《地球内部的动力学与地表变迁》课件

地球内部的动力学与地表变迁本课程将深入探讨地球内部的动力学过程及其对地表形态演化的影响我们将从地球的形成与结构入手，探索地球内部不同层位的物质组成、物理性质和动力学过程，并了解这些过程如何塑造地表形态，引发地震、火山等地质灾害，以及如何影响气候、环境和人类活动课程导论探索地球的内在奥秘课程目标课程内容了解地球内部结构、物质组成、物理性质和动力学过程地球内部的动力学过程，包括地幔对流、板块运动等地掌握板块构造理论及其应用认识地表形态演化的主要机表形态的演化，包括造山运动、侵蚀作用等地质灾害的制和过程了解地质灾害的成因、类型和防治措施成因和防治，包括地震、火山、滑坡等人类活动对地球动力学的影响和环境保护措施地球系统的基本概念地球系统地球动力学地表变迁地球是一个由相互作用的子系统组成研究地球内部和外部的能量流动、物地球表面形态的演化过程，包括造山的整体，包括大气圈、水圈、岩石圈质循环和动力学过程，以及这些过程运动、侵蚀作用、沉积作用等，这些、生物圈和地幔圈这些子系统之间对地表形态、环境和人类活动的影响过程是地球内部动力学过程的外部表相互联系、相互制约，共同构成一个现复杂的、动态的地球系统地球的形成与早期演化星云坍缩1大约45亿年前，太阳系起源于一团巨大的星云，星云坍缩形成太阳和其他行星吸积过程2地球最初是由星云中的尘埃和气体颗粒逐渐吸积形成的，这个过程持续了数百万年熔融状态3由于吸积过程释放的能量，早期地球处于熔融状态，重元素沉降形成地核，轻元素上升形成地幔和地壳早期大气4早期地球的大气主要由火山喷发产生的气体组成，包括二氧化碳、氮气等，与现代大气成分不同地球的分层结构概述地幔位于地壳下方，厚度约公里，22900主要由硅酸盐矿物组成，分为上地地壳幔和下地幔地球最外层，薄而坚硬，平均厚度1约公里，分为大陆地壳和海洋地17地核壳地球最内部，半径约公里，主34863要由铁和镍组成，分为外核和内核地壳的组成与特征物质组成物理特征地壳主要由各种岩石组成，包括岩浆岩、沉积岩和变质岩地壳是地球最坚硬的层，但也是最不稳定的层，容易发生岩石中主要元素包括氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾等地震、火山等地质灾害地壳的密度较小，平均密度约

2.7克立方厘米/大陆地壳的类型硅铝层主要由硅铝酸盐矿物组成，密度较小，约克立方

12.7/厘米，厚度约公里20-40花岗岩层主要由花岗岩、片麻岩等变质岩组成，密度略高于2硅铝层，约克立方厘米，厚度约公里

2.8/10-20海洋地壳的特点厚度薄密度大海洋地壳的厚度比大陆地壳海洋地壳的密度比大陆地壳薄得多，平均厚度约公里大，平均密度约克立方

73.0/，主要由玄武岩组成厘米，这与玄武岩的密度有关年轻海洋地壳的年龄比大陆地壳年轻，最古老的海洋地壳也不过亿2年左右，而大陆地壳的年龄可以达到亿年以上35地幔的物质组成主要由硅酸盐矿物组地幔的密度比地壳大地幔是地球内部最厚成，包括橄榄石、辉，约克立方的一层，约占地球总

3.3-

5.5/石、斜长石等，以及厘米，随着深度的增体积的，也是地84%一些铁、镁、钙等元加而逐渐增大球内部能量的主要来素源上地幔的特征软流圈1上地幔顶部存在一个部分熔融的区域，称为软流圈，其深度约为公里，是地幔对流的重要区域100-350地震波速2地震波在地幔中传播的速度会发生变化，在软流圈中传播速度较慢，而在下地幔中传播速度较快高温高压3上地幔的温度和压力都较高，随着深度的增加而逐渐增大，但温度变化并不均匀，软流圈的温度较低下地幔的性质固态结构下地幔是固态的，但由于高温高压，其具有很高的粘度，可以缓慢流动密度增大下地幔的密度比上地幔大，约克立方厘米，这

