海洋重力場測定及其應(yīng)用

前言

地球重力場的知識是大地測量學(xué)、地球物理學(xué)、海洋學(xué)和空間科學(xué)以及地球動力學(xué)和其他有關(guān)的工程學(xué)科所必需的基礎(chǔ)信息。地球重力場的理論對這些學(xué)科的研究和發(fā)展具有十分重要的作用。然而地球表面有70％以上的面積是海洋，因此海洋重力場的確定是研究全球重力場的非常重要的組成部分。自從1923年，費(fèi)寧-梅內(nèi)斯（Vening Meinesz）使用擺儀在潛艇上成功地進(jìn)行了第一次海上重力測定以來，海洋重力測量的技術(shù)手段及其獲取海洋重力數(shù)據(jù)的分辨率和精度等都在日益精化和提高，與之相應(yīng)地確定海洋重力場精細(xì)結(jié)構(gòu)的理論和方法也在不斷出新.由黃謨濤、翟國君等幾位年輕學(xué)者合作編著的《海洋重力場測定及應(yīng)用》一書是作者多年積累的高水平研究成果的總結(jié)。本書從理論和實(shí)踐兩個(gè)方面對海洋重力測量數(shù)據(jù)的獲取、處理和分析，以及由海面重力測量和衛(wèi)星測高技術(shù)所獲取的海洋重力場信息在局部地球重力場的逼近、全球重力場的表示和高空擾動場賦值求解和應(yīng)用做了系統(tǒng)而全面的論述，其中有許多內(nèi)容是作者已經(jīng)獲得的有突破性進(jìn)展的科研成果，由此，本書的內(nèi)容反映了當(dāng)今國際上這個(gè)研究領(lǐng)域的先進(jìn)學(xué)術(shù)水平。其主要特點(diǎn)是內(nèi)容系統(tǒng)全面，取材先進(jìn)，理論和實(shí)踐結(jié)合，具有較高的實(shí)用性，最后還對當(dāng)前正在發(fā)展和已實(shí)現(xiàn)的衛(wèi)星重力探測技術(shù)作了展望性的闡述，使本書更加全面和具有前瞻性。從我不太全面的了解，我認(rèn)為至少在國內(nèi)目前尚未有一本在這一研究領(lǐng)域涵蓋如此系統(tǒng)全面的著作。本書的出版對于進(jìn)一步提高我國海洋重力測量的研究和應(yīng)用水平具有很好的參考和實(shí)用價(jià)值。本書作者所在單位是我國從事海洋測繪（包括海洋重力測量）的教學(xué)和科研單位，在海洋重力測量的研究和應(yīng)用方面具有很好的技術(shù)和人才條件，而本書作者都是從事海洋大地測量教學(xué)和研究的中青年科研和教學(xué)骨干，具有較豐富的科研經(jīng)驗(yàn)和較強(qiáng)的業(yè)務(wù)能力。此前已累計(jì)發(fā)表過上百篇學(xué)術(shù)論文，并有著作出版，這一切都為撰寫本書奠定了很好的基礎(chǔ)。事實(shí)證明，這是一本質(zhì)量頗高的好書，希望對廣大讀者有參考閱讀價(jià)值，能從中得到一點(diǎn)啟發(fā)。

內(nèi)容概要

海面重力測量和衛(wèi)星測高重力反演是目前測定海洋重力場的兩種主要技術(shù)手段。本書主要圍繞上述兩種測量手段詳細(xì)論述了海洋重力場的測定理論、方法及其應(yīng)用。全書由三大部分組成，第一部分為基礎(chǔ)理論部分，第二部分為基本方法部分第三部分為實(shí)際應(yīng)用部分，本書體系完整，內(nèi)容充實(shí)，理論與實(shí)用并重，可供從事物理大地測量學(xué)、海洋大地測量學(xué)、海洋地球物理學(xué)、海洋學(xué)和航空航天科學(xué)等學(xué)科的科研和教學(xué)人員以及相關(guān)學(xué)科的應(yīng)用工作者參考。

