10 地球的形状、物理性质和地热资源-备战高考地理之探讨大学地理知识

一、地球的形状和大小

(一)对地球形状、大小的认识

人类长期生产实践，对地球形状的认识反复曲折。确认地球的形状为圆球是一个进步。18世纪末人们普遍认识到地球为极轴方向扁缩的椭球。即“旋转椭球体”，将椭圆以短轴为轴旋转而成。地球因自转而变扁，这符合逻辑。

地球表面有大陆、海洋，地势有高有低，形状不规则。通过重力测量采用“大地水准体”代表地球形状。

大地水准体指平均海面封闭的球体。海面重力位各处相等，是等位面，可延伸过大陆，形成封闭曲面，叫大地水准面。

人造卫星等空间技术发展，推动地球形状的研究，取得新认识：

①大地水准面不是稳定旋转椭球面，有地方隆起，有地方凹陷，相差10000m以上。

②地球赤道横截面不是正圆，是近椭圆形，长轴指向西经20°和东经160°方向，长短轴差为430m。

③赤道面不是地球对称面，从包含南北极的垂直于赤道平面的纵剖面看，位于南极的南极大陆比基准面凹进24；位于北极的北冰洋却高出基准面14m。从赤道到南纬60°之间高出基准面，从赤道到北纬45°之间低于基准面。夸大比例尺来看，形状近似“梨”。

这是目前为止对地球的最新认识。地球的形状反映内部物质状态，其处于动态平衡。卫星测量必须结合大地、重力和天文测量，综合获得精确数据。

(二)地球形状和大小的最新数据

赤道半经(a):6378137m

极半经(c):6356752m*

扁率：/=0-=1：298.2572220101

赤道标准重力加速度(y.):(978032±1)×105m/s2

(三)地球的其他数据

平均半经：6371km

子午线周长：40008.08km

赤道周长：40075.24km

面积：51000万km2

海洋面积：36100万km2,占地球总面积的70.8%

陆地面积：14900万km2,占地球总面积的29.2%

体积：10830亿km3

质量：25.976×102”g

平均密度：5.517g/cm'

沿轨道运动的平均速度：29.78km/s

大陆最高山峰（珠穆朗玛峰）：8844.43m

大陆平均高度：825m

海洋最深海沟：-11034m

海洋平均深度：-3800m

大陆和海洋的平均高度：-2448m(即全球表面无起伏，将被2448m厚的海水所覆盖)

地球表面海陆并存，地面起伏最大高差近20km。若把地球缩小，以3.2m为半径，画一道高1.5cm的圆周线带，地表最高点和最低点均可包括在线带内；地球扁率只1/298，宏观上仍近球体。

二、地球的物理性质

密度和重力

质量根据万有引力定律计算，

质量除以体积，得出地球的平均密度是5517g/cm’，而地壳上部的岩石平均密度是2.65g/cm，推测地球内部必有密度更大的物质，根据地震资料知密度随着深度加深而增大，且在地下若干深度处密度跳跃。推测地核密度可达13g/cm左右。

地球平均密度和水星(5.4)相差不多，月球(3.341)和火星(3.95)的密度都比地球小，其他行星的密度更小了。

地球重力指地球对地表和地内物质的引力。万有引力与地球质量和物体质量的乘积成正比，与地球和物体二者质量中心直线距离的平方成反比。

地表重力受地球自转产生离心力和各点与地心距离影响各地的不等，且随海拔

、纬度不同而变化。两极重力比赤道地区大0.53%，两极重100kg的物体搬到赤道会变成99.47kg。

常用单位质量所受重力，即重力加速度(g)表示各地的重力大小。如赤道重力为978.0318Gal，两极为983.2177Gal。

如把地球看作理想扁球体（旋转椭球体），且内部密度无横向变化，计算出理论重力值。但各地海拔高度、地形及地下岩石密度不同，所测实际重力值不同，称重力异常。比理论值大称正异常，比理论值小称负异常。

