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《海洋地球物理: 理论与方法》（张健等编著. 北京: 科学出版社，2020. 6）是《海洋地球物理丛书》的第一册, 由张健担任本书主编本书被列为中国科学院大学海洋地球物理教研室指定的海洋地质、海洋地球物理、大气海洋等相关专业研究生的通用教材, 在中国科学院大学“海洋地球物理与海底构造学” “ 海洋地球物理探测” “海洋地球物理: 理论与实践” “海沟系统前世今生” “海洋地球物理数据处理方法” 等课程讲义基础上, 以《海底构造与地球物理学》(2014 年)、《海洋地球物理探测》(2017 年) 为蓝本, 提炼总结近5 年的教学实践和教学经验, 按照教科书体例编著完成
^+ T- ]0 ]' W( F; `7 m' Y# Z 《海洋地球物理丛书
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》编写的初衷是专门为中国科学院大学海洋地球物理教研室海洋地质、海洋地球物理、大气海洋等相关专业研究生编写的通用教材本丛书由中国科学院各相关研究所长期从事海洋地球物理理论与探测研究的核心团队集体撰写,反映了海洋地球物理学研究领域的最新进展, 主要服务于中国科学院大学相关专业研究生的教学, 也可作为高等学校海洋地质、海洋地球物理、大气海洋等专业高年级本科生和研究生教材, 是相关高校和科研院所的科技工作者从事海底资源开发、海洋空间利用和科学探索的重要工具书 ( h# t2 Z5 K1 E8 `( i9 g1 d7 ]. [! k
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海洋地球物理是海洋科学中一门重要的分支学科, 海洋地球物理的理论与方法为海洋地质、海洋化学、海洋环境、大气海洋、石油工程等学科提供了支撑海洋地球物理科学技术是国家海洋高科技实力的具体体现, 也是建设海洋强国的重要组成部分
+ f7 m6 L' F% g0 u: U6 F 海洋地球物理及其研究对象 9 k u+ `4 |6 Z0 S" G3 p, o/ W2 q
海洋地球物理学将很多相关的学科联系在一起，是物理学、地球科学、海洋科学、化学与生物科学及技术领域相互促进的结果，很难将其所涉及的内容在一本书中介绍清楚。本书没有关注与海洋地球物理相关的大气层和海水层，而是把重点放在海水之下与固体地球有关的地学研究。 ! P+ ^6 S5 G# ~, S$ Z7 ?/ G
& e; q% G4 |8 j& J 理论数学和理论物理是海洋地球物理学研究引力场、温度场、弹性波场、电磁场的基础，求解数学物理方程是海洋地球物理学研究的主要内容之一。为提高方程求解的计算效率，海洋地球物理研究者开展了一系列有关计算方面的研究。 2 P; H2 ?/ J( B6 p+ u4 H9 {7 z
然而，许多时候，地球物理学的计算与地质学的观测会出现矛盾。一个著名的例子——19 世纪最有影响的英国物理学家开尔文(Kelvin) 利用傅里叶(Fourier) 热传导理论计算地球演化和结构产生的争论。按照拉普拉斯(Laplace) 的星云假说，行星普遍是伴随着恒星的诞生而形成的，原始太阳是一个高热旋转气云团，云团收缩冷却，热量释放，这与板块构造之前的地质学理论非常相似。按照早期的地质学理论，地球是一个热流体球冷却形成的，球的外层最先固化，由于固体地壳没有内部流体收缩快，地壳必须发生褶皱来匹配内核收缩，这可以解释地表山脉形成等特征。开尔文利用傅里叶热传导理论，采用冷却模型计算出地球从热流体状态冷却到现在只需要20 ~100Ma，远小于地质学家猜想的数百个百万年。直到板块构造说出现，这些矛盾才得以解决。 5 y# [6 j* t. }* n1 d0 O: |- N
尽管地球物理学家的计算常常由于边值条件而出现错误，但地质学家仍以地球物理方法为最信赖的手段，并依靠地球物理方法建立了海底构造演化的地磁极性年表、壳-幔-核的地震学结构。 ; p# B G7 b. d
地磁学为研究地球内部属性提供了最初线索。英国物理学家威廉·吉尔伯特(William Gilbert) 认为罗盘是由地球内部磁力控制的，并采用球形磁铁矿来模拟地球磁场。为了解释地磁场的西向漂移，英国天文学家埃德蒙·哈雷(Edmond Halley) 提出地磁场源于地核，地核与地壳之间被流体隔开且都向东旋转，但地核旋转速度比地壳稍慢，因此地磁场相对地壳向西漂移。1820 ~ 1831 年，丹麦物理学家奥斯特(Oersted) 和英国物理学家、化学家法拉第(Faraday) 的电磁感应实验，根据该实验结果，爱尔兰数学家、物理学家拉莫尔(Larmor) 在1919 年提出地球磁场“自激发电” 模式。1946 年，德裔美国物理学家Walter M Elsasser 发现，地核环形场可以由磁偶极子场产生，“自激发电” 过程可以被流动液体的诱导效应维持，进而可以解释地球磁场的主要特征(包括其长期变化)。进一步地，英国地球物理学家Edward Crisp Bullard 在Elsasser 理论基础上，提出地球的整个偶极磁场能够自发性(或由外界影响) 衰减到零，然后在相反方向自我重建，被称为Elsasser-Bullard 理论。该理论在磁场倒转模式、海底扩张与地磁极性年表的建立中发挥了关键性作用。
