地质学基础.pdf

内容提要 本书是高等师范院校地理系专业基础课教材。内容包括总论、矿物、火成 岩、沉积岩、变质岩、矿床、构造运动和构造变动、地震、大地构造学说、地壳 历史的研究方法，以及各代地史等 1 5 章，基本包括了地质学的基本知识和理论。 作为第三版修订教材，本书注重吸收最新学科成果，如引入花岗岩的成因、 特殊沉积岩、区域混合岩化作用、火山矿床、多成因矿床、干酪根成油说、韧性 断层、区域性大断裂、地体、地质事件和生物事件、寒武纪生命大爆炸、恐龙灭 亡事件等内容，以及较新的中国地震烈度表、地质年代表。适用作地理 学、地质学、地学、环境学及相关学科教材及供有关读者阅读、参考。 绪言 一、地质学的研究对象 地质学是研究地球及其演变的一门自然科学。它主要研究地球的组成、 构造、发展历史和演化规律。在当前阶段，地质学主要研究固体地球的最外 层，即岩石圈（包括地壳和上地幔的上部）。因为这一部分既是与人类生活 和生产密切相关的部分，同时也是容易直接观测和研究历史最久的部分。但 是，随着科学技术的迅速发展，如卫星、航天、深钻技术、海洋物探、高温 高压实验、电子显微镜、计算机、遥感遥测、红外摄影、激光等新技术、新 手段的不断应用，地质学的研究范围也不断扩大。从地球表层向深部发展， 出现了深部地质学；从大陆向海洋发展，出现了海洋地质学；从地球向外层 空间发展，出现了月球地质学、行星地质学、宇宙地质学。 按照研究的内容和性质，地质学可以划分出许多独立的分科，如下表所 示。 地质学分科简表 研究内容和性质主要分科 地壳的物质组成、分类、成因及 转化规律 结晶学 矿物学 岩石学 地壳运动、地质构造及成因动力地质学 构造地质学 大地构造地质学 地壳的发展历史、生物及古地理 演化规律 古生物学 地层学 地史学 第四纪地质学 区域地质学 古地理学 古气候学 资源方面矿床学 找矿及勘探学 地 球物理探矿 地球化学探矿 能源方面煤田地质学 石油地质学 放射性矿产地质学 地热学 环境、 人类生活和 灾害防护 工程地质学 环境地质学 地震地质学 地 质 学 的 应用 其它水文地质学 边缘学科、综合学科及新兴学科 地球化学 地球物理学 地 质力学 数学地质学 行星 地质学 板块构造学 海洋 地质学 实验岩石学 遥感 地质学 深部地质学 同位 素地质学 上表仅仅列出地质学分科的主要部分，实际上每一分科还可以进一步划 出许多分枝，例如古生物学可以分成古动物学、古植物学、微体古生物学、 超微体古生物学等，而古动物学又包括古无脊椎动物学、古脊椎动物学等。 由此可见，地质学研究的内容是非常繁多而复杂的。本书主要介绍地质学的 基本知识和一般原理，以便使读者了解地质学的基本内容，掌握地质学的基 本技能和研究方法，为进一步学习地质学、地理学及其它有关学科奠定专业 基矗 二、地质学的特点和研究方法 地质学的研究对象主要是地球，属于地球科学（简称地学）的范畴，也 是六大基础自然科学的一个组成部分。地质学的研究对象及其内容既不同于 数学，也不同于物理和化学，而是具有它自己的特殊性，从而也具有它自己 的研究方法。 （一）地质学的特点 第一，地质学的研究对象涉及到悠久的时间和广阔的空间。地球自形成 以来已经有 4 6 亿年的历史，在这样漫长的时间里，地球曾发生过沧海桑田、 翻天覆地的重大变化，而其中任何一个变化和事件，任何一粒矿物和一块岩 石的形成和演化，都往往要经历数百万年甚至数千万年的周期。对这些变化 和事件，人们不能像研究人类历史那样，可以借助于文字和文物；也不能像 研究物理那样，可以单纯依靠在实验室中做实验，而必须靠研究分析地球本 身发展过程中所遗留下来的各种记录。 同时，地球具有巨大的空间，在不同地点和不同深度，具有不同的物质 基础和外界因素，因而有不同的发展过程。海洋和大陆、大陆的各个部分、 地球表层和深部，都有其不同的发展过程。因此，既要研究它们的共性，更 要研究它们的差异性和相关性，才能全面、深入地找出地球的发展规律。 第二，地质学具有多因素互相制约的复杂性。它所研究的对象和内容， 从小到矿物组成的微观世界到大至整个地球以及宇宙的宏观世界，从矿物岩 石等无机界的变化到各种生命出现的演化，从常温常压环境到目前还不能人 为模拟的高温高压环境，从各种变化的物理过程、化学过程到生物化学过 程，从地球本身各个部分的物质能量转化到地球与外部空间的物质能量转化 等等，充满着各种矛盾和相互作用的复杂过程。