存在密度较大物质的地区，如铁、铜、铅、锌等金属矿区，常表现正异常；而存在密度较小物质的地区，如石油、煤、盐类以及大量地下水等，常表现负异常。异常大小取决于矿石与周围岩石密度差、矿体的大小及埋藏深度。

据此可找矿和地质调查，称重力勘探，但利用重力异常研究地质，须对实测重力值校正，即清除各因素对实测值的影响。

第一，实测点有一定海拔，海拔越高，距地心距离越大，而高差每增减1m,重力差则为0.3083mGal。需一律校正至海平面高度，只考虑海平面与测点间高差的影响、未考虑海平面与测点之间物质的影响，称自由空气校正。校正后的重力值与理论重力值之差，称自由空气异常。

第二。测点与海平面间有岩石（平均密度一般按2.67gc计算)对重力产生影响，测点周围地形也影响，自由空气校正后的重力值必须减去岩石和地形对测点所产生的重力值，称布格校正，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，文献中所看到的一般皆指布格重力异常。

图2-3是中国大陆部分布格重力异常图，从图上可看出：

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”，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，青藏高原等地负异常值较大，甚至达到负400~500mGal，说明高原、高山地带在海平面以下的部分存在某种补偿作用，抵消了高山、高原对重力的影响。

据此有人提出“地壳均衡说”，认为山脉是较轻的岩块浮在较重介质之上，仿佛冰山浮在海水中，山越高，深人下部介质中的深度越大，深入的部分称“山根”。已被许多证据证实。

(二)地磁

    地球周围有巨大磁场。公元前3世纪战国时期，中国已利用地磁发明指司南。后人发现地磁极与地理极的位置不一致。

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11,5°相交)，所产生的偶极磁场类似（图2-4）。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。磁力线从南磁极出发进入北磁极。

事实上地球内部并无条形磁铁。

为确定地表任何一点的地磁场，需进行磁场强度测量。如图2-5，箭头代表向量，长度代表磁场强度,它在水平面上的投影为水平强度，垂直分量为垂直强度。

图中角称磁偏角，α称磁倾角或磁偏角，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。

倾角即磁针与所在地水平面的夹角，常随纬度而变化，在两磁极角为90°，在赤道则为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位置不一致，且磁极位置逐年变化，有向西缓慢移动的趋势。

②地面上每一点都可算出磁偏角和磁倾角。如磁偏角和磁倾角与理论值不符，叫地磁异常。

局部地磁异常主要由地下岩石磁性差异引起。磁法勘探就是据此寻找地磁异常区，发现地下高磁性矿床。

此外研究亿万年形成岩石中的剩余磁性的方向和强度，判断地球磁场方向和强度变化，称古地磁学。可配合其他方法探索地球岩石圈构造发展的历史。

③根据人造卫星在地球外层空间探测，地球磁场的磁力线并不规则，由于太阳风影响，地球的磁场被压缩在固定区域——磁层。像头朝太阳的彗星，磁层顶部朝向太阳，距离地球10个地球半径远，而尾部可拖几百个半径。

磁层可使地球生物免受宇宙射线和粒子袭击。

④地球磁场形成原因，有种种推测：

早期认为地核为具磁性的镍铁物质，形成磁场。但地内温度高达几千摄氏度，远超过铁磁性矿物的居里点，不可能产生磁场。

目前仅在20km范围内的岩石圈部分具铁磁性，但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转动可以导致电磁效应，这也被否定。

目前倾向：地核外核为液态金属铁镍，是导电流体，地球旋转，产生感应自激，形成地球磁场。因在地球转动中，流体地核比固体地幔略有滞后，因此地球磁场逐渐西移。但假说有待证实。

（三)地热

    地球内部储存巨大热能。地壳表层温度常随外界温度有日变化和年变化，但从地表向下到达一定深度，其温度不随外界温度变化，叫常温层。深度因地而异，在中国北方，温度具有年变化的深度大约在30m左右。

