全球地幔转换带三维电性结构研究

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地球圈层

D’’区
地幔最低部分的200km，即D’’区，具有低的地震波速梯度。 D’’可能代表地幔化学成分差异的地区，如果是这样，那么在地幔中维持着侧向的温度变化，但它们集中于D’’区，这也就意味着D’’区温度梯度是变化的。 D"区温度侧向变化、温度梯度以及放射性活动控制着地幔对流方式。D"区和地核顶部的温度的差异也会通过热电效应对地磁场产生贡献。 D’’中的不连续面半径也会有巨大的变化，热的地区比冷的地区高。
低速带(LVZ)
在低速带有高的衰减系数和各向异性，是一个高的热力梯度区域。如果温度梯度足够高，那么就会克服压力效应，波速便会随深度而减小。但仅有高温度梯度不足以做出充分解释。因为部分熔融和位错弛豫也可引起波速大的衰减。部分熔融在微观上发生在薄的颗粒表面，宏观上则为窄的岩脉和岩床。
地盾下的低速带很薄（150-200km），而在东太平洋海隆低速带可能持续到400km处。
地壳和上地幔的地速为 6-7km/s，对应的剪切波为3.54.0km/s。大陆下面，地幔的顶部通常压缩波速为8-8.2 km/s，剪切波速为 4.3-4.7km/s。海洋下面上地幔的P波速为7.98.6km/s。由于冷却，波速会随海洋年龄的增大而增加，并且由于结晶方向不同，波速也会出现各向异性，其最快的方向为传播方向，平均速度为8.2km/s。
地震学上的岩石圈(LID)
Forsth在1975年研究了盖层波速的离差，发现有2%的剪切波各向异性，平均值超过上地幔。盖层中剪切波速为4.26-4.46 km/s，随年龄而增大，较高值对应着1050Ma的岩石圈，这可以与相对稳定的榴辉岩剪切波速4.3-
4.86km/s和1-4.7%的各向异性相比；相同的样品压缩波速为7.98.6km/s，也反映了大量石榴石的存在。反对声：然而Ringwood（林伍德）在同一年指出岩石圈的Vp/Vs比值比榴辉岩

地球的形状与结构(1)

探讨未来研究方向和挑战
01
深入研究地球内部结构
尽管我们已经对地球的内部结构有了一定的了解，但仍有许多未知领域需要进一步探索，如地核的具体成分和结构、地幔中的对流机制等。
02 03
探究地球形状和重力的变化
地球的形状和重力并非一成不变，它们会受到许多因素的影响而发生变化。未来需要进一步研究这些因素的作用机制以及地球形状和重力的长期变化趋势。
02
地球形状描述
椭球体概念及特点
椭球体定义
地球形状接近于一个椭球体，即所有平面截口都是椭圆，且这些椭圆的长轴均指向地球中心。
椭球体特点
地球椭球体具有长半轴、短半轴和扁率等参数，其中长半轴约为 6378.137千米，短半轴约为 6356.752千米，扁率约为 1/298.257。
地球扁率及其影响因素
地球的形状与结构
汇报人：XX 20XX-02-04
目录
• 地球概述 • 地球形状描述 • 地球内部结构剖析 • 地球表面形态特征 • 重力场与磁场表现 • 地震波传播与探测技术 • 总结与展望
01
地球概述
地球定义与特点
地球是距离太阳第三近的行星，也是人类已知的唯一孕育和支持
生命的天体。
地球的形状大致呈椭球形，其表面大部分由岩石和水组成，被称
与平均海平面关系
大地水准面与平均海平面在海洋区域是重合的，但在陆地区域则存在一定的高程差异，这种差异反映了地球内部物质分布和地表地形地貌的影响。同时，大地水准面也是海拔高程系统的起算面，是确定地面点高程的基准面。
03
地球内部结构剖析
地壳类型及厚度变化
海洋地壳
主要由玄武岩构成，相对较薄，平均厚度约5-10千米。