4.5-

5.5/是由于压力和温度的共同作用物质组成下地幔的物质组成与上地幔基本相同，但由于高温高压，矿物结构发生了变化地核的构成要素外核主要由铁和镍组成，约占地核质量的，温度约为摄88%4500-5500氏度，以液态形式存在内核主要由铁和镍组成，温度约为摄氏度，由于巨大的压力5200，其处于固态形式，但具有很高的密度外核的流体特性热对流外核内部的温度和密度不均匀，导2致热对流，推动液态铁镍流动，产生电流电磁感应1外核中的液态铁镍在不断流动，产生电流，形成地磁场磁场变化外核的流动状态和强度不断变化，导致地磁场的强度和方向也发生变3化内核的固态结构高密度1内核的密度非常高，约为13克/立方厘米，是地球内部密度最大的区域高压力2内核所处的压力非常巨大，大约是地球表面压力的万倍，导致360铁镍原子紧密排列固态结构3尽管内核的温度很高，但巨大的压力使其处于固态形式，但由于高温，其可能具有类似液态的性质地球内部温度分布深度温度地球内部的温度随着深度的增加而逐渐升高，在地壳中温度变化较小，但在地幔和地核中温度变化很大，地核的温度最高，约为5200摄氏度地球内部压力变化深度影响1地球内部的压力随着深度的增加而迅速增大，这是由于上层物质的重量导致的地核压力2地核的压力最大，大约是地球表面压力的万倍，这导致了内核的固态结360构物质性质3压力对物质的物理性质有很大的影响，例如，在地核中，压力可以使铁镍处于固态形式地球内部密度分布

