ГРАВИТАЦИОННОЕ ПОЛЕ И АНОМАЛИИ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ В ЛИТОСФЕРЕ

Поле тяжести или гравитационное поле Земли, в своей основе, создается массой Земли как планеты, которая по отношению к литосфере выступает как целое к части. Сжимающий эффект поля направлен по радиусам от поверхности Земли к ее центру.

Важнейшая роль гравитационного поля состояла в том, что оно определяло гравитационную дифференциацию вещества. В результате, плотная и тяжелая масса перемещалась вниз, а легкая - поднималась к поверхности Земли. Этот процесс сопровождался выделением энергии. По расчетам Фер- хугена и др. (1974), количество гравитационной энергии, превращающейся в теплоту, достигло 4*10 эрг/г. Этой энергии было бы достаточно, чтобы обратить Землю в пар, что накладывает определенные ограничения на скорость гравитационной дифференциации ее вещества, а, следовательно, на путь и скорость образования Земли как планеты. В связи с этим встает вопрос о постоянстве гравитационного поля Земли во времени и пространстве. В настоящее время на эту тему высказан ряд гипотетических предположений. Так, П. Дирак (1938) и Р. X. Дикке (1962) являются авторами идеи уменьшения гравитационной постоянной в связи с расширением вселенной. Л. Эдьед (1957) допускал, что первичное вещество Земли находилось в сверхплотном состоянии, и уменьшение гравитационной постоянной связано с разуплотнением протовещества Земли. Идею об изменении гравитационной постоянной в связи с пространственным положением Земли высказал Г.П. Тар- мазян (1967).
Колебание массы Земли Н.А. Лавров связывает с изменением скорости движения солнечной системы от 250 км/с в перигалактии до 207 км/с в апогалактии и оценивает это изменение на 2,55*10'7 начальной массы, что приводит то к увеличению, то к уменьшению силы тяжести на поверхности планеты. В общем виде предположение об изменении гравитационной постоянной противоречит принципу эквивалентности и постоянству скорости света, да и всей теории относительности Эйнштейна. Поэтому постоянство гравитационного поля Зем
ли, фиксируемое гравитационной постоянной, рассчитанной с точностью до (6,6742 ± 0,0031) -10 11 м3/с2 • кг, мы принимаем эмпирический факт для последних четырех млрд, лет истории Земли как планеты.
Одним из основных свойств гравитационного поля является одинаковость ускорения тел в поле данной напряженности вне зависимости от их массы, т.е. когда инертная и тяжелая масса неотличимы, как говорят, эквивалентны, а именно: mi = mg.
В соответствие с основным законом гравитационного взаимодействия масс, значительное изменение гравитационного ускорения наблюдается в радиальном направлении от поверхности Земли к ее центру. По данным В.Н. Жаркова и др. (1971), уже на глубине 33 км ускорение равно 984 см/с2 . На глубине 2060 км оно достигает - 1002 см/с2. Максимальное значение ускорения - 1076 см/с2 наблюдается на глубине 2920 км, после чего начинает быстро падать и в центре Земли равно нулю. Из этого следует, что гравитационная дифференциация достигает своего максимального напряжения на границе Гуттенберга, которая разделяет нижнюю мантию и ядро Земли.
Латерально-сферическое распределение ускорений силы тяжести на поверхности Земли определяется ее фигурой, вращением вокруг своей оси и распределением масс в теле Земли. Нормальная сила тяжести на поверхности Земли рассчитывается по отношению к сфероиду, под которым понимают эллипсоид вращения, близкий к фигуре Земли, в которой все массы, равные реальной Земле, распределены концентрически однородно, а эквипотенциальная поверхность совпадает со средним уровнем моря.
Впервые характеристику нормального поля силы тяжести рассчитал французский математик А. Клеро (1743), который показал, что ускорение силы тяжести на поверхности земного сфероида изменяется как функция широты по простому закону:

где: f - широта местности;
g - ускорение силы тяжести на экваторе;

где; а - сжатие, а

Таблица 10
Некоторые параметры сфероида Красовского

Индекс параметра	Параметр	Численное значение
а	Большая полуось	6378245 м
b	Малая полуось	6356863 м
ос	Сжатие Земли	1/298.8
ge	Ускорение силы тяжести на экваторе	978,045 мГал
W	Угловая скорость	7,29211/6/ 10-5с*1
g	Отношение центробежной силы к ускорению силы тяжести на экваторе	3,4676 10-3

представляет отношение центробежной силы к силе тяжести на экваторе;
w - угловая скорость вращения Земли;
а - ее большая полуось.
Следовательно, точность определения ускорения силы тяжести будет зависеть от точности параметров сфероида, принятых для расчета.

