地球正常密度假說

前言

研究地球的形狀和密度，是地球重力學的兩項基本任務。在地球重力學中，研究地球形狀的理論與方法已得到充分發(fā)展，而關于地球密度的理論與方法的研究則顯得較為薄弱。經典的斯托克斯（G.c.Stokes）理論與莫洛堅斯基（M.s.Molodensky）理論都是以回避地球密度分布為數學前提來研究地球形狀的。隨著空間大地測量技術的迅速發(fā)展和地球形狀學理論的不斷完善，地球形狀不應該是地球重力學永遠不變的主題，而對于地球整體密度分布方式的板塊運動、地幔物質流動、海底擴張等新問題的不斷出現，也要求地球重力學的研究重點從地球形狀轉移到地球密度上來。特別是大陸漂移及板塊運動的動力問題，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在為止，這個問題已困擾了地球科學界達一百年之久，堪稱地球科學的世紀之謎。雖然板塊運動最有可能的動力是來自地幔的觀點已被大多數地球科學家所共識，但由于地幔物質流動的成因至今尚未查明，使得現代板塊構造學說的研究仍然處于“板塊運動模型”階段，而沒有進入“板塊動力模型”階段。按照地球重力學的基本范疇，現有研究“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“內部邊值理論”。前兩種理論在《地球形狀——理論大地測量學和地球內部物理學》（莫里茨，測繪出版社1992年版，陳俊勇、左傳惠譯）中、第三種理論在《地球重力場與內部物理——理論大地測量學若干問題的研究》（黃金水，中國科學院測量與地球物理研究所博士論文，1996）中，已作了詳細的介紹，本書不再重復。實際上，本書的旨趣并不在于對前人的工作進行總結和補充（總結和補充當然也是非常重要的），而在于嘗試一種新的思路去追求地球重力學內在的邏輯美。正是在這種精神的指導下，本書提出了地球重力學研究地球密度問題的“參數橢球理論”、“緯向密度理論”、“地球正常密度假說”和“板塊運動重力學機制”等基本觀點。不言而喻，這種立意對于作者來說不僅是力不從心的而且是相當冒險的，故本書研究的內容和得到的結果也只能是泥沙俱下。但愿這種理性的沖動能夠為地球重力學的理論研究注入新的活力，起到拋磚引玉的作用。本書的出版得到國家自然科學基金（90814009）、中國科學院方向項目（KZCX2-YW-143）、國家自然科學基金（40774011）和中國科學院動力大地測量學重點實驗室資助。

內容概要

　　重力學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典理論。然而，以板塊動力學機制為代表的諸多地球科學問題為重力學的變革和發(fā)展提供了機遇，傳統(tǒng)的重力學理論是圍繞“地球形狀”來建立的，而《地球正常密度假說：重力學的參數橢球與緯向密度理論》則圍繞“地球密度”來建立重力學理論。首先，《地球正常密度假說：重力學的參數橢球與緯向密度理論》以勻質橢球的引力問題為基礎，推導出雙層橢球表面的重力公式，建立了帶密度參數和界面深度參數的“參數橢球”概念，發(fā)展了橢球的引力理論；然后，通過建立與“正常重力”概念相對應的“正常密度”概念，使得“正常重力”和“重力異?！迸c“正常密度”和“密度異?！保餐纬闪送暾母拍铙w系；同時，建立了“緯向密度”概念，并以“準等位”的約束條件求解出“地球緯向正常密度函數”和“地幔緯向正常密度函數”，從而提出了“地球正常密度假說”，最后，在“地球正常密度假說”的基礎上提出了“板塊運動重力學機制，”將重力學的理論研究與地球科學所面臨的重大課題緊密地結合在了一起。

