地球物理學課堂報告.doc
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地球表層水平運動對城市人類發(fā)展的影響 081577 洪欣陽 【內(nèi)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(nèi)外城市化的進程迅速發(fā)展??梢灶A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(guān)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。 【關(guān)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 1.1.概述 由內(nèi)應力引起地殼結(jié)構(gòu)改變、地殼內(nèi)部物質(zhì)變位的構(gòu)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(nèi)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(jié)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。 1.2.地殼運動的分類 地殼運動按運動的速度可分為:①長期緩慢的構(gòu)造運動。②較快速的運動。 按運動方向可分為:①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?,以及巨形凹陷、島弧、海溝等。②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。 1.3.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(zhì)時期的地殼運動,都是地球內(nèi)力和外力矛盾斗爭的產(chǎn)物。 內(nèi)力來源于放射性元素蛻變產(chǎn)生的熱能、地幔物質(zhì)的熱對流、地球自轉(zhuǎn)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(nèi)力作用的表現(xiàn)。內(nèi)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(nèi)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(nèi)力與外力是對立的,又互為影響,相互轉(zhuǎn)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)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(zhì)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。 1.4.地殼水平運動的發(fā)現(xiàn)歷史 我們早已知道,傳統(tǒng)地質(zhì)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(zhì)年代中曾經(jīng)是海洋。地質(zhì)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(zhì)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: ① 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。 ② 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(zhì)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。 ③ 大洋中脊兩側(cè)的磁異常條帶,表明海底地殼在不斷從中脊向兩側(cè)擴張,各板塊所負載的大陸巖石圈隨之發(fā)生水平漂移。 1.5.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(gòu)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(jié)果,是地殼中廣泛發(fā)育的地質(zhì)構(gòu)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(jié)合兩翼特點分類可分為(圖1-11): (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(zhuǎn)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(zhuǎn),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(zhuǎn)。 (5)翻卷褶曲軸面翻轉(zhuǎn)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(zhuǎn)折端部分翻卷而成。 圖1-11 褶皺變形素描圖(據(jù)藍淇鋒,1979) 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(gòu)造條件等有關(guān)。 可見,褶曲的形態(tài)是多種多樣的,但是,基本形式可以被總結(jié)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(gòu)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1-12,圖1-13)。 圖1-12 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1-13 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??偡Q為斷裂構(gòu)造。通常根據(jù)斷裂巖塊相對位移的程度,把斷裂構(gòu)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(guān)系,斷層可分為:正斷層,逆斷層,平推斷層和斜滑斷層。(圖1-14) 圖1-14 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(cè)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(cè)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(gòu)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2-11表示了這種發(fā)展趨勢。 圖2-11 世界城市人口占總?cè)丝诘谋壤? 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(nèi)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(nèi)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(nèi)核的存在,在此基礎(chǔ)上,科學家提出了地球內(nèi)部分層模型。20世紀中期,各種地球物理勘探方法初步形成。40~50年代,地球物理學的主要研究對象是勘探固體礦產(chǎn)資源,60~70年代在此基礎(chǔ)上增加了石油和天然氣,80~90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(diào)科學與社會的結(jié)合、各相關(guān)學科的綜合及與各社會部門的協(xié)調(diào)。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(jié)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(shè)的速度 了解地質(zhì)構(gòu)造規(guī)律,對于城市中人們的很多工程建設(shè)有很大幫助。比如,在工程建設(shè)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(guān)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(gòu)造;向斜構(gòu)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2-12所示,5.12地震造成的損失也主要集中在城市設(shè)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2-12 5.12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(zhì)構(gòu)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(guān)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(guān)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?nèi)祟惖陌l(fā)展于進步。 4.結(jié)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(guān)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(guān)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(diào)發(fā)展提供科學理論基礎(chǔ),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。 【參考文獻】 [1] United Nations.World Demographic Estimates and Projections(1950-2025)[M].New York:Press of United Nations,1990. 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