Гравитационное поле и его свойства

Определение и физическая сущность гравитационного поля

Гравитационное поле — это форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между телами, обладающими массой. Это поле порождается всеми телами, обладающими массой, и проявляется как сила притяжения между ними. В геофизике гравитационное поле Земли является объектом систематического исследования, поскольку оно отражает не только форму планеты, но и её внутреннюю структуру, плотностные неоднородности и динамику процессов в недрах.

Гравитационное поле обладает следующими фундаментальными свойствами:

  • оно потенциально, то есть его силовые линии не замыкаются, а стремятся к источнику поля (центру масс);
  • оно описывается скалярной функцией — гравитационным потенциалом;
  • оно подчиняется законам классической механики, в частности, закону всемирного тяготения Ньютона;
  • его интенсивность определяется силой тяжести, испытываемой единичной массой.

Сила тяжести и ускорение свободного падения

Гравитационное поле Земли воспринимается через силу тяжести, действующую на тела. Эта сила представляет собой сумму двух компонентов:

  • гравитационной силы, обусловленной массой Земли;
  • центробежной силы инерции, возникающей вследствие её вращения.

Таким образом, полное ускорение свободного падения g зависит как от распределения массы в теле планеты, так и от географической широты и высоты над уровнем моря. Величина g варьирует от ≈ 9.780 м/с² на экваторе до ≈ 9.832 м/с² на полюсах.

Гравитационный потенциал

Потенциал гравитационного поля V определяется как работа, совершаемая по перемещению единичной массы из бесконечности в данную точку пространства:

$$ V(\mathbf{r}) = -G \int \frac{\rho(\mathbf{r}')}{|\mathbf{r} - \mathbf{r}'|} \, dV' $$

где:

  • G — гравитационная постоянная,
  • ρ(r′) — плотность массы в точке r′,
  • интегрирование ведётся по всему объёму Земли.

Потенциал непрерывно меняется в пространстве и его градиент даёт вектор напряжённости поля:

g = −∇V

Таким образом, поле является консервативным и полностью описывается одной скалярной функцией.

Аномалии гравитационного поля и их интерпретация

При детальных измерениях ускорения свободного падения обнаруживается его отклонение от теоретических значений, ожидаемых для гладкого, симметричного земного эллипсоида. Эти отклонения называются гравитационными аномалиями и отражают локальные изменения плотности горных пород.

Выделяют следующие типы аномалий:

  • Свободные аномалии (Буга): разность между измеренным значением силы тяжести и теоретическим, скорректированным на высоту и форму поверхности.
  • Бугеровские аномалии: дополнительно учитывается влияние массы между пунктом измерения и уровнем моря.
  • Изостатические аномалии: получаются после коррекции на эффект изостатического равновесия.

Анализ аномалий позволяет выявлять:

  • плотностные неоднородности в земной коре;
  • границы тектонических блоков;
  • соляные купола, нефтяные ловушки, разломы;
  • глубинные структуры мантии.

Методы лабораторного изучения гравитационных свойств пород

Изучение гравитационного поля требует знания плотностных характеристик горных пород, которые определяются в лабораторных условиях с использованием различных методов.

Прямое взвешивание в воздухе и в жидкости

Наиболее простой способ определения средней плотности образца. Образец взвешивается сначала в воздухе, затем в жидкости (обычно в воде). По закону Архимеда вычисляется объём вытесненной жидкости, что позволяет определить плотность:

$$ \rho = \frac{m}{V} = \frac{m}{m_{\text{воздух}} - m_{\text{жидкость}}} $$

Пикнометрический метод

Метод основан на измерении объёма твёрдого образца при помощи пикнометра — стеклянного сосуда с точным объёмом. В пикнометр наливается жидкость, затем погружается исследуемый образец, и измеряется изменение объёма.

Метод с использованием газового пикнометра

Используется для более точного определения истинной плотности породы, без учёта пористости. Метод основан на измерении изменения давления газа при расширении в камере с известным объёмом, в которую помещён образец.

Гидростатическое взвешивание

Метод используется для расчёта плотности насыщенных или ненасыщенных образцов с учётом их влажности. Позволяет определить как плотность твёрдой фазы, так и общую (включая поры и влагу).

Рентгеновская микротомография и другие современные методы

Современные неразрушающие методы, такие как микротомография, позволяют получить трёхмерную реконструкцию внутренней структуры образца. Это даёт возможность не только определить плотность, но и количественно оценить распределение пор, трещин и неоднородностей.

Значение лабораторных измерений для гравиметрии

Результаты лабораторных исследований плотности горных пород позволяют:

  • проводить количественную интерпретацию гравиметрических аномалий;
  • калибровать геофизические модели;
  • оценивать вклад пород различной литологии в формирование аномалий;
  • устанавливать корреляцию между плотностью и другими физическими свойствами — упругими, электрическими, магнитными.

Особенно важна лабораторная информация при интерпретации региональных и локальных гравиметрических съёмок, геологическом картировании, построении структурных разрезов и моделировании земной коры.

Гравиметрические съёмки и приборы

Измерение силы тяжести в полевых условиях осуществляется при помощи гравиметров — высокочувствительных приборов, фиксирующих малейшие изменения ускорения свободного падения. Современные гравиметры обеспечивают точность измерений до 0.01–0.001 мГал (1 мГал = 10⁻⁵ м/с²).

Различают:

  • Аналоговые (механические) гравиметры на основе маятников или пружин;
  • Квантовые гравиметры, использующие интерференцию атомов;
  • Спутниковые гравиметрические методы (GRACE, GOCE), обеспечивающие глобальное картирование гравитационного поля Земли.

Роль гравитационного поля в геофизических интерпретациях

Интерпретация гравитационных данных требует комплексного подхода с учётом геологического строения, плотностей пород, структурных форм и глубин залегания объектов. Решаются следующие задачи:

  • построение моделей плотностного распределения в земной коре и мантии;
  • определение глубинных границ (граница Мохо, переходная зона);
  • выявление нефтегазоносных структур;
  • анализ изостатического состояния регионов;
  • контроль геодинамических процессов (например, поднятия или проседания земной коры).

Таким образом, гравитационные методы, основанные на фундаментальных свойствах гравитационного поля и подкреплённые точными лабораторными измерениями, играют ключевую роль в изучении внутреннего строения Земли.

Оглавление