地球物理學課堂報告.doc

地球表層水平運動對城市人類發(fā)展的影響081577洪欣陽【內容提要】地球在演變，地球表層也在運動。其勢必對人類社會發(fā)展產(chǎn)生影響。而城市是現(xiàn)代社會政治、經(jīng)濟和生活的重心，隨著世界經(jīng)濟一體化的進一步加劇，國內外城市化的進程迅速發(fā)展。可以預見，我國必將面對我國城市機體迅速擴大所產(chǎn)生的各類與地學研究有關的問題。地球的運動對人類未來發(fā)展的影響將主要產(chǎn)生于城市。本文中，主要從地球表層的水平運動的產(chǎn)生原應，人類對其的研究歷史，以及對城市人類發(fā)展的影響等方面展開論述?！娟P鍵詞】地殼水平運動城市發(fā)展城市地球物理學1地殼運動.1概述由內應力引起地殼結構改變、地殼內部物質變位的構造運動叫地殼運動。地殼運動實際上是指巖石圈相對于軟流圈以下的地球內部的運動。巖石圈下面有一層容易發(fā)生塑性變形的較軟的地層，同硬殼狀表層不相同的軟流圈。軟流圈之上的硬殼狀表層包括地殼和上地幔頂部。地殼同上地幔頂部緊密結合形成巖石圈，可以在軟流圈之上運動。巖石圈的運動不僅決定了地表輪廓和水圈的分布，還影響著生物圈的分布，并改變了大氣環(huán)流，以致影響著整個地球表層環(huán)境。1.地殼運動的分類地殼運動按運動的速度可分為：長期緩慢的構造運動。較快速的運動。按運動方向可分為：水平運動。指組成地殼的巖層，沿平行于地球表面方向的運動。也稱造山運動或褶皺運動。該種運動常?？梢孕纬删薮蟮鸟薨櫳较担约熬扌伟枷?、島弧、海溝等。垂直運動。又稱升降運動、造陸運動，它使巖層表現(xiàn)為隆起和相鄰區(qū)的下降，可形成高原、斷塊山及拗陷、盆地和平原，還可引起海侵和海退，使海陸變遷。按運動規(guī)律來講，地殼運動以水平運動為主，有些升降運動是水平運動派生出來的一種現(xiàn)象。1.地殼運動產(chǎn)生的物理條件和力學機制總的來說，每一地質時期的地殼運動，都是地球內力和外力矛盾斗爭的產(chǎn)物。內力來源于放射性元素蛻變產(chǎn)生的熱能、地幔物質的熱對流、地球自轉所產(chǎn)生的動能等。地殼的水平運動和垂直運動，以及隨之產(chǎn)生的褶皺、斷裂、火山噴發(fā)、巖漿侵入、地震等等，都是地球內力作用的表現(xiàn)。內力作用是造山、造海，使地球表面崎嶇不平，是地殼發(fā)展的主導因素。外力來源于地球以外的太陽能，包括風化、流水、冰川、風、波浪、海流等等，它們以緩慢的、不顯著的方式對地球表面進行精雕細刻，時刻都在改變著由內力作用所形成的起伏形態(tài)，高山被夷平，洼地被充填，使地面趨于平緩。內力與外力是對立的，又互為影響，相互轉化。比如，從局部地區(qū)來說，例如地殼上升，河流侵蝕復活，產(chǎn)生強烈的下切作用；地殼下沉，河流沉積作用加劇，這體現(xiàn)了內力變化影響到外力變化。又如久經(jīng)侵蝕的高原山嶺，高度和體積逐漸降低和減小，使地殼內部壓力減少，從而失去平衡，引起地殼上升，這表明外力的變化導致內力的變化。從全球來說，每經(jīng)歷一次強烈地殼運動，海陸輪廓變遷，地面高低起伏，使地殼處于一個新的平衡狀態(tài)。接著地殼運動轉入一個長期的緩慢的變化階段，外力開始占主導地位，通過風化流水等營力對地表的塑造，來改變地殼原來的平衡狀態(tài)。當緩慢的運動長期進行，量變逐漸達到一定程度，就會破壞原來的平衡，孕育著一次新的質變，即新的強烈地殼運動的產(chǎn)生，預示地表又將經(jīng)歷一次翻天覆地的變化。1.