地球正常密度假說

前言

研究地球的形狀和密度，是地球重力學(xué)的兩項(xiàng)基本任務(wù)。在地球重力學(xué)中，研究地球形狀的理論與方法已得到充分發(fā)展，而關(guān)于地球密度的理論與方法的研究則顯得較為薄弱。經(jīng)典的斯托克斯（G.c.Stokes）理論與莫洛堅(jiān)斯基（M.s.Molodensky）理論都是以回避地球密度分布為數(shù)學(xué)前提來研究地球形狀的。隨著空間大地測(cè)量技術(shù)的迅速發(fā)展和地球形狀學(xué)理論的不斷完善，地球形狀不應(yīng)該是地球重力學(xué)永遠(yuǎn)不變的主題，而對(duì)于地球整體密度分布方式的板塊運(yùn)動(dòng)、地幔物質(zhì)流動(dòng)、海底擴(kuò)張等新問題的不斷出現(xiàn)，也要求地球重力學(xué)的研究重點(diǎn)從地球形狀轉(zhuǎn)移到地球密度上來。特別是大陸漂移及板塊運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力問題，自1901年休斯（E.Suess）在其名著《地球的面貌》中首次提出大陸漂移的概念到現(xiàn)在為止，這個(gè)問題已困擾了地球科學(xué)界達(dá)一百年之久，堪稱地球科學(xué)的世紀(jì)之謎。雖然板塊運(yùn)動(dòng)最有可能的動(dòng)力是來自地幔的觀點(diǎn)已被大多數(shù)地球科學(xué)家所共識(shí)，但由于地幔物質(zhì)流動(dòng)的成因至今尚未查明，使得現(xiàn)代板塊構(gòu)造學(xué)說的研究仍然處于“板塊運(yùn)動(dòng)模型”階段，而沒有進(jìn)入“板塊動(dòng)力模型”階段。按照地球重力學(xué)的基本范疇，現(xiàn)有研究“地球密度問題”的方法有三種：“平衡形狀理論”、“等位橢球理論”和“內(nèi)部邊值理論”。前兩種理論在《地球形狀——理論大地測(cè)量學(xué)和地球內(nèi)部物理學(xué)》（莫里茨，測(cè)繪出版社1992年版，陳俊勇、左傳惠譯）中、第三種理論在《地球重力場(chǎng)與內(nèi)部物理——理論大地測(cè)量學(xué)若干問題的研究》（黃金水，中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所博士論文，1996）中，已作了詳細(xì)的介紹，本書不再重復(fù)。實(shí)際上，本書的旨趣并不在于對(duì)前人的工作進(jìn)行總結(jié)和補(bǔ)充（總結(jié)和補(bǔ)充當(dāng)然也是非常重要的），而在于嘗試一種新的思路去追求地球重力學(xué)內(nèi)在的邏輯美。正是在這種精神的指導(dǎo)下，本書提出了地球重力學(xué)研究地球密度問題的“參數(shù)橢球理論”、“緯向密度理論”、“地球正常密度假說”和“板塊運(yùn)動(dòng)重力學(xué)機(jī)制”等基本觀點(diǎn)。不言而喻，這種立意對(duì)于作者來說不僅是力不從心的而且是相當(dāng)冒險(xiǎn)的，故本書研究的內(nèi)容和得到的結(jié)果也只能是泥沙俱下。但愿這種理性的沖動(dòng)能夠?yàn)榈厍蛑亓W(xué)的理論研究注入新的活力，起到拋磚引玉的作用。本書的出版得到國(guó)家自然科學(xué)基金（90814009）、中國(guó)科學(xué)院方向項(xiàng)目（KZCX2-YW-143）、國(guó)家自然科學(xué)基金（40774011）和中國(guó)科學(xué)院動(dòng)力大地測(cè)量學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助。