書籍目錄

第1章 緒 論　1.1 海洋重力場測定的任務(wù)和作用　　1.1.1 海洋重力場測定的任務(wù)　　1.1.2 重力測量與自然科學(xué)　　1.1.3 重力測量與大地測量　　1.1.4 重力測量與地球物理　　1.1.5 重力測量與地球動力學(xué)　　1.1.6 重力測量與空間科學(xué)　1.2 海洋重力場測定的手段和方法　　1.2.1 海底重力測量　　1.2.2 海面(船載)重力測量　　1.2.3 海洋航空重力測量　　1.2.4 重力梯度測量　　1.2.5 衛(wèi)星測高重力測量　1.3 海洋重力測量的特點(diǎn)　　1.3.1 水平加速度影響　　1.3.2 垂直加速度影響　　1.3.3 交叉耦合效應(yīng)影響　　1.3.4 厄特弗斯效應(yīng)影響　　1.3.5 海洋重力測量的特點(diǎn)　1.4 海洋重力場測定技術(shù)研究進(jìn)展及評述　　1.4.1 海面重力測量技術(shù)研究進(jìn)展　　1.4.2 衛(wèi)星測高反演海洋重力場技術(shù)研究進(jìn)展　1.5 本書的主要內(nèi)容第2章 海洋重力場測定的基本概念　2.1 重力加速度和重力位　　2.1.1 重力加速度　　2.1.2 重力位　2.2 重力場的幾何學(xué)　　2.2.1 水準(zhǔn)面和鉛垂線的定義　　2.2.2 水準(zhǔn)面與鉛垂線的幾何特性　2.3 重力位的球諧展開式　　2.3.1 球諧展開式的定義　　2.3.2 球諧系數(shù)的物理意義　2.4 正常重力場　　2.4.1 正常重力場的定義　　2.4.2 常重力公式　　2.4.3 正常引力位級數(shù)式　　2.4.4 正常重力場的幾何特征　2.5 重力場中的各種擾動量　　2.5.1 擾動位　　2.5.2 大地水準(zhǔn)面差距　　2.5.3 垂線偏差　　2.5.4 高程異?！　?.5.5 擾動重力和重力異?！　?.5.6 重力基本微分方程　2.6 重力測量參考系統(tǒng)　2.7 本章小結(jié)第3章 海洋重力場測定的基本理論　3.1 引言　3.2 位理論邊值問題的基本類型及其球面解　　3.2.1 邊值問題的基本類型　　3.2.2 邊值問題的存在性　　3.2.3 邊值問題的球面解　3.3 斯托克斯邊值理論　　3.3.1 基本概念 　　3.3.2 斯托克斯公式　　3.3.3 廣義斯托克斯公式　　3.3.4 垂線偏差和擾動重力的球面近似解　3.4 莫洛堅(jiān)斯基邊值理論　　3.4.1 基本概念　　3.4.2 簡化的莫洛堅(jiān)斯基問題解　　3.4.3 擾動位計(jì)算公式小結(jié)　　3.4.4 高程異常和地面垂線偏差計(jì)算公式　3.5 莫洛堅(jiān)斯基與斯托克斯問題解的關(guān)系　　3.5.1 關(guān)于高程系統(tǒng)　　3.5.2 關(guān)于重力異?！　?.5.3 關(guān)于大地水準(zhǔn)面差距和高程異常　　3.5.3 關(guān)于莫洛堅(jiān)斯基一階級數(shù)解和地形改正解　3.6 霍丁邊值理論　　3.6.1 霍丁公式　　3.6.2 采用重力異常的霍丁公式　　3.6.3 關(guān)于斯托克斯公式和霍丁公式的說明　3.7 布耶哈馬邊值理論　3.8 重力場邊值理論研究的進(jìn)展　3.9 本章小結(jié)第4章 海洋重力測量儀器第5章 海洋重力測量技術(shù)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理第6章 海洋重力測量數(shù)據(jù)計(jì)算與管理第7章 利用衛(wèi)星測高技術(shù)測定海洋重力場第8章 利用衛(wèi)星測高資料反演海底地形研究第9章 海洋重力場數(shù)據(jù)在局部重力場逼近計(jì)算中的應(yīng)用第10章 海洋重力場數(shù)據(jù)在全球重力場逼近計(jì)算中的應(yīng)用第11章 海洋重力場數(shù)據(jù)在外部重力場逼近計(jì)算中的應(yīng)用第12章 衛(wèi)星重力探測技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：1.1.4  重力測量與地球物理在地球表面測定重力所包含的地球內(nèi)部物質(zhì)分布信息可應(yīng)用于地球物理學(xué)研究。在固體地球物理中，如果能確定地球內(nèi)部物質(zhì)的密度分布，或者說能給出它的密度模型，對解釋地球的形成和發(fā)展以及解釋現(xiàn)代地球的一些物理現(xiàn)象都是很有用處的。觀測地震波在地球內(nèi)部的傳播速度是研究地球密度分布的主要信息源。地震波速度在某一深度處發(fā)生突變，與該處的彈性物質(zhì)的性質(zhì)是密切相關(guān)的，但它也只能提供該處物質(zhì)的密度有可能變化的信息，不能確定其確切的密度。