地殼水平運動的發(fā)現(xiàn)歷史我們早已知道，傳統(tǒng)地質學最早發(fā)現(xiàn)了地球表層的垂直升降運動。其證據(jù)是在高山上發(fā)現(xiàn)海相的沉積巖，并且有海中特有的貝類化石。這表明某些大陸地區(qū)的地殼在過去的地質年代中曾經(jīng)是海洋。地質學中有所謂海進和海退之說，表明局部地殼是有升降變化的。但是傳統(tǒng)地質學否認地球表層曾有過大尺度的水平運動。1910年，德國地球物理學家阿爾弗德雷魏格納在病房的世界地圖上發(fā)現(xiàn)，非洲的西海岸和南美洲的東海岸形狀十分吻合，從而推測太古時代地球上的大陸是連在一起的巨大板塊，后因大陸不斷漂移，才形成今天的各個大陸。為了證明自己的發(fā)現(xiàn)，他進行了大量的考證工作，找到了許多事實，提出大陸漂移的假說。 20世紀60年代以后，一系列的地學研究成果終于證明了地球表層在地球的歷史中曾經(jīng)有過大規(guī)模的水平位移，各大陸的相對位置曾有過顯著的變化。最主要的證據(jù)是： 全球地震帶勾畫出6大板塊的輪廓，證明地球表層的巖石圈不是完整的一塊。 古地磁學的研究表明，由各大陸巖石磁性所得到的古地磁極位置不相重合，而根據(jù)各大陸不同地質年代的巖石磁性所繪制的極移曲線，在近代趨向重合于今地磁極位置。 大洋中脊兩側的磁異常條帶，表明海底地殼在不斷從中脊向兩側擴張，各板塊所負載的大陸巖石圈隨之發(fā)生水平漂移。1.地殼水平運動的表現(xiàn)1.5.1褶皺巖層的彎曲現(xiàn)象稱為褶皺。巖層在構造運動，或在地應力作用下，改變巖層的原始產(chǎn)狀，不僅使巖層發(fā)生傾斜，而且大多數(shù)形成各式各樣的彎曲。褶皺是巖層塑性變形的結果，是地殼中廣泛發(fā)育的地質構造的基本形態(tài)之一。褶皺的規(guī)?？梢蚤L達幾十到幾百千米，也可以小到在手標本上出現(xiàn)。地殼發(fā)生褶皺隆起，常常形成山脈。世界許多高大的山脈，如喜馬拉雅山、阿爾卑斯山、安第斯山等，都是褶皺山脈。它們是由地殼板塊相互碰撞、擠壓，在板塊交界處發(fā)生大規(guī)模褶皺隆起而形成的。根據(jù)褶曲軸面產(chǎn)狀并結合兩翼特點分類可分為（圖111）：（1）直立褶曲軸面直立，兩翼向不同方向傾斜，兩翼傾角相等，兩翼對稱，故又叫對稱褶曲。（2）傾斜褶曲軸面傾斜，兩翼向不同方向傾斜，兩翼傾角不等，兩翼不對稱，故又叫不對稱褶曲。（3）倒轉褶曲軸面傾角更小，兩翼向同一方向傾斜，其中一翼巖層發(fā)生倒轉，兩翼角相等或不等。（4）平臥褶曲也叫橫臥褶曲，軸面水平或近于水平，兩翼巖層的產(chǎn)狀也近于水平；一翼層位是正常的，另一翼層位發(fā)生倒轉。（5）翻卷褶曲軸面翻轉向下彎曲，此種褶曲在外觀上是向（背）斜，實際上是背（向）斜，通常由平臥褶曲轉折端部分翻卷而成。圖111褶皺變形素描圖（據(jù)藍淇鋒，）上述五種褶曲，基本上反映了褶曲變形程度從輕微到強烈、從簡單到復雜的過程以及水平擠壓力的不同強度。但不能絕對化，有時與巖性和構造條件等有關?？梢姡耷男螒B(tài)是多種多樣的，但是，基本形式可以被總結為背斜和向斜兩種。背斜巖層一般向上拱起，向斜巖層一般向下彎曲。在地貌上，背斜常成為山嶺，向斜常成為谷地或盆地。但是，不少褶皺構造的背斜頂部因受張力，容易被侵蝕成谷地，而向斜槽部受到擠壓，巖性堅硬不易被侵蝕，反而成為山嶺。褶皺的應力分析（圖112，圖113）。圖112 褶皺的應力分析（1）據(jù)上圖示，背斜頂部因受張應力作用，極易形成一組平行軸面的張裂隙，給外力侵蝕作用提供了條件，如果核部巖層較軟，那就更相得益彰，最后侵蝕谷地。