任何一种地质过程，都不可 能是单一的物理过程和化学过程，地球自诞生以来，不仅形成了光怪陆离的 矿物世界、岩石世界、海洋大陆、高山深谷，也出现和演化成了种类繁多的 生物世界。众所周知，目前在实验室中即使合成最简单的生命物质，也是非 常不容易。地球演化到今天，产生出如此面貌，这固然与其具有人类历史所 不能比拟的充分时间有关，同时也说明地球演化的地质过程是一个十分复杂 的过程。 第三，地质学是来源于实践而又服务于实践的科学。但地质学必须首先 是以地球为大课堂，以大自然为实验室，进行野外调查研究，大量掌握实际 资料，进行分析对比归纳，得出初步结论，然后再用以指导生产实践，并不 断修正补充和丰富已有的结论。远在数十万年前的旧石器时代，人类的祖先 就是在制造石器的过程中，逐步掌握了一些岩石的特性，后来在铜器时代、 铁器时代，人类又在生产活动中逐步掌握了寻找有用矿产的某些规律。近代 以来，由于工矿业的发展，特别是相邻科学和现代技术的进步，又推动了地 质学的突飞猛进，不断形成新的理论。 （二）地质学的研究方法 地质学的上述特点决定了地质学的研究方法主要是在实践的基础上，进 行推理论证。推理的基本方法是演绎和归纳。演绎是由一般原理推出关于特 殊情况下的结论。例如凡是岩石都是地壳发展历史的产物，花岗岩是一种岩 石，所以花岗岩是地壳发展历史的产物。归纳是由一系列具体的事实概括出 一般原理。例如在高山上，发现成层的岩石，岩层中含有海生动物化石，说 明高山的前身是海洋，这里曾经发生过海陆的变化。在地质学研究中，这两 种推理方法都能用到，但归纳法则是更基本的方法。 野外调查为了认识地壳发展的客观规律， 了解一个地区的地质构造 和矿产分布情况，除了搜集和研究前人资料外，必须进行野外调查研究，积 累大量感性资料，分析对比，归纳分类。通过“实践、认识、再实践、再认 识”循环往复的形式，得出反映客观事物本质的结论。 室内实验和模拟实验室内实验也是进行调查研究的重要手段。在 野外采集的各种样品，都要带回室内进行实验、分析和鉴定，例如岩矿鉴定、 岩石定量分析、化石鉴定、同位素年龄测定等。为了生产的实际需要和探讨 某些地质现象的成因和发展规律，有时需要利用已知岩矿的各种参数及物 理、化学过程，进行模拟实验。虽然，这种实验结果的可靠性是相对的，但 其重要性却日益增加。如目前可以制造出人工红宝石、石英、金刚石等，既 有实用价值，又有助于了解自然界矿物、岩石、矿床的形成和分布规律。又 如，在室内进行地质力学模拟实验，可以得出各种构造型式的形成条件和展 布情况。 历史比较法（现实类比法）研究地球的历史，重塑地质时代的古 地理环境，经常使用这种方法。著名英国地质学家莱伊尔（C h a r l e s L y e l l ， 1 7 9 7 1 8 7 5 ）在 1 9世纪提出“以今证古”的研究方法。他认为当前正在进 行着的各种地质作用和方式，和地质时期是一样的，所不同的只是量的差 别。例如，目前在海洋里沉积着泥沙，泥沙里夹杂着螺蚌壳；假如在高山地 层中发现螺蚌壳化石，就可以判断这高山所在曾经是一片海洋，并可得出结 论，地表各处的山脉并不是从来就存在的，而是地壳历史发展的产物。莱伊 尔认为地球上的一切地质记录巨厚的地层、高大的山脉等，并不是什么 剧烈的动力造成的。各种缓慢的为人所不察觉的地质作用，只要经过漫长的 岁月，就可产生惊人的结果。 这种理论被称为均变论 （u n i f o r m i t a r i a n i s m ） 。 莱伊尔有一句名言“现在是认识过去的钥匙”，意思是我们从现在的已知 就可推求过去的未知，根据目前的地质过程和方式就可推断过去的地质过程 和方式，从而恢复地质时代的历史。这种方法也叫做现实主义方法（原则）。 稍早一点，法国地质学家居维叶（G . C u v i e r ，1 7 6 9 1 8 3 2 ）认为地壳的 变化和生物的发展，不是自然界逐渐演化而成的，而是由于发生多次超越现 在人类认识范围和经验的短暂而猛烈的激变事件造成的。例如圣经上所 说的大洪水，使一切生物遭到毁灭，上帝又来重新“创造”世界。“灾难 毁灭再创造”，自然界按照这种过程，生物界不断形成新属种，如此反复， 变 化 不 已 。 这 种 观 点 与 均 变 论 正 相 反 ， 被 称 为 灾 变 论 或 激 变 论 （C a t a s t r o p h i s m ）。