內(nèi)容概要

　　重力學(xué)自牛頓以來已有幾百年的歷史，司托克斯定理的建立更使其成為了一門經(jīng)典理論。然而，以板塊動(dòng)力學(xué)機(jī)制為代表的諸多地球科學(xué)問題為重力學(xué)的變革和發(fā)展提供了機(jī)遇，傳統(tǒng)的重力學(xué)理論是圍繞“地球形狀”來建立的，而《地球正常密度假說：重力學(xué)的參數(shù)橢球與緯向密度理論》則圍繞“地球密度”來建立重力學(xué)理論。首先，《地球正常密度假說：重力學(xué)的參數(shù)橢球與緯向密度理論》以勻質(zhì)橢球的引力問題為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出雙層橢球表面的重力公式，建立了帶密度參數(shù)和界面深度參數(shù)的“參數(shù)橢球”概念，發(fā)展了橢球的引力理論；然后，通過建立與“正常重力”概念相對(duì)應(yīng)的“正常密度”概念，使得“正常重力”和“重力異常”與“正常密度”和“密度異?！保餐纬闪送暾母拍铙w系；同時(shí)，建立了“緯向密度”概念，并以“準(zhǔn)等位”的約束條件求解出“地球緯向正常密度函數(shù)”和“地幔緯向正常密度函數(shù)”，從而提出了“地球正常密度假說”，最后，在“地球正常密度假說”的基礎(chǔ)上提出了“板塊運(yùn)動(dòng)重力學(xué)機(jī)制，”將重力學(xué)的理論研究與地球科學(xué)所面臨的重大課題緊密地結(jié)合在了一起。

作者簡(jiǎn)介

郝曉光,1958年出生，上海市人，1982年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)測(cè)量系，現(xiàn)任中科院測(cè)量與地球物理研究所研究員、湖北省測(cè)繪學(xué)會(huì)副秘書長(zhǎng)、中國(guó)測(cè)繪學(xué)會(huì)大地測(cè)量專業(yè)委員會(huì)委員，中國(guó)第十三次南極考察隊(duì)中山站越冬考察隊(duì)員，理學(xué)博士、博士后。主要從事大地測(cè)量學(xué)、地球物理學(xué)和馬克思主義哲學(xué)的理論研究，已發(fā)表論文60余篇。1992年提出并主持實(shí)施“湖區(qū)水上高精度重力勘探方法”，開創(chuàng)國(guó)內(nèi)湖區(qū)水上高精度重力油氣勘探的先例、并由生產(chǎn)單位推廣采用。1994年提出并主持實(shí)施“高山區(qū)高精度重力勘探方法”，開創(chuàng)國(guó)內(nèi)高山區(qū)高精度重力油氣勘探的先例、并由生產(chǎn)單位推廣采用。1996年起研究建立地球重力學(xué)的“參數(shù)橢球和緯向密度理論”。1997年5月在南極中山站越冬期間采用LacosteET重力儀觀測(cè)發(fā)現(xiàn)South of Kermadec Islands7.1級(jí)地震約41小時(shí)的“震前擾動(dòng)”現(xiàn)象，2008年5月又在武漢九峰臺(tái)站LacosteET重力儀的觀測(cè)資料中發(fā)現(xiàn)8.0級(jí)汶川大地震約48tJ、時(shí)的“震前擾動(dòng)”現(xiàn)象。2002年主編完成《系列世界地圖》，提出“緯線世界地圖概念”、“雙經(jīng)雙緯概念”和“廣義等差分緯線多圓錐投影方法”。新編《系列世界地圖》已被國(guó)家科考和國(guó)防科研采用并引起極大社會(huì)反響，其原稿已被國(guó)家圖書館收藏。2006年提出我國(guó)二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)覆蓋范圍的“北擴(kuò)問題”。

