重力均衡和均衡异常.docx

第二节重力均衡和均衡异常
一、均衡问题的产生
经过上一节介绍的各项改正后，所得完全布格异常应当很小，即仔细消除起因于高度和可见地形影响之后的观测值，与正常值应当相差很小。但事实并非如此。在广阔的地区，布格异常显示出系统的与地形的相关性。
在山区的异常值往往是负值，并且山区地势越高，异常值下降得越严重。大约每上升1000m，要降低1～2mm/s2。而在海洋地区异常值是正的，并且海水越深，异常值上升得越厉害，大约每加深1000m，要提高2～4mm/s2。——是否是地形改正过了头?经过反复核实，所用公式和数据没有错误，所得结果也在允许的误差范围内。因此，这种高区负异常和低区正异常的现象是可以肯定的。上述异常的存在只能意味着在高山地区下面的岩石密度小于平均密度，而在海洋盆地下面的岩石密度则大于平均密度。这是一种由地下质量补偿地球表面形态原理的例证。
应该指出，这种补偿原理远在采用重力的详细测量之前，就已经提出来了。质量补偿观念的最早提出者，应是16世纪时“天才的直觉”达·芬奇。直到18世纪，即1746年布格才得出同样的结论。然而，关于山下面的质量补偿的明确概念，以及地球怎样支配如此巨大地质体的解释，直到19世纪50年代，根据在北印度大地测量资料对喜马拉雅山附近的垂线偏差进行认真分析后才形成的。
在高山附近，重力场方向应该是地球基本场与高山引力场合力的方向。1854年英国人普拉特（Pratt）在喜马拉雅山附近，根据地形计算，估计垂线应有28″（角秒）的偏斜。但是，实测只有5″在图7-3中，A是由于山的质量引起的理论偏斜，B是实测的偏斜，而C是不偏斜的标准位置。

图7-3由喜马拉雅山引起的垂线偏斜

为了解释这些观测结果，曾经提出两种假说：一个是艾里（Airy）假说，一个是普拉特假说，。两种假说都是以山下质量不足为依据。
按照1855年艾里假说，喜马拉雅山有山根，山越高则山根贯入较重的基层应该越深。如果基层的性能像流体一样，并且较轻的山岳物质有点像冰山浮在水面上那样浮在较厚的流体基层上，则上述情况是完全可能的。因此补偿深度是可变的，而且像是真实地面地形的镜象投影（图7-4（a））。
按照普拉特假说，喜马拉雅山是由地壳柱体构成。柱体密度随地形高度而改变。因为所有柱体的下边界处于海平面以下的同一深度上，而且每个地壳柱体的质量相等，所以山越增高，它的平均密度越小；反之，山越降低，它的平均密度越大。这个相同的深度，称为补偿深度（图7-4（b））。
这两种假说的重要区别在于，普拉特认为地壳底面的深度一致，但密度随地面高度增加而减小：艾里认为地壳的密度一致，但底面深度随地面高度增加而下降。但是，哪个合理呢?

图7-4艾里和普拉特的地壳均衡假说

1899年美国地质学家杜通（Dutton），在讨论地球内部一定深度处的流体静压力时，第一次引进“地壳均衡”一词。地壳均衡的概念已经广泛地运用于地学（地质学、地球物理学）领域。但是，关于地壳均衡的具体模式问题，并未得到解决。
以后几十年时间，开展了大规模的大陆和海洋的重力测量，进一步肯定了布格异常与地
形的相关关系。例如，山区是大的负值区（如阿尔卑斯山，为-110×105mm／s2）。海洋区是大的正值区（如东大西洋，为+270×10-5m／s2）。并且得出：布格异常大于80×10-5m/s2
的展开区，可能在海平面以下的地壳和（或）地幔有明显的密度变化。然而，由于重力资料不能唯一确定地下密度分布，因此，地壳均衡的具体模式问题，仍有待进一步论证。
在这方面能发挥重要作用的是地震测深（请见第六章），可通过地震方法得出地球外层的详细图像。我们已知，莫氏面是地壳与地幔之分界面，在此上下速度发生急剧变化（从6.5km/s变到8.0km/s），根据速度与密度的一般关系，又根据地球内部密度随深度的变化，有明显迹象表明这个界面也是一个发生很大密度差的界面（从2.9g/cm3变到3.3g/cm3）。图7-5给出大陆与海洋的折射地震研究结果。其中，标出地形、地壳厚度和布格异常，它们之间显示出极好的相关性。不难得出结论，艾里模式与地震学结果一致。由莫氏面作为补偿面，恰恰是地形的一个放大镜影。毫无疑问，莫氏面首先反映出海洋与大陆的不同地形，在大陆内部，最大地壳厚度位于苏联的科学院山脉；在海洋，最薄地壳厚度位于最深的海洋处，而在海岭和海岛下面又趋向变厚。布格异常的数量，大致反映了低密度地壳的厚度补偿程度。

图7-5重力异常与地壳厚度和地形的比较

至此，较大的布格异常得到解释，并且肯定艾里模式是地壳均衡的基本模式。
但是，细心的读者从图7-5会发现，根据均衡改正而求出的均衡异常，有的地区补偿不足，有的地区补偿过分，其均衡异常曲线有10-3～10-2m/s2的起伏。这表明在基本均衡的背景上，允许有局部的不均衡。造成这种不均衡的原因，