02 地球物理场

单极场
重力异常
由于实际地球内部的物质密度分布非常不均匀，因而实
际观测重力值与理论上的正常重力值总是存在着偏差，
这种在排除各种干扰因素影响之后，仅仅是由于地下物 质密度分布不匀而引起的重力的变化称为重力异常。
剩余密度与剩余质量
研究对象的密度与围岩密度之差称为剩余密度； 剩余密度与研究对象体积之积即为剩余质量M 据万有引力定律，存在比正常质量分布有多余(M ＞0) 或不足(M ＜0)的质量时，引力大小将会发生变化，进 而使重力值改变。
异大，可达上千倍；
应用： 重力固体潮是理论地球物理学中研究地球内部结构与弹性等 方面的重要手段； 利用不同地球重力场模型的位系数，可计算出全球范围的重 力异常、大地水准面高程异常以及重力垂直梯度异常等，为研 究全球的板块构造、地幔内物质的密度差异、地幔流分布等提 供重要依据。
第二章
地球物理场的基本特征
略讲
重力位
重力场为矢量场，根据场论，从场力作功的角度可引入一 个标量“位’’函数来方便地描述重力场，称为重力位， 它沿某个方向求偏导数恰好等于重力在该方向的分力。或 者说，重力可以用重力位 W(x,y,z) 的梯度表示。相应有引 力位和离心力位。 即 W(x,y,z) =V(x,y,z) +U(x,y,z) P=gradW=W 由场论知识，在地球外部，引力位V满足拉普拉斯方程， 但惯性离心力位不满足拉普拉斯方程：
在物体内部，引力位满足泊松方程：
略讲
重力位W具有以下性质：
在地球外部 在地球内部
重力等位面
垂直重力的方向l求偏导数时 积分后得到 对于确定的C值，上式代表了空间的一个曲面，该面上重 力位处处相等，故叫作重力等位面。 该面处处与重力方向垂直，测量学上又称作水准面，因为 此时水不会流动而静止下来-静止的水面（无水头压差）。 因积分常数C有无数多个，故重力等位面也有无数多个。
地磁场的分布特点及变化规律 地磁图——描述地球基本磁场变化特征的图件
定义：根据地磁测量得到的某一特定日期（一般选在1月1日零 点零分）的测量结果，按照经纬坐标网绘制的地磁要素等值线 图，称为地磁图。 分类：按编图范围分为：世界地磁图和局部地磁图两种； 世界地磁图表示全球范围内地磁场的分布，通常每5年编绘一次
重力异常的实质
A
大地水准面 F附
加 引 力

重力异常就是地质体 的剩余质量对测点处 单位质量所产生的附 加引力在重力方向上 的分力(或投影)，若剩 余质量为正，则异常 为正，反之则为负。
正 常 重 力
0 0
g0 g