3.3地壳平均密度约

2.7克/立方厘米

4.5上地幔平均密度约

3.3-

4.5克/立方厘米

5.5下地幔平均密度约

4.5-

5.5克/立方厘米10-13地核密度最大，外核约

9.9-

12.2克/立方厘米，内核约13克/立方厘米地幔对流原理热对流板块运动地幔内部存在温度和密度的差异，导致热对流，热物质上地幔对流是板块运动的驱动力，对流产生的张力和拉力推升，冷物质下降，形成循环流动动板块运动，形成各种地质现象地幔柱的形成机制热异常区上升流火山活动地幔内部存在一些热异常区，温度高地幔柱中的热物质密度较小，会向上地幔柱到达地表时，会引发火山活动于周围地幔，这些区域被称为地幔柱升，形成巨大的上升流，穿过地幔和，形成热点火山，例如夏威夷火山群地壳，到达地表岛就是地幔柱活动的结果热点火山的成因地幔柱热点火山是由地幔柱的活动引起的，地幔柱的上升流会携带大量热量和熔融物质熔融岩浆熔融物质到达地表时，会形成岩浆，并喷发出来，形成火山火山岛链由于板块的移动，热点火山可能会形成一条火山岛链，例如夏威夷火山群岛板块构造理论基础大陆漂移说1德国科学家魏格纳在1912年提出大陆漂移说，认为地球上的大陆曾经是连在一起的，后来漂移到现在的位置海底扩张说220世纪60年代，科学家发现大洋中脊是海底扩张的中心，新生的洋壳不断从这里涌出，向两侧移动板块构造说3板块构造说将大陆漂移说和海底扩张说结合起来，认为地球的岩石圈是由多个板块组成的，板块之间相互运动板块运动的驱动力地幔对流重力作用地幔内部的热对流是板块运板块之间的密度差异和重力动的主要驱动力，对流产生作用也会影响板块的运动，的张力和拉力推动板块运动例如，海洋板块密度较大，会向大陆板块俯冲板块碰撞当两个板块相互碰撞时，会产生巨大的能量，导致地震、火山等地质现象板块边界类型离散型板块边界两个板块相互分离汇聚型板块边界两个板块相互碰撞转换型板块边界两个板块相互滑动，形成新的地壳，例如大洋中脊，一个板块俯冲到另一个板块之下，，没有新的地壳产生，也没有板块俯例如造山带冲，例如圣安德烈亚斯断层俯冲带的特征12地壳下沉火山地震较重的海洋板块会俯冲到较轻的大俯冲过程中，会产生大量的热量和陆板块之下，导致地壳下沉，形成压力，导致岩浆活动和地震，形成海沟火山弧和地震带3岛弧形成俯冲过程中，熔融的岩浆会上升到地表，形成火山，这些火山最终会形成岛弧，例如日本列岛扩张中心的形成地幔物质上升裂谷形成海底山脉在大洋中脊处，地幔物质上升，形成扩张过程中，地壳会发生断裂，形成扩张中心会形成一条海底山脉，即大新的洋壳，并向两侧扩张，这个过程裂谷，裂谷中会涌出大量的岩浆，冷洋中脊，大洋中脊是地球表面最长的被称为海底扩张却凝固后形成新的洋壳山脉，其长度超过公里60000转换断层的作用板块滑动转换断层是板块之间相互滑动，没有新的地壳产生，也没有板块俯冲，但会产生地震地震发生由于板块滑动，会造成地壳的破裂和位移，释放巨大的能量，从而引发地震地表变化转换断层会导致地表的位移和变形，例如，圣安德烈亚斯断层造成了美国加州著名的地震带地震活动与板块运动应力积累板块之间的相互作用会在地壳中积2累应力，当应力超过岩石的承受能力时，就会发生断裂和位移板块边界1绝大多数地震发生在板块边界，特别是俯冲带和转换断层地震发生断裂和位移会释放巨大的能量，形成地震波，传播到周围区域，导致3地面振动地震波的传播特征纵波纵波是地震波的一种，以压缩和拉伸的形式传播，速度最快，能够穿过固体、液体和气体横波横波是地震波的一种，以垂直于传播方向的振动形式传播，速度比纵波慢，只能穿过固体表面波表面波是地震波的一种，沿地表传播，速度最慢，但破坏性最大地震带分布规律环太平洋地震带地中海喜马拉雅地震带-环太平洋地震带是世界上最活跃的地震带，集中了全球地中海喜马拉雅地震带是世界上第二活跃的地震带，集中80%-以上的地震，也是火山活动最频繁的区域了全球以上的地震，也是火山活动活跃的区域15%火山活动的类型裂隙式喷发中心式喷发岩浆沿着地壳的裂缝喷发，岩浆集中在某个地点喷发，形成规模较大的熔岩流，例形成锥形火山，例如富士山如冰岛的火山喷发、维苏