書籍目錄

第1章 勻質(zhì)橢球與水準(zhǔn)橢球1．1 重力和重力位1．2 勻質(zhì)橢球表面的重1．3 水準(zhǔn)橢球表面的重力第2章 麥克勞林橢球與皮澤蒂橢球2．1 麥克勞林橢球的密度2．2 旋轉(zhuǎn)橢球質(zhì)面的引力位2．3 皮澤蒂橢球表面的重力第3章 參數(shù)橢球表面的重力3．1 參數(shù)橢球概念3．2 勻質(zhì)橢球外部的引力3．3 參數(shù)橢球表面的重力公式3．4 關(guān)于c和e"第4章 重力聚點(diǎn)4．1 三種橢球表面的重力4．2 密度分布定理與物質(zhì)流動(dòng)定理4．3 重力聚點(diǎn)與重力聚點(diǎn)定理4．4 參數(shù)橢球的物質(zhì)擾動(dòng)第5章 參數(shù)橢球的數(shù)學(xué)性質(zhì)5．1 參數(shù)橢球表面的引力位5．2 極點(diǎn)與赤道的重力等位條件5．3 極點(diǎn)與赤道重力等位條件下的界面擴(kuò)張5．4 參數(shù)橢球與麥克勞林橢球的數(shù)學(xué)關(guān)系第6章 參數(shù)橢球的準(zhǔn)等位條件6．1 準(zhǔn)等位條件一6．2 準(zhǔn)等位條件二6．3 等位條件一6．4 等位條件二6．5 準(zhǔn)等位條件的極限內(nèi)密度6．6 準(zhǔn)等位條件的密度分布第7章 地球緯向正常密度函數(shù)7．1 由幾何扁率到密度扁率的聯(lián)想7．2 緯向密度概念7．3 極點(diǎn)重力緯向密度積分公式7．4 赤道重力緯向密度積分公式7．5 待定常數(shù)的求解與地球的密度扁率7．6 橢球質(zhì)量檢核第8章 地幔緯向正常密度函數(shù)8．1 勻質(zhì)地核橢球在赤道與極點(diǎn)的引力8．2 地幔緯向正常密度函數(shù)8．3 地幔極點(diǎn)重力緯向密度積分公式8．4 地幔赤道重力緯向密度積分公式8．5 待定常數(shù)的求解與地幔密度扁率8．6 “剩余重力扁率”與密度扁率的數(shù)量關(guān)系第9章 似水準(zhǔn)橢球9．1 “勻質(zhì)分層”模式的似水準(zhǔn)橢球9．2 “整體緯向”模式的似水準(zhǔn)橢球9．3 “內(nèi)勻外緯”模式的似水準(zhǔn)橢球9．4 “內(nèi)勻外緯一似水準(zhǔn)橢球”與皮澤蒂橢球和杰弗里斯-布倫模型的比較第10章地球正常密度假說10．1地球正常密度概念10．2 地球正常密度假說的基本觀點(diǎn)10．3 地幔水平重力模式10．4 理想地幔的正常重力位10．5 對(duì)錢氏極限的相關(guān)思考第11章 板塊運(yùn)動(dòng)重力學(xué)機(jī)制11．1 板塊運(yùn)動(dòng)模型11．2 從大陸漂移假說到板塊構(gòu)造學(xué)說的發(fā)展11．3 板塊運(yùn)動(dòng)重力學(xué)機(jī)制的基本觀點(diǎn)11．4 盆山耦合現(xiàn)象11．5 軟流圈板塊概念第12章 重力微分公式12．1 相對(duì)于深度參數(shù)的微分公式12．2 相對(duì)于密度參數(shù)的微分公式12．3 相對(duì)于地幔密度異常的微分公式第13章 正常密度假說與均衡假說及內(nèi)波假說的比較13．1 密度分布與補(bǔ)償作用13．2 構(gòu)造形態(tài)與運(yùn)動(dòng)方式13．3 力學(xué)性質(zhì)與演變機(jī)制13．4 正常密度假說與內(nèi)波假說的比較第14章 基于新編《系列世界地圖》的全球板塊分布圖14．1 世界地圖的“雙經(jīng)雙緯”概念14．2 “緯向世界地圖”的投影方法14．3 研究板塊動(dòng)力問題的圖形工具第15章 存在問題與研究方向15．1 地球密度扁率與緯向密度函數(shù)15．2 正常密度分布的唯一陛問題15．3 分層緯向正常密度函數(shù)15．4 重力異常解算密度異常的方法15．5 密度異常與重力異常的比較15．6 青藏高原隆起與大陸動(dòng)力學(xué)研究15．7 環(huán)太平洋地震帶的形成機(jī)理15．8 汶川大地震及青藏高原“物質(zhì)東流”成因研究15．9 “華北克拉通破壞”的機(jī)制研究參考文獻(xiàn)后記

