地球物理研究论文

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∶298.257。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0.5—0.6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—8.85×10—10C/m2，由此可计算得知，地球表面上携带总负电荷量为4.51×105C，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=5.2亿瓦。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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[2]汤井田,任政勇,化希瑞.地球物理学中的电磁场正演与反演[J].地球物理学进展,2007,04:1181-1194.

[3]陈运泰,滕吉文,张中杰.地球物理学的回顾与展望[J].地球科学进展,2001,05:634-642.

[4]霍振华,戴世坤,蒋奇云.地球物理学中的电磁场积分方程正演[J].地球物理学进展,2014,02:742-747.

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喀斯喀特弧第四纪火山活动地表和地下特征随时间的变化

限制地形和地壳结构的数据分辨率提高，为人们提供了新的定量方法，用以评估火山区省级规模的地表-地下连通性质。研究人员结合北美西部喀斯喀特弧（Cascades arc）的第四纪火山口填图数据、表面地形数据和各种地球物理数据集，探究了火山作用与下伏地壳结构之间的关系。结合火山口填图数据库，从该区的数字高程模型（DEM）中提取已知时代的火山机构，估算得出的体积可能占第四纪总喷发量的50％左右。火山机构体积和空间上火山口密度与指示上层地壳影响的各种地球物理数据联系密切。在整个岩浆弧的第四纪火山口下，地下结构变化与火山作用一致的现象很普遍，但与年轻火山口的联系更为强烈。在喀斯喀特山脉中部和南部，地球物理识别的岩浆特征增加，那里的火山喷发量最大，火山口间距很小。火山口和相关的地壳结构，以及空间上局部喷发相对于分散喷发的程度随时间变化，定义了整个弧段横向延伸约100 km的喷发中心，表明岩浆上升随时间变化而发生空间上的聚集。

原文链接：

Geology (2020) 48 (11): 1088–1093.

DOI：

doi.org/10.1130/G47706.1

（译者：唐演@CUGB）

11

波罗的大陆在苏格兰的遗迹：基底地体在格林威尔造山运动期间的迁移

苏格兰加里东群岛北高地地体（NHT）内的太古宙基底被认为与劳亚大陆的前陆的刘易斯片麻杂岩有关。新的锆石U-Pb年龄表明，NHT基底显示了2823-2687Ma和1772-1655Ma岩浆作用的证据。第一组年龄与前陆太古宙片麻岩的结晶年龄相近。然而，第二个组年龄以及覆盖基底上的岩石单元的形成时间都晚于前陆内发育新生岩浆作用和沉积作用的时间，为其最年轻的主阶段之后的100–250Ma。此外，在NHT基底内没有前陆内常见的古元古代镁铁质和长英质侵入体存在的迹象。因此研究者认为，NHT与劳亚大陆的前陆缺乏对比的可行性。由于存在1100-1000 Ma的东格雷尔榴辉岩，分离前陆和NHT基底的加里东莫因逆冲断层被认为是被改造了的格伦维尔期缝合线。根据新的同位素数据，研究者认为NHT基底是波罗的大陆的碎片，在格林威尔造山运动期间侵位到劳亚大陆，是环北大西洋造山带基底地体迁移的又一实例。

原文链接：

Geology (2020) 48(11): 1094–1098.

DOI：

doi.org/10.1130/G47615.1

（译者：好名不敌备注的哥斯达黎加的棒棒的61）

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加蓬的古元古代Francevillian序列以及Lomagundi-Jatuli事件

加蓬古元古代Francevillian序列在全球早期氧化的概念，以及碳同位素值大幅度正向漂移（即Lomagundi-Jatuli事件，LJE）的成因中占据着重要地位。研究人员对一个长139米的Francevillian岩芯进行了详细的研究，岩芯的碳酸盐δ 13 C（δ 13 C carb ）值为5‰-9‰，向上减小趋近于0‰，这一趋势被很多其他研究人员认为是LJE及其结束的标志。然而，本次研究发现δ 13 C carb 值的变化与沉积相的变化相一致：浅海相以强正值为特征，而较深的水域（风暴浪基面之下）为0‰左右。对于δ 13 C carb 与沉积相的相关性，最可靠的解释是，浅海环境记录了局部物理和生物化学过程的同位素效应，驱动周围环境的溶解无机碳（DIC）达到较大值，而较深相中较小值（ 0‰）与开阔海洋的DIC相近，其中δ 13 C在很大程度上不受浅水环境中发生的分馏的影响。此外，海侵氧化还原作用为含锰矿物和化学营养微生物群落的形成创造了条件。其中还包括甲烷循环群落，其有机δ 13 C（δ 13 C org ）值为 47‰，Δδ carb-org 值高达46‰。因此，Francevillian碳同位素剖面反映了盆地的特定条件，并不是全球碳循环扰动或LJE结束的前兆。

