模块一　基础地质

第一章　地球概况 • 第二章　地质作用 • 第三章　矿物与岩石 • 第四章　古生物与地层 • 第五章　地质构造模块一　基础地质

第一章　地球概况 • 第一节　地球基本特征的认识 • 第二节　地球圈层构造的认识 • 第三节　地球物理及化学性质的认识返回

地球基本特征的认识 返回 • 一．宇宙和天体 • 古人云：四方上下曰宇（无限空间），古往今来曰宙（无限时间），合称为宇宙（所有的时间和空间）。 • 宇宙是由空间、时间、物质和能量，所构成的统一体。是一切空间和时间的综合。一般理解的宇宙指我们所存在的一个时空连续系统，包括其间的所有物质、能量和事件。 • 宇宙是万物的总称，是时间和空间的统一。宇宙是物质世界，不依赖于人的意志而客观存在，并处于不断运动和发展中。宇宙是多样又统一的。它包括一切，是所有时间和空间的统一体，没有时间和空间就没有一切，所以它包含了全部。（一）宇宙中的天体宇宙中的日月星辰，统称为天体。其主要类型有恒星、行星、卫星、流星、彗星和星云等。宇宙中的天体在万有引力的作用下相互绕转，形成不同层次的天体系统。几十亿至上千亿颗恒星组成的庞大恒星体系集合体，称为星系。宇宙大约由十亿个星系所构成，小星系由几万个恒星组成，大星系则由上千亿个恒星组成。太阳（恒星）所在的星系叫银河系，银河系以外的星系叫河外星系。

地球基本特征的认识 返回 • （二）银河系和太阳系 • 一）银河系 • 银河系是一个巨型旋涡状星云，中间厚，边缘薄，形似铁饼，如图1-1-1所示。大约由1500多亿颗恒星所构成。直径约10万光年，中心厚约1万光年，边缘厚约1000光年，质量约为太阳的1.4×1011倍。银河系作为一个整体，以500Km/s的速度围绕更大的中心旋转；同时，银河系内众多的恒星，除了各自的运动外，还都围绕银河系的中心旋转。图1-1-2　太阳系 • 二）太阳系 • 太阳系位于银河系一侧，距中心约（2.7±0.33）万光年。（1光年≈94605亿公里）。 • 太阳系是银河系中一个普通成员，由太阳及其周围的行星、卫星、小行星、彗星、流星，以及散布其间的星际物质组成。太阳是太阳系的中心天体，它携带着整个太阳系家族，以250Km/s的速度围绕银心旋转，每25年运转一周。围绕太阳旋转的是一个行星体系（水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星），如图1-1-2所示，此外还有许多小行星，彗星、陨星等小天体。目前，太阳系的直径约为100亿Km。图1-1-1　银河系的结构示意图上-顶视图；下俯视图

地球基本特征的认识 返回 1．太阳太阳是一个炽热的气体球，也是离地球最近的恒星，平均距离为1个天文单位（1.5×108Km）。太阳直径1.39×106Km，约为地球直径109倍，体积约为地球130万倍，质量是地球的33.3万倍，占太阳系总质量的99.86％。平均密度1.48g/cm3，仅是地球的1/4。太阳大气中有73种元素，以氢、氦最多，氢占太阳总质量71％，氦占26.5％。太阳大气圈从内向外分为三层，如图1-1-3所示：（1）光球层：常称为太阳表面，其平均温度约为5500℃，中心温度可高达1.55×107℃，太阳的光和热由此层向四面八方发射。太阳黑子是光球层温度较低的巨大旋涡状气流。（2）色球层：光球层上部呈玫瑰色。边缘锯齿状的球层。耀斑是色球层中温度较高的亮点。（3）日冕：色球层之上，呈银白色的太阳最外层大气。色球和日冕只有在全日蚀时用特殊仪器才能观测到。光球层以下的太阳内部，推测中心密度为160 g/cm3，压力达3.445×1016Pa，温度高达1.55×107℃。这种超高温、高压的环境，能够引起热核聚变反应，产生巨大的太阳能。图1-1-3　太阳

地球基本特征的认识 返回 • 2．行星 • 太阳系九大行星，分别围绕太阳公转并绕轴自转。按它们与太阳的距离由近到远分别为：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星。 • 九大行星绕日运行方向与太阳自转方向一致；绕轴自转方向除金星外均相同，即自西向东转。太阳系的行星按物理、化学性质分为两大类： • （1）类地行星：包括水星、金星、地球、火星。 • 它们距太阳近，体积和质量小，平均密度大，自转速度慢，公转周期短，卫星少或无，具固体外壳，中心有铁核，金属元素含量高。 • 地球是太阳系中一颗不大的行星，如图1-1-4所示，既绕通过南北极的轴自西向东自转，每日一周（自转一周的时间需23时56分4秒），并以66°34′交角（地轴与公转轨道平面的交角）侧着身子以30Km/s的平均速度绕太阳公转，每年一周（公转一周需365日5时48分46秒），公转轨道全长约9.4×108Km。 • 地球与太阳的平均距离为14960万Km（称为一个天文单位），太阳光只需8min19s即可到达地球。 • （2）类木行星：包括木星、土星、天王星、海王星、冥王星，它们距太阳远，体积和质量大，密度小，自转速度快，公转周期长，卫星较多，物质成分以轻元素为主。图1-1-4　地球