圖113 褶皺的應力分析（2）在向斜槽部，因受壓應力作用，巖石往往擠壓密實，難于破壞，如果核部巖層較硬，那就更難侵蝕風化，最后突起形成高山。1.5.2斷裂地殼中的巖石（巖層或巖體），特別是脆性較大和靠近地表的巖石，在地殼運動產(chǎn)生的強大壓力或張力，超過了巖石所能承受的程度，巖體就會容易產(chǎn)生斷裂和錯動。總稱為斷裂構造。通常根據(jù)斷裂巖塊相對位移的程度，把斷裂構造分為節(jié)理和斷層兩大類。本文簡要介紹斷層。斷層的要素有：斷層面，斷層線，斷盤和斷距（位移）根據(jù)斷層兩盤相對位移的關系，斷層可分為：正斷層，逆斷層，平推斷層和斜滑斷層。（圖114）圖114 斷層的分類在地貌上，大的斷層常常形成裂谷或陡崖，如著名的東非大裂谷、我國華山北坡大斷崖等。斷層一側上升的巖塊，常成為塊狀山地或高地，如我國的華山、廬山、泰山；另一側相對下沉的巖塊，則常形成谷地或低地，如我國的渭河平原、汾河谷地。在斷層構造地帶，由于巖石破碎，易受風化侵蝕，常常發(fā)育成溝谷、河流。2城市地球物理學2.1展開研究的必要性當前，城市的快速發(fā)展已成為全球的共同趨勢。聯(lián)合國的統(tǒng)計資料1表明，人口城市化的趨勢在不斷地加速發(fā)展。圖1表示了這種發(fā)展趨勢。圖11 世界城市人口占總人口的比例第二次世界大戰(zhàn)以后，許多國家的城市需要重建，世界范圍內的城市化進程加速，這些都要求對城市進行全面的研究和規(guī)劃，促使大批地理學家投入城市研究或城市規(guī)劃工作。城市化問題使得傳統(tǒng)地球物理學的研究方法、研究對象和研究內容面臨新的機遇和挑戰(zhàn)。20世紀初，地震波證實了地球鐵核的存在，證明了2900km深度存在地核與地幔的邊界。30年代，地球物理方法發(fā)現(xiàn)了地球內核的存在，在此基礎上，科學家提出了地球內部分層模型。20世紀中期，各種地球物理勘探方法初步形成。4050年代，地球物理學的主要研究對象是勘探固體礦產(chǎn)資源，6070年代在此基礎上增加了石油和天然氣，8090年代又增加了水資源。隨著工業(yè)化進程的加快，環(huán)境問題也日益成為地球物理學的研究對象?？偠灾?，20世紀地球物理學的研究對象是以自然資源為主。20世紀末的全球性城市化發(fā)展趨勢，使21世紀的地球物理學不可避免地要面對諸多的城市問題。80年代以來，由于地球科學各分支學科的日益成熟和全球環(huán)境問題的日益突出，人們認識到地球各圈層相互作用以及人類活動的重要性，地球科學的發(fā)展開始進入地球系統(tǒng)科學的新時代。城市地球物理學的發(fā)展在這樣的時代背景下產(chǎn)生。傳統(tǒng)地球物理學的主要研究對象是自然現(xiàn)象，而城市地球物理學則主要研究自然現(xiàn)象與人類活動的相互作用。因此，在城市地球物理學研究中，除了自然科學問題之外，還應強調科學與社會的結合、各相關學科的綜合及與各社會部門的協(xié)調。而憑借著城市地球物理學的發(fā)展，我們對很多問題也會有更新，更全面的看法與結論。3地殼水平運動對人類城市社會發(fā)展的影響及對人類認識地球的作用。3.1加快城市建設的速度了解地質構造規(guī)律，對于城市中人們的很多工程建設有很大幫助。比如，在工程建設方面，如隧道工程通過斷層時必須采取相應的工程加固措施，以免發(fā)生崩塌。等等。3.2為城市發(fā)展提供有力的資源保障。城市發(fā)展需要大量資源與礦藏。