加蓬Lastoursville次盆LST12岩芯Franceville层序的沉积模式。浅水碳酸盐岩（单元I-III）的特点是真光层生产力提高，促使环境中的溶解无机碳的 13 C富集并沉积碳酸盐。随后发生海侵（单元IV-VI），盆地加深，以同位素正常的海相碳酸盐沉淀为标志，同时在风暴波基面以下的氧化还原层发育锰富集。持续的海侵导致盆地最深处沉积了富含有机质的含甲烷生物群落的泥岩。

原文链接：

Geology (2020) 48(11):1099–1104.

DOI：

doi.org/10.1130/G47651.1

（译者：好名不敌备注的哥斯达黎加的棒棒的61）

13

砂粒跃移作用对粉砂的产生的有效性测试—对黄土解释的启示

黄土形成所需要的粉砂生成可归因于冰川系统（冰川研磨）和砂质沙漠（跃移诱发破碎）的地质过程。然而跃移作用对大量粉砂的产生的有效性还存在争议。了解沙漠中粉砂产生的潜力对于确定黄土的古气候具有至关重要的意义。为了更好评估风成磨损对粉砂的产生的重要性，该研究在一个设计用于模拟砂粒在25m/s速度的暴风中跃移的装置中进行实验性磨损。该研究与之前的工作与众不同的地方在于（1）长时间保持较高速度的测量强度，（2）清除预先存在的粉砂并设置对照组，（3）根据缩放结果来评估黄土堆积的潜力。根据一定的地质比例缩放实验获得的粉砂产生速率显示，风成磨损产生的粉砂不足以形成具有地质意义上的黄土沉积物。

原文链接：

Geology(2020) 48(11): 1105–1109.

DOI：

doi.org/10.1130/G47282.1

（译者：中国地质大学（北京）地球科学与资源学院岩石学矿物学与矿床学在读硕士生徐睿）

14 太古宙和古元古代变质火山岩变质脱水作用中的金迁移

太古宙和古元古代绿岩带中的火山岩十分丰富，被认为是造山型金矿的潜在矿源。然而，金在这些岩石变质过程中的经历却鲜为人知。该研究对加拿大太古宙拉格兰德亚区和芬兰古元古代中央拉普兰绿岩带的一套变质岩石进行了金的超低检出限分析。这两个地区都有丰富的金矿资源，具有发现新的造山型金矿的巨大潜力。这些带中的变质火山岩分为拉斑玄武岩和钙碱性岩浆岩系列，其中原岩中金的含量用绿片岩相样品的金的Zr/Y幂律回归计算。在拉斑玄武岩中，金是相容元素，并随分异作用而减少；而在钙碱性岩石中，金是不相容元素，并随分异作用而增加。质量变化计算表明，在拉格朗德和中央拉普兰进行递进变质作用至形成上部角闪岩相的条件（> 550 ）期间，初始金含量损失高达77%和59%。本研究强调：第一，变质火山岩在太古宙和古元古代绿岩带变质作用中析出金，是造山型金矿床的良好潜在源岩；第二，变质火山岩的含金性受地幔源区和岩浆演化的控制；第三，变质脱挥发分模式可应用于太古宙和古元古代造山型金矿床。

原文链接：

Geology (2020) 48 (11): 1110–1114.

DOI：

doi.org/10.1130/G47658.1

（译者：王天奇，中国地质大学（北京）地球科学与资源学院）

15

钙质超微化石将北冰洋沉积物的年代追溯到50万年以前

北冰洋中部更新世沉积物年龄波动较大，给重建古海洋学增加了相当大的不确定性。这个问题的根源在于北极海洋沉积物中记录的令人费解的磁极模式，以及缺乏能够提供校准的生物地层层位或连续的氧同位素地层图的微体化石。研究人员记录了在北冰洋中部的一个海洋沉积岩芯中发现的两个关键的钙质超微化石物种，为50万年以前的沉积物提供了有力的，并且可全球校准的年代界限。起关键作用的物种是颗石藻（Pseudoemiliania lacunosa），它们在42.4-47.8万年间灭绝，而赫氏圆石藻（Emiliania huxleyi）则在24.3-30万年间进化。这是第一次在北冰洋中部的沉积物中发现Pseudoemiliania lacunosa的化石。通过岩石地层对比，可以在北冰洋内450多公里的范围内找到含有这些年龄物种的沉积层。它们首次为北极这个区域的更新世沉积物年代学提供了明确的支撑，也为开发和测试其他用于测定北极海洋沉积物年代的地质年代学工具奠定了基础。

原文链接：

Geology (2020) 48 (11): 1115–1119.