地球基本特征的认识 返回 • 2006年8月国际天文联合协会布拉格大会为太阳系的行星进行了定义： • a．围绕太阳运转； • b．具有足够的质量，能形成符合流体力学平衡的形态——球体； • c．具有足够的引力而能清除轨道上所有的物质。 • 由于第三条的原因，冥王星被拒之于行星之外，而被称为矮行星。故太阳系实际只有八大行星。

地球基本特征的认识 返回 • 3．小行星 • 太阳系的小行星，已编号的有2000颗以上。特征类似类地行星，并大都在火星和木星轨道之间环绕太阳公转。 • 小行星一般为石质或炭质，体积很小，直径多为几千米到几十千米，体大者一般为球形，但多数形状不规则，表面有陨坑，没有大气，最大者叫谷神星，直径为770Km。 • 4．卫星 • 卫星是绕行星运行而自身不发光的天体。太阳系中已发现的卫星，共有50颗，九大行星中除水星、金星外，均有卫星绕转，但多少不一，其中：地球（1）、火星（2）、木星（16）、土星（23）、天王星（15）、海王星（8）、冥王星（1）。 • 月球是地球唯一的一颗自然卫星。月球距地球平均距离38440Km，月球绕地球公转的同时还自转，因其自转与公转周期相同，所以月球朝向地球的一面始终不变。 • 月球表面无任何形态的水，如图1-1-5所示，完全没有大气，接近真空，但月球有火山喷发、造山运动、月震等现象。环形山是火山喷发或外星体撞击而成，由于没有大气和水，没有风化作用，因而得以长期保存。 • 尽管月球体积（半径为1738Km，体积仅是地球的2.03%）和质量（约735×1023g，相当地球的1.23%）均不大，但对地球的引力仍超过太阳（约为太阳的2.2倍），因此它对地球有着不可忽视的影响。研究表明，地球自诞生以来，在星际空间运动中，不断受到其它天体的坠落撞击，对地球的改造具有重要作用。此外，在太阳系围绕银心旋转的一个周期过程中，由于所处轨道位置不同，使得与银心的距离发生变化，并且空间的星际环境也有很大差异，从而引起太阳系的某些变化（如引力及太阳辐射量的变化等），这也是导致地球发展、演变的重要因素。图1-1-5“阿波罗”17号拍摄的月球

地球基本特征的认识 返回 • 5．慧星 • 太阳系的慧星数目众多，目前观测到的已超过1500颗，慧星的结构主要由以下三部分组成，如图1-1-6所示： • 慧核：由氢、碳、水等冰冻物质组成，是由慧星的主要部分，直径一般为1－100Km。 • 慧发：在近日点慧核的冰冻物质受热气化，可达几万千米，由极稀薄气体组成。 • 慧尾：慧发在太阳光压和太阳风作用下，在背向太阳一侧形成的由极稀薄气体组成的长尾；可达1×108 Km。 • 彗星常以闭合椭圆形的轨道绕太阳运行，慧星具有周期性，可以预测他们出现的时间。例如哈雷慧星，绕日公转周期为76年，最近一次经过近日点是在1986年2月。图1-1-6　彗星 • 6．流星体 • 在太阳系中绕太阳运行的比小行星更小的细小天体，主要是小行星和慧星碎裂、瓦解的产物。流星体运行到地球附近，被地球引力俘获并吸向地球，进入大气层摩擦生热而燃烧发光，成为流星。 • 多数流星燃烧变成气体，少数残体落到地面成为陨石或陨星。如1976年3月8日在吉林市出现罕见的陨石雨现象，已收集到200余块，总重达2700Kg以上，超过100Kg的有3块，最大的重1770Kg，是当前世界最大的一块陨石。

地球基本特征的认识 返回 • 三）河外星系 • 银河系以外的许多与银河系类似的星系，统称为河外星系，目前发现在银河系以外，还有数以百亿计的星系存在，近的有250万光年，远的超过100亿光年。

地球基本特征的认识 返回二．地球的形状和大小 • （一）地球的形状 • 地球的形状，是指全球静止海面(大地水准面)的形状。由于物质密度分布上的差异、弹性和塑性变形及自转的影响，地球更为准确的表面形态略似于一个“梨形”。 • 据人造卫星轨道参数分析，地球北极比标准的旋转椭球体要凸出约10m，南极则凹进约30m；北半球的中纬度区稍稍凹进，在南半球则稍稍凸出。

地球基本特征的认识 返回 • （二）地球的大小 • 依据1970年天文历1971年第15届国际大地测量和地球物理协会决议，地球的大小、质量和密度等采用的数据如表1-1-1所示。表1-1-1　　　　　　　　　　　　　　　地球参数

地球基本特征的认识 返回 • （三）地球的表面特征 • 一）地球表面的总体特征 • 现今地球表面约5.1亿Km2，基本分为陆地和海洋两部分，如图1-1-7所示。其中海洋面积约3.61亿Km2，占地球表面的70.8%，陆地面积约1.49亿Km2，占地球表面的29.2%。陆地与海洋之比约1∶2.4。陆地多集中于北半球，占全球陆地总面积的67.5%，而南半球的陆地面积仅占陆地总面积的32.5%。陆地的副平均海拔高度为825m，最高处是喜玛拉雅山脉的珠穆朗玛峰，海拔为8844.43m。海洋的平均深度为3800m，最深处是太平洋中的马里亚纳海沟，为11034m。海、陆最大高差近20Km。图1-1-7　大陆与海洋的分布

