地球物理学基础PDF电子书下载

第一章 概论 1

一、什么是地球物理学 1

二、固体地球物理学的发展 1

三、地球物理学和其它学科的关系 3

第二章 地球的形状和重力场 5

一、概论 5

二、位论简述 6

（一）牛顿引力场和力位 6

（二）常用的积分关系和定理 10

1.格林定理 10

2.高斯定理 10

3.格林公式 12

4.唯一性定理和狄利克雷问题 13

（三）球谐函数 14

1.拉普拉斯方程的解 14

2.勒让德函数和罗巨格公式 16

3.连带勒让德函数 17

4.面谐函数的正交关系和函数的展开 18

5.加法公式和泊松积分 20

（四）谐力位 21

三、地球的重力场 22

（一）一级近似 22

（二）二级近似 25

（三）椭球坐标和索米扬那公式 27

（四）重力公式的精确解 29

四、重力异常和大地水准面的高度 33

（一）布容斯（H.Rruns ) 公式和球面几近 33

（二）地球以外一点的重力异常 35

（三）斯托克斯公式 36

五、重力值的校正 37

（一）自由空气及布格校正 37

（二）地壳均衡及均衡校正 39

六、固体潮 41

（一）引潮力位 41

（二）勒夫数和志田数 42

第三章 地球的转动 45

一、岁差和章动 45

（一）欧拉方程 45

（二）欧拉角 47

（三）麦柯拉夫（MacCullagh )公式 48

（四）岁差和章动 49

（五）月球的影响 50

（六）地球的动力学扁率 51

二、转动轴的变化 51

（一）欧拉章动 51

（二）钱德勒晃动 53

（三）周年变化 56

（四）纬度变化 58

1.地心纬度、天文纬度和地理纬度 58

2.观测纬度的方法 60

3.地极移动 61

（五）钱德勒晃动的衰减和激发 63

三、转速的变化 66

（二）地球的转动和时间 66

（二）地球转速的变化 67

第四章 地球的年龄、能源和温度分布 70

一、地质年表 70

二、放射性衰变和岩石的绝对年龄 71

（一）放射性同位素的衰变规律 71

（二）铅法 72

（三）钾-氩法 73

（四）铷-锶法 74

（五）碳14法 74

三、地球的年龄 75

四、地面热流和地球内部的能源 77

（一）长寿命的放射性元素 77

（二）短寿命的放射性元素 78

（三）地球形成时的引力能 78

（四）地核的形成 79

（五）地球的旋转能 79

五、热传导 79

（一）一维问题 80

（二）球层问题 82

六、地球内部的传热机制 83

（一）热传导 83

（二）热辐射 83

（三）激子 83

（四）物质迁移 83

七、地球内部的湿度梯度 84

八、地球上层的温度分布 85

九、地球内部的温度分布 86

第五章 地磁场 88

一、地球电磁学的物理基础 89

（一）电磁场的扩散方程和拉普拉斯方程 89

（二）介质运动时的电磁方程和动力学方程 92

（三）向量亥姆霍兹方程和贝塞耳函数 94

1.向量亥姆霍兹方程的解 94

2.柱坐标系中的亥姆霍兹方程和贝塞耳函数 95

3.球坐标系中的亥姆霍兹方程和球贝塞耳函数 101

（四）“环型”和“极型”电磁场 103

二、地磁场的高斯理论 105

（一）地磁场的数学表述 105

（二）地磁场的高斯（球谐）分析 107

1.地磁要素及其测量 108

2.高斯系数的确定和内外源场的区分 109

三、地球的基本磁场及其长期变化 116

（一）地球的基本磁场 116

1.基本磁场的高斯分析和地磁图 116

2.中心偶极子磁场和地磁坐标 121

3.非偶极子磁场和偏心偶极子 123

（二）基本磁场的长期变化 127

1.长期变化现象 127

2.偶极子磁矩的衰减 129

3.非偶极子磁场的西向漂移和偏心偶极子的移动 130

四、地球的变化磁场 133

（一）地磁指数，国际磁静日和磁扰日 134

1.磁情记数C和Ｃ1 135

2.磁情指数Ｋ和行星性指数Ｋp 135

3.指数Ａｋ和Ａｐ 135

4.国际地磁静扰日 136

（二）太阳静日变化Ｓq 136

1.S4的形态和纬度变化 137

2.S4场的球谐分析 137

3.S4场的电流体系 141

4.S4场的经度效应和赤道异常 148

（三）磁暴 149

1.暴时变化Dst 152

2.扰日变化SD和DS 153

3.极区磁亚暴 154

五、地磁场的空间形态 160

（一）近地面积核内磁场 160

（二）高空磁场 160

