固体地球物理学概论第四章-01.ppt

第四章 重力学与地球形状 重力，即地球引力，它是物质万有引力的一种体现。 重力方法是一种重要地球物理方法，主要用来直接计算和确定地球内部的密度分布，同时对地球形状 的确定具有重要意义。 §4.1地球重力场的基本特征 1、重力 一切物体都有重量，重量是物体受重力作用的结果，这是人们最为熟悉的一种物理现象。 重力场：存在重力作用的空间称为重力场。 地球重力场：地球内部(地心处除外)、表面及附近空间存在重力作用的范围称为地球重力场。 当不考虑其它天体对地球的作用时，重力g的形成是由两部分组成： 即整个地球质量对地表物体产生的引力 F和因地球自转而产生的惯性离心力C的 矢量和。 由牛顿万有引力定律，所有物体所受的万有引力为： 物体所受惯性离心力 其中G为万有引力常数，根据实验，其数值近似为6.67×10－11 m3 /(kg·s 2 ）。 ω为地球的自转角速度； r为A点到地球自转轴的垂直距离。 为了简单化，常把单位质量所受到的重力——重力场表示为重力，其中 2重力加速度 当物体仅受到重力作用时，就会自由下落，下落的加速度就称为重力加速度g ，即 P＝ mg m 为物体的质量，P也就是人们常说的物体的重量。 为方便比较重力场中各点重力值的大小，总是采用单位质量在重力场中所受的重力大小来度量，这即是场论中的重力场强度 P／m＝g 该式表明：重力场强度与重力加速度无论在数值上还是单位的量纲上都是相同的。 通常所说的重力，实际上是指单位质量所受的力，在数值上等于重力加速度。 3、重力单位 衡量重力大小的单位有两个系统，一个是高斯制（CGSM)，另一个是国际制（SI）。 历史上使用的是C.G.S.制，它是为了纪念第一个测定重力加速度值的意大利著名物理学家伽利略(G.Galieo)，取1cm/s２作为重力的一个单位，称作“伽”(Gal)， 实用中是取它的 千分之一即“毫伽”作常用单位。 近二十年来随着高精度重力测量，特别是在水文、工程、 环境勘查中微重力测量的迅速发展与研究，又使用毫伽的千分之一作单位，称为“微伽”， 它们可表示为 它们与法定计量单位制中的m／s2（米／秒2）有如下换算关系： 1Gal＝1cm／ s2 1mGal＝10－5 m／ s2 1μGal＝10－8 m／ s2 规定 1m／s2的10－6 为国际通用重力单位（grative unit），简写称g.u.,即 1m／s2＝106 g.u. 1Gal = 104 g.u. 1mGal＝ 10 g.u. 目前，最好的重力仪测量精度可达到微伽级。 4重力的变化 重力加速度并不是一个恒量，在空间上和时间上都存在着一定的变化，只是这种变化相对重力全值(约9.8m/s２)来说太小了，因而需要专门设计的仪器—重力仪才能可靠地测量出这些变化来。 就空间而言，造成重力变化的原因有： 第一，地球的形状——扁椭球体引力 地球本身并不是一个正圆球体 ，而是一个近于两极压扁的扁球体，因而地心到地表的距离并不处处一样； 第二，地球自转——惯性离心力 地球在不停地绕自转轴旋转，因而不同纬度处的回转半径也不同； 第三，地球表面起伏不平，形态复杂；第四，地球内部物质密度分布不均匀； 在漫长的地球演化史中，长期的地质构造运动与岩浆活动等，造成自地表直至上地幔内物质密度分布的不均匀。 第五，太阳与月球的引力 从时间上来说，由于太阳、月亮与地球之间的相对位置存在一定周期的变化，造成海洋潮汐及固体地球的弹性形变等一系列地球物理现象。 这种由于太 阳、月亮对地球引力的变化使固体地球形变而造成地表同一点出现重力随时间的微小变化， 就称为重力固体潮，其变化幅度约2－3g.u.，因而在高精度重力测量中必须考虑这一因素的 影响。 重力勘查无论是研究构造还是寻找各种矿产资源以及近年来在水、工、环中的应用与研究， 都是利用地下物质密度分布不均匀这一点所引起的重力微小变化来达到其目的，因而其它因素的影响就被当作干扰而要引入相应的校正予以消除。 5、重力测量的基本原理 从原则上说，凡是与重力有关的物理现象，如物体的自由降落、摆的摆动、弹簧在重物作用下的伸长等，都可以用来测量重力值，把它们归结起来可以分两个方面，即重力绝对值的测定和重力相对值的测定。 重力勘探所采用的是相对值的测定。 在相对重力测量中，为了获得某一点的重力值，必须有一个点的绝对重力值是已知的，作为相对测量的起始点。 世界上公认的起始点位于德国波茨坦，称为波茨坦重力基点。（1906年） 其重力值为