威火山等爆炸式喷发岩浆中含有大量气体，喷发时会发生爆炸，形成火山灰、火山弹等，例如圣海伦斯火山爆发火山喷发机制岩浆上升1地幔中的岩浆由于密度较小，会向上升，并聚集在地壳下方压力增加2岩浆的上升会使地壳下方的压力增加，当压力超过地壳的承受能力时，就会发生喷发火山喷发3喷发时，岩浆会喷出地表，形成火山，并释放大量的能量，以及火山气体、火山灰和火山弹等火山带的分布环太平洋火山带地中海喜马拉雅火山带其他火山带-环太平洋火山带是世界上最活跃的火地中海喜马拉雅火山带是世界上第地球上还有其他一些火山带，例如大-山带，集中了全球以上的火山，二活跃的火山带，集中了全球以西洋火山带、东非火山带等，它们也75%15%与环太平洋地震带重合上的火山，与地中海喜马拉雅地震与板块运动有关-带重合地磁场的起源外核流动外核中的液态铁镍在不断流动，产生电流，形成磁场热对流外核内部的温度和密度不均匀，导致热对流，推动液态铁镍流动，产生电流地磁场形成这些电流产生的磁场相互叠加，形成了地球周围的地磁场地磁场的变化强度变化地磁场的强度会发生变化，有时会增强，有时会减弱，这是由于外核流动状态的变化造成的方向变化地磁场的方向也会发生变化，例如，磁极倒转现象，这是由于外核流动方向发生改变造成的磁极倒转磁极倒转是指地磁场的南北极发生反转，这种现象在历史上曾经发生过多次，周期约为几十万年到几百万年磁极倒转现象12外核流动磁场减弱磁极倒转是由于外核流动方向发生在磁极倒转之前，地磁场会逐渐减改变导致的，外核流动会影响地磁弱，甚至接近于零场的方向3磁极反转当外核流动方向发生改变时，地磁场的南北极就会发生反转，新的磁极会取代原来的磁极内核旋转与地磁关系内核旋转1内核也可能在缓慢旋转，但其旋转速度和方向尚不清楚磁场强度2内核的旋转可能会影响外核的流动，进而影响地磁场的强度和方向磁极倒转3内核的旋转也可能与磁极倒转现象有关，但具体机制尚未完全了解地壳变形过程应力积累岩石变形地表变化地壳内部的应力是由于板块运动、火当应力超过岩石的承受能力时，岩石地壳变形会造成地表形态的变化，例山活动、地震等因素导致的，应力会会发生变形，包括弹性变形、塑性变如，造山运动、褶皱、断层等在地壳中逐渐积累形和断裂变形造山运动的机制板块碰撞褶皱形成山脉形成造山运动通常发生在板块碰撞的边界地壳在挤压过程中会发生弯曲，形成褶皱和断层会共同作用，导致地壳抬，两个板块相互挤压，导致地壳抬升褶皱，褶皱可以是向斜，也可以是背升，形成山脉，例如喜马拉雅山脉、斜阿尔卑斯山脉等褶皱与断层形成褶皱褶皱是岩石在受到挤压或拉伸时，发生弯曲和变形，形成波浪状的构造断层断层是岩石在受到应力作用下发生断裂，并沿断裂面发生相对位移的构造地表形态的演化内力作用1地壳内部的能量，包括地幔对流、板块运动等，会改变地表形态，例如造山运动、火山喷发等外力作用2地表外部的能量，包括风力、水力、冰川等，会对地表形态进行改造，例如侵蚀作用、风化作用等地貌演化3内力和外力共同作用，塑造了地球表面的各种地貌，并不断地发生着演化侵蚀与风化作用风化作用侵蚀作用风化作用是指岩石在自然环境中受到各种因素的破坏和分侵蚀作用是指风、水、冰川等外力对地表物质的搬运和剥解，形成碎屑或改变矿物成分的过程蚀作用，导致地表形态发生改变河流地貌发育河流地貌是指河流在流动过程中典型的河流地貌包括河谷、河漫，对地表进行侵蚀、搬运和沉积滩、三角洲、冲积扇等，这些地，形成的各种地貌形态貌形态与河流的侵蚀、搬运和沉积作用密切相关冰川地貌特征12冰川侵蚀冰川沉积冰川具有强大的侵蚀能力，可以磨蚀、拔蚀和刻蚀地表，冰川移动过程中会携带大量的碎屑物质，在冰川消融后，形成冰川谷、冰斗、刃脊等地貌这些碎屑物质会沉积下来，形成冰碛地貌海岸地貌变化海浪侵蚀海浪对海岸的侵蚀作用是造成海岸地貌变化的主要因素，会形成海蚀崖、海蚀洞、海蚀平台等地貌沉积作用海浪也会将侵蚀的物质搬运到其他地方，并沉积下来，形成沙滩、海滨沙丘等地貌海平面变化海平面的变化也会影响海岸地貌，例如，海平面上升会导致海岸线后退，海平面下降会导致海岸线前进风成地貌形成风力搬运风力可以搬运沙子、泥土等物质，2形成沙丘、黄土高