9 m' l8 m3 Y9 Q$ k# o Elsasser-Bullard 理论需要依赖地震学对地壳及地球内部整体结构的推论，尤其是地震学证据推导出的地核流动性与地磁发电机之间的联系。1889 年，德国物理学家Ernst von Rebeur-Paschwitz 制造的测量地球表面运动的钟摆仪，第一次探测到穿过地球内部的来自日本的地震脉冲，从此为研究地球内部结构提供了一种新方法。 ; e. J9 r7 p# a: M6 `' z
爱尔兰地质学家Oldham 是第一批利用地震波传播路径分析地球内部结构的科学家。1902 年，Oldham 分析危地马拉地震波在地球内部的传播路径时发现，地震波到达地球一定深度时会以一定角度改变传播方向，地震波以不同角度弯曲进入地核，然后再弯曲离开，形成所谓的地震波“阴影区”，并由此推测，地球存在一个大的中央地核，地震波在地核中传播的速度明显低于在周围物质中传播的速度。1912 年，德裔美国地震学家Beno Gutenberg 进一步分析确认2900km 深处地震波速度急剧减少30%以上，此深度地震波速度界面称为Gutenberg 不连续面，是地幔和地核的分界面。与此同时，克罗地亚地球物理学家Andrija Mohorovicic 在海底之下约5km 深度和大陆表面之下约50km 深处发现一个较小但明显的地震波速度变化，称为Mohorovicic 不连续面(莫霍面)，是地壳与地幔的分界面。1925 年，地震学家已经普遍认识到，没有观测到S 波(横波或剪切波) 穿过地核，暗示地核是液体的。1936 年，丹麦地震学家Inge Lehmann 分析地震波时发现，地震波经过地球中心附近时，波速发生了一个小的跳跃，为此她提出地球内部存在一个半径大约为1400km 的内核。直到今天，地震学仍然是研究地球内部结构的主要方法(Aki et al. ，1977)。
+ X/ E K2 S1 J$ D( I- S9 v4 J 任何有关地球结构和状态的分析都会涉及地球内部流动的假设。在板块构造说出现之前，地球内部流变学假设曾引起物理学的广泛争论。Kelvin 认为整个地球是固态的，地球内部尤其接近地表的浅部不可能存在流变体，否则潮汐力就可能打碎地壳。但地质学家坚持认为地壳下面应该有薄的流体或塑性层，这样才能解释造山运动、火山作用和地壳运动。
6 ^+ D/ \! ^1 G/ _4 n. Q6 u 1924 年，英国著名地球物理学家、应用数学家Harold Jeffreys 针对Alfred Wegener 提出的大陆漂移说，定量计算了极移力和潮汐力，证明硅镁层不能流动，大陆漂移说提出的驱动力不足以推动大陆在硅镁层上运动。1926 年，Jeffreys 通过地震波速精确测出地幔的刚度，提供了地核一定存在液态物质的决定性证据，但他仍然认为地幔是固态，一直向下到2900km 深处都满足Kelvin 的计算结果。尽管Jeffreys 在物理学、应用数学方面(如基于地震波速的地球圈层结构分析、基于贝叶斯方法重建统计理论等) 有许多重大贡献，是一个伟大的地球物理学家和应用数学家，但他始终是板块构造说的主要批评家。
" e( v, g \! y+ R! m o 数学和物理学在地球科学中占有举足轻重的地位，尽管Kelvin 关于地球年龄的热物理学计算结论和Jeffreys 关于地幔流变计算的结论不合理，但是地质学家仍然相信地球物理证据比地质证据更可靠。
2 a5 P2 E# G* D3 a M: w 1928 年，英国地球物理学家Arthur Holmes 认为地球内部的放射性矿物能够产生足够的热量以致在地幔中产生对流流体，这些对流流体能够抬升地壳并像一个传递带一样推动大陆运动(Holmes，1931)。1952 年，英国地球物理学家Patrick Maynard Stuart Blackett 制造出灵敏的无定向磁力计来测量岩石剩磁方向，最终得到关于大陆漂移实质性的物理学证据。之后，英国古地磁学家Stanley Keith Runcorn 测定了北美和欧洲的岩石剩磁极移路径，证明美洲和欧洲曾经连在一起然后漂移分开(Runcorn，1962)。1960 年，美国地球物理学家Harry Hess 综合了洋脊型地震和热流数据，认为地幔存在大规模的对流，提出海底扩张假说(Hess，1965)。1963 年，Vine 和Matthews 提出，海底磁异常条带是地幔物质通过洋脊上涌并冷却的产物，离洋脊远的海底部分保留了早期地磁场记录，离洋脊近的海底部分则保留了晚期信息。