（三）磁层 162

第六章 古磁场及其成因 165

一、岩石磁性 165

（一）岩石磁性的物理基础 165

（二）岩石天然剩余磁化强度（NRM）的获得 167

1.等湿剩磁（IRM） 167

2.热剩磁（TRM） 168

3.沉积剩磁（DRM） 168

4.化学剩磁（CRM） 168

5.粘滞剩磁（VRM） 169

（三）岩石磁性的稳定性 169

二、古磁场 170

（一）史前和史期地磁场的长期变化 170

1.地磁场方向的变化 170

2.地磁场强度的变化 171

（二）轴向偶极子的假定和极移 174

1.虚地磁极的统计分析和地磁极的移动 174

2.古代极移 177

（三）地磁场的倒转和地磁年表 178

1.自发反向地磁场的极性反转 178

2.地磁场倒转的性质和地磁年表 179

三、地磁场的成因 181

（一）历史上有关地磁场成因的假说 182

（二）地磁场维持的能量图像 183

1.液核中电磁流体力学的能量方程 184

2.地核中可能的能量来源 186

（三）液核发电机维持磁场的过程 190

1.磁场维持的简单图像 190

2.布拉德过程的数学表述 193

3.非稳态发电机 198

第七章 地电场和地球电磁感应 203

一、地球电场 203

（一）地电场的各向异性 203

（二）电磁脉动 204

1.PC型脉动 206

2.不规则脉动PI 207

二、地球电磁感应基础 208

（一）局部地磁短周期变化异常 209

1.海洋、海岛、海岸效应 209

2.一些特殊地区的地磁异常变化 211

（二）区分内外源场的面积分方法 211

（三）电磁感应的理论基础 214

1.球体问题的电磁感应 214

2.平面地球的电磁感应 216

3.源场效应 219

4.非周期变化场的电磁感应 222

（四）薄层导体和上地幔的屏蔽效应 227

1.薄层导体中的电磁感应 227

2.长期变化场的电磁感应 242

三、地球内部的电导率 249

（一）地壳和地幔的电导率 249

（二）地幔导电机制 251

（三）地核内部的电导率 252

第八章 天然地震及其预测 255

一、地震的一些特征及地震成因 255

二、地震的强度 261

三、地震的长期预测 264

四、地震的矩期预测 265

五、地震成因模式 266

第九章 地震波的传播 267

一、弹性理论 268

（一）应力分析 268

1.体力和面力 268

2.应力张量 268

3.应力张量的对称性 269

4.克朗内克（Kronecker) δ 270

5.应力二次曲面 270

6.运动方程 271

（二）应变分析 272

1.无限小应变理论 272

2.旋转张量 274

3.应变张量 275

4.应变二次曲面 276

5.体积膨胀 276

6.连续方程 276

（三）广义虎克定律 278

1.非各向同性的完全弹性体的应力-应变关系 278

2.各向同性的完全弹性体的应力-应变关系 278

3.用位移表示的运动方程 280

4.几种完全弹性物质 281

5.杨氏模量和泊松比 281

6.完全弹性体的能量 282

7.等温和绝热弹性系数 284

（四）地球介质的非完全弹性 286

1.偏应力和偏应变 286

2.完全弹性体 286

3.粘滞体 287

4.完全塑性体 287

5.宾干姆(D. K. Bingham) 体 288

6.粘弹性体 288

7.弹滞性体 289

8.一般的线性体 290

9.固体的强度 291

10.固体和流体 292

（五）波动方程及其基本解 292

1.体膨胀和旋转量所满足的波动方程 292

2.直角坐标下的波动方程 293

3.柱坐标下的波动方程 294

4.球极坐标下的波动方程 295

（六）地球介质的品质因子 296

二、地震射线理论 298

（一）费马原理 298

1.费马原理 298

2.射线方程 298

3.球对称情形下的地震射线 299

4.特征函数和惠更斯原理 300

5.波动方程向射线方程的过渡 303

6.斯内尔（Snell）定律 306

（二）层状介质中的地震射线 307

1.走时方程 307

2.射线的曲率 308

3.地震波在单个水平层中的走时 308

4.多层介质中地震首波的走时 310

（三）地震射线在斜界面的折射和反射 310

1.首波 310

2.反射波 311

（四）球对称介质中的地震射线 312

