Лекция 3 Теория гравитационного поля и его изучение

Лекция 3. Теория гравитационного поля и его изучение в гравиметрии и гравиразведке Гравитационное поле Земли – это материальная среда взаимодействия механических (физических) масс, определяемая общим механическим состоянием фигуры Земли. Закон всемирного тяготения Ньютона:

Показатели гравитационного поля Если положить в формуле (1) m 1=1 и m 2 =M и принять M за массу Земли, то ускорение силы тяжести на поверхности Земли будет: , где g – векторная величина, являющаяся равнодействием сил притяжения (F), центробежной силы (Р) и небесных тел.

В гравиметрии ускорение силы тяжести сокращённо называется «силой тяжести» : gсреднее = 9, 81 м/с2, gполюс = 9, 83 м/с2, gэкватор = 9, 78 м/с2. g h в атмосфере: где h – высота, R – радиус Земли. g внутри Земли изменяется по сложной закономерности от 9, 82 м/с2 у поверхности и до 10, 68 м/с2 в основании нижней мантии на глубине 2900 км. g в ядре уменьшается на глубине 6000 м до 1, 26 м/с2, и в центре Земли до 0.

Для определения абсолютных значений g используют маятниковый метод и метод свободного падения тел. Для маятника: где Т- период колебания маятника, h – длина маятника. В гравиметрии и гравиразведке в основном используются относительные измерения ускорения силы тяжести. Определяется приращения g по отношению к какому-либо значению. Используются маятниковые приборы и гравиметры.

Изостазия Казалось бы, гравитационные аномалии на суше должны быть положительными и иметь более высокую напряжённость, чем в океанах. Однако гравитационные измерения на дневной поверхности и со спутников не подтверждают этого. Карта высот геоида показывает, что уклонения g от нормального поля не связаны с океанами и континентами. Следовательно, континентальные области изостатически скомпенсированы: материки плавают в подкоровом субстрате подобно гигантским айсбергам в полярных морях.

Концепция изостазии состоит в том, что лёгкая земная кора уравновешена на более тяжёлой мантии, притом, что верхний слой жёсткий, и нижний пластичный. Первый получил название литосфера, а второй астеносфера. Однако верхняя мантия не является жидкостью, т. к. через неё проходят поперечные волны. В то же время по масштабу времени (Т) астеносфера ведёт себя на малых Т (часы, дни) как упругое тело, а на больших Т (десятки тысяч лет) как жидкость. Таким образом, вязкость вещества астеносферы оценивается 1020 Па*с (паскаль секунда).

Модель изостазии

Гипотезы изостазии предусматривают: 1) упругую деформацию земной коры, которая показана на схеме; 2) блоковое строение Земли и погружение этих блоков в нижележащий субстрат мантии на различную глубину.

Следуя математическому языку, вытекает вывод: существование изостатического равновесия земной коры является достаточным, но отнюдь необходимым условием для закономерной связи аномалий g и мощности коры. Тем не менее, для региональных территорий эта связь существует. Если выполнить гравитационные измерения через океан, то выступы океанической коры будут характеризоваться гравитационными минимумами, впадины – максимумами. Введение изостатической поправки показывает, что территория (регион) в целом изостатически уравновешена.

Распределение гравитационного поля над поверхностью океана Из рисунка следует, что интенсивность гравитационного поля в 2, 5 -3, 0 раза больше в тех местах, где тоньше океаническая кора, т. е. в этих участках в большей мере проявляется дефект плотности нижележащего мантийного субстрата, в частности слоя поверхности Мохо. .

Таким образом, региональных существует прямая гравитационных мощностью земной коры. составляют второй уровень связь аномалий Эти с исследования детальности в гравиметрии. Третий уровень детальности связан непосредственно с гравиметрическими съёмками (наблюдениями) с целью изучения локальных геологических объектов, в частности месторождений полезных ископаемых.

Структура поля по результатам гравиразведочных съёмок редукции разная. Все измерения приводятся к Буге (разность наблюденных и теоретических полей) и предусматривают поправки за: 1) «свободный воздух» , 2) промежуточный слой, 3) рельеф. В общей и структурной геологии результаты гравиметрических наблюдений применяются для изучения тектонического районирования геосинклинальных и платформенных областей.

В геосинклинальных областях к поднятиям приурочены отрицательные аномалии g, а к впадинам – положительные. Такая закономерность связывается с историей развития земной коры вследствие инверсии геотектонических условий (перераспределение зон поднятия и опускания). В местах поднятий ранее был и сохранился изгиб границы Мохо. На платформенных областях аномалии g связаны в основном с вещественно-петрографическим составом пород. Минимальными значениями g характеризуются зоны крупных разломов, из «лёгких» пород «граниты-рапакиви» .

Вариации силы тяжести В общей структуре гравитационного поля Земли происходят периодические изменения силы тяжести. Они вызываются приближением Луны и Солнца и зависят от внутреннего строения Земли. Наиболее заметным перемещением частиц геосфер в горизонтальном направлении являются морские приливы.

Вариации силы тяжести

Согласно приведенной схеме, под влиянием сил притяжения в бо льшей мере Луны и в меньшей Солнца воды Мирового океана сгоняются к точкам Z и N (прилив), а в это время в точках А и В уровень воды Мирового океана понижается (отлив). Сферический слой Земли испытывает периодические колебания и, соответственно, ускорение силы тяжести. Во время колебаний этот слой принимает форму эллипсоида.

Вследствие суточного вращения Земли происходят приливы (отливы) с периодом 24 часа ( «солнечные сутки» ) и 24 часа 50 мин. ( «лунные сутки» ). Поэтому наблюдается два прилива и два отлива. Под действием приливообразующих сил поверхность земной коры непрерывно пульсирует: два раза в сутки поднимается и опускается. Изучение приливов и отливов в твёрдом теле Земли позволяет получить сведение о её плотности и внутреннем строении.