В Советском Союзе в 1946 г. за основу расчета были приняты параметры сфероида Ф.Н. Красовского (табл. 10).
Наблюдение орбит искусственных спутников дают уточненные параметры сфероида. В том числе величину сжатия - 1/298.25, средний экваториальный радиус Земли - 6378160 км и полярный радиус - 6 356 775 км.
В 1967 году результаты гравиметрических съемок, выведенные из наблюдений за движением спутников, приняты в качестве международного стандарта. С учетом этих данных формула нормальной силы тяжести по Ф. Стейси (1972) принимает вид: g = (978,03090 + 5,18552 sin2f - 0,00570 sin22f) см/с2.
Приведенные расчеты описывают ускорение силы тяжести на поверхности сфероида (g0). Эта теоретическая величина, известная как нормальная сила тяжести, является основой при всех гравиметрических расчетах. Измеренная сила тяжести на местности А не равна g0, так как точка А расположена не на сфероиде, а выше, над ним. За основание превышения h берется поверхность геоида, которая является поверхностью, имеющей важный физический смысл, поскольку он характеризует средний реальный уровень моря.
Поправка, называемая поправкой за свободный воздух, равна

Пренебрегая ничтожно малой величиной

получим

что приблизительно равно 0,31 мГал на
метр превышения. Аномалии, рассчитанные с указанной поправкой, получили название аномалий Фая.
Аномалии в редукции Фая на поверхности планеты сильно дифференцированы, так как зависят от локальных форм рельефа дневной поверхности, но на многих участках осредненное их значение приближается к нулю. Максимального значения на Земле (по данным Козленко и др., 1978) аномалии в свободном воздухе достигают на горе Джомолунгма (+276 мГал), минимального - над желобом Пуэрто-Рико (-350 мГал). Платформы материков и глубоководные океанические котловины характеризуются близкими к нулю аномалиями Фая. Над срединно-океаническими хребтами они повышаются до + (20 - 40) мГал. Горные хребты материков, сводовые поднятия в океанах, цепи подводных вулканических гор отличаются интенсивными аномалиями Фая, + (100 - 276) мГал, в то время как глубоководные желоба и впадины характеризуются отрицательной аномалией Фая - (100 - 350) мГал. Аномалии Фая мало что дают для познания внутренней структуры литосферы, но в большинстве случаев хорошо отражают запасы гравитационной энергии географической оболочки и незаслуженно мало используются географами при изучении процессов денудации.
Другая поправка к нормальному полю силы тяжести, учитывающая массы, расположенные между поверхностью сфероида и точкой наблюдений, носит название редукции Буге. Значение редукции Буге приблизительно можно рассчитать по формуле:

где: РБ_ редукция Буге;
ga - сила тяжести в точке наблюдения; h - расстояние между поверхностью геоида и точкой наблюдений;
G - гравитационная постоянная; р - плотность породы;
g0 - нормальное значение силы тяжести на данной широте.
Аномалии в редукции Буге в значительной степени противоположны аномалиям Фая, так как они исключают влияние
масс, расположенных выше поверхности геоида. В соответствие с этим горные хребты в большинстве случаев в редукции Буге характеризуются отрицательными значениями аномалии Буге от - 100 до - 556 мГал. На платформенных равнинах аномалия Буге колеблется от +50 до -100 мГал. Структура гравитационного поля дна морей и океанов в редукции Буге по характеру расчлененности мало уступает полю суши, но отличается преобладанием положительных аномалий. В глубоководных желобах от +200 до +548 мГал. В рифтовых зонах она меньше от +180 до +350 мГал. Большой амплитудой аномалий Буге характеризуются внутренние моря от -100 до +400 мГал.
Аномалии Фая и Буге дают представление о региональных колебаниях силы тяжести на поверхности Земли. Их величина контролируется соотношением глубинных тектонических процессов, географическим перераспределением масс и изо- стазией.
Наличие крупных, планетарного масштаба, неоднородностей гравитационного поля неожиданно было обнаружено при наблюдении за движением искусственных спутников Земли. Эти планетарные отклонения аномалий силы тяжести от сферической симметрии Земли, преимущественно меридионального направления порождаются глубинными структурами мантии. В линейных мерах по данным Гапошкина (1974), положительные аномалии достигают 70 м и отрицательные до -100 м. Какую информацию несут нам эти данные сказать трудно. В.Г. Козленко и др. (1978) предположили, что планетарные аномалии отражают тепловую неоднородность мантии. По их данным, в интервале глубин 350-450 км увеличение температуры на 11° и соответствующее погружение на 2 км способно уменьшить напряжение гравитационного поля на 12 мГал. Среди других причин глубинных планетарных аномалий авторы называют диссипацию' приливной энергии, гравитационную и тепловую конвекцию, фазовые переходы, а также наличие реликтовых структур, или зарождающихся очагов будущей перестройки земной коры.

<< | >>

↑

Источник: Гришанков Г. Е.. Литосфера: структура, функционирование, эволюция.. 2008

Еще по теме ГРАВИТАЦИОННОЕ ПОЛЕ И АНОМАЛИИ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ В ЛИТОСФЕРЕ:

- География - Землеведение - История Земли -