地球基本特征的认识 返回 • 二）陆地表面特征 • 地球上的陆地并非一个整体，而被海水分割成若干巨大的陆块和较小的陆块，前者称大陆或大洲，后者称为岛屿。 • 陆地表面形态极为复杂，按照高程和起伏状况，大陆形态可分为： • 山地：一般是指海拔高度在500m以上的地区。 • 丘陵：海拔高度500m以下，地表相对高差不大、山峦起伏的低缓地形。 • 高原：海拔高度在600m以上，表面比较平坦且宽广，或偶具一定起伏的山岭与沟谷。 • 平原：海拔高度在200m以下，表面常平坦或略有起伏，其相对高差小于50m的广大宽平地区。 • 盆地：中间比较低平、四周是高原或者山地的地区，因外形似盆而得名。 • 洼地：是陆地上某些低洼的地区，其高程在海平面以下。如我国新疆吐鲁番盆地中的艾丁湖，湖水面在海平面以下150m，称克鲁沁洼地。

地球基本特征的认识 返回 • 三）海底表面特征 • 海底表面的高低错落大大超过陆地，根据起伏和海水深浅，将海底地形划分为大陆边缘（大陆架、大陆坡、大陆基）、大洋盆地、海岭或大洋中脊，如图1-1-8所示。图1-1-8　海底地形示意图

地球基本特征的认识 返回 • 大陆架：海水深度≤200m的浅海地带。地势平坦，坡度缓，一般≤0.1°，它是大陆边缘的延伸部分。 • 大陆坡：由大陆架再向外海延伸，海底坡度突然加大，水深200m至2500m，这一带的海称为半深海。 • 大陆基：是大陆坡与大洋盆地间较平坦的地区，坡度仅1/700-1/100，是浊流滑塌作用的堆积物。 • 大洋盆地：海水深度自2500m至6000m，这部分海称为深海或大洋。 • 海岭：在大洋盆地的中部常分布着海下山脊，称为海岭，它是一种线状分布的海底隆起地区。 • 海沟：在大陆边缘，常分布着深沟，海水深度一般在8000m至10000m左右。

地球圈层构造的认识 返回 • 地球的圈层构造，是指地球的组成物质在空间上呈圈层状分布，它表明地球不是一个均质体。大致以地壳表层为界分为外圈层和内圈层。一．地球外圈层 • 如图1-1-9所示分为：图1-1-9

地球圈层构造的认识 返回 • （一）大气圈 • 是指包围在地球最外面的气态物质所组成的圈层。厚达几万千米，受地心引力作用，以地球表面大气最稠密，向外稀薄，并过渡为宇宙气体。 • 可见，大气圈没有明确的上界，向下也可以深入到地壳岩石和水圈中，因此下界也不明显。 • 大气圈自地表向外依次分为：对流层、平流层、中间层、热层、散逸层，如图1-1-10所示。一）对流层厚约17Km，两极最薄，约8Km，平均10.5Km。主要化学成分为氮（约占78.08％）、氧（20.95％），其次为氩、二氧化碳等。对流层温度来自地面红外辐射，随高度升高而降低，每升高100m气温降低0.6℃。大气对流是对流层最大的特征，它导致气象现象（风、雨、雪、雷电等）发生图1-1-10　地球的大气圈

地球圈层构造的认识 返回 • 二）平流层（同温层） • 对流层顶之上是非常稳定的平流层。高度在17Km～55Km之间。 • 随高度增加，气温保持不变或稍有上升，故称同温层，直到30Km～35Km处气温保持在-55℃左右，再向上气温将随高度升高而上升，顶部约-2℃。 • 在15Km～35Km高度内有一厚约20Km的臭氧层，可吸收紫外线，并使气温升高。 • 大气多为水平运动，大气透明度高，尘埃少，是现代超高速飞机飞行的理想场所。 • 三）中间层 • 自平流层之顶到55Km～85Km间的一层，气温随温度增加而降低，顶部可达-90℃，大气的垂直对流运动剧烈，又叫上对流层，无云层出现。 • 四）热层（电离层） • 从80Km到800Km叫热层，气温随高度增加而上升，最高可达1200℃，大气处于电离状态。 • 五）散逸层 • 位于热层之上，受地球引力微弱，高速运动的气体质点常散逸到星际空间。

地球圈层构造的认识 返回（二）水圈 • 水圈是地表和近地表的各种形态水的总称，包括海洋、湖泊、河流、沼泽、冰川以及土壤和岩石孔隙中的水、生物圈中存在的水等。水的总体积为1.4×109Km3，其中海洋水 • 占总体积的98.1%，陆地水只占1.9%。水圈的厚度在0m～11033m范围内变化。 • 水圈可分为地表水圈和地下水圈。地表水圈是指固体地球表面之上的水体，地下水圈是指渗透到岩石中的水，且多为热水，其下界与岩石没有明显的界限，如图1-1-11所示图1-1-11　水圈及水循环 • 组成水圈的主要成分有氧、氢及少量的氯、钠、钙、镁等。 • 由于降水、蒸发、地表和地下径流等水的循环，形成了外力地质作用的动力，从而改变着地球的外貌，对生命的起源、生物的演化和沉积矿产的形成起着重要的作用。

