Гравитационная аномалия в определенном месте на поверхности Земли — это разница между наблюдаемым значением силы тяжести и значением, предсказанным теоретической моделью. Если бы Земля была идеальным сплющенным сфероидом однородной плотности, то сила тяжести, измеренная в каждой точке ее поверхности, была бы точно задана простым алгебраическим выражением. Однако Земля имеет неровную поверхность и неоднородный состав, что искажает ее гравитационное поле. Теоретическое значение силы тяжести можно скорректировать с учетом высоты и влияния близлежащего рельефа, но оно обычно все равно немного отличается от измеренного значения. Эта гравитационная аномалия может выявить наличие подповерхностных структур необычной плотности. Например, масса плотной руды под поверхностью даст положительную аномалию из-за повышенного гравитационного притяжения руды.
Различные теоретические модели предсказывают различные значения силы тяжести, поэтому аномалия силы тяжести всегда указывается со ссылкой на определенную модель. Аномалии силы тяжести Буге , свободного воздуха и изостатические аномалии силы тяжести основаны на различных теоретических поправках к значению силы тяжести.
Гравитационная съемка проводится путем измерения аномалии силы тяжести во многих местах в интересующем регионе с использованием портативного прибора, называемого гравиметром . Тщательный анализ данных о силе тяжести позволяет геологам делать выводы о геологии недр.
Гравитационная аномалия — это разница между наблюдаемым ускорением объекта при свободном падении ( гравитацией ) вблизи поверхности планеты и соответствующим значением, предсказанным моделью гравитационного поля планеты . [1] Обычно модель основана на упрощающих предположениях , например, что под действием собственной гравитации и вращательного движения планета принимает форму эллипсоида вращения . [2] Гравитация на поверхности этого референц-эллипсоида затем задается простой формулой, которая содержит только широту . Для Земли референц-эллипсоидом является Международный референц-эллипсоид , а значение гравитации, предсказанное для точек на эллипсоиде, — это нормальная гравитация , g n . [3]
Гравитационные аномалии были впервые обнаружены в 1672 году, когда французский астроном Жан Рише основал обсерваторию на острове Кайенна . Рише был оснащен высокоточными маятниковыми часами, которые были тщательно откалиброваны в Париже перед его отъездом. Однако он обнаружил, что часы в Кайенне шли слишком медленно по сравнению с видимым движением звезд. Пятнадцать лет спустя Исаак Ньютон использовал свою недавно сформулированную универсальную теорию гравитации, чтобы объяснить аномалию. Ньютон показал, что на измеренное значение гравитации влияло вращение Земли, из-за чего экватор Земли слегка выпирал относительно ее полюсов. Кайенна, находясь ближе к экватору, чем Париж, была бы и дальше от центра Земли (немного уменьшая объемное гравитационное притяжение Земли), и подвергалась бы более сильному центробежному ускорению от вращения Земли. Оба эти эффекта уменьшают значение гравитации, объясняя, почему маятниковые часы Ричера, которые зависели от значения гравитации, шли слишком медленно. Исправление этих эффектов устранило большую часть этой аномалии. [4]
Чтобы понять природу гравитационной аномалии, вызванной подповерхностью, необходимо внести ряд поправок в измеренное значение силы тяжести. Различные теоретические модели будут включать различные поправки к значению силы тяжести, и поэтому аномалия силы тяжести всегда указывается со ссылкой на конкретную модель. Аномалии Буге , свободного воздуха и изостатические гравитационные аномалии основаны на различных теоретических поправках к значению силы тяжести. [5]
Начальной точкой для модельного поля является Международный референтный эллипсоид, который дает нормальную гравитацию g n для каждой точки на идеализированной форме Земли. Дальнейшие уточнения модельного поля обычно выражаются как поправки, добавленные к измеренной гравитации или (что эквивалентно) вычтенные из нормальной гравитации. Как минимум, они включают приливную поправку △ g tid , поправку на рельеф △ g T и поправку на свободный воздух △ g FA . Другие поправки добавляются для различных гравитационных моделей. Разница между скорректированной измеренной гравитацией и нормальной гравитацией является гравитационной аномалией. [6]