原等地貌风力侵蚀1风力可以吹蚀地表，形成风蚀洼地、风蚀蘑菇等地貌风力沉积风力携带的物质在遇到障碍物时，会减速沉积下来，形成沙丘、黄土3等地貌地貌演化周期上升阶段1地壳上升，形成山地高原，受外力作用影响较小侵蚀阶段2山地高原被侵蚀，形成丘陵、盆地等，地表形态更加平坦沉积阶段3侵蚀的物质被搬运到其他地方，沉积下来，形成平原、三角洲等地貌气候变化的影响温度变化降水变化温度变化会导致冰川融化、海平面上升、降水量变化等，降水变化会导致河流流量变化、土壤侵蚀、风化速度变化进而影响地表形态和植被分布等，进而影响地表形态和生态系统海平面变化效应气候变化全球变暖会导致冰川融化，海平面上升，这将淹没低洼地区，改变海岸线海岸侵蚀海平面上升会加剧海岸侵蚀，导致海滩消失，海岸线后退，威胁沿海居民和基础设施生态系统海平面上升会改变海洋生态系统，影响海洋生物的生存环境，例如，珊瑚礁会白化，海草床会消失岩石循环过程变质岩沉积岩沉积岩和岩浆岩在高温高压条件下发岩浆岩岩浆岩、沉积岩和变质岩在风化、侵生变质作用，形成变质岩，例如大理岩浆冷却凝固形成岩浆岩，例如花岗蚀、搬运和沉积作用下形成沉积岩，岩、板岩等岩、玄武岩等例如砂岩、页岩等地球化学循环能量流动物质循环伴随着能量流动，例如，2太阳能驱动着水循环，地热能驱动物质循环着岩石循环1地球化学循环是指地球表层各种物质的循环流动过程，包括岩石循环生态平衡、水循环、碳循环等地球化学循环是地球系统保持生态平衡的重要机制，例如，碳循环维3持了大气中的二氧化碳浓度水循环与地下水水循环地下水水循环是指水在地球表层各圈层之间不断循环流动的过地下水是指存在于地表以下岩石空隙和裂隙中的水，是程，包括蒸发、凝结、降水、径流等重要的淡水资源，也是重要的水文地质因素矿产资源形成矿产资源是地球内部经过漫长的矿产资源的形成与地球内部的构地质作用形成的，包括金属矿产造运动、岩浆活动、沉积作用等、非金属矿产、能源矿产等密切相关，是人类重要的生产生活资料能源资源分布1化石能源化石能源是地球上蕴藏的古代生物遗体经过漫长的地质作用形成的，包括煤炭、石油、天然气等2可再生能源可再生能源是指可以不断再生的能源，包括太阳能、风能、水能、地热能等，是未来的能源发展方向地质灾害成因构造运动外力作用板块运动、地震、火山等地质构造活动会引发各种地质灾风化、侵蚀、搬运和沉积作用会改变地表形态，引发滑坡害，例如地震、海啸、火山喷发等、泥石流、崩塌等地质灾害地质灾害预防科学监测合理开发应急预案建立完善的地质灾害监测系统，及时合理规划开发利用土地和资源，避免制定科学合理的应急预案，提高应对预警，减少人员伤亡和财产损失过度开发，减少引发地质灾害的风险地质灾害的效率和效果人类活动的影响环境污染资源过度开发人类活动会造成大气污染、人类对矿产资源、能源资源水污染、土壤污染等环境问的过度开发，会加速资源枯题，影响地球系统和地质过竭，并产生环境问题程气候变化人类活动排放大量的温室气体，导致全球变暖，进而影响气候变化，引发海平面上升、极端天气等问题环境保护措施生态修复减少污染加强生态保护，修复受损的生态系统节约能源控制工业废气、废水、废渣的排放，，维护地球系统的平衡减少化石能源的消耗，发展可再生能改善环境质量源，例如太阳能、风能、水能等地球动力学研究方法地质调查地球物理探测地球化学分析通过野外考察、岩石分析、化石研究利用地震波、重力场、磁场等物理方分析岩石、矿物、水等地球化学物质等方法，收集地质资料，了解地球的法探测地球内部结构和物质组成的成分，了解地球物质循环和演化过演化过程程现代监测技术卫星遥感技术可以监全球定位系统地震仪可以记录地震GPS测地表的变化，例如可以精确测量地壳的波的传播路径和强度地壳变形、火山活动运动，监测地震、火，为地震预警和研究、海平面上升等山等地质灾害提供数据数值模拟应用计算机模拟利用计算机模拟地球内部的动力学过程，例如地幔对流、板块运动等，研究地质现象的形成机制预测灾害数值模拟可以预测地质灾害的发生时间、地点和强度，为灾害预防和应急救援提供依据科学研究数值模拟可以帮助科学家深入理解地球内部的动力学过程，推动地球科学研究的发展。