地球圈层构造的认识 返回 • （三）生物圈 • 是地球上有生物（动物、植物、微生物）生存和活动的范围所构成的一个连续圈层。生物分布很广，在大气圈10Km高空，地壳3Km深处，以及深海底部都有生物存在，如图1-1-12所示。 • 自地球上出现生物以来，它们便不断地改变着地壳的物质成分和结构状态。如植物进行光合作用，不断地从大气中吸收CO2，并分解为C和O，然后释放出O，将C固定下来。这样，一方面消耗大气中的CO2，增加空气中图1-1-12　生物圈的O；另一方面，植物固定下来的C经过复杂生物化学变化及地质作用，可在地壳中堆积形成煤。生物的繁殖活动和生物遗体的堆积，亦为形成其它有用矿产提供了物质基础。生物对地球表面还起着一种破坏作用，它经常在改变和影响地球的面貌。

地球圈层构造的认识 返回 • 二．地球的内圈层 • 研究表明，在地球内部，地震波的传播速度无论是横向还是纵向上都有变化，根据地震波在地球内部传播速度的变化，发现有两处极为明显的分界面，称为地震分界面。第一地震分界面称为莫霍面（1909年，莫霍罗维奇），深度不一，大陆最深可达60km，大洋最浅不足5km。第二地震分界面称为古登堡面（1914年，古登堡），深 2898km。由此可将地球内部由表及里划分为地壳、地幔、地核三个圏层，如图1-1-13所示。莫霍面是划分地壳与地幔的界面，古登堡面是划分地幔与地核的界面。图1-1-13　地球的内部圈层

地球圈层构造的认识 返回 • （一）地壳 • 位于莫霍面以上的部分，称为地壳。是地球外部极薄的一层固体外壳，由固体岩石组成，厚度变化大，主要与地势有关。一般大陆地壳较厚，平均35Km，最厚的地方是我国的青藏高原，达73km。而海洋地壳较薄，约5 km～8km，平均约6km。整个地壳平均厚度约33Km。其体积只有地球体积的0.3%；质量占地球总质量的1.5%。各种地质作用，主要发生在这里。底缺失。根据地壳物质组成的差异，地壳又分为上、下两层，如图1-1-14所示。上层称为硅铝层，一般厚0Km～22Km，平均厚度10Km，主要成分是硅（73％）、铝（13％），密度较小，为2.76g/cm3；压力小；放射性元素含量较高。该层不连续，只有大陆才有，大洋图1-1-14　地壳结构示意图下层称为硅镁层，深度自地表以下20Km～70Km，各地不等，平均深33Km，大陆和平原区较厚，达30Km，海洋区厚度为5Km～8Km。主要成分是硅（49％）、铁和镁（18％）、铝（16％），密度较大为3.1g/cm3；压力较大，可达9.09×108Pa；温度在1000℃以上。该层连续分布，大陆和大洋底都有，只有局部地区缺失。

地球圈层构造的认识 返回 • （二）地幔 • 地幔位于莫霍面与古登堡面之间，横向变化较地壳均匀。厚度约 2850km，占地球总体积的 82.3%，总质量占地球总质量的 67.8%，是地球的主体部分，密度大致3.0 g/cm3～5.0g/cm3。可将其分为上地幔、下地幔二部分。一）上地幔深度在1000Km以上，厚度为33～400km，平均密度3.5 g/cm3，温度为1200℃～1500℃，压力达3.84×1010Pa。地震波传播速度不均匀，从莫霍面到50Km深处，传播速度较快，物质呈结晶的固体岩石，但塑性增大，主要由具有橄榄石结构的镁铁硅酸盐岩组成，其与地壳共同构成地球表层的岩石圈。而在60～250Km间有一低速层(软流圈)，可能是由地幔物质部分熔融造成的，如图1-1-15所示。二）下地幔深度在1000Km～2900Km之间，厚度为670km～2900km。下地幔成分较均一，除硅酸盐外，铁镍成分显著增加，物质呈非结晶质固体，因处于极端高温和高压环境，岩石呈高塑性状态。主要由钙钛矿（八面体和立方体混合型）结构的镁铁硅酸盐岩组成。平均密度为5.6 g/cm3，温度为1500℃～2000℃，压力可达1.37×1011Pa，地震波传播速度作平缓增加。

地球圈层构造的认识 返回 • 地核位于古登堡面之下，直到地心部分。其厚度为3473Km（半径）。其体积占地球总体积的 16.3％，质量占地球总质量的 31.3%，密度大致 9.98 g/cm3～12.5g/cm3，压力为3.64×1011Pa，温度高达2000℃～5000℃。主要由铁镍合金组成，由于物质的化学成分和物理性质有了很大变化，故在2900Km以下地震波传播速度剧降，横波中断。地核进一步可分为外核、过渡层、内核三部分。外核（2900～4170km）：地震波经过古登堡面后，纵波速度骤减，横波消失，为液态。过渡层（4170～5155km）：为液态与固态的过渡状态。内核（5155～地心）：横波出现，为固态。图1-1-15　软流圈与岩石圈

地球圈层构造的认识 返回 • （四）软流圈与岩石圈 • 一）软流圈 • 在上地幔上部，存在一个地震波低速层，深度一般在地表以下60km～250km。在低速层内，地震波速比上部减少5%～10% ，表明该处岩石强度较低，可能局部熔融。这个低速层被称为软流圈。它在地质上相当重要，许多重要地质作用与它有关。 • 二）岩石圈 • 软流圈以上、岩石强度较大的部分，包括地壳和上地幔顶部，统称为岩石圈。从板块构造角度，岩石圈定义为：地球的刚性外壳层，是由一些能够相互独立运动的离散型板块构成的。