由于它否认生物演化，并带有浓厚的神的色采，所以 后来受到批判，逐渐为均变论所代替。均变论在反对当时灾变论、建立唯物 主义的进化观点和研究方法中，曾经起了进步的作用。 但是，莱伊尔只强调缓慢变化的一面，未见到突变的一面；只谈量变， 未谈质变；只认识古今的一致性，未认识到古今还有差异性。过去不会和今 天完全一样，今天也不会是过去的重演，地球的历史绝不会是简单的重复。 同时，目前许多人认为在地球的长期发展过程中，不能排除曾经发生过若干 次灾变或激变事件。例如，大量陨石的撞击，地磁极的多次反转，地质历史 上多次冰川时期的出现等，无疑都会影响地球发展的进程和各种平衡关系。 现代地质学接受了莱伊尔现实主义的合理部分，即以今证古的原理；同 时也注意到地球发展的阶段性和不可逆性，以及在地球发展的不同阶段中自 然条件的特殊性，例如大气成分不同、海陆分布形势不同、生物状况不同、 地壳运动的方式和强烈程度不同等，因此各种地质作用如风化、侵蚀、搬运、 沉积等作用的方式、速度也有差异。所以研究地球的历史，必须根据具体情 况，用历史的、辩证的、综合的思想作指导，而不是简单地、机械地以今证 古，这样才能得出正确的结论。这种方法就是历史比较法或现实类比法。 近年通过对地球的监测获得的许多数据，认为时间是地质事件及其结果 的最好过滤器，也就是随着地球的发展和时间的延续，那些意义不大的地质 事件及其结果都被筛掉或过滤掉了，从而使人们通过对某些作用结果的观 测，比通过对不连续或微弱的信息直接监测地球的一般动力演化，可能更会 正确地认识某些地质过程，更正确地研究现在，了解过去，预测未来。这种 观点和莱伊尔的“以今证古”相反，而是“以古证今”，认为“研究过去是 了解现在的钥匙（关键）”。实际上，这些不同观点可以起到互为补充的作 用，古和今是一种辩证关系，以今可以证古，将古亦可论今，不可把它们对 立起来。 第一章总论 第一节地球概况 一、地球的形状和大小 （一）对地球形状、大小的认识 人类在长期生产实践中，对于地球形状的认识经历了反复曲折的过程。 当初人们确认地球的形状为圆球形，这是一个认识上的进步，有人比喻为第 一级近似。到 1 8世纪末，人们普遍认识到地球为极轴方向扁缩的椭球，这 是第二级近似。为了数学上计算方便，人们用“旋转椭球体”这一几何形体 来代表地球的形状。所谓旋转椭球体是将一个椭圆以它的短轴为轴旋转而成 的球体。地球因自转而变扁，这符合逻辑和事实，但地球不是流体，所以旋 转椭球体的光滑表面并不完全和地球真实形状一致。地球表面有大陆和海 洋，地势有高有低，其形状是非常不规则的。后来通过重力测量采用“大地 水准体” （G e o i d ）这个概念来代表地球的形状（图 1 - 1 ），这是第三级近似。 大地水准体是指由平均海面所封闭的球体形状。海面上的重力位各处都是相 等的，即海面在重力作用下是一个等位面，把这个等位面延伸通过大陆，就 形成一个封闭曲面，这个曲面叫大地水准面。由于地球表面有 7 1 ％为海洋所 占据，所以在一定程度上讲，大地水准面代表了地球的形状，而且这个面是 一个实际存在的面。但它仍然是介于旋转椭球体和地球真实形状之间的一个 中间形态。 近年来，由于人造卫星等空间技术的发展，大大地推动了关于地球形状 的深入研究，取得了一些新的数据。概括说来，有以下几个方面的认识 （1 ） 大地水准面不是一个稳定的旋转椭球面，而是有地方隆起，有地方凹陷，相 差可达 1 0 0 m 以上；（2 ）地球赤道横截面不是正圆形，而是近似椭圆形，长 轴指向西经 2 0 和东经 1 6 0 方向，长短轴之差为 4 3 0 m ；（3 ）赤道面不是 地球的对称面，从包含南北极的垂直于赤道平面的纵剖面来看，其形状与标 准椭球体相比较，位于南极的南极大陆比基准面凹进 2 4 m ；而位于北极的没 有大陆的北冰洋却高出基准面 1 4 m 。同时，从赤道到南纬 6 0 之间高出基准 面，而从赤道到北纬 4 5 之间低于基准面。用夸大了的比例尺来看，这一形 状是一个近似“梨”的形状（图 1 - 2 ）。这一认识是到目前为止对于地球认 识的一个新阶段。这种认识说明地球的形状及反映这种形状的内部物质状态 还未达到稳定平衡状态。当然，今后卫星测量还必须结合大地测量、重力测 量和天文测量等综合手段，才能获得进一步精确的数据。 （二）地球的形状和大小的最新数据（1 9 7 5 年 9 月，国际大地测量学和 地球物理学联合会第 1 8届年会推荐和 1 9 8 0年公布的部分大地测量常数值， 后者带* 号） 地球赤道半经（α）6 3 7 8 1 3 7 m * 地球极半经（с）6 3 5 6 7 5 2 m * 赤道标准重力加速度（γe）（9 7 8 0 3 2 1 ）1 0 - 5 m / s 2 （三）地球的其它数据 地球平均半经6 3 7 1 k m 子午线周长4 0 0 0 8 . 0 8 k m 赤道周长4 0 0 7 5 . 2 4 k m 地球的面积5 1 0 0 0 万 k m 2 * 海洋面积3 6 1 0 0 万 k m 2 ，占地球总面积的 7 0 . 8 ％ 陆地面积1 4 9 0 0 万 k m 2 ，占地球总面积的 2 9 . 2 ％ 地球的体积1 0 8 3 0 亿 k m 3 * 地球的质量5 . 9 7 6 1 0 2 7 g * 地球的平均密度5 . 5 1 7 g / c m 3 物体脱离的临界速度1 1 . 2 k m / s 赤道上点的线速度4 6 5 m / s 地球沿轨道运动的平均速度2 9 . 7 8 k m / s 大陆最高山峰（珠穆朗玛峰）8 8 4 6 . 2 7 m 大陆平均高度8 2 5 m 海洋最深海沟- 1 1 0 3 4 m 海洋平均深度- 3 8 0 0 m 大陆和海洋的平均高度- 2 4 4 8 m （即全球表面无起伏，将被 2 4 4 8 m 厚的 海水所覆盖） 从以上数据中，得知地球表面不仅海陆并存，而且地面起伏最大高差近 2 0 k m 。但若把地球缩小，以 3 . 2 m为半径，画一道高 1 . 5 c m的圆周线带，则 地表的最高点和最低点均可包括在这道圆周线带内；同时，由于地球扁率只 有 1 / 2 9 8 ，无论是旋转椭球体、大地水准体或近似“梨”形体，从宏观上看 地球仍然是近似球形的球体。 二、地球的物理性质 （一）地球的密度和重力 地球的质量是根据万有引力定律计算出来的，用地球的质量除以地球的 体积，便可得出地球的平均密度是 5 . 5 1 7 g / c m 3 ，而地壳上部的岩石平均密度 是 2 . 6 5 g / c m 3 ，由此推测地球内部必有密度更大的物质。根据地震资料得知， 地球密度是随着深度的加深而增大的，并且在地下若干深度处密度呈跳跃式 变化，推测地核部分密度可达 1 3 g / c m 3左右。 地球的平均密度和水星（5 . 4 ）相差不多，月球（3 . 3 4 1 ）和火星（3 . 9 5 ） 的密度都比地球小，其它行星的密度就更小了。当前很重视和其它星体对比 来研究地球。 地球的重力一般是指地球对地表和地内物质的引力。而万有引力 F m 1 m 2 / r 2 ，由此可知，重力与地球质量（m 1 ）和物体质量（m 2 ）的乘积成正 比，与地球和物体二者质量中心的直线距离平方（r 2 ）成反比。地表重力因 还受地球自转产生的离心力和各点与地心距离的影响，故各地并不相等，且 随海拔和纬度的不同而发生变化。据计算在两极，重力比赤道地区大 0 . 5 3 ％，也就是说把在两极重 1 0 0 k g的物体搬到赤道地区时，则变成 9 9 . 4 7 k g 。 通常用单位质量所受的重力，即重力加速度（g ）来表示各地的重力大小。 如在赤道的重力为 9 7 8 . 0 3 1 8 G a l ①，在两极为 9 8 3 . 2 1 7 7 G a l 。 如果把地球看作一个理想的扁球体（旋转椭球体），并且内部密度无横 向变化，所计算出的重力值，称理论重力值。但由于各地海拔高度、周围地 形以及地下岩石密度不同，以致所测出的实际重力值不同于理论值，称为重 力异常。比理论值大的称正异常，比理论值小的称负异常。存在一些密度较 大物质的地区，如铁、铜、铅、锌等金属矿区，就常表现为正异常；而存在 一些密度较小物质的地区，如石油、煤、盐类以及大量地下水等，就常表现 为负异常。异常的大小取决于矿石与周围岩石的密度差、矿体的大小以及矿 体的埋藏深度。根据这个道理可以进行找矿和地质调查，这称为重力勘探， 是地球物理勘探方法之一。 但是，利用重力异常研究地质情况，必须对实测重力值进行校正，即必 须清除各种因素对实测值的影响。第一，实测点有一定的海拔高度，海拔越 高，距地心距离越大，而高差每增减 1 m ，重力差则为 0 . 3 0 8 3 m G a l 。