章節(jié)摘錄

插圖：11.4盆山耦合現(xiàn)象李四光先生在探討地槽沉降運(yùn)動(dòng)的起因時(shí)指出：“我們不得不問，那個(gè)槽子底下的物質(zhì)哪里去了？如果我們否定槽子底下的物質(zhì)向側(cè)面遷移，以致在它的側(cè)面形成隆起地帶，我們就無法答復(fù)上面提出的問題?！笨唆斉萏亟鹪谔接憤u弧和海溝區(qū)的重力異常時(shí)指出：“這種變化可能與殼下基底中物質(zhì)水平方向上的流出與流入有關(guān)，或者至少可能與基底的致密情況有關(guān)。長(zhǎng)期的垂直運(yùn)動(dòng)是由于深部物質(zhì)的水平運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生?！绷涸┰谟懻搷u弧和深海溝共軛體系的成因時(shí)指出：“海溝區(qū)地殼下面有部分物質(zhì)被抽出，加添到島弧區(qū)地殼下面，這種過程使得島弧隆起和海溝相應(yīng)下降?！卑孜募谘芯颗璧睾蜕矫}的成因時(shí)指出：“盆地區(qū)上地幔相對(duì)隆升、山脈區(qū)上地幔相對(duì)沉降，盆地區(qū)被抬升和加熱的下地殼物質(zhì)向山脈下地殼方向蠕動(dòng)。從盆地下地殼抽出的物質(zhì)填充到山根部位，迫使山脈隆升，而盆地沉降，兩者同步進(jìn)行，形成盆山運(yùn)動(dòng)?！笨梢姡刭|(zhì)學(xué)家們已經(jīng)意識(shí)到發(fā)生在深部的這種物質(zhì)側(cè)向遷移運(yùn)動(dòng)存在的必要性，以上論斷表明了以下觀點(diǎn)：地殼物質(zhì)的垂直運(yùn)動(dòng)是由于地幔物質(zhì)的水平運(yùn)動(dòng)造成的；山脈和盆地（或島弧和海溝）是共軛誕生的，山脈（或島?。┑穆∑?，是由于盆地（或海溝）的沉降引起的；山脈（或島弧）隆起的成因是由于該地區(qū)地幔物質(zhì)的流進(jìn)造成的，而盆地（或海溝）沉降的成因是由于該地區(qū)地幔物質(zhì)的流出造成的。以上觀點(diǎn)將盆地與山脈（或海溝與島?。┑难莼^程描述成一種此消彼長(zhǎng)的互動(dòng)關(guān)系，這就是地質(zhì)學(xué)中的“盆山耦合現(xiàn)象”。雖然“盆山耦合現(xiàn)象”還沒有闡明板塊運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，然而，“盡管地質(zhì)學(xué)家們沒有進(jìn)一步指出這種物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，但是，指出地質(zhì)實(shí)踐要求存在這類形式的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)本身，就為進(jìn)一步的探索指出了方向”。不難看出，正常密度假說及板塊運(yùn)動(dòng)重力學(xué)機(jī)制與盆山耦合現(xiàn)象有著驚人的共同點(diǎn)，李四光等地質(zhì)學(xué)家的觀點(diǎn)在圖11-1和圖11-2中得到了完美的體現(xiàn)。所不同的是，盆山耦合現(xiàn)象只是指出了盆山共軛的現(xiàn)象，而正常密度假說及板塊運(yùn)動(dòng)重力學(xué)機(jī)制則試圖闡明盆山共軛現(xiàn)象的成因和板塊運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)原理。