地球的圈层结构

地球化学方法
01
元素地球化学
研究地壳中元素的分布、迁移和富集规律，通过元素地球化学异常来探
讨地壳中矿产资源的形成和分布。
02
同位素地球化学
利用同位素分馏原理和同位素年代学方法，研究地壳中物质的来源、演
化和年代学问题，包括岩石成因、地壳演化、古气候变化等。
03
有机地球化学
研究地壳中有机质的类型、分布、成因和演化规律，探讨有机质与矿产
03
海洋与大气相互作用
海洋通过吸收和释放热量、水分等方式与大气相互作用，影响气候变化。
生物圈与其他圈层的相互作用
生物与大气相互作用
生物通过呼吸、光合作用等过程与大气进行气体交换，影响大气组成。
生物与水相互作用
生物通过摄取、排泄等方式与水进行物质交换，影响水体的化学和生物特性。
生物与岩石相互作用
地质学方法
岩石学
通过观察和研究岩石的类型、成分、结构、构造等特征，推断岩石的形成环境和历史，进而了解地球内部的物质组成和演化过程。
地层学
研究地层的层序、厚度、岩性、化石等特征，分析地层的形成时代和沉积环境，探讨地球表面的演化历史。
构造地质学
研究地壳上各种地质构造的形态、规模、产状、形成机制和演化历史，探讨地壳运动和地球内部动力学的关系。
05
地球圈层结构的研究方法与技术
地球物理学方法
重力测量
通过测量地球表面的重力变化，推断地下不同密度物质的分布，进而研究地球内部的结构。
地震学
利用地震波在地球内部传播的特性，研究地球内部的结构和性质，包括地震波速、震源机制等。
地磁学
研究地球磁场及其变化，通过磁场异常来推断地下岩石的磁性和分布，进而探讨地球内部的结构和动力学过程。

电磁法简介_专业课作业

电磁法电磁法是以地壳中岩、矿石的导电性、导磁性和介电性差异为基础，通过观测和研究人工的或天然的交变电磁场的分布来寻找矿产资源或解决其它地质问题的一类电法勘探方法。

电磁法所依据的是电磁感应现象。

以低频电磁法(f<10－4Ｈｚ)为例，如图1供入发射线圈时，就在该线圈周围建立了频率和所示，当发射机以交变电流I1相位都相同的交变磁场H1，H1称为一次场。

若这个交变磁场穿过地下良导电体，则由于电磁感应，可使导体内产生二次感应电流I2(这是一种涡旋电流)。

这个电流又在周围空间建立了交变磁场H2，H2称为二次场或异常场。

利用接收线圈接收二次场或总场(一次场与二次场的合成)，在接收机上记录或读出相应的场强或相位值，并分析它们的分布规律，就可以达到寻找有用矿产或解决其它地质问题之目的。

图1 电磁法原理示意图电磁法的种类较多，按场源的形式可分为人工场源（又称主动场源）和天然场源（又称被动场源）两大类。

按发射场性质不同，又分为连续谱变（频率域）电磁法和阶跃瞬变（时间域）电磁法两类。

按工作环境，又可以将电磁法分为地面、航空和井中电磁法三类。

与传导类电法相比，电磁法具有如下特点：(1)它的发射和接收装置都可以不采用接地电极，而是以感应方式建立和观测电磁场，因此航空电法才成为可能；(2)采用多种频率测量，可以扩大方法的应用范围；(3)观测电磁场的多种量值，如振幅(实分量、虚分量)、相位等，可以提高地质效果。

一、频率域和时间域电磁场基本特征1.频率域电磁场的基本特征在频率域电磁场中常用的电磁场是谐变场，其中场强、电流密度以及其他量均按余弦或正弦规律变化，如：借助于交流电的发射装置，如振荡器、发电机等，在地中及空气中建立谐变场。