為了確定地球密度分布，還需要利用多種物理資料和手段進(jìn)行綜合分析。由于地球重力場與地球內(nèi)部質(zhì)量有關(guān)，因此重力場信息對地球內(nèi)部的密度分布的確定是有幫助的。如果把所求地質(zhì)體（又稱擾動體）的真實(shí)密度與圍巖密度（類似于平均密度或正常密度）之間的差值稱為擾動密度，那么根據(jù)擾動體的位置、形狀和擾動密度，就可求得相應(yīng)的擾動重力異常，這在地球物理重力勘探中稱為正演問題。重力勘探的反演問題則是利用測得重力（或高階導(dǎo)數(shù)）的異常場來確定擾動體的形狀位置及擾動密度。顯然，為了尋找礦藏，反演問題是重力勘探要解決的主要問題。由于異常場是擾動體形狀和位置及擾動密度的函數(shù)，而且同一異常場可以對應(yīng)于多種情況的擾動體，因此，反演問題不存在唯一解，必須依據(jù)區(qū)域內(nèi)地質(zhì)、巖石及地球物理的各種相關(guān)信息進(jìn)行綜合分析，才能對其進(jìn)行解釋.在應(yīng)用上，反演問題雖然不能唯一地確定擾動質(zhì)量的分布，但它可以通過所謂的高斯（Gauss）公式唯一地確定整個(gè)擾動質(zhì)量的總值，進(jìn)而確定礦體的儲量。重力勘探還可以在工程建筑，地下空洞、碎石堆以及地下水探測等領(lǐng)域發(fā)揮作用.在這些情況下往往重力異常很小，因此對觀測和歸化精度具有較高的要求。1.1.5  重力測量與地球動力學(xué)在地球表面，通過重復(fù)測定重力所獲得的固體地球隨時(shí)間的變化的信息可應(yīng)用于地球動力學(xué)研究。地球動力學(xué)是通過地球內(nèi)部各種力學(xué)之間的關(guān)系來研究地球的運(yùn)動過程和特征的。地質(zhì)和地球物理所引起的地殼運(yùn)動和位移，則是大地測量所關(guān)心的地球動力的主要部分。20世紀(jì)60年代，地學(xué)出現(xiàn)了一場意義深遠(yuǎn)的革命，即提出了板塊構(gòu)造理論，并基本得到確認(rèn)?，F(xiàn)在，這個(gè)理論已普遍被接受，因?yàn)檫@個(gè)理論經(jīng)受了大量的、廣泛的、不同類型的野外數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，已經(jīng)證實(shí)它完全超越了假設(shè)階段。說這個(gè)理論是一場革命，是因?yàn)樗谝淮翁岢隽擞嘘P(guān)地球構(gòu)造過程的統(tǒng)一概念.在這個(gè)理論發(fā)展過程中，重力測量雖不是主角，但也起了一定的作用。重力異常，特別是海洋重力異常，目前已經(jīng)用板塊構(gòu)造理論來解釋；相反，板塊構(gòu)造理論又推動了對新區(qū)域重力場的研究。這個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用有：勘探含有石油的大陸架；確立古老大陸基巖和年青海洋地殼之間接觸帶的被動陸緣；確定殼下密度的中央海嶺和板塊邊界；確定有大量沉積物堆積的海溝以及作為板塊消減結(jié)果可能成為礦床的島弧等。重力異常和大地水準(zhǔn)面差距數(shù)據(jù)還可以對其他一些地球物理現(xiàn)象進(jìn)行解釋，例如海底地殼的年齡、地殼及其下面的熱量、海溝兩側(cè)的密度以及冰后回跳等。重力場的非潮汐隨時(shí)變化，是地球質(zhì)量遷移的重要信息。全球重力變化的描述可以借助于重力模型來進(jìn)行，可通過衛(wèi)星軌道分析球諧系數(shù)的變化（主要是n≤2階的變化），它們是與地球的體積、質(zhì)心位置、極扁率、赤道扁率以及地球慣性主軸在地球內(nèi)部的定位有關(guān)的參數(shù)。區(qū)域性的重力變化除了在構(gòu)造板塊邊界上很明顯外，這種信息對分析一些板塊內(nèi)的冰后回跳和沉積層等也是有作用的.局部的重力變化則與地震和火山等影響有關(guān)。重力變化除了與地球內(nèi)部的物質(zhì)遷移有關(guān)外，還與地面的垂直位移有關(guān)。研究重力一高程變化，也是大地測量領(lǐng)域中很感興趣的問題。由于重力測量快速而且比較經(jīng)濟(jì)，重力與高程變化又具有一定的關(guān)系，因此可利用重力變化監(jiān)測可能存在現(xiàn)代地殼運(yùn)動地區(qū)的高程變化.當(dāng)然重力測量只能給出高程變化的初步結(jié)果，精確的變化仍需使用精密水準(zhǔn)進(jìn)行測定。

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