因此， 须要一律校正至海平面高度，这种校正只考虑海平面与测点之间高差的影 响，而未考虑海平面与测点之间物质的影响，就好象那里是空的一样，所以 这种校正称自由空气校正。经这样校正后的重力值与理论重力值之差，称为 自由空气异常；第二，测点与海平面之间还有岩石（平均密度一般按 2 . 6 7 g / c m 3计算）对重力产生影响，测点周围地形也对重力产生影响，因此 自由空气校正后的重力值还必须减去这部分岩石和地形对测点所产生的重 力值，这种校正称为布格校正，布格校正后的重力值与理论重力值之差称为 布格异常。这种异常应用最广，在文献中所看到的重力异常一般皆指布格重 力异常。 图 1 - 3 是我国大陆部分布格重力异常图，从图上可以看出有两点值得注 意的情况（1 ）青藏高原边缘和大兴安岭及太行山边缘有明显的“重力台 阶”，这说明地质情况有很大变化；（2 ）丘陵及平原地带重力异常值较小， 而青藏高原等地负异常值较大，甚至达到负 4 0 0 5 0 0 m G a l ，这说明高原、高 山地带在海平面以下的部分存在着某种补偿作用，从而抵消了高山、高原对 重力的影响。根据这种现象，有人提出“地壳均衡说”，认为山脉是较轻的 岩块浮在较重的介质之上，仿佛冰山浮在海水中一样，山越高，它深入下部 介质中的深度也越大，这深入的部分通称“山根”。这种论点现已为许多证 据所证实。 （二）地磁 地球周围形成一个巨大的地磁场。早在公元前 3 世纪战国时期，我国就 已利用磁性发明了指南仪器司南。后来人们还发现地磁极与地理极的位 置是不一致的。地球磁场同置于地球中心的一个大条形磁铁（条形磁铁与地 轴呈 1 1 . 5 相交）所产生的偶极磁场相类似（图 1 - 4 ）。条形磁铁的北极指 向地球的南磁极，条形磁铁的南极指向地球的北磁极。其磁力线是从南磁极 出发进入北磁极的。当然事实上地球内部并无这样一个条形磁铁。为了确定 地表任何一点的地磁场，需要进行磁场强度测量。如图 1 - 5 所示，箭头代表 向量，其长度代表磁场强度（磁场强度单位为奥斯特 O e ），它在水平面上的 投影为水平强度，它的垂直分量为垂直强度，图中θ角称磁偏角，α称磁倾 角。磁偏角也就是地磁子午线与地理子午线的夹角，以指北针为准，偏东为 正，偏西为负。磁倾角即磁针与各处水平面的夹角，常随纬度而变化，在两 磁极α角为 9 0 ，在磁赤道则为 0 ，以指北针为准，下倾者为正，上仰者 为负。 概括而言，地磁具有以下特点 （1 ）地磁南北极和地理南北极的位置不一致，并且磁极的位置逐年都 有变化，如表 1 - 1 ，磁极有向西缓慢移动的趋势。 （2 ）地面上每一点都可从理论上计算出它的磁偏角和磁倾角。如磁偏 角和磁倾角与理论值不符时，叫做地磁异常。局部的地磁异常主要是由地下 岩石磁性差异引起。属于地球物理勘探方法之一的磁法勘探就是据此寻找地 磁异常区，从而发现隐伏地下的高磁性矿床。此外通过研究在亿、万年前所 形成的岩石中保存下来的剩余磁性的方向和强度，来判断地球磁场方向的变 化，称古地磁学。它可以配合其它方法探索地球岩石圈构造发展的历史。 表 1 - 1近代地磁极位置 年代北磁极南磁极 1 8 3 1 * 7 0 . 1 N ， 9 6 . 8 W 1 8 4 1 * 7 5 . 0 S ， 1 5 3 . 7 E 1 9 0 4 * 7 0 . 5 N ， 9 6 . 5 W 1 9 0 97 2 . 4 S ， 1 5 3 . 3 E 1 9 1 2 * 7 1 . 2 S ， 1 5 0 . 8 E 1 9 4 8 * 7 3 . 0 N ， 1 0 0 W 1 9 5 2 * 6 8 . 7 S ， 1 4 3 . 0 E 1 9 6 07 4 . 9 N ， 1 0 1 . 0 W6 7 . 1 S ， 1 4 2 . 7 E 1 9 6 57 5 . 5 N ， 1 0 0 . 5 W6 6 . 5 S ， 1 3 9 . 9 E 1 9 7 07 6 . 2 N ， 1 0 1 . 0 W6 6 . 0 S ， 1 3 9 . 1 E 1 9 7 5 * 7 6 . 2 N ， 1 0 0 . 6 W 1 9 7 57 6 . 1 N ， 1 0 0 . 0 W6 5 . 8 S ， 1 3 9 . 4 E 1 9 8 07 8 . 2 N ， 1 0 2 . 9 W6 5 . 6 S ， 1 3 9 . 