地球物理及化学性质的认识 返回 • 一．地球的物理性质 • 地球的物理性质反映了地球内部的物质组成和结构特征，利用这些性质可以为勘查和开发地下矿产资源服务。 • 与煤矿生产工作关系较大的物理性质有密度、地压、地热、磁性、重力、放射性、电性、弹性等，如图1-1-16所示。图1-1-16　地球的物理性质变化

地球物理及化学性质的认识 返回 • （一）密度 • 地球平均密度为5.52g/cm3。地表岩石平均密度为1.5～3.3g/cm3，平均2.7 g/cm3。而覆盖着地表面积达3/4的水的平均密度为1g/cm3，都比地球的平均密度小得多，故推测地球内部物质应当具有比5.52g/cm3更大的密度。地球的密度随深度增加而呈不均匀的阶梯状加大，例如在深度2900km、5100km作跳跃式的增加，越接近地球中心，物质的密度越大。这种变化也反映了地球内部物质成分和状态的变化。

地球物理及化学性质的认识 返回 • （二）地压 • 指地球内部的压力，包括地球内部的静压力和来自地壳运动的地应力。 • 地球内部的静压力是由上覆地球物质的重量所产生的，地球的静压力是随深度增加而增加的。 • 地应力来自地壳运动，以水平应力为主，也有随深度增加而增加的趋势，但并非均一，可在某些地段特别集中，占据主要地位。 • 在煤矿开采过程中还会发生冲击地压(岩爆或矿震)。冲击地压是井巷或工作面周围岩体由于弹性变形能的瞬时释放而产生突然剧烈破坏的动力现象，它可分为由采矿活动引起的采矿型冲击地压和因构造活动引起的冲击地压。 • 对冲击地压危险地段要采取综合性防治措施，以解决巷道的维护、煤及瓦斯突出的预测等矿井开采过程中常遇到的问题。 • 随着开采深度的增加，地压对煤矿安全高效生产的影响将越来越大。

地球物理及化学性质的认识 返回 • （三）地热 • 根据地球物理学资料，对地球内部的温度情况的推断如图1-1-17所示。 • 一）地壳浅部温度概况 • 根据钻井测温资料，目前已知自地表向下，温度的变化可分为三带，如图1-1-17所示： • 1.变温带：地球表面主要受太阳辐射热影响的地带。由于热源主要来自外部，所以又称外热带。此带深度自地表以下约15m～30m。 • 2.恒温带：地表以下温度不发生季节性变化的地带。其温度大体上比当地年平均气温高0.8℃～2℃，在我国一些煤矿区，此带深度大多在地下20～30m。 • 3.增温带：位于恒温带以下，其温度来自地球内部的热源，又称内热带。在此带，总的趋势是温度随深度的增加而升高，但增加的速度，各地差别也较大。增温带中温度随深度的变化，可用增温梯度（又称地温梯度或地热增温率）来表示。地温梯度是指每增加一定深度，温度升高的度数。通常以每增加100m温度升高的度数（℃/100m）来表示。全球平均地温梯度约3℃/100m。增温梯度值的大小，可以反映一个地区地热状况的特点。它常与当地的地质构造条件、岩石导热性能、岩浆活动以及水文地质情况等因素有关。

地球物理及化学性质的认识 返回 • 二）我国矿区的地热类型 • 1.基底抬高型 • 特点是热流值高，地温偏高，地温梯度大。平均地温梯度为（3.1～4.5）℃/100m，500m深处温度达30℃～36℃，1000m处温度可达45℃～50℃，普遍具有热害。例如平顶山地区，尤其是平顶山八矿，地温梯度最高达4.9℃/100m。 • 2.基底沉陷型 • 特点是热流值正常或略低，热流自沉陷中心向外散发，在盆地内部平均地温梯度为（2.1～3）℃/100m。深度小于500～600m的矿井，一般不会出现热害，以新汶、兖州矿区为代表，淮南、淮北矿区也属这种地热类型。 • 3.深大断裂型 • 特点是热流值高，地温高，地温梯度大，矿井岩温高，可能有热水涌出。以山东沭沂矿区为代表，抚顺矿区也属于这种地热类型。 • 4.地下水活动强烈型 • 特点是地温低，地温梯度小于2℃/100m，在千米以内矿井一般无热害。开滦、京西、峰峰、鹤壁、焦作、淄博等矿区均属这种地热类型。 • 5.深循环热水型 • 特点是出现局部热异常，一般面积不大，呈现脉状水或裂隙脉状水，局部会有35℃～50 ℃的高温热水涌出。例如广西合山里兰煤矿。 • 6.硫化物氧化型 • 特点是造成局部热异常，有时温度极高。例如铜官山铜矿、潭山硫铁矿等。 • 有时，有些煤矿的热害是由地下热水的涌出带来的。这是因为深部循环的地下水往往是地热的载体，它使巷道中风流温度升高，湿度加大，劳动条件恶化。地下热水对井下的材料和设备还有腐蚀性，因此，地下热水比一般的水害更为严重地影响煤矿的正常生产。

