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几个典型的地球物理学原理论文
在现实的学习、工作中,大家总少不了接触论文吧,论文是描述学术研究成果进行学术交流的一种工具。那么,怎么去写论文呢?以下是我整理的几个典型的地球物理学原理论文,希望能够帮助到大家。
题目:
浅谈几个典型的地球物理学原理
摘要:
地球物理学是以从固体内核至大气圈边界的整个地球为研究对象的地矿类学科,所涉及的基本原理涵盖物理学、地球化学、地质学等多个学科的综合内容,对学生的逻辑思维能力和数值计算能力要求很高。本文重点对解决地球物理学问题所必需的几个基本原理进行了总结性的论述。
关键词:
典型;地球物理;原理
从地球物理学的组成来看,主要分两种,其一是研究大尺度和一般原理的,叫理论地球物理学;其二是勘查石油、金属、非金属矿或解决其它地质问题的,叫应用地球物理学。显然,理论地球物理学是实际应用的前提,而有关地球物理学的基本原理则是理论内容最基础的部分。
一、地球形状与重力分布的重力学基本原理
地球是太阳系中的一颗行星,它有自转和公转运动。通俗说地球形状是两极稍扁,赤道略鼓的椭球体。对地球形状的研究是大地测量学和固体地球物理学的一个共同课题,其目的是运用几何方法、重力方法和空间技术,确定地球的形状、大小、地面点的位置和重力场的精细结构,地球的形状主要是由地球的引力和自转产生的离心力决定的,且地球非常接近于一个旋转椭球,其长半轴为6378136米,扁率为1∶。严格而言,地球形状应该是指地球表面的几何形状,但是地球自然表面极其复杂,所以从科学上,人们都把平均海水面及其延伸到大陆内部所构成的大地水准面作为地球形状的研究对象,因为大地水准面同地球表面形状十分接近,又具有明显的物理意义。但是大地水准面还不是一个简单的数字曲面,无法在这样的面上直接进行测量和数据处理。而从力学角度看,如果地球是一个旋转的均质流体,那么其平衡形状应该是一个旋转椭球体。于是人们进一步设想用一个合适的旋转椭球面来逼近大地水准面。要确定这一椭球,只需知道其形状参数(长半轴a,扁率α)和物理参数(地心引力常数GM和旋转角速度ω)即可。同大地水准面最为接近的椭球面称为平均地球椭球面。如果能确定大地水准面与该椭球面之间的偏差,亦即大地水准面与椭球面之间的差距(大地水准面差距N)和倾斜(垂线偏差θ),则大地水准面的形状可完全确定。
地球的重力源于牛顿的万有引力定律,即宇宙空间任意两质点,彼此相互吸引,其引力大小与他们的质量成积成正比,与他们之间的距离平方成反比。地面点重力近似值980Gal,赤道重力值978Gal,两极重力值983Gal。由于地球的极曲率及周日运动的原因,重力有从赤道向两极增大的'趋势。地球上重力的大小与方向只与被吸引点的位置有关,理论上应该是常数,但重力是随时间变化而变化,即相同的点在不同的时刻所观测到的重力不相同。
二、地震及弹性波在地球内部的传播规律
地震波是地下传播的震动,必然与岩石的弹性有关,一般都假定岩石是一种完全弹性体。科技小论文在地震波计算中,地球介质可以做为各向同性的完全弹性体来对待。而在地震波理论中,通常把地球介质当作均匀、各向同性和完全弹性介质来处理,只是一种简化的假定。实践证明,这种假定可以使分析大大简单,并且在多数情况下可以得到与观测结果颇为符合的结果。研究地震波在地球内部传播的问题,主要有动力学和运动学两种方法。动力学方法是直接求解波动方程,研究平面波在平界面上的反射、折射,均匀半空间及平行分层空间中的地震面波,以及球对称模型的地球的自由振荡。该方法相对繁琐,本书不做介绍。我们介绍的是第二种方法:运动学方法,就是将波动方程的求解简化成波传播的射线理论,用地震射线这一概念,研究地震波在地球内部传播的运动学特征。