常温层以下，地温随深度增加，增温规律可用地热增温级或地热梯度表示。地热增温级指在年常温层下，温度每升高1℃时增加的深度，单位是m/℃。如大庆的地热增温级为20m/℃，北京房山为10m/℃。地热增温级的平均数值是33m/℃。

地热增温级的倒数叫地热梯度，即深度每增加100m所升高的温度，单位是0.01℃/m。地热梯度的平均数值是0.03℃/m

地热增温规律只适用于地壳部分或岩石圈。

据地球物理资料推断，整个地球平均温度约为2000℃。

地热主要来源是放射性元素衰变，如铀(U8、U5)、针(T2)、钾(K0)等（表2-2）。这些放射性元素衰变释出的总热能值有不同估计。据侯德封等1973年资料，至少为2.14×102J/a。也有一部分热能可能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。

有人认为地热是地球形成时残余下来的，即“残余热说”。

地内热能可通过不同形式释放，如火山喷发、热水活动以及构造运动等。但地热释放最持续形式是热能从地球深部向地表的传输，称大地热流。

大地热流放热现象普遍，只是单位面积(1©m)的放热量很小，平均每秒钟只有6.15×106J。热流量的单位为4.1868×10J/(cm2·s),通称地热流量单位(HFU)。

虽然地表单位面积的每秒热流量很小，但整个地球表面一年中放热总量可达9.63×100-1.09×102J，相当于燃烧300亿吨煤。

地球本身是庞大的热库。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(dT/dZ)的乘积，即Q=K(d7dZ),式中T代表温度，Z代表深度。

一般室内测定岩心标本的导热率，在钻井中测地热梯度，两数值相乘，得出地热流值。

但用钻井岩心测定导热率困难，如岩心标本离开原位置，其温度、湿度和压力变

化，有时岩心破裂，或岩心取自松散岩层，都会使测量的数值产生大误差。

近年研究成功地热流原位测定的仪器，适用测量海底淤积层导热率，推动了海洋地热流测定进度。到20世纪80年代末，全球地热值已测得1万多个，其中有2/3的数值测自海洋。得全球热流量结果：

①近年全球地热流值的统计数字。全球平均地热流值为1.47±0.74HFU,大陆平均热流值为1.46±0.46HFU,海洋为1.47±0.79HFU,大陆和海洋平均地热流值几乎相等。

②地热流值分布有空间差异，以海洋而论，在洋中脊最高，为1.90±1.48HFU，海盆地区为1.27±0.53HFU，而距离洋中脊最远的海沟其平均值最低，只有1.16±0.70HFU;

在大陆上，不同时期形成的岩石或大地构造单元，从古到新，地热流值表现为由低到高的趋向，最古老的前寒纪地块为0.91±0.02HFU，早古生代加里东褶皱带为1.11±0.07HFU，晚古生代海西褶皱带为1.24±0.03HFU，中生代褶皱带为1.42±0.06HFU，新生代喜马拉雅褶皱带为1.75±0.06HF，表明较新的构造带具有更为活跃的地热活动。

③研究还表明，地热流值与岩石圈厚度有关。岩石圈越薄，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2HFU,一般被多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，上面所述中新生代褶皱带（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。

岩浆侵入体为热源，含有地下水的多孔沉积物为热储集层，不透水岩石为热水保护层即盖层（据PJ怀利）。

中国东部沿海地区（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，目前中国已发现热泉点2800多处（西藏地区未计人内）。

据近年科学考察，西藏全区的水热活动区不下600处。其中拉萨西北羊八井热汽井，钻井深只30米，而温度达130℃的热水汽喷高超过30m，,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。20世纪70年代以来，中国已在广东丰顺、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

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。如日本正在进行高温岩体热能开发试验。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，推动祸轮机发电。1992年在山形县挖掘了一口深2200m的实验井，成功地进行了第二次制造龟裂的实验。