地球物理及化学性质的认识 返回 • （四）地磁 • 地球是个大磁体。由于地球的南、北磁极和地理南、北极并不相同，如图1-1-18所示，因此，磁针所指方向在各地并不都严格地指向正南正北，而是常偏离一个角度，这个角度称为磁偏角。使用地质罗盘时要进行校正。磁偏角偏在地理子午线东为正偏角、偏西为负偏角。 • 罗盘上的磁针只有在近赤道处才处于水平状态，其它地区则是倾斜的，磁针与水平面的交角称为磁倾角。磁倾角以指北针为准，下倾为正（北半球）、上倾为负（南半球）。在我国磁针南针上常缠上铜丝以保持水平。图1-1-18　地球的磁性由于地下岩石的磁性可以产生一个附加磁场，其方向与地球的正常磁场未必一致。若磁性岩石的体积足够大，就可以在平滑的地磁背景上产生一些偏离，这个偏离值称为磁异常。实测地磁值大于正常值为正异常（磁铁矿、镍铁矿）；小于正常值为负异常（石油、盐矿、金矿、铜矿等）—— 用于磁法勘探。磁偏角、磁倾角、磁场强度称为地磁三要素。

地球物理及化学性质的认识 返回 • （五）地电 • 地球具有电性，例如发电厂以大地作回路，避雷针也是如此。还有岩体的温差电流等。 • 地球内部的电性与地球内部物质的电导率和磁导率有关，磁导率一般变化不大，而电导率变化较大。地壳的电导率与岩石成分、孔隙度、孔隙水的矿化度有关。另外，还与岩石的层理有关。同时，温度对电导率的影响更大。 • 电导率随深度增加而增大，在60Km～250Km和400Km～1000Km处分别有一次较明显的变化，前者可能是物质熔融引起的，后者则可能是地球内部物质发生相变所致。 • 利用大地电磁场的分布及频率的变化，可以研究地球内部高导电层的分布及深度，但由于地电场经常受日变和磁暴的影响而发生变化，因此，也需像地磁测定一样设固定观测站连续观测，消除外加电场的影响，取得正常电场值。将附近地区实测的地电场值与其比较，如有偏差，则为地电异常——用于电法勘探。

地球物理及化学性质的认识 返回 • （六）重力 • 重力系指在地表某处所受地心引力和该处地球自转所产生的离心力的合力，如图1-1-19所示； • 地表某点的重力强度相当于该点的重力加速度，赤道最小，两极最大； • 可以计算出地表任何地区理论上的重力值，但在实际工作中常遇到实测值与理论值不一不一致，这种现象称为重力异常。实测值大于理论正常值为正异常（铁，铜，锌等），小于理论正常值为负异常（石油，煤，盐等）—— 重力勘探。 • 产生重力异常的原因很复杂，主要是地球并不是一个均质体，地球表面各处的物质成分不同，因此质量也不同。图1-1-19　重力 • （七）弹性 • 地球具有弹性，表现在能传播地震波，因为地震波是弹性波；利用岩石的弹性，借助人工激发弹性波，勘查矿产及地质构造 —— 用于地震勘探。

地球物理及化学性质的认识 返回 • 二．地球的化学性质 • 组成地壳的固体物质是岩石，而岩石是由矿物组成的，矿物又是自然元素单质或化合物。由此可见，组成地壳最基本的物质是化学元素，或者说地球是由各种化学元素组成的，这些元素在地球圈中的分布量有很大的差异，主要质量集中在地球的内圈（地壳、地幔、地核），占地球总质量（60万亿吨）的99.9%，外圈质量只1%。（一）元素的丰度和克拉克值元素在地壳中的分布情况可用元素在地壳中的平均重量百分比即克拉克值来表示，也称为丰度。地壳中主要元素的克拉克值如图1-1-20所示。丰度和克拉克是指地壳中元素平均含量，但是也有区别。克拉克值是指某元素在地壳中平均重量的百分比。丰度则是各元素在地壳中平均含量的百分数。化学元素在任何宇宙体或地质体中的平均含量都可以称为丰度，它可以用于任何天体或整个地球，当然又可用于地壳。图1-1-20　地球元素的分布

地球物理及化学性质的认识 返回 • （二）地壳岩石圈的物质组成 • 元素含量分布是不平均的，O、Si、Ai、Fe、Ca、Na、K、Mg、H九种元素占地壳总质量的98.13%（称常量元素）其他80多种元素之和为1.87%。 • 地壳中的化学元素，以单质形式存在的数量较少，如自然金、自然银等；绝大部分以各种化合物出现，其中以含氧的化合物最为常见。 • 表1-1-2为地壳上部深约16Km范围内氧化物平均质量百分比。表1-1-2 地壳上部各种氧化物的质量百分比从表中可以看出，地壳中分布最多的是硅和铝的氧化物，它们共占75%，其它元素氧化物只占25%。

复习思考题 返回 • 一、名词解释 • 大陆基、大陆架、岩石圈、地温梯度、磁异常、平流层、对流层、莫霍面、古登堡面、重力勘探、电法勘探、地震勘探、磁法勘探。二、问答题 1．简述地球内、外圈分层情况。 2．与煤矿生产关系较大的物理性质有哪几种？简单叙述之。

第二章　地质作用 • 第一节　内力地质作用分析 • 第二节　外力地质作用分析由自然动力所引起的地壳物质成分、内部结构、构造以及地表形态发生变化和发展的过程称为地质作用。根据地质作用进行的场所及能源来源的不同，地质作用分为内力地质作用、外力地质作用两大类。返回