1.射线参数 312

2.本多夫（Benndorf）定律 313

3.射线的走时 313

4.射线的曲率 314

5.地球内部的速度异常区对地震射线的影响 316

6.震相 316

7.走时曲线和震源位置的确定 318

（五）地球内部的地震波速度分布 318

1.古登堡（Gutenberg ）方法 318

2.赫格洛兹-维歇特-贝特曼方法 320

3.数值结果 321

三、地震波的反射和折射 321

（一）平面波在自由表面的反射 321

1.平面波 321

2.P波入射到自由表面 323

3.位移的反射系数和位移位的反射系数的关系 324

4.视出射角 325

5.SV波入射到自由表面 325

6.SH波入射到自由表面 326

（二）平面波在两种介质分界面上的反射和折射 327

1.SH波的反射和折射 327

2.P波和SV平面波的反射和折射 328

3.能量的分配 330

四、地震面波 332

（一）瑞雷（Rayleigh）波 332

（二）勒夫（Love）波 334

（三）频散方程的相长干涉解释 336

（四）面波的频散 337

1.波的频散·相速度和群速度 337

2.爱里（G. B. Airy）震相 341

3.面波的频数 342

4.确定相速度和群速度的原理 343

第十章 地球的振荡 347

一、地球振荡的理论 347

（一）基本方程 347

（二）边界条件 350

（三）运动方程的解 351

（四）环型振荡和球型振荡 354

（五）地球的振荡和地震面波 356

二、地球的自由振荡的观测 357

三、地球自转和扁率对地球振荡的影响 360

（一）地球自转的效应 360

（二）地球扁率的效应 363

四、地球自由振荡的应用 364

（一）地球模式 364

（二）地球的非完全弹性 366

（三）地震的震源机制 368

第十一章 地震位错和震源物理 369

一、地震断层和震源区的应力状态 369

（一）地震的直接成因·弹性回跳理论 369

（二）断层面解 369

（三）震源区的应力状态 371

二、地震位错 373

（一）位错 373

（二）弹性动力学位错理论 373

1.集中力引起的位移 373

2.位移表示定理 374

3.索米扬那（Somigliana） 位错和伏尔特拉（Volterra ）位错 374

4.均匀、各向同性和完全弹性的无限介质中的位移表示式 374

5.位错谱表示式 376

6.位错元和力偶系的等效性 376

（三）剪切位错点源辐射的地震波 378

1.剪切位错点源辐射的地震波远场位移的频谱 378

2.P波和S波的辐射图型 379

3.S波的偏振 380

三、破裂过程和震源参数 381

（一）有限移动源 381

1.单侧破裂 381

2.双侧破裂 384

（二）震源参数 385

1.点源的参数 385

2.运动学参数 385

3.静力学参数 385

4.动力学参数 389

四、震源物理 389

（一）地震前兆 389

1.地震预报 389

2.确定性的地震前兆 390

（二）震源物理 401

1.概述 401

2.震源物理实验研究 402

3.震源物理理论 407

第十二章 地球内部构造 413

一、地球的表面形态和内部的主要分层 413

二、地壳、地幔和地核 415

（一）研究地壳的地震方法 415

（二）大陆和海洋下面的地壳 416

（三）上地幔和低速层 420

（四）地核 422

三、地球内部的物质组成 423

四、地球的密度 426

（一）经典的地球密度分布规律 427

1.勒让德-拉普拉斯定律 427

2.若氏（E. Roch）， 李普希次（R. O. Lipschitz）和雷维（M. Levy）的定律 428

3.达尔文（G. H. Darwin, 1884）定律 430

4.维歇特（E. Wiechert, 1897）定律 430

（二）布伦的方法 431

（三）地球的自由振荡 433

1.横波的模式与地核半径 433

2.基线问题 434

3.反演问题和密度分布的争论 434

五、状态方程 435

（一）伯奇-莫尔那汗状态方程 435

（二）球层的均匀性 436

（三）速度与密度的关系 438

六、地球的非弹性 440

（一）地球介质的品质因子Q 440

（二）瑞雷面波的Q值 443

（三）几种线性体的Q值 444

（四）能量消耗的机制 445

（五）Q值的测定 446