Нормальная гравитация учитывает объемную гравитацию всей Земли, скорректированную на ее идеализированную форму и вращение. Она определяется формулой: где =9,780 327 м⋅с −2 ; =5,302 44 × 10 −3 ; и =−5,8 × 10 −6 . Это с точностью до 0,1 мгал на любой широте . Когда требуется большая точность, более сложная формула дает нормальную гравитацию с точностью 0,0001 мгал. [7]
Солнце и Луна создают зависящие от времени приливные силы, которые влияют на измеренное значение гравитации примерно на 0,3 мгал. Две трети этого влияния исходит от Луны. Этот эффект очень хорошо изучен и может быть точно рассчитан для заданного времени и местоположения с использованием астрофизических данных и формул, чтобы получить приливную поправку △ g tid . [8]
Локальный рельеф поверхности земли влияет на измерение силы тяжести. Как рельеф выше точки измерения, так и долины ниже точки измерения уменьшают измеренное значение силы тяжести. Это учитывается поправкой на рельеф △ g T . Поправка на рельеф рассчитывается на основе знания местной топографии и оценок плотности горных пород, составляющих возвышенность. По сути, поправка на рельеф выравнивает рельеф вокруг точки измерения. [9]
Поправка на рельеф должна быть рассчитана для каждой точки, в которой измеряется сила тяжести, принимая во внимание каждый холм или долину, разница в высоте которых от точки измерения больше, чем около 5% от расстояния до точки измерения. Это утомительно и требует много времени, но необходимо для получения значимой аномалии силы тяжести. [10]
Следующая поправка — это поправка в свободном воздухе. Она учитывает тот факт, что измерение обычно находится на другой высоте, чем референц-эллипсоид на широте и долготе измерения. Для точки измерения выше референц-эллипсоида это означает, что гравитационное притяжение основной массы Земли немного уменьшается. Поправка в свободном воздухе составляет всего 0,3086 мгал м −1 , умноженное на высоту над референц-эллипсоидом. [11]
Оставшаяся гравитационная аномалия в этой точке редукции называется аномалией свободного воздуха . То есть, аномалия свободного воздуха равна: [12]
Аномалия свободного воздуха не учитывает слой материала (после выравнивания рельефа) за пределами референц-эллипсоида. Гравитационное притяжение этого слоя или пластины учитывается поправкой на пластину Бугера, которая−0,0419 × 10 −3 ρ h мгал м 2 кг −1 . Плотность корковой породы ρ обычно принимается равной 2670 кг м 3 , поэтому поправка на пластину Бугера обычно принимается равной −0,1119 мгал м −1 h . Здесь h — высота над референц-эллипсоидом. [13]
Оставшаяся гравитационная аномалия в этой точке редукции называется аномалией Буге . То есть аномалия Буге равна: [12]
Аномалия Буге положительна над океаническими бассейнами и отрицательна над высокими континентальными областями. Это показывает, что низкая высота океанических бассейнов и высокая высота континентов компенсируется толщиной коры на глубине. Более высокая местность удерживается плавучестью более толстой коры, «плавающей» на мантии. [14]
Изостатическая аномалия определяется как аномалия Буже за вычетом гравитационной аномалии из-за подповерхностной компенсации и является мерой локального отклонения от изостатического равновесия из-за динамических процессов в вязкой мантии. В центре ровного плато она приблизительно равна аномалии свободного воздуха. [15] Изостатическая поправка зависит от изостатической модели, используемой для расчета изостатического баланса, и поэтому немного отличается для модели Эйри-Хейсканена (которая предполагает, что кора и мантия однородны по плотности, а изостатический баланс обеспечивается изменениями толщины коры), модели Пратта-Хейфорда (которая предполагает, что дно коры находится на одинаковой глубине повсюду, а изостатический баланс обеспечивается латеральными изменениями плотности коры) и модели упругой пластины Венинга-Мейнеса (которая предполагает, что кора действует как упругий лист). [16]
Прямое моделирование — это процесс вычисления подробной формы компенсации, требуемой теоретической моделью, и ее использования для исправления аномалии Буге с целью получения изостатической аномалии. [17]
Боковые вариации гравитационных аномалий связаны с аномальным распределением плотности внутри Земли. Локальные измерения гравитации Земли помогают нам понять внутреннюю структуру планеты.