作者簡介

郝曉光,1958年出生，上海市人，1982年畢業(yè)于同濟大學測量系，現任中科院測量與地球物理研究所研究員、湖北省測繪學會副秘書長、中國測繪學會大地測量專業(yè)委員會委員，中國第十三次南極考察隊中山站越冬考察隊員，理學博士、博士后。主要從事大地測量學、地球物理學和馬克思主義哲學的理論研究，已發(fā)表論文60余篇。1992年提出并主持實施“湖區(qū)水上高精度重力勘探方法”，開創(chuàng)國內湖區(qū)水上高精度重力油氣勘探的先例、并由生產單位推廣采用。1994年提出并主持實施“高山區(qū)高精度重力勘探方法”，開創(chuàng)國內高山區(qū)高精度重力油氣勘探的先例、并由生產單位推廣采用。1996年起研究建立地球重力學的“參數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重力儀觀測發(fā)現South of Kermadec Islands7.1級地震約41小時的“震前擾動”現象，2008年5月又在武漢九峰臺站LacosteET重力儀的觀測資料中發(fā)現8.0級汶川大地震約48tJ、時的“震前擾動”現象。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》已被國家科考和國防科研采用并引起極大社會反響，其原稿已被國家圖書館收藏。2006年提出我國二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)覆蓋范圍的“北擴問題”。

書籍目錄

第1章 勻質橢球與水準橢球1．1 重力和重力位1．2 勻質橢球表面的重1．3 水準橢球表面的重力第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 旋轉橢球質面的引力位2．3 皮澤蒂橢球表面的重力第3章 參數橢球表面的重力3．1 參數橢球概念3．2 勻質橢球外部的引力3．3 參數橢球表面的重力公式3．4 關于c和e"第4章 重力聚點4．1 三種橢球表面的重力4．2 密度分布定理與物質流動定理4．3 重力聚點與重力聚點定理4．4 參數橢球的物質擾動第5章 參數橢球的數學性質5．1 參數橢球表面的引力位5．2 極點與赤道的重力等位條件5．3 極點與赤道重力等位條件下的界面擴張5．4 參數橢球與麥克勞林橢球的數學關系第6章 參數橢球的準等位條件6．1 準等位條件一6．2 準等位條件二6．3 等位條件一6．4 等位條件二6．5 準等位條件的極限內密度6．6 準等位條件的密度分布第7章 地球緯向正常密度函數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 待定常數的求解與地球的密度扁率7．6 橢球質量檢核第8章 地幔緯向正常密度函數8．1 勻質地核橢球在赤道與極點的引力8．2 地幔緯向正常密度函數8．3 地幔極點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”與密度扁率的數量關系第9章 似水準橢球9．1 “勻質分層”模式的似水準橢球9．2 “整體緯向”模式的似水準橢球9．3 “內勻外緯”模式的似水準橢球9．4 “內勻外緯一似水準橢球”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 對錢氏極限的相關思考第11章 板塊運動重力學機制11．1 板塊運動模型11．2 從大陸漂移假說到板塊構造學說的發(fā)展11．3 板塊運動重力學機制的基本觀點11．4 盆山耦合現象11．5 軟流圈板塊概念第12章 重力微分公式12．1 相對于深度參數的微分公式12．2 相對于密度參數的微分公式12．3 相對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波假說的比較13．1 密度分布與補償作用13．2 構造形態(tài)與運動方式13．3 力學性質與演變機制13．4 正常密度假說與內波假說的比較第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“雙經雙緯”概念14．2 “緯向世界地圖”的投影方法14．3 研究板塊動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力學研究15．7 環(huán)太平洋地震帶的形成機理15．8 汶川大地震及青藏高原“物質東流”成因研究15．9 “華北克拉通破壞”的機制研究參考文獻后記