4 E 1 9 8 3 * 6 5 . 2 S ， 1 3 8 . 7 E * 实验位置 （3 ）根据人造卫星在地球外层空间探测发现，地球磁场的磁力线并不 像图 1 - 4 所示那样规则，而是由于太阳风的影响，地球的磁场被压缩在一个 固定区域内，这个区域叫磁层（图 1 - 6 ）。磁层像一个头朝太阳的彗星，磁 层顶部朝向太阳，距离地球有 1 0 个地球半径远，而尾部可以拖到几百个地 球半径那么远。磁层可以使地球上生物免受宇宙射线和粒子袭击的危害。 （4 ）关于地球磁场形成的原因，曾有种种推测很早人们认为地球的 地核部分为具有磁性的镍铁物质，从而形成地球磁场。但是，地内温度高达 几千摄氏度，远远超过铁磁性矿物的居里点①，不可能产生磁场。目前所知， 仅仅在 2 0 k m范围内的岩石圈部分可以具有铁磁性，但它所产生的磁场强度 不可能达到地磁场强度的数量级。还有人认为巨大质量物体的转动可以导致 电磁效应，这种看法也被否定了。目前倾向于这种认识地核的外核部分为 液态的金属铁镍物质，是一种导电流体，在地球旋转过程中，产生感应自激， 形成地球磁场。又因在地球转动过程中，流体地核比固体地幔略有滞后，因 此产生地球磁场逐渐向西漂移。但这些假说有待于继续研究证实。 （三）地热 地球内部储存着巨大的热能，这就是常说的地热。地壳表层的温度常随 外界温度而有日变化和年受化，但从地表向下到达一定深度，具温度不随外 界温度而变化，这一深度叫常温层。它的深度因地而异，在我国北方，温度 具有年变化的深度大约在 3 0 m左右。在年常温层以下，地温随深度而增加， 此增温规律可以用地热增温级或地热梯度表示。所谓地热增温级是在年常温 层以下，温度每升高 1 ℃时所增加的深度，单位是 m / ℃，例如，大庆的地热 增温级为 2 0 m / ℃，北京房山为 5 0 m / ℃。地热增温级的平均数值是 3 3 m / ℃。 地热增温级的倒数叫地热梯度， 即每深 1 0 0 m 所增加的温度， 单位是℃/ 1 0 0 m 。 地热梯度的平均数值是 3 ℃/ 1 0 0 m 。 地热增温的规律只适用于地壳部分或岩石圈（图 1 - 7 ）。据地球物理资 料推断，整个地球的平均温度约为 2 0 0 0 ℃。 地热的主要来源是由放射性元素衰变而产生的，如铀（U 2 3 8 ，U 2 3 5 ）、钍 （T h 2 3 2 ）、钾（K 4 0 ）等（表 1 - 2 ）。这些放射性元素衰变析出的总热能值， 现有各种不同的估计，根据侯德封等 1 9 7 3年资料，至少为 2 . 1 4 1 0 2 1 J / a 。 此外，也有一部分热能可能是由构造变动的机械能、化学能、重力能和地球 旋转能等转换而来的。还有人认为地热是地球形成时残余下来的，这就是所 谓“残余热说”。 表 1 2各类岩石放射性元素含量（1 / 1 0 6）及生热率 岩类放射性元素含量平均总生热率 铀（ U ）钍（ T h ）钾（ K ）4 . 2 1 0 - 8 J / g a 4 . 2 1 0 - 8 J / g a 沉积岩3 . 0 05 . 0 02 0 0 0 01 5 5 7 . 6 44 9 . 4 0 花岗岩4 . 7 51 8 . 5 03 7 9 0 03 4 2 4 . 8 01 0 8 . 0 2 玄武岩0 . 6 02 . 78 4 0 05 0 2 . 4 25 . 8 9 橄榄岩0 . 0 1 50 . 0 56 39 . 4 60 . 3 0 地球内的热能可以通过不同形式进行释放，如火山喷发、热水活动以及 构造运动等都是消耗地热的形式。但地热释放最经常和持续的形式是地球内 部热能从地球深部向地表的传输，这种现象称为大地热流。地球通过大地热 流放热的现象是十分普遍的，只是单位面积（1 c m 2 ）的放热量很小，平均每 秒钟只有 6 . 1 5 1 0 - 6 J 。热流量的单位为 4 . 1 8 6 8 1 0 - 6 J / c m 2 s ，通称地热 流量单位（H F U ）。虽然地表单位面积的每秒热流量很小，但整个地球表面 在一年中的放热总量可以达到 9 . 6 3 1 0 2 0 - 1 . 0 9 1 0 2 1 J ，这个数字相当于燃 烧 3 0 0 多亿吨煤放出的热量。可见地球本身是一个庞大的热库。