地震波在地球内部的传播研究,主要是基于以下几个基本原理,其一是惠更斯原理,即在均匀弹性介质中,点振源产生球面波向周围传播,当距离r趋向无穷大时,球面波前的半径很大,曲率很小,此时球面波蜕变成了平面波;其二是费马原理,即地震波沿射线的旅行时间(传播)与沿其它任何路径的旅行时间相比为最小,换言之,波总是沿所使用旅行时间最少的路径传播,又叫费马最小原理和射线原理。
总结来讲,惠更斯是从波前面的角度来描述波在介质空间中传播的规律,而费马原理则从波射线的角度来描述波的传播规律。
三、地球磁现象和地球电性质
地球磁现象是指地球周围空间分布的磁场。地球磁场近似于一个位于地球中心的磁偶极子的磁场。它的磁南极(S)大致指向地理北极附近,磁北极(N)大致指向地理南极附近。其磁力线分布特点是赤道附近磁场的方向是水平的,两极附近则与地表垂直,地球表面的磁场受到各种因素的影响而随时间发生变化,地磁的南北极与地理上的南北极相反。地磁场包括基本磁场和变化磁场两个部分。基本磁场是地磁场的主要部分,起源于地球内部,比较稳定,属于静磁场部分。变化磁场包括地磁场的各种短期变化,主要起源于地球内部,相对比较微弱。地球变化磁场可分为平静变化和干扰变化两大类型。地磁场强度大约是—高斯。
根据大气电现象的探测,从静电角度来看,地球和大气近似形成一个漏电的球状电容器。由大气电测量表明:接近地球表面的电场是垂直指向地球表面,在晴天情况下,其数值约为E=100V/m,而地球表面上的电荷密度—×10—10C/m2,由此可计算得知,地球表面上携带总负电荷量为×105C,大气的电流密度约为—3×10—12A/m2。总电流约为1350安培,大气中消耗的总电功率P=亿瓦。整个地球由于自转使正负电荷分开,正电荷分布在地核,负电荷分布在地表,进而在外层产生一个环形电流,电流方向自东向西(电流方向与负电荷运动方向相反),由此产生了由南向北的地磁。
四、结语
了解地球物理学的基本理论和基本原理,有助于学生自我知识框架的建立,同时对地球物理学的整体内容有非常好的梳理作用,笔者也建议广大在校学生能够从最基础的内容开始研究,以便于后期在深造上具备一定的优势。
参考文献:
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地球是太阳系八大行星之一,从诞生之日起,已历46亿年。按离太阳由近及远的次序是第三颗,位于水星和金星之后;在八大行星中大小排行是第五。在英语里,地球是唯一一个不是从希腊及罗马神话中得到的名字。英语的地球Earth一词来自于古英语及日耳曼语。这里当然有许多其他语言的命名。在罗马神话中,地球女神叫Tellus——肥沃的土地(希腊语:Gaia,大地母亲)。由化学组成成分及地震震测特性来看,地球本体可以分成一些层圈,以下就标示出它们的名称与范围(深度,单位为公里): 0~40地壳40~2890地幔2890~5150外地核5150~6378内地核 固态的地壳厚度变化颇大,海洋地区的地壳较薄,平均约7公里厚;而大陆地壳就厚得多,平均约40公里厚; 地幔也是固态,不过在它上部有一层极小部分熔融的区域,称为软流圈 ,其上的地幔最顶部及整个地壳则称为岩石圈 ;至于外地核是液态而内地核是固态。 这些不同的层圈都是以不连续面为界,最有名的就是在地壳与地函之间的莫氏不连续面 (Mohorovicic discontinuity)。地幔占有地球的主要质量,地核反而位居其次,至于我们生存的空间则只是整个地球极小的一部分而已 (质量,单位为10的24次方千克: 大气层 = ,海洋 = ,地壳 = ,地幔 = ,外地核= ,内地核 = ,)地核的主要成分是铁 (或铁镍质),不过也可能有一些较轻的物质存在,地心的温度约有7,500K,比太阳表面温度还高;下部地幔的主要成分可能是矽、镁、氧,再加上一些铁、钙及铝;上部地幔主要成分则是橄榄石及辉石 (铁镁矽酸盐岩石),也有钙和铝。 以上这些了解都是来自于地震震测资料,虽然上部地幔的物质有时会因著火山喷出熔岩而被带到地表来,但是我们仍无法到达固体地球的主要部分,目前的海底钻探行动连地壳都尚未挖穿。 