DOI：

doi.org/10.1130/G47479.1

（译者：黄永慧-中国地质大学（北京））

16

加拿大北部科迪勒拉山脉Tintina断层对岩石圈地幔的克拉通凿移的地震证据

位于加拿大西北部的加拿大北部科迪勒拉山脉（NCC）被划分为几个平行向右滑动的走滑断层，在晚白垩世和始新世之间累积了数百公里的位移。这些断层的深度范围，尤其是Tintina断裂（TF）对NCC岩石圈地幔的地壳构造组合和演化具有重要的影响意义，但是地球物理模型和地球化学数据仍然没有定论。该研究利用最新的三维纵波地震速度模型，解决了位于TF表层轨迹之下的最高地幔深度的一系列锐化的（~10km）纵波速度对比度（~4%）突变。代表了上地幔组构的地震各项异常数据显示在TF附近各向异性的方向和幅度大小发生了相似的变化。这些数据表明TF是岩石圈尺度的剪切带且在沿着TF恢复了430公里处的右侧位移后，纵波的速度快速异常与北美克拉通边缘轮廓一致。该研究认为，目前位于阿拉斯加东部的快速构造异常是Mackenzie克拉通的一块轮廓清晰的碎片，其在晚白垩世至始新世期间被TF凿穿并向西北位移。目前位于NCC南部的第二个克拉通碎片，可能与上地幔深度的Cassiar岩层有关。这些观察首次证明，大型岩石圈尺度的剪切带穿过难熔地幔，并且在世界范围内的科迪勒拉山脉内产生克拉通地幔物质的主要侧向位移的证据。

原文链接：

Geology (2020) 48 (11): 1120–1125.

DOI：

doi.org/10.1130/G47688.1

（译者：袁梦）

17

金红石中纳米级微量元素团块的地球化学和地质年代学意义

金红石中的微量元素地球化学分析（例如：铅Pb，铀U，锆Zr）通常被用来获取地质事件的性质和时间。但是微量元素的迁移会影响温度和时间的厘定，且其迁移性的主控因素仍存在争论。鉴于此，研究人员使用电感耦合等离子体质谱法和原子探针层析成像表征了西澳大利亚Capricorn造山带中金红石的微米至纳米级微量元素分布。在大于20微米的尺度下，单个矿物颗粒中没有明显的微量元素分异，而且锆石谐和年龄1872 6 Ma（2σ）也没有同位素扰动的迹象。在纳米级尺度下，可以观察到20纳米的富微量元素（铝Al，铬Cr，铅Pb，钒V）团块。团块的 207 Pb/ 206 Pb比值为0.176 0.040 （2σ），说明他们形成于结晶前，可能是区域变质作用的产物。作者认为这些团块是由于上部角闪岩相变质过程中瞬时形成的放射性破坏点捕获流体活动性元素形成的。这种捕获会影响团块中元素体扩散的活化能。团块较低的数量及密度指示了其形成时间，说明变质作用峰值温度持续时间较短，为小于10 百万年的事件。研究结果说明运用微量元素手段判断金红石中的体扩散将比假定其为均一介质时更为复杂。

原文链接：

Geology (2020) 48 (11): 1126–1130.

DOI：

doi.org/10.1130/G48017.1

（译者：韩舒筠@CUGB/MQ）

18

次年稳定同位素记录揭示的南极洲西摩岛与白垩纪-古近纪界线附近两个灭绝期有关的气候变暖和季节性缺氧

碳酸盐双壳贝类高分辨率稳定同位素（δ 18 O和δ 13 C）增生的贝壳年轮年代学可以提供对了解灭绝期有用的次年环境记录，这种灭绝期通常是快速变化和不稳定的时期。该研究展示了在南极洲西摩岛白垩纪-古近纪界线（KPB）对Lahillia larseni双壳贝类的高分辨率连续采样结果。这些数据突出了δ 18 O和δ 13 C值不规则的两个灭绝期与形成化石的最后时期一致：一个是在KPB，另一个是在明显灭绝事件的15万年之前。由于表现为较低的δ 18 O值，该研究将这两个时期都解释为气候变暖的时期，并且有季节性缺氧，表现为低异常（ 21.6‰至 3.0‰VPDB）的δ 13 C值和高的（2‰至19‰）的季节变化。低氧条件可能是较早灭绝事件的一种引发机制，并可能延长了KPB灭绝后的恢复时间。

原文链接：

Geology (2020) 48(11):1131–1136.

DOI：

doi.org/10.1130/G47758.1

（译者：掉帧青年萧暮春@YU）

美编&校对：覃华清