激发方式一般有接地式的和感应式两种。

第一种方式与直流电法一样利用 A、B 供电电极，将交流电直接供入大地。

由于供电导线和大地不仅具有电阻而且还有电感。

所以由A、B电极直接传入地中的一次电流场在相位上与电源相位发生位移。

地球的圈层结构教案中图版必修

第四节地球的圈层结构【课题】必修模块 1 第一章第四节题目地球的圈层结构【所需课时】 2 课时【课标要求及分析】说出地球的圈层结构，概括各圈层的主要特点。

1. 通过相应图表或能绘制简单示意图，说出地球的内部圈层结构，并概括各圈层的主要特点。

2. 了解岩石圈的组成。

3. 了解地球外部圈层的结构及与人类活动的关系，掌握大气垂直分层结构。

【教材及学情分析】本节教科书介绍地球最显著的结构特征——具有圈层结构，从整体观念分析了地球的内部圈层和外部圈层，内部圈层从地球内部探测的主要手段---地震波入手，讲解了地球内部三个圈层划分依据及主要特征，同时指出了软流层的位置和岩石圈的范围，外部圈层主要介绍了大气圈，水圈和生物圈，指出了每一个圈层的特点，包括范围以及与人类的关系，并且重点介绍了大气的垂直分层。

前三节的学习已使学生对地球所处的宇宙环境，地球运动等地球知识有了较好的认识，也具备了一定读图、绘图能力和资料分析能力，并且根据已学知识，能够自我建构新的知识，高一的学生随着地理，物理课程的学习，已开始关注地球本身的结构，本节将内部圈层结构，外部圈层结构安排在同一章节，利于学生形成地球圈层结构的整体观念，同时，为下一章大气热状况与大气运动的学习奠定了基础。

【学习目标】三维目标知识与技能1.了解地球的圈层构造，初步掌握地球内部圈层的组成和划分依据（有关地震波的基本知识、地震波在地球内部的传播情况及两个主要的不连续面）。

2.掌握地壳、地核、地幔的基本特征（界线、厚度、物理性状和物质组成等）。

3.了解地球的外部圈层——大气圈、水圈和生物圈的基本特征及与人类关系。

4..掌握大气垂直分层结构。

过程与方法1.通过阅读教科书文字及相关图片，了解地震波的分类，特征及划分依据。

2.通过读地球内部地震波与地球内部圈层构造图，了解地球内部圈层的分界面。

3.看图分析大气垂直分层结构及每一层特点。

4.通过表格分析总结内部和外部圈层的特点。

情感、态度与价值观1.通过教学对学生进行热爱自然、热爱科学的教育。

爱课程电法课后习题

1、地球物理勘探?它是以岩矿石(或地层)与其围岩的物理性质差异为物质基础，用专门的仪器设备观测和研究天然存在或人工形成的物理场的变化规律，进而达到查明地质构造寻找矿产资源和解决工程地质、水文地质以及环境监测等问题为目的勘探，叫地球物理勘探，简称物探。

2、地球物理勘探方法特点？1.当利用地球物理勘探方法进行勘探时，被勘探的目标体与其围岩间必须有物性差异；2.必须使用专门的仪器接收地球物理场的变化；3.它是个反演问题，所以存在着多解性。

3、电法勘探？电法勘探是以岩(矿)石之间的电性差异为基础，通过观测和研究与这种电性差异有关的电场或电磁场的分布特点和变化规律，来查明地下地质构造或寻找矿产资源的一类地球物理勘探方法。

第一节绪言习题参考答案1、什么是电法勘探？到目前为止，电法勘探利用了哪些物理性质？（10分）答：电法勘探是地球物理勘探方法中的一种勘探方法，它以岩、矿石的导电性、电化学活动性(激发极化特性)、介电性和导磁性的差异为物质基础，使用专用的仪器设备，观测和研究地壳周围物理场的变化和分布规律，进而达到解决地质问题为目的的一组地球物理勘查方法。

电法勘探利用的物理性质有：导电性、电化学活动性(激发极化特性)、介电性和导磁性2、简述电法勘探的特点答：简单说是三多一广，即利用的场源形式多、方法变种多、能解决的地质问题多，工作领域（地面、航空、海洋、地下）宽广。