而在了解了地球水平運動及其他相關的知識后，對我們找油，找礦的效率就可大大提高，從而推進了城市發(fā)展的速度：如我們知道，含石油、天然氣的巖層，背斜是良好的儲油構造；向斜構造盆地，利于儲存地下水，常形成自流盆地。水庫等大型工程選址，應避開斷層帶，以免誘發(fā)斷層活動，產(chǎn)生地震、滑坡、滲漏等不良后果。3.3有效預警城市災害的發(fā)生，減少損失。我們知道，地殼無時不在運動，但一般而言地殼運動速度緩慢，不易為人感覺。特別情況下，地殼運動可表現(xiàn)快速而激烈，那就是地震活動，并常常引發(fā)山崩、地陷、海嘯等等。而受這些災害最大的影響的，即是人口密度高，高新知識產(chǎn)業(yè)集中的城市了。如圖所示，地震造成的損失也主要集中在城市設施，如工業(yè)，服務業(yè)等。因此近年來，許多國家都將預警重點放在了城市。圖地震造成的損失另外，根據(jù)國家汶川地震專家在國務院新聞辦公室舉行的發(fā)布會上所說，汶川地震的震源深度為15公里左右。通過現(xiàn)場地震地質構造的考察及多種觀測資料的分析，位于龍門山的映秀北川斷裂即是汶川地震的發(fā)震主斷裂。從龍門山及其外圍地區(qū)多年連續(xù)觀測的地球物理資料來看，此次地震之前尚未能認定有顯著異常，未能給出短期和臨震預報。有人說汶川地震是青藏高原惹的禍，表面如此，實際上是印度板塊惹的禍。汶川地震給科學家上了一課，過去往往關注那些位移量大的地區(qū)，如鮮水河斷裂等，每年位移量是龍門山的好幾倍，地震也頻繁，可是位移量由大變小的地區(qū)，即使位移量不大，也應當高度關注，因為應力和應變正在聚集之中，可能爆發(fā)大地震，汶川就是如此。由此可見，如果我們能重視對于地殼運動，尤其是水平運動的變化，那么就有可能對像這樣的天災人禍做出正確的預警，它所造成的損失就會大大地降低，將會更有利于我們人類的發(fā)展于進步。4結語地殼的運動不僅在自然力作用下發(fā)生變化，而且人類活動作為地球上有關過程的一種作用力也對其有一定的影響。相對的，地殼運動所產(chǎn)生的影響也不僅僅限于自然，而是對人類的生活也會產(chǎn)生影響。進入21世紀，我們應該從人地關系的角度審視環(huán)境的變化，為人類社會與自然環(huán)境的協(xié)調發(fā)展提供科學理論基礎，使人居環(huán)境得到最大限度地改善，同時又要保持地球的“健康”演化，使地球物理學研究在人類社會發(fā)展中體現(xiàn)出自身的價值。如，如何合理地利用地球資源，幫助工業(yè)界解決難題，改善地球的可居住性等等。研究地殼的運動規(guī)律，趨勢等也是其中重要的一環(huán)。為此，作為地球物理學研究的一部分，地球地殼運動的研究也應該作出其應有的貢獻?！緟⒖嘉墨I】1United Nations.World Demographic Estimates and Projections(1950-2025)M.New York:Press of United Nations,1990.2National Statitics Bureau of China.50 Years of city dreamsN.China Daily,National Day Special:50th Anniversary,1999-10-01(1).國家統(tǒng)計局.50年的城市夢N.中國日報國慶50周年?？?，1999-10-01(1).3 地質學基礎 (宋春青，張振春)第四節(jié) 褶皺構造4 中國科協(xié)學科發(fā)展研究系列報告-2008-2009地球物