Аномалия Буге над континентами, как правило, отрицательна, особенно над горными хребтами. [18] Например, типичные аномалии Буге в Центральных Альпах составляют −150 миллигал. [19] Напротив, аномалия Буге положительна над океанами. Эти аномалии отражают различную толщину земной коры. Более высокий континентальный рельеф поддерживается толстой корой с низкой плотностью, которая «плавает» на более плотной мантии, в то время как океанические бассейны покрыты гораздо более тонкой океанической корой. Аномалии свободного воздуха и изостатические аномалии невелики вблизи центров океанических бассейнов или континентальных плато, показывая, что они находятся приблизительно в изостатическом равновесии. Гравитационное притяжение высокого рельефа уравновешивается уменьшенным гравитационным притяжением его нижележащих корней с низкой плотностью. Это приводит аномалию свободного воздуха, которая опускает поправочные члены для обоих, близкой к нулю. Изостатическая аномалия включает в себя поправочные члены для обоих эффектов, что также сводит ее почти к нулю. Аномалия Буге включает только отрицательную поправку для высокого рельефа и поэтому является резко отрицательной. [18]
В более общем смысле, изостатическая аномалия Эйри равна нулю в регионах, где наблюдается полная изостатическая компенсация. Аномалия в свободном воздухе также близка к нулю, за исключением границ блоков земной коры. Аномалия Буже очень отрицательна над возвышенной местностью. Обратное верно для теоретического случая местности, которая полностью некомпенсирована: аномалия Буже равна нулю, в то время как аномалии в свободном воздухе и Эйри очень положительны. [15]
Карта аномалий Буже в Альпах показывает дополнительные особенности помимо ожидаемых глубоких корней гор. Положительная аномалия связана с телом Ивреа , клином плотной мантийной породы, захваченным древним континентальным столкновением. Низкоплотные осадки бассейна Моласса создают отрицательную аномалию. Более масштабные исследования по всему региону предоставляют доказательства реликтовой зоны субдукции. [20] Отрицательные изостатические аномалии в Швейцарии коррелируют с областями активного подъема, тогда как положительные аномалии связаны с опусканием. [21]
Над срединно-океаническими хребтами аномалии свободного воздуха невелики и коррелируют с топографией дна океана. Хребет и его склоны, по-видимому, полностью изостатически компенсированы. Существует большой положительный Буже, более 350 мгал, за пределами 1000 километров (620 миль) от оси хребта, который падает до 200 над осью. Это согласуется с сейсмическими данными и предполагает наличие магматической камеры низкой плотности под осью хребта. [22]
Вдоль островных дуг наблюдаются интенсивные изостатические и аномалии свободного воздуха . Это признаки сильных динамических эффектов в зонах субдукции. Аномалия свободного воздуха составляет около +70 мгал вдоль побережья Анд, и это приписывается субдуцирующей плотной плите. Сам желоб очень отрицательный, [23] со значениями более отрицательными, чем −250 мгал. Это возникает из-за низкой плотности океанской воды и осадков, заполняющих желоб. [24]
Гравитационные аномалии дают подсказки о других процессах, происходящих глубоко в литосфере . Например, образование и погружение литосферного корня может объяснить отрицательные изостатические аномалии в Восточном Тянь-Шане . [25] Гавайская гравитационная аномалия, по-видимому, полностью компенсируется в литосфере, а не в подлежащей эстеносфере, что противоречит объяснению гавайского подъема как продукта эстеносферного потока, связанного с подлежащей мантийной струей. Подъем может быть результатом истончения литосферы: подлежащая эстеносфера менее плотная, чем литосфера, и она поднимается, создавая вздутие. Последующее охлаждение снова утолщает литосферу, и происходит опускание. [26]
Локальные аномалии используются в прикладной геофизике . Например, локальная положительная аномалия может указывать на тело металлических руд . Соляные купола обычно отображаются на гравитационных картах как понижения, поскольку соль имеет низкую плотность по сравнению с горными породами, в которые вторгается купол. [27]
В масштабах между целыми горными хребтами и рудными телами аномалии Буге могут указывать на типы горных пород. Например, северо-восточно-юго-западный тренд через центральный Нью-Джерси представляет собой грабен триасового возраста , в основном заполненный плотными базальтами . [28]
В настоящее время статические и изменяющиеся во времени параметры гравитационного поля Земли определяются с помощью современных спутниковых миссий, таких как GOCE , CHAMP , Swarm , GRACE и GRACE-FO . [29] [30] Параметры низшей степени, включая сплюснутость Земли и движение геоцентра, лучше всего определяются с помощью спутниковой лазерной локации . [31]
Крупномасштабные гравитационные аномалии могут быть обнаружены из космоса, как побочный продукт спутниковых гравитационных миссий, например, GOCE . Эти спутниковые миссии направлены на восстановление подробной модели гравитационного поля Земли, обычно представленной в форме сферически-гармонического расширения гравитационного потенциала Земли, но также производятся альтернативные представления, такие как карты волнистости геоида или гравитационных аномалий.
Эксперимент по восстановлению гравитации и климату (GRACE) состоял из двух спутников, которые обнаружили гравитационные изменения по всей Земле. Также эти изменения можно было представить как временные вариации гравитационной аномалии. Лаборатория по восстановлению гравитации и внутреннему строению (GRAIL) также состояла из двух космических аппаратов, вращающихся вокруг Луны, которые вращались вокруг нее в течение трех лет, прежде чем сойти с орбиты в 2015 году.