地壳的成分则主要是石英 (二氧化硅)及硅酸盐类如长石。 整体估算,地球化学组成的重量百分比为: 铁 ,氧 ,硅 ,镁 ,镍 ,硫 , 钛 。地球是平均密度最大的主要星体。 其它类地行星也都具有和地球类似的结构与组成,但其中也有一些差异: 月球核所占比例最小; 水星核的比例最大;而火星及月球的函相对较厚;月球和水星没有化学组成明显不同的函与壳之分;地球可能是唯一可再分成内外核的。不过请留意,我们对行星内部的认识主要是来自于理论推导,就算是对地球的也是如此。 有别于其它类地行星 ,地球的最外层 (包含地壳及上部地幔的顶端)被切分为数块,「飘浮」于其下的炽热地幔之上,这就是著名的板块构造运动学说 。 这个学说主要描述两种运动:拉张与隐没,前者发生在二个板块互相远离,其下的岩浆涌出而生成新地壳之处;后者则发生在二个板块互相碰撞,其中一方潜入另一方之下,终至消灭于地函中之处。 此外,也有一些板块边界是横向错开式的相对运动或两个大陆板块硬碰硬地撞在一起。 地球的大部分表面很年轻 ,只有5亿年左右,以天文的角度来看确实很短。但也有很少的地方露出了当年地球地壳形成时的基底——花岗岩,如中国辽宁省葫芦岛市绥中县就有裸露,由于形成花岗岩时的冷却时间长,所以花岗岩内的结晶体都非常发育,边长在1-2厘米,故把其命名为绥中花岗岩。由于侵蚀作用及构造地质运动不断地破坏又重建大部分的地表,因而地表早期的地质记录不容易找到,例如撞击坑 ,所以早期地球历史大部分都已不见踪迹。 地球约有45至46亿年老,然而目前已知最老的岩石只有大约40亿年前(地球有相当长的一段时期是一个由熔化的岩浆形成的火球),而且老于30亿年的岩石非常罕见。 最老的生物化石不早于39亿年前,有关生命起源的关键时期则亳无记录。 地球表面积71%为水所覆盖,地球是太阳系唯一在表面可以拥有液态水的行星 (土卫六的表面有液态乙烷或甲烷,而藏于木卫二的表面之下则可能有液态水,不过地球表面有液态水仍是独一无二的)。 液态水是我们已知的生命型式所不可或缺的要素;而缘于水具有的大比热性质,海洋的热容积成为保持地球温度恒定的一大功臣;液态水还是陆地上侵蚀与风化作用的主要营力,这是太阳系中唯一有此作用 的地方 (也许火星早期也曾有过这些作用,但现在已无)。 地球大气组成中,77%是氮气而21%是氧气,再来就是微量的氩、二氧化碳及水气。 地球初形成时的大气很可能大部分都是二氧化碳,不过它们大多已被碳酸盐类岩石给结合,其余的则是溶入海洋及被绿色植物耗尽;如今板块构造运动及生物作用是大气中二氧化碳消长的持续主控者。 大气中存在的水气及微量二氧化碳所造成的温室效应是维持地表温度极重要的作用,温室效应使地表温度提高了大约35℃,否则地表的平均温度将是酷寒的-21℃! 若没有水气及二氧化碳,海水会冻结,而我们已知的生命型式将无从开展。 此外,水气更是地球水循环及天气变化中不可或缺的要角。 自由氧的存在也是地球化学组成的一大特征,因为氧是活性很强的气体,照理说应该很容易就和大气中其它元素相化合,地球上的氧气完全是由生物作用产生及维持,若没有生命就不会有自由氧。 地球拥有适度的磁场,推测磁场是起因于液态外地核中的电流。 由于太阳风与地球磁场及外层大气的交互作用, 极光于焉产生;而上述因素的不均衡造成磁极会在地表移动,目前磁北极位于加拿大北境。由于太阳风与地球磁场及外层大气的交互作用, 极光于焉产生; 地球磁场及其与太阳风的交互作用也造成了范艾伦辐射带 (Van Allen radiation belts),它是环绕著地球的成对环状带,外型就像是甜甜圈,由气体离子 (电浆) 组成,其外圈由海拔19,000公里延伸到41,000公里;内圈则介于海拔13,000至7,600公里之间。
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