内力地质作用分析 返回 • 内力地质作用发生在地球内部（地壳中或地幔中），主要由地球本身的能量（主要是地球旋转能、重力能、地球内部的热能及化学能等），促使地壳或岩石圈的物质组成、内部构造及外部形态发生变化的作用。 • 按作用的性质和方式，内力地质作用分为地壳运动、地震作用、岩浆作用和变质作用。

内力地质作用分析 返回指由地球内部动力引起的，促使地壳（或岩石圈）组成物质变形、变位的运动（也称构造运动）。它控制着地表海陆分布的轮廓和地形，对地壳中岩层的形态和构造等变化起着决定性作用，地壳运动还为其它各种内、外力地质作用的进行创造了条件，是地壳发展演变的主导因素。地壳运动有如下特点：一．地壳运动 1．地壳运动具有普遍性和长期性，地壳形成以来，每时每刻都在运动，但运动强度在时间、空间上均不平衡，地壳运动的各种形迹可以保存在地层中； 2．地壳运动具有方向性，分为垂直（升降）运动和水平运动。

内力地质作用分析 返回 • （一）垂直运动 • 垂直运动又叫升降运动，是地壳或岩石圈组成物质沿地球半径方向的上升或下降运动，主要造成地壳大规模的隆起或坳陷，引起地势高低变化、海陆变迁、岩体垂直位移及层状岩层大型的平缓弯曲，因此又叫造陆运动。 • 世界上反映升降运动最著名的实例是意大利那不勒斯塞拉比斯古庙遗址前保存的三根高12m的大理石柱，如图1-2-1所示。据考证，石柱在公元初期位于陆上，1583年维苏维火山喷发使下部3.6m被火山灰所掩埋；后因地壳下沉使石柱沉至海面以下6.3m； 18世纪中叶石柱又随地壳上升到地面，于1742年被挖掘出来；以后又开始下降，1878年海水淹没柱高0.65m，1913年为1.53m，1933年为2.05m，1954年达2.5m，至1976年又上升1m。表明那不勒斯海湾近代正处于交替的升降运动中。升降运动不仅可以引起海陆变迁、地形的起伏不平，同时又控制和影响着沉积岩层的分布和其岩性、岩相及岩层厚度的变化，并控制着煤系地层的分布范围，影响煤层数和厚度变化。图1-2-1　意大利那不勒斯塞拉比斯古庙3根 12米高大理石柱（1749年考古发掘）

内力地质作用分析 返回（二）水平运动水应该指出，地壳运动的两种表现形式并不是彼此孤立、截然分开的，而是相互联系和相互转化的，它们在时间上和空间上的发展是不平衡的。在同一时期，不同地区地壳运动的方式和运动的强度也不同；同一地区的地壳运动在某一历史发展阶段，其表现形式可能以升降运动为主，而在另一历史发展阶段，其表现形式可能以水平运动为主。 • 总的看来，在地壳发展历史中，地壳运动有一定的规律性，总是由长期缓慢的运动转化为快速激烈的运动，它们交替出现，使地球发展历史显示出一定的阶段性和周期性。 • 地动运动可使岩层发生褶皱、断裂，促使岩浆活动和变质作用及地震作用的发生，造成海陆变迁、地表起伏，导致气候变化，影响生物的分布及外力地质作用的发生发展。可见，地壳运动是地壳发展演变的主导因素。 • 平运动是地壳或岩石圈物质沿地球切线方向的运动。它使地壳受到挤压、拉伸、平移，甚至旋转扭动，导致组成地壳的岩层发生褶皱和断裂，在地表形成高山或深谷（盆地），因此又叫造山运动。这是一种表现剧烈的地壳运动形式。 • 美国加里福尼亚圣安德烈斯断层带是现代水平运动的典型例子，从1882年至1946年的65年中，对此断层带进行了4次定时定点测量，发现断层每年以1cm的速度向北西方向移动。近年美国使用轨道卫星和激光束测定，发现该断层两盘每年以8.9cm的速度靠拢。 • 从地壳发展史看，地壳运动总趋势是水平运动为主，有一部分升降运动是由水平运动引起的，或者是与水平运动相伴生的。

内力地质作用分析 返回 • （三）地壳运动的速度 • 地壳运动的速度有快有慢、快慢交替，既有水平运动也有升降运动。 • 例如在地震前后会明显加快：1973年2月四川甘孜的7.9级地震，使鲜水河断裂带再次活动，形成一条长50Km、宽1.5m的地裂缝带。又如喜马拉雅山自开始抬升以来，经历了千万年的上升，已成为世界最高的山脉，现在仍在缓慢上升。（四）地壳运动的幅度 1．地壳运动的幅度有大有小、大小交替。 2．运动的幅度与方向、时间有关，例如长期上升或一直下降，或者水平运动长期沿同一方向运动，则运动幅度就大，反之则小。 3．地壳运动幅度的确定主要依靠沉积厚度推测，它是下降幅度的标志。上升幅度的确定较为困难，只能依据邻区沉积厚度来粗略推测。

内力地质作用分析 返回二、地震作用 • 将孕震、发震和余震的全部作用过程，称为地震作用。 • 地震是地壳运动或构造运动的一种特殊形式。表现为一种快速、短暂、突发的构造运动，是地壳的一种快速颤动。 • 地震在长期、缓慢、不断地进行着，当地壳运动所积累的应力超过组成地壳岩石的强度时，就发生迅速和激烈的震动。它是地壳运动的一种特殊形式，是破坏性较大的地质现象。

