的物理过程对地面的影响力更大，在当今的科学和生活水平下也带有某种程
度的不可预见性。因此，我们更关注地下的地质环境和地下的物理过程的发生发展。只有地球物理在透视地球内部方面，了解地球内部构造和规律起到其他学科无法代替的作用。
比如 对地震波的研究知道了地球的内部构造，知道了莫霍面的存在，软流层的存在，如果不是地球物理的应用分析，凭人类现有的技术仍无法直接钻入地球更深处研究 ，从这点看地球物理的确是探索地球内部的高科技。
2、 地球物理场和场源的关系，模型和模拟，正演与反演？（曾晨）
答：场源是地球物理场存在的基础，场源的变化是地球物理场发生变化的唯一决定因素。天然场的场源是地球本身，天然场的正异常是由地球本身因素（整体或局部）决定的；人工场的场源是由地球本身与人工工作共同组成的，人工场的正异常由地球本身和人为因素共同决定。
模拟是利用模型对真实系统的描述或逼近。模拟要表现出选定的物理系统或抽象系统的关键特性。模型是将真实系统简化的描述，保留真实系统的重要特征，是模拟的基本工具。
正演是通过观测与实验的结果总结出系统的规律特征，反演是根据已知的系统特征和规律推测其状态和变化过程。正演和反演互为逆过程，但是正演是反演的基础，发生在反演之前，而反演是正演的应用。
3、 结合实例说明对地球进行“透视”的手段和条件（沈培仑）
答：1、静态超高压实验技术
静态超高压技术应用于地球科学主要是进行地幔、地核的多种模拟实验。科学家利用静态超高压装置先后完成了地幔及地核矿物的合成和高压相变实验研究，建立了地幔矿物相变模式；进行了高压下矿物、熔体、岩石的物质结构和物性就位测量；高压熔体结构、高压下岩石熔融结晶实验研究等。其中以美国卡内基地球物理实验室的金刚石压腔实验技术和日本的大腔体实验技术最为先进。这两项技术各有分工，又相互补充。
金刚石压腔技术实现的最高压力已超过地球中心的压力（350GPa），而达到木星幔的压力（550GPa）（美国卡内基地球物理实验室），其压腔体积为10-6—10-7mm3。它的主要研究对象是矿物和单质，能在相当于地幔、地核甚至于巨行星幔的压力下对矿物和单质的结构、相变及多种物性进行研究。因为具有高透明度的金刚石测量窗口，它能实现晶体X射线衍射、光谱测量等高压光学测量。金刚石压腔技术是目前实现静态压力最高，测量方法最全，并广泛用于地球深部物质研究的高压装置。
大腔体实验技术能达到的最高压力较低（一般在30GPa以下），但其容积比金刚石压腔大，达到1—105mm3，所以其研究对象既可以是矿物，又可以是岩石、熔体及含流体的矿物、岩石或其混合物。它不仅可以进行各种性质的测量，还能合成大量的纯净矿物样品，并作为金刚石压腔的实验样品。另外，通过在试样中加入水和其他试剂，并调节各种物理化学条件，能造成与上地幔类似的多种环境条件，以进行上地幔物质机构、物性及迁移演化的研究。 2004年，中国北京同步辐射高温高压实验平台已能达到133GPa的准静水压。 2、深反射地震
深反射地震主要用于寻找深部的反射体，研究地壳及浅地幔结构。其结果是地质学家研究地壳内部结构是首选的约束条件。
深反射地震方法的原理与沉积盆地油气地震勘探相似。但是深反射地震信号能量弱、接受距离长、静校正幅度大、叠加效果不明显、数据信噪比低，所以资料采集和处理难度更大，另外深反射地震处理要求高度保持原始地震相位和振幅信息，以确定地下不同深度的反射状态。 世界上许多国家都开展了深反射地震计划，如美国的COCORP，英国的BIRPS等，并确定了一些大地构造单元的反射模式。显生宙造山带一般由板块碰撞和俯冲形成，所以是深反射地震调查的重点。我国中部造山带东端的大别—苏鲁超高压变质带被认为是扬子板块与苏鲁地体碰撞的结果，通过这里的深反射地震剖面，在下地壳中发现了多个楔形反射体和一个复式反射体。
青藏高原和喜马拉雅山是世界公认的研究大陆动力学及板块相互作用的重点地区。在这一地区我国以赵文津院士为首席科学家开展了“国际喜马拉雅和青藏高原深剖面及综合研究(INDEPTH)”，项目的科学目标是通过完成一条横穿喜马拉雅和青藏高原的深反射地震等综合地质地球物理剖面调查和多学科综合研究，探讨陆--陆碰撞造山带、雅鲁藏布江缝合带及青藏高原的深部结构构造及其形成与隆升机制。 该项目已进行了三个阶段12年的研究，目前已进入第四阶段.
