Гравитационные аномалии Земли: от закона Ньютона до геофизических методов разведки

Гравитация представляет собой фундаментальную силу притяжения между любыми двумя материальными телами во Вселенной, количественное описание которой даётся законом обратных квадратов Исаака Ньютона: F = G × (M₁ × M₂) / r², где F — сила притяжения, M₁ и M₂ — массы взаимодействующих тел, *r* — расстояние между их центрами масс, а G — гравитационная постоянная. В науках о Земле термин «гравитация» чаще всего относится к суммарной силе, действующей на объект на поверхности планеты или вблизи неё; эта сила объединяет гравитационное притяжение массы Земли и центробежную составляющую, возникающую вследствие вращения планеты вокруг своей оси.

Гравитационная аномалия определяется как разность между измеренным (наблюдаемым) значением силы тяжести в конкретной точке и теоретически рассчитанным значением, полученным на основе упрощённой модели гравитационного поля Земли — обычно эллипсоида вращения или геоида. Измеренные аномалии отражают неоднородное распределение подповерхностной массы, вариации плотности горных пород и особенности местного рельефа, что делает гравиметрию одним из ключевых методов в структурной геологии, тектонике и разведке полезных ископаемых.

Среднее ускорение свободного падения на поверхности Земли составляет приблизительно 32 фута в секунду за секунду (9,8 м/с²). Для высокоточных геофизических работ в качестве стандартной единицы принята единица силы тяжести (сокращённо г. е.), равная одной десятимиллионной части (10⁻⁷) от указанного среднего значения; в англоязычной литературе эта величина часто обозначается как gravity unit (g.u.). Более старая, но всё ещё используемая единица — миллигал (мГал) — эквивалентна 10 г. е. Полное изменение силы тяжести на уровне моря по всей поверхности Земли достигает примерно 50 000 г. е., что соответствует диапазону от 32,09 до 32,15 фут/с² (9,78–9,83 м/с²). На полюсах тело человека весило бы немного больше, чем на экваторе, поскольку экваториальный радиус Земли превышает полярный; увеличение расстояния от центра масс ослабляет гравитационное притяжение на низких широтах, а также добавляется центробежный эффект, направленный наружу от оси вращения.

Геологически значимые вариации силы тяжести часто составляют лишь несколько десятых долей единицы силы тяжести, и для их регистрации требуются исключительно чувствительные приборы — гравиметры. В наземных гравиметрических исследованиях применяются сети (массивы) гравиметров, позволяющие собирать детальные данные о поверхности с шагом от десятков метров до нескольких километров. Региональные и глобальные исследования обычно опираются на анализ возмущений орбит искусственных спутников Земли; такие спутниковые миссии, как GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) и GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer), обеспечивают беспрецедентно точные карты гравитационного поля планеты с пространственным разрешением порядка 100–200 км. Точное определение гравитационных аномалий требует выделения локального сигнала из общего поля путём последовательного исключения вклада опорного эллипсоида (гладкой математической поверхности, аппроксимирующей фигуру Земли) и геоида — эквипотенциальной поверхности, которая совпадает с невозмущённым средним уровнем Мирового океана и перпендикулярна направлению силы тяжести в каждой точке.

Для извлечения чисто геологического гравитационного сигнала, обусловленного различиями в плотности горных пород под поверхностью, к исходным измерениям применяется ряд поправок (редукций). Аномалия в свободном воздухе (аномалия Фая) корректирует измеренное значение только с учётом высоты точки наблюдения над уровнем моря, компенсируя нормальное уменьшение силы тяжести с высотой (примерно 0,3086 мГал на метр). Более полная редукция — аномалия Буге — дополнительно устраняет гравитационное влияние массива горных пород, расположенного между точкой измерения и уровнем моря. Для расчёта поправки Буге необходимо сделать допущение о средней плотности промежуточного материала; в континентальных условиях обычно принимается плотность 2,67 г/см³, что соответствует гранитам и гнейсам.

В некоторых исследованиях применяется изостатическая поправка, которая учитывает, что крупные топографические нагрузки — горные хребты, плато или осадочные бассейны — часто поддерживаются на глубине дефицитом массы (корневым утолщением коры или разуплотнением мантии). Эта концепция аналогична плаванию айсберга в воде: чем выше возвышается горный массив, тем глубже уходит его «корень» в пластичную астеносферу. Поскольку одновременно могут действовать несколько механизмов изостатической компенсации (по Эри, по Пратту, региональная изостазия), а их относительная роль зависит от масштаба рассматриваемого объекта, изостатическая редукция не всегда выполняется при рутинных гравиметрических съёмках.

Различные геологические тела создают характерные гравитационные аномалии, что позволяет использовать гравиметрию как эффективный метод картирования глубинных структур. Офиолиты — пояса древней океанической коры, надвинутые на континенты в процессе коллизии плит, — сложены необычно плотными основными и ультраосновными породами (базальтами, габбро, перидотитами). Вследствие высокой плотности (2,9–3,3 г/см³) офиолиты обычно связаны с положительными гравитационными аномалиями, достигающими нескольких тысяч г. е. Аналогичным образом, плотные массивные сульфидные руды цветных металлов (меди, цинка, свинца) и магнетитовые месторождения также генерируют локальные положительные аномалии