gA 实测重力
重力异常的基本特征与应用
特征： 相对性，（源于异常划分标准的非“唯一”性） 不同种重力异常(g,Vzz等)特征不同。对目标体敏感度不同,综合应用 重力勘探主要应用布格重力异常；(基于不同校正方法可得不同异常) 重力异常比较平滑、清晰(相对磁异常而言)， “异常”值与 “正常”值之比极小 ——因密度差异小，最大约为2~3倍，而磁性差
汐及固体地球的弹性形变等引起重力固体潮
重力勘探主要是利用地下物质密度分布不均匀所引起的 重力微小变化来实现构造或矿藏勘探目的的。
地球重力场的构成及影响因素
地球质量产生的引力； 地球自转引起的惯性离心力；
主要部分、也是稳定成分， 但稳定并不意味着是定值， 造成重力随 时间变化， 构成重力场 非稳定成分
Tse (1％)
源于地球外
Ti (2/(1/3)
源于地球外
A.施密特，1885年利用总磁场的 球谐分析方法和面积分法划分
通常所指地球稳定磁场主要是内源稳定场、它由以下三部 分组成 中心偶极子磁场T0
地 球 稳 定 磁 场 Tsi
内源场
几乎占80％~85％，代表了地磁场 空间分布的主要特征
重力勘探的单位：
重力勘探中凡提及重力均指重力加速度，因此，重力的单位实 际上已不再是力的单位，而是重力加速度的单位。 国际单位SI制：m/s2 ，无专用名称 常用重力单位：g.u.(gravity unit)=10-6 m/s2，1m/s2=106 g.u. CGSM制：“伽”(Gal)—纪念伽利略：第一个测定重力加速度
7.5m
Newton，1687 10m
30m
若把地球近似为正球体， 其平均半径R＝6371km。
略讲
地球的正常重力
我国过去用得较多正常重力公式 假定地球是一个旋转椭球体，表而光滑，内部密度是均匀 的，或者是呈层分布，每层的密度是均匀的，且各层界面 1901—1909年赫尔默特公式 都是共焦点的旋转椭球面，这种旋转椭球体有时也被称作 参考椭球体。 依据其形状、大小、地球的质量、密度分布、自转角速度 1930年卡西尼国际正常重力公式 及各点所在的坐标位置等求出其重力位，称为正常重力位， 由正常重力位再计算出的重力值就称为正常重力值。
是按研究目不同提出的地磁场分类方法。
特点： 确定性。地磁学研究中，正常地磁场确指（T0+Tm+Tse） “地球基本磁场+Tse”，磁异常确指“地壳场”Tm 相对性。通常情况下，正常场和异常场是相对的概念。
正常磁场可以认为是磁异常(即所要研究的磁场)的背景场或基准场。
如，研究大陆磁异常（Tm），中心偶极子场（T0）可视为正常场； 研究地壳磁场Ta，地球基本磁场（T0+Tm）可视为正常场
地球磁场的总体构成 T=T0
中心偶极子磁场
+Tm
非偶极子场 +Ta/ 局部异常 +Ta// 区域磁场
地球基 本磁场 地壳磁 场Ta
地球(内源) 稳定磁场 Tsi
稳定磁场Ts
+Tse
外源稳定磁场，因数量级极小，通常可被忽略
+T
变化磁场
Ti 长周期，内源 Te 短周期，外源
正常地磁场(正常场)与磁异常(异常场)
地磁要素相互关系
地磁要素是 时、空变化的
七要素并非独立 知其三，可知其它
地磁场构成
按来源和规律不同划分
Tsi (99％)
地 面 所 测 地 磁 场 稳定磁场Ts
源于地球内部
源于地球内
地球内源稳定场 一般，变化场为 稳定场的万分之 几，偶可达百分 之几
T随时间变化部分，分长
周期（地球内部）、短周 期（外部电流系引起）
有长、短周期变化
宇宙间天体相对位置变化引起的引力变化； 地球自转轴的瞬间摆动，引起的重力变化； 地球自转角速度的变化引起的离心力扰动；
地球内部物质密度分布的不均匀引起的局部重力变化； 地面上任意一点的重力值主要取决于：
测点纬度、高度、周围地形、重力固体潮、
地下密度不均匀体分布（仅此对找矿有意义）
两极压扁的扁球体，地心到地表各处的距离并不处处相同； 不同纬度回转半径不同（横向）。地球不停地绕自转轴旋转； 地球表面起伏不平（径向） ，形态各异，极为复杂； 地表至地慢内物质密度分布的不均匀（径向、横向） 。漫长 地球演化史中，长期的地质构造运动与岩浆活动等造成。
时间上，变化的原因 表现形式：重力固体潮(地表同一点出现重力随时间的微小变化) 变化特点：变化幅度约2~3g.u.，高精度重力中必须消除其影响。 起因：太阳、月亮与地球相对位置的周期变化，造成海洋潮
一、重力场的基本特征
二、地球磁场的基本特征
三、地下稳定电流场和交变 电磁场的基本特征 四、弹性波场的基本特征
S N
地球磁场的基本概念
地球周围存在着磁场，称为地球磁场。地磁场是矢量场，其 分布范围广，从地核到空间磁层边缘处处有分布。 表征地磁场的物理量是地磁场感应强度。 过去，CGSM制 ，真空中磁感应强度与磁场强度相当，故 以往磁法勘探书中将磁感应强度称做磁场强度；目前，仍 沿用这一习惯称法、除岩石、矿石磁化磁场确系磁场强度 外，一般提及地磁场强度均指地磁感应强度。 地磁场强度（地磁感应强度）的单位--磁法勘探单位 SI制：用特斯拉或符号T表示， 磁法勘探实用单位：纳特(nT) 1T＝IWb／m2(韦(伯)／米2)，1nT＝10-9T CGMS制：常用单位为伽玛()，l＝10-5Gs(高斯)＝1nT
磁法勘探中，正常场异常场的选取也是相对的
据研究对象、测区大小的不同而不同
如，无或弱磁性地层中圈定强磁性矿体，前者所引起的磁场为正常背景场， 而后者产生的磁场为磁异常； 在磁性岩层中圈定非磁性地质体，磁性岩层的磁场作为正常场，非磁性 地层中磁场相对变化为异常场。
以正常背景场作为基准场，有效地提取所研究对象的磁场 变化，研究异常场与所要解决的各种地质问题的对应关系， 是磁法勘探中磁异常解释的重要任务。
1980年-17届国际大地测量和地球物理联合会
正常重力公式
拉普拉斯方法 斯托克斯方法
gp为两极重力值；ge为赤道重力值；称为地球的重力(或力学)扁度； 为计算点的纬度；地球扁率 。
地球表面正常重力场的基本特征
正常重力场是据客观需要提出的假象场，非客现存在。反映 的是理想化条件下地球表面重力变化的基本规律；对不同参数 的地球模型，可有不同公式。（注意：重力场为物质场，客观存在） 一般表示地球的稳定重力场； 特点： 单极场。正常重力值的大小和方向只与纬度有关；且随纬度 升高，重力值增大； 赤道正常重力值最小，两极最大，相差约50,000 g.u.； 正常重力值随纬度的变化率与纬度有关，纬度45º 处变化率 最大，赤道和两极处为零； 正常重力值随高度增加而减小。变化率约为-3.086 g.u. /m。
略讲
大地水准面及其形状
与平均的海洋面(在陆地上 是它的顺势延伸而构成封 闭的曲面)重合的那个重力 等位面称为大地水准面， 在重力测量学和大地测量 学中，都是以该面作为地 球的基本形状来研究的。 1971年-15届国际大地测量 和地球物理协会决定的地 球形状参数为
赤道半径 a＝6378.160km 极地半径 b＝6356.755km 地球扁率 a=(a-c)/a=1/298.25