后記

著名地球重力學(xué)家、奧地利的莫里茨（H.Moritz）在他的《地球形狀：理論大地測(cè)量學(xué)和地球內(nèi)部物理學(xué)》一書中寫道：“莫洛堅(jiān)斯基的理論要求大地測(cè)量學(xué)只限于研究地球表面形狀和外部重力場(chǎng)，并認(rèn)為地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是地球物理學(xué)的事。但大地測(cè)量學(xué)和地球物理學(xué)之間老的很清楚的分界線已經(jīng)開始消失。1980大地參考系統(tǒng)采用等位橢球作為參照面，因此很自然地會(huì)提出這樣一個(gè)問題，即這一橢球所相應(yīng)的物質(zhì)分布構(gòu)形。類似地，也要求研究地球物質(zhì)分布的異常，考慮重力場(chǎng)與地球內(nèi)部的密度分布之間不可分割的聯(lián)系?！蹦锎恼J(rèn)為應(yīng)該研究“重力場(chǎng)與地球內(nèi)部的密度分布之間不可分割的聯(lián)系”，可傳統(tǒng)的地球重力學(xué)卻認(rèn)為“重力場(chǎng)與地球內(nèi)部物質(zhì)的分布無關(guān)”。在傳統(tǒng)的地球重力學(xué)中，水準(zhǔn)橢球的密度是不知道、也不用知道的；但現(xiàn)在莫里茨卻提出要研究“這一橢球所相應(yīng)的物質(zhì)分布構(gòu)形”。實(shí)際上，這應(yīng)該就是擺在地球重力學(xué)面前的新課題。莫里茨講了大地測(cè)量學(xué)與地球物理學(xué)相結(jié)合的必然性。但是，除了這一個(gè)“必然性”外，還應(yīng)該有另一個(gè)“必然性”，這就是大地測(cè)量學(xué)與地質(zhì)學(xué)相結(jié)合的必然性。大陸漂移假說的理論基礎(chǔ)是地殼均衡假說，所以應(yīng)該說大陸漂移假說是地質(zhì)學(xué)與大地測(cè)量學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。但是，“魏格納未能夠從物理學(xué)上令人滿意地闡明大陸漂移的原因”，而將其歸因于“目前還不清楚的力量”。既然地質(zhì)學(xué)主動(dòng)與大地測(cè)量學(xué)相結(jié)合能產(chǎn)生大陸漂移假說，那么大地測(cè)量學(xué)也就有可能主動(dòng)與地質(zhì)學(xué)相結(jié)合，闡明大陸漂移及板塊運(yùn)動(dòng)的地球重力學(xué)成因。在傳統(tǒng)的地球重力學(xué)（大地測(cè)量學(xué)）中，“重力異?！迸c“密度異?！钡年P(guān)系有點(diǎn)含糊，只能籠統(tǒng)地說，“重力異常高區(qū)”對(duì)應(yīng)高密度體、“重力異常低區(qū)”對(duì)應(yīng)低密度體，重力異常“相當(dāng)于”密度異常。但是，“重力異?！辈煌耆扔凇懊芏犬惓！?，“重力異常”與“密度異?！钡年P(guān)系是一個(gè)令人深思的問題。在地球重力學(xué)中，正常重力是緯度的函數(shù)，而重力異常則是經(jīng)度和緯度的函數(shù)。正常密度和密度異常也一樣，正常密度是緯度的函數(shù)，密度異常則與重力異常一樣是經(jīng)度和緯度的函數(shù)。所以，我們應(yīng)該可以這樣說，“正常密度”就是“垂直平均正常密度”，“密度異?！本褪恰按怪逼骄芏犬惓！?。實(shí)際上，“地球正常密度假說”并不是反傳統(tǒng)的，因?yàn)樗疁?zhǔn)橢球表面的“正常重力”是與地球的“重力異常”相對(duì)應(yīng)的。

編輯推薦

《地球正常密度假說：重力學(xué)的參數(shù)橢球與緯向密度理論》：Earth gravity theory has several centuries of history．The founding of Stoks Law made it become a classic theory．However，many new geophysics issues，such as plate dynamics mechanism，provide chances for the innovation and development of Earth gravity theory．The traditional theory of gravity was based on studying the Earth figure。The new gravity theory of this book is based on studying the earth density distribution．First，the authors derive the gravity-calculation formula of two-layered spheroid based on the gravitation issue of homogeneous spheroid．Then they give the concept of parameter spheroid that has both density parameter and depth parameter．Third，they suggest the concept of normal density that corresponds to normal gravity．Thus an integrate gravity theory system is formed，which consists of not only"normal gravit"and"abnormal gravity"but also"normal densi"and"abnormal density"．At last，they put forward the concept of latitudinal normal density，and solve latitudinal normal density function of the Earth and latitudinal normal density function of the Earth mantle．The hypothesis of Earth's normal density is established based on above studying and concepts．Gravity mechanism of the movement of the Earth's plate is discussed according to the hypothesis，which combined gravity theory with the plate movement．

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