3、简述影响岩、矿石导电性的因素答：（1）组成岩矿石的成分和结构，包括胶结物和颗粒的电阻率、形状及相对含量；（2）岩石的湿度和孔隙度；（3）温度；（4）压力。

4、什么是自然极化?答：是由不同地质体接触处的电荷自然产生的（表面极化）或由岩石的固相骨架与充满空隙空间的液相接触处的电荷自然产生的(两相介质的体极化)。

5、什么是面极化?什么是体极化?答：面极化是指激发极化发生在极化体与围岩溶液的界面上，如致密的金属矿或石墨矿属于此类。

体极化是指极化单元(指微小的金属矿物、石墨或岩石颗粒)呈体分布于整个极化体内，如浸染状金属矿石和矿化、石墨化岩石以及离子导电岩石均属这一类。

固体地球科学研究方法

固体地球科学研究方法固体地球科学研究方法包括地球内部结构的观测和地下过程的研究。

这些科学方法是通过观测和实验来了解地球内部的各个层次和过程。

以下是几种常见的固体地球科学研究方法。

地震学：地震学是研究地震波传播和地震波行为的学科，它通过观测和分析地震波来了解地球内部的构造和属性。

地震波传播的方式和速度可以揭示地球物质的性质和分布，如地幔柱、转换带和分界面等。

通过地震仪网络的观测，可以获得大范围、高分辨率的地震波数据，从而实现对地球内部结构和性质的详细研究。

地热学：地热学是研究地球内部热流行为和地热资源的学科。

它通过测量地热流和地温来了解地球内部的热传导和地热活动。

地热流测量可以揭示地壳和地幔的热传导性质，地温测量可以检测地下流体和岩石的热状态。

通过建立地热模型和热传导方程，可以推断地下物质的温度和热流分布，进而研究地球内部的热动力学过程。

地磁学：地磁学是研究地球磁场和地磁活动的学科。

它通过观测和分析地球磁场的强度、方向和变化，来研究地球内部的电导性质和磁性物质的分布。

地磁场的观测可以揭示地心动力学和地壳活动的磁效应，如地磁异常、地磁谱线和地磁畸变等。

地磁学可以提供有关地球内部电磁特性和物质分布的重要信息，对于研究地球内部结构和过程具有重要意义。

地电学：地电学是研究地球电磁现象和地壳电性质的学科。

它通过测量和分析地下电场和地磁场的变化，来了解地壳内部的电导性质和电流体系。

地电场的观测可以揭示地下流体和岩石的电导性质和电极化现象，地磁场的变化可以反映地下电流体系和地球内部电性结构。

地电学可以提供有关地球内部电导层和电流体系的信息，对于研究地球内部物质分布和流体运动具有重要意义。

岩石学：岩石学是研究岩石成因、物质组成和岩石圈演化的学科。

岩石学通过野外采样、实验室分析和显微镜观察等方法，研究地球内部的岩石物质和岩石过程。

岩石学可以揭示岩石的成因和变质过程，如岩浆成因、变质作用和岩石圈物质循环等。

通过岩石学的研究，可以了解地球内部岩石圈的物质组成和分布，进而推断地球内部的地质演化和构造过程。

地球的内部圈层及特征

② 岩石的构造：岩石中的矿物颗粒（或岩屑）在空间上的分布和排列方式特点。层理片麻状构造
三、地球内部各圈层的物质组成及物理状态 3. 地壳（3）岩石
③ 地壳中的岩石类型根据成因，地壳中岩石可分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。
三、地球内部各圈层的物质组成及物理状态 3. 地壳（3）岩石
丰度值：某一地区某种化学元素的质量百分比。
三、地球内部各圈层的物质组成及物理状态
一、地壳的化学成分
1.克拉克值（clarke）：各种化学元素在地壳中的平均含量之百分数。表示方法：质量百分数——质量克拉克值原子百分数——原子克拉克值
丰度值：某一地区某种化学元素的质量百分比。
2.地壳中元素的分布特点
矿物对光全部吸收时，矿物呈黑色对所有波长的色光均匀吸收，矿物呈不同程度的灰色基本上都不吸收则为无色或白色选择吸收某些波长的色光，矿物呈现吸收色光的互补色
矿物颜色的类型