3、大陆科学钻探
大陆科学钻探被称为地球科学的大科学设施和望远镜，1995年国际上成立了大陆科学钻探计划（ICDP），并把此作为大陆岩石圈计划的重点。 大陆科学钻探的科学目标主要有：岩石圈动力学与变形，通过钻探直接观测以获得对岩石圈机制的新认识；会聚板块边界和碰撞带，通过实际观测确定实际物理化学条件的变化及其他参数，通过连续采样确定地壳结构；获得地壳中的流体的物理化学状态及分布；获得高分辨率的沉积物以获得关于地球历史、气候变化和环境变迁的知识等。
大陆科学钻探包含深部地质地球物理遥测、钻探测井和长期实验观测三个部分，目前全球有20口4000米以上的科学深钻，超过8km的超深钻有两口，分别为前苏联的科拉深钻（12262m）和德国的KTB（9100m），但两者均未达到计划深度。关于两者的详细情况见文献[]。我国大陆科学钻探开始于2001年8月，并于2005年3月达到5158米，完成计划深度。我国大陆科学钻探选址位于大别—苏鲁超高压变质带，该地区是研究大陆会聚边缘和壳幔作用的世界级区域，也是中国四个大陆科钻世界级场址之一。同时我国还在青海湖开展了“中国环境科学钻探计划”。
4、全球地震层析成象
层析成象从本质上讲是根据对函数的某种积分资料，一般是沿一系列射线路经的积分资料来反推函数分布的一种数据处理方法。地震层析成像用全球各台站天然地震记录中的各个震相的走时为数据，用射线追踪计算震源和台站之间的理论走时，调整和修改地球的波速模型使实际走时与计算走时之均方差取得极小。1984年Anderson和Dziewonski根据大量地震波资料通过基函数展开的成象方法得到了地球内部三维结构的图像，在地学界引起极大的反响。
地震层析成像包括P波、S波和面波成像，P波成像最真实精确。全球层析成像主要研究岩石圈深部、全地幔的三维结构，根据层析图人们确定了陆根的存
在及其深度，研究了俯冲板块的特征，如Fukao根据P波层析成像图，给出了俯冲带延伸至上地幔底部的证据；全球地震层析图部分的否定了地幔热柱源自地幔深处的说法。地震层析成像最重要的任务是给出地幔对流存在的直接证据及其对流状态，但目前地震层析成像的分辨率还不够高，上地幔像元尺度约100km，下地幔200~400km，还不能达到所需要的程度。 5速度分布
如果假设地球分为若干层，每一层介质均匀，则当近地表处有一震源时，根据地震波折射的斯内尔定律：
以及几何学的知识，赫格洛茨（G·Herglotz）于1907年导出积分方程： （其中 ，p=dT/d△,R为地球中某一点到地球中心的距离，v为地震波在该地层内的波速，△为震中距，T为相对应的走时，Rm为波在最深的那一点的R）[3]。因此，理论上，地震波在地球内部任意一点的波速都是可求的。 虽然由于地球内部存在不连续面，实际的计算非常复杂，但杰弗里斯
（H·Jeffreys）和古登堡（B·Gutenberg）仍然求得了P波和S波的速度分布图（如下图）。从图中可看出，在地下约2900公里处P波有一次明显的速度减小，而S波的波速则减为零。这在一定程度上证明了地下2900处存在一个界面，即现在我们所说的古登堡面。
另外，从全球的地震数据看，P波在一定范围内有记录，而在其他区域内记录到的P波振幅较小，这些主要是波的衍射造成的，称为P波影区（如下图）。知道影区的范围后，通过计算，我们就可以求得地核与地幔分界面的确切位置。 与此相类似，人们可以确定地球内部各圈层的分界面所在位置，同时也可以根据波速推断各圈层内物质的种类和性质。应该说，地震波，而且仅限于体波，是现在人们所能利用的准确获得这些信息的唯一方法。 6近地表结构
在研究距震源较近的地震波时，可以忽略地面曲率的影响，从而可以使问题简化。 对于浅源的近地震或不远的人工爆炸，可以在地面上观测到三种波：直达波、反射波、首波。其中，首波的形成是由于介质分层，且中间一层的波的传播速度小