地热流量或 地热流值（Q ）的计算公式是岩石导热率（K ）和垂直地热梯度（d T / d Z ）的 乘积，即 Q K （d T / d Z ），式中 T 代表温度，Z 代表深度。一般是在室内测定 岩心标本的导热率，在钻井中测量地热梯度，两个数值相乘，即得出地热流 值。但用钻井岩心标本测定导热率存在很大困难，例如岩心标本离开它原来 的位置，其温度、湿度和所受的压力等自然状态有了很大变化，有时岩心发 生破裂，或者岩心取自松散岩层，凡此等等，都会使测量的数值产生很大误 差。近年来研究成功一种地热流原位测定的仪器，特别适用于测量海底淤积 层的导热率，大大推动了海洋地热流测定进度。到 2 0 世纪 8 0 年代末，全球 地热值已测得 1 万多个，其中有 2 / 3 的数值是测自海洋。对全球热流量的研 究得到一些有意义的结果 （1 ）近年对全球地热流值的统计数字表明全球平均地热流值为 1 . 4 7 0 . 7 4 H F U ，大陆平均地热流值为 1 . 4 6 0 . 4 6 H F U ，海洋为 1 . 4 7 0 . 7 9 H F U ， 大陆和海洋平均地热流值几乎相等。 （2 ）但地热流值的分布却具有明显的时空差异。以海洋而论，在洋中 脊最高，为 1 . 9 0 1 . 4 8 H F U ，海盆地区为 1 . 2 7 0 . 5 3 H F U ，而距离洋中脊最 远的海沟其平均值最低，只有 1 . 1 6 0 . 7 0 H F U 。 （3 ）从岩石的新老或大地构造活动阶段来看，从古到新，地热流值表 现为由低到高的趋向。如最古老的前寒纪地块为 0 . 9 1 0 . 0 2 H F U ，早古生代 加里东褶皱带为 1 . 1 1 0 . 0 7 H F U ，晚古生代海西褶皱带为 1 . 2 4 0 . 0 3 H F U ， 中生代褶皱带为 1 . 4 2 0 . 0 6 H F U ，新生代喜马拉雅褶皱带为 1 . 7 5 0 . 0 6 H F U 。 （4 ）研究还表明，地热流值与岩石圈厚度有关。岩石圈越薄，则地热 流值越大；反之，则越小。因此根据地热流值的大小可以推算出岩石圈的厚 度，其推算结果与根据地震波推算的结果大体相符。 地热流所带出的热能是很分散的，目前只有在一定地质条件下富集起来 的地热能，才能当作资源看待。在大陆地区，地热流值大于 2 H F U ，一般被认 为是具有良好地热资源的地区。大陆地热资源分布很不均匀，上面所述中生 代褶皱带（相当于环太平洋带）、新生代喜马拉雅褶皱带（相当于地中海- 喜马拉雅带）是两条著名的地热带，也是地球上著名的地震带和火山活动 带。在这样的地带有很多地方的地热流值或地热梯度高于平均值，这种地方 称为地热异常区。在地热异常区，地热传导给地下水，使之变成热水或蒸汽， 然后再沿断层或裂隙上升到地表，这样就会形成温泉、热泉、沸泉或者喷汽 孔、冒汽地面等，有时还会形成热水湖。所有这些现象都称之为地热活动的 地表显示。凡是具有地热的地表显示或地热异常现象的地区，叫地热田。但 热水的形成必须具备热源、水源、储集层和盖层等条件（图 1 - 8 ）。 我国东部沿海地区（包括台湾在内）和西南地区西藏、云南等地，正好 分别位于世界的两条地热带范畴内，所以地热资源很丰富，目前我国已发现 热泉点 2 8 0 0多处（西藏地区未计入内）。据近年科学考察，西藏全区的水 热活动区不下 6 0 0处。其中拉萨西北羊八井热汽井，钻井深只 3 0 m ，而温度 达 1 3 0 ℃的热水汽喷高 3 0 多 m ，是大型地热田之一。热泉、温泉之外，也可 以通过钻井把地下一二千米以内的热水抽到地面上来，加以利用。热水除直 接利用外，还可用以建立地热发电站。7 0 年代以来，我国已在广东丰顺、河 北怀来以及湖南、山东、江西、辽宁等省建成小型地热发电站。在西藏羊八 井还建立了第一座直接利用地热汽发电的地热试验站。 目前全世界对地热的利用还主要限于地表和地下热水方面，但近年已注 意到如何进行“高温岩体”的利用问题。如日本正在进行开发高温岩体热能 试验。其方法是在岩浆岩体上开凿一破碎井（或利用废井），在井下采取措 施，使下面岩体产生龟裂，然后注水到地下岩体龟裂处，同时在地面另凿一 生产井，提取利用基岩热产生出来的蒸汽，推动涡轮机发电。1 9 9 2 年在山形 县挖掘了一口深 2 2 0 0 m 的实验井，成功地进行了第二次制造龟裂的实验，并 准备继续进行破碎井与生产井之间水汽通过连续循环实验。