章節(jié)摘錄

插圖：11.4盆山耦合現象李四光先生在探討地槽沉降運動的起因時指出：“我們不得不問，那個槽子底下的物質哪里去了？如果我們否定槽子底下的物質向側面遷移，以致在它的側面形成隆起地帶，我們就無法答復上面提出的問題?！笨唆斉萏亟鹪谔接憤u弧和海溝區(qū)的重力異常時指出：“這種變化可能與殼下基底中物質水平方向上的流出與流入有關，或者至少可能與基底的致密情況有關。長期的垂直運動是由于深部物質的水平運動而產生?！绷涸┰谟懻搷u弧和深海溝共軛體系的成因時指出：“海溝區(qū)地殼下面有部分物質被抽出，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下降。”白文吉在研究盆地和山脈的成因時指出：“盆地區(qū)上地幔相對隆升、山脈區(qū)上地幔相對沉降，盆地區(qū)被抬升和加熱的下地殼物質向山脈下地殼方向蠕動。從盆地下地殼抽出的物質填充到山根部位，迫使山脈隆升，而盆地沉降，兩者同步進行，形成盆山運動?！笨梢?，地質學家們已經意識到發(fā)生在深部的這種物質側向遷移運動存在的必要性，以上論斷表明了以下觀點：地殼物質的垂直運動是由于地幔物質的水平運動造成的；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?。┞∑鸬某梢蚴怯捎谠摰貐^(qū)地幔物質的流進造成的，而盆地（或海溝）沉降的成因是由于該地區(qū)地幔物質的流出造成的。以上觀點將盆地與山脈（或海溝與島弧）的演化過程描述成一種此消彼長的互動關系，這就是地質學中的“盆山耦合現象”。雖然“盆山耦合現象”還沒有闡明板塊運動的驅動機制，然而，“盡管地質學家們沒有進一步指出這種物質運動的驅動力，但是，指出地質實踐要求存在這類形式的物質運動本身，就為進一步的探索指出了方向”。不難看出，正常密度假說及板塊運動重力學機制與盆山耦合現象有著驚人的共同點，李四光等地質學家的觀點在圖11-1和圖11-2中得到了完美的體現。所不同的是，盆山耦合現象只是指出了盆山共軛的現象，而正常密度假說及板塊運動重力學機制則試圖闡明盆山共軛現象的成因和板塊運動的驅動原理。

后記

著名地球重力學家、奧地利的莫里茨（H.Moritz）在他的《地球形狀：理論大地測量學和地球內部物理學》一書中寫道：“莫洛堅斯基的理論要求大地測量學只限于研究地球表面形狀和外部重力場，并認為地球的內部結構是地球物理學的事。但大地測量學和地球物理學之間老的很清楚的分界線已經開始消失。1980大地參考系統(tǒng)采用等位橢球作為參照面，因此很自然地會提出這樣一個問題，即這一橢球所相應的物質分布構形。類似地，也要求研究地球物質分布的異常，考慮重力場與地球內部的密度分布之間不可分割的聯(lián)系?！蹦锎恼J為應該研究“重力場與地球內部的密度分布之間不可分割的聯(lián)系”，可傳統(tǒng)的地球重力學卻認為“重力場與地球內部物質的分布無關”。在傳統(tǒng)的地球重力學中，水準橢球的密度是不知道、也不用知道的；但現在莫里茨卻提出要研究“這一橢球所相應的物質分布構形”。實際上，這應該就是擺在地球重力學面前的新課題。莫里茨講了大地測量學與地球物理學相結合的必然性。但是，除了這一個“必然性”外，還應該有另一個“必然性”，這就是大地測量學與地質學相結合的必然性。大陸漂移假說的理論基礎是地殼均衡假說，所以應該說大陸漂移假說是地質學與大地測量學相結合的產物。但是，“魏格納未能夠從物理學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”。既然地質學主動與大地測量學相結合能產生大陸漂移假說，那么大地測量學也就有可能主動與地質學相結合，闡明大陸漂移及板塊運動的地球重力學成因。在傳統(tǒng)的地球重力學（大地測量學）中，“重力異常”與“密度異?！钡年P系有點含糊，只能籠統(tǒng)地說，“重力異常高區(qū)”對應高密度體、“重力異常低區(qū)”對應低密度體，重力異常“相當于”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系是一個令人深思的問題。在地球重力學中，正常重力是緯度的函數，而重力異常則是經度和緯度的函數。正常密度和密度異常也一樣，正常密度是緯度的函數，密度異常則與重力異常一樣是經度和緯度的函數。所以，我們應該可以這樣說，“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！薄嶋H上，“地球正常密度假說”并不是反傳統(tǒng)的，因為水準橢球表面的“正常重力”是與地球的“重力異常”相對應的。

編輯推薦

《地球正常密度假說：重力學的參數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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