自色、他色、假色
自色是指矿物本身固有的成分、结构所决定的颜色.自色
对矿物鉴定有着重要的意义。
他色是由杂质、气液包裹体所引起的颜色假色是因物理光学效应而产生的颜色 (干涉、衍射、散射)
三、地球内部各圈层的物质组成及物理状态 3. 地壳：莫霍面以上至地表部分。
（1）地壳中元素的组成与分布
克拉克值：某种元素在地壳中的平均质量百分比。地壳中最丰富的10种元素：O、Si、Al、Fe、Ca、 Na、K、Mg、Ti、H，占地壳总质量的99.96%. 其中O、 Si、Al、Fe四种元素即占88.13%。
三、地球内部各圈层的物质组成及物理状态 3. 地壳（2）矿物
② 矿物的物理性质-光学性质
矿物粉末的颜色，通常是以矿物在白色无釉瓷板上擦划所 B.条痕留下的粉末的颜色。矿物的条痕能消除假色、减弱他色、突出自色，比矿物颗粒的颜色更为稳定、更有鉴定意义。应用对象：有色矿物(尤其是硫化物或部分氧化物和自然元素矿物;类质同像的混入可通过条痕推测矿物的形成条件) 低硬度矿物（硬度<条痕板）

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全球地幔转换带三维电性结构研究
地幔转换带的导电性对温度、含水量、熔融状态等非常敏感,因此由地磁测深方法获得的电性结构可以很好的约束转换带性质,支撑深部动力学问题的研究。

但地磁测深研究中面临的重要问题是可用的地磁台站分布较为稀疏,并且部分台站的数据质量较差,不宜采用传统的L2-范数反演。

为降低质量较差数据对反演结果可靠性的影响,使更多的台站数据参与三维反演,提高地磁测深
对地幔转换带电性结构的分辨能力,获得更加精细的地球内部三维电性分布特征,本文提出并实现了基于L1-范数正则化的地磁测深三维反演技术。

本文采用自参考的BIRRP数据处理方法得到了全球中低纬度129个地磁台站的C-响应数据,其中65个台站的数据质量较高,但同时还存在64个数据质量较
差的台站。

之后对129个台站周期为3.5113.8天的C-响应数据进
行L1-范数三维反演。

反演计算中使用L1-范数度量目标函数中的数据拟合差,以降低质量较差数据对反演结果的影响;涉及的正演模
拟基于球坐标系下的交错网格有限差分法,反演采用有限内存拟牛顿法;以全球
平均一维电性结构为初始模型,考虑海洋效应的影响,并允许电导率在410 km、520 km和670 km的不连续界面上发生跳跃,得到了全球地幔转换带和下地幔上
部的电性分布。

地磁测深L1-范数反演获得的全球地幔三维电导率模型显
示,4101600 km深度内的电性存在强烈横向变化,其中地幔转换带下层的横向变化最明显,高阻和高导异常之间的电性差异超过两个数量级。

该模型与前人反演结果具有许多共同特征:地幔转换带中,欧洲南部和北非地区存在高阻,中国东北部存在高导异常,非洲南部也出现了电导率的升高。

由于本文提出的
L1-范数反演采用了更多的台站数据,反演结果具有更高的分辨率,在地幔转换带中发现部分新导电异常特征:1)百慕大地区存在明显的高导异常,并主要分布在转换带下层和下地幔上部;2)亚洲东部地区的转换带表现为多个独立的高导异常体而不是整体高导,尤其中国地区的中部和东北部均存在明显的高导异常中心;3)南美洲南端的转换带中电导率显著升高。

结合岩石物理模型,本文发现这些高导异常具有不同的成因:1)部分异常与水循环相关:根据地幔转换带中电导率与含水量的关系,发现转换带中的含水量分布具有明显的不均匀性,并且转换带上层中储存了大量的水,而与水循环密切相关的板块脱水过程主要发生在转换带下层;2)部分异常还与热异常相关:百慕大地区的高导异常是本文重要的新发现。

文中根据实验室的高温高压岩石电导率测量结果,对百慕大地区的电性结构进行分析,并结合该地区的地震成像结果,作者认为百慕大地区可能存在起源于下地幔的热物质上升流。