内力地质作用分析 返回 • （一）地震术语 • 一）震源 • 是地球内发生地震的地方。震源垂直向上到地表距离称为震源深度，如图1-2-2所示。 • 地震发生在70公里以内的称为浅源地震；70－300公里为中源地震；300公里以上为深源地震。目前有记录的最深震源达720公里。二) 震中震源上方正对着的地面称为震中，如图1-2-2所示。震中及其附近的地方称为震中区，也称极震区。震中到地面上任一点的距离叫震中距离（简称震中距）。震中距在100公里以内的称为地方震；在1000公里以内称为近震；大于1000公里称为远震。

内力地质作用分析 返回 • 三）地震波 • 地震时，在地球内部出现的弹性波称地震波。地震波主要包含纵波和横波，以及面波。 1.纵波（P波）：振动方向与传播方向一致的波。来自地下的纵波引起地面上下颠簸振动。振幅小、周期短、速度快、破坏小。 3.面波（L波）：是纵波吸收辐射到地表激发出沿地面传播的波。振幅最大、周期最长、速度最慢，但破坏性最强。 2.横波（S波）：振动方向与传播方向垂直的波。来自地下的横波能引起地面的水平晃动。横波能造成建筑物破坏。振幅大、周期长、速度较快、破坏性大。由于纵波在地球内部传播速度大于横波，所以地震时，纵波总是先到达地表，而横波总落后一步，面波最后到达。

内力地质作用分析 返回 • （二）地震强度 • 一）地震烈度 • 指地震对地面和建筑物的破坏程度。我国将其划分为12度。 • 小于3度：震感弱，只有仪器能记录到；3～5度：有震感，睡觉的人惊醒，吊灯摆动，无破坏；6度：器物倾倒，房屋有轻微破坏；7～8度：房屋严重破坏，地面裂缝，人畜大量伤亡；9～10度：房倒屋塌，地面破坏严重；11～12度：毁灭性的破坏，房屋普遍倒塌，山崩地裂。 • 二）震级 • 指地震能量大小等级。震源释放出来的弹性波能量越大，震级越大，如图1-2-3所示。 • 震级＜1级：超微震；1级≤震级＜3级：弱震或微震；3级≤震级＜4.5级：有感地震；4.5 级≤震级＜6级：中强地震；6级≤震级＜7级：强震；7级≤震级＜8级：大地震；震级≥8级：巨大地震，如图1-2-4所示。

内力地质作用分析 返回 • （三）地震类型 • 按照地震的不同成因，我们可以把地震划分为五类：一）构造地震构造地震发生的原因，是地下岩层受地应力的作用，当所受的地应力太大，岩层不能承受时，就会发生突然、快速破裂或错动，岩层破裂或错动时会激发出一种向四周传播地地震波，当地震波传到地表时，就会引起地面的震动。世界上85%－90%的地震以及所有造成重大灾害的地震都属于构造地震。二）火山地震由于火山爆发引起的地震。三）水库地震由于水库蓄水、放水引起库区发生地震。四）陷落地震由于地层、岩溶陷落引起的地震。五）人工地震由于核爆炸、开炮等人为活动引起的地震。

内力地质作用分析 返回 • （四）地震危害 • 2008年5月12日14时28分04秒，四川汶川，8级强震猝然袭来，大地颤抖，山河移位，满目疮痍，生离死别……西南处，国有殇。这是新中国成立以来破坏性最强、波及范围最大的一次地震，如图1-2-5所示。地震重创约50万平方公里的中国大地！ • 截至2009年4月25日10时，遇难69227人，受伤374643人，失踪17923人。其中四川省68712名同胞遇难，17921名同胞失踪，共有5335名学生遇难或失踪。直接经济损失达8451亿元。 • 这是中华人民共和国自建国以来影响最大的一次地震。震级是自1950年8月15日西藏墨脱地震(8.5级)和2001年昆仑山大地震（8.1级）后的第三大地震，直接严重受灾地区达10万平方公里。图1-2-5　汶川、玉树地震破坏情况

内力地质作用分析 返回 • （五）世界及我国的地震带分布 • 全球用地震仪测出的地震，每年约500万次，其中有感地震5万次，破坏性严重的一般8级以上的特大地震要隔若干年才发生一次。 • 一）世界地震带分布 • 主要划分为四个地震带，如图1-2-6所示： 1.环太平洋地震带：从南美洲南端起沿南北美洲西海岸，通过阿留申群岛，经日本、我国台湾、菲律宾到新西兰，主要是环太平洋的岛弧及海沟地带。地震频繁，浅、中、深源地震均有，约占全球地震总数的80％。 3.大洋中脊地震带：沿大西洋、太平洋、印度洋洋中脊分布，地震活动相对较弱。 2.欧亚地震带：西起葡萄牙、西班牙和北非海岸，经地中海、高加索、喜马拉雅山至印尼与环太平洋地震带汇合，亦称地中海——印尼地震带。以浅源地震为主，约占全球地震总数的15％ 4.大陆裂谷地震带：包括东非裂谷（地堑）、红海、亚丁湾、死海裂谷系、莱茵地堑等大断裂，均为浅源地震。

模块一 基础地质