( [. U: {/ K: W# u$ H 1964 年之后，许多科学家独立或合作研究，将所有能够解释大陆漂移、地震带与地热带的地理分布、海底扩张与磁异常条带的成果归结为板块构造理论。迄今为止，板块构造理论仍然在指导我们不断推进对海底构造及演化历史的认识。 ! I6 c* T" q0 @0 l& Y
依据板块构造理论，海洋地球物理学研究能够超前预测大地震，更好地理解地幔结构和动力学机制，获得海洋沉积矿产和石油资源的位置，或许将来还能够为驱动板块运动的与对流有关的海洋地热能的开发利用提供指导。
A5 |6 |9 T/ \/ i# W0 D 海洋地球物理学研究是海洋科学研究领域的重要组成部分，其主要任务是: 针对海洋过程及其资源、环境效应，利用物理学原理和数学计算方法，观测与提取海底地质构造、结构及演化信息，研究岛弧-洋中脊系统、板块汇聚过程与俯冲带动力学、洋陆过渡带及边缘海盆结构构造形成演化、海洋沉积地层与矿产资源类型等。
8 F/ B) [' a1 |" C6 d2 u2 j o 虽然海洋地球物理学在海洋科学研究领域不断发展和突破，但在某些重要方面仍处于探索阶段，一些前沿研究迄今还无定论，如海水层的电磁效应、海底莫霍面与居里面的动力学关系、俯冲起始的物理条件、洋陆软流层的深度与温度差异成因机制、上下地幔分界相变对俯冲活动的影响等，需要海洋地球物理学家通过观测和计算，不断提供物理学证据，确认和预测新理论。 5 o8 Q7 t1 `" C" }( n
本书内容包括海洋地球物理基本理论、海洋地球物理数学分析以及海洋地球物理调查方法三个部分。 ( z, g+ I/ k \7 r Z- B/ w) i+ M
按照中国科学院大学专业课“海洋地球物理: 理论与实践” 教学大纲, 遵循少而精的原则, 本书对海洋地球物理相关内容进行精简和调整书中系统阐述海洋地球物理重、热、震、电磁场的物理理论, 海洋地球物理数据处理、综合解释的数学原理,海洋地球物理探测资料采集基本方法、仪器设备等方面的技术要求根据近年来的发展趋势, 作者充实了中国科学院等各研究单位在海洋地球物理领域的最新进展, 使本书更贴近前沿本书中列有若干例题或习题, 可以培养学生发现问题、解决问题的能力
1 W4 D A$ l7 K 当前, 海洋地球物理在某些重要方面仍处于探索阶段, 在我国实现海洋强国的道路上, 中国科学院海洋地球物理专业的研究生任重道远, 必须努力学习物理、数学理论, 牢牢掌握海洋地球物理科学相关基本知识、基本技能, 在加快建设海洋强国、大力推进海洋强国建设的路上, 勇攀科学高峰
3 K) H; Q3 N! D$ ~. u, [' j 本文摘编自《海洋地球物理: 理论与方法》（张健等编著. 北京: 科学出版社，2020. 6）一书“前言”“第1 章 绪论”，有删减修改，标题为编者所加。
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(海洋地球物理丛书/ 吴时国，张健，郝天珧 主编)
0 q* H9 n1 ~1 j# S0 R* ^' @# F ISBN 978-7-03-064969-0 7 P8 u9 E4 H% q
责任编辑: 周杰 王勤勤
. {. U5 F' J* A3 J 本书是一本系统介绍海洋地球物理理论及其实际应用方法的专著。全书共4 章，第1 章全面介绍海洋地球物理的学科定位与体系，回顾其发展历程，展望其未来趋势。第2 章为海洋地球物理基本理论部分，系统介绍海洋地球物理场的基本理论、物理本质与几何表示。第3 章为海洋地球物理数据分析部分，重点介绍数据与计算方法、积分变换与谱分析方法、反演解释方法。第4 章为应用部分，详细介绍海底浅层结构探测、海底热流探测、海洋重磁与地震探测的技术要求、仪器设备、工作方法、资料整理与地质解释。 1 D6 L5 F9 o5 U3 ] `
本书由中国科学院大学海洋地质教研室核心授课团队撰写，资料翔实，论据充分，反映出海洋地球物理理论及应用研究的最新进展。本书可作为高等学校海洋地质、海洋地球物理、大气海洋等专业高年级本科生和研究生教材，也可供其他专业研究人员和工程技术人员参考。
/ y+ \; R, v$ R （本文编辑：刘四旦）
- _+ q/ i# O: F- w* Z- k 地球为你而转！
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