据认为如果能开 发 4 0 0 0 m 以下岩体热能，则仅日本的这项可以利用发电的能源资源即可达到 4 亿 k w 以上。由此说明，地热资源的开发利用，蕴育着无限广阔的前景。 第二节 地球的结构 地球是一个由不同状态与不同物质的同心圈层所组成的球体。这些圈层 可以分成内部圈层与外部圈层，即内三圈与外三圈。其中外三圈包括大气 圈、水圈和生物圈，内三圈包括地壳、地幔和地核（表 1 - 3 ）。 表 1 - 3地球各圈层质量 圈 层质 量（ t ）占地球总质量％ 大气圈5 1 0 1 5 0 . 0 0 0 0 9 水 圈1 . 4 1 1 0 1 8 0 . 0 2 4 生物圈大气圈质量的 1 / 3 0 0 地 壳5 1 0 1 9 0 . 8 地 幔4 . 0 5 1 0 2 1 6 7 . 8 地 核1 . 8 8 1 0 2 1 3 1 . 5 一、地球的外部圈层 （一）大气圈 从地表（包括地下相当深度的岩石裂隙中的气体）到 1 6 0 0 0 k m 高空都存 在气体或基本粒子，总质量达 5 1 0 1 5 t ，占地球总质量的 0 . 0 0 0 0 9 ％。主要 成分氮占 7 8 ％；氧占 2 1 ％；其他是二氧化碳、水汽、惰性气体、尘埃等， 占 1 ％。地球的表面为什么形成大气圈，这是与地球的形成和演化分不开的。 地球在其形成和演化的过程中，总是要分异出一些较轻的物质，轻的物质上 升，积少成多形成大气圈。我国古代也有这样的话 “混沌初开，乾坤始奠， 轻清者上升为天，重浊者下沉为地。”其实这就是讲的物质分异作用。上升 的气体为什么不会从地球的表面跑到宇宙空间中，其主要原因是地球的引力 把大气物质给拉住了，形成一个同心状的大气圈。物体脱离地球的临界速度 是 1 1 . 2 k m / s ，尽管气体物质很轻，其运动速度也很快，如氧分子的运动速度 是 0 . 5 k m / s ，氢分子的运动速度是 2 k m / s ，但这种速度并不能使气体物质脱 离地球的引力场。只有一部分氢和氦，在宇宙射线作用下可以被激发，产生 很高的速度而跑掉一些。所以，大气圈中氧和其它气体的成分就相对增加 了。 在太阳系中的其他星球，如月球、水星、火星等，则不同于地球的情况。 月球的表面重力只有地球重力的 1 / 6 ，物质脱离月球的速度为 2 . 3 8 k m / s 。所 以月球上分异出的气体物质，很容易脱离月球，使月球不可能形成大气圈。 水星离我们地球最近，其表面重力是地球的 1 / 3 ，脱离速度是 4 . 2 k m / s ，气 体比较容易跑掉，所以水星上也没有形成大气圈。火星表面的引力与水星的 引力差不多，但火星的表面温度较低，气体分子运动的速度相对比较慢，所 以火星的四周还可以保存一部分大气物质，但比起地球来，气体是非常稀薄 的。木星、土星、天王星和海王星的引力与质量都比地球大得多，因此在这 些星球上都存在有大气圈。但它们的成分却与地球上的大不相同。由于这些 行星的引力大，连氢、氦这些轻气体分子都能被吸引住，所以这些星球上的 气体不适合各种生物的生存与发展。金星的质量与引力都和地球近似，也存 在有大气圈，但金星上没有植物进行光合作用，所以二氧化碳的含量很大。 这样的条件也不适于生物的发展与生存。 地球大气圈成分是随着时间而变化的。当初大气中的二氧化碳可能达到 百分之几十，大约在 3 亿年前，由于植物大规模繁盛，才演化成接近现今的 大气成分，目前大气中的二氧化碳只有万分之 4 . 6 。大约在 1亿年前，大气 的温度才接近现今的温度。从地史发展来看，二氧化碳的多少是影响地表温 度的一个重要因素。若二氧化碳增多，地球的温度将会增高。根据有关资料， 自工业革命以来，二氧化碳的含量已增加 1 3 ％，因此人们推测地球的大气温 度将会越来越高。 大气圈是地球的重要组成部分，并有重要的作用 （1 ）大气可以供给地球上生物生活所必须的碳、氢、氧、氮等元素。 （2 ）大气可以保护生物的生长，使其避免受到宇宙射线的危害。 （3 ）防止地球表面温度发生剧烈的变化和水分的散失，如若没有大气 圈，地球上将不会存在水分。 （4 ）一切天气的变化，如风、雨、雪、雹等都发生在大气圈中。 （5 ）大气是地质作用的重要因素。 （6 ）大气与人类的生存和发展关系密切。大气容易遭受污染，大气环 境的质量直接关系着人类健康。 （二）水圈 水圈主要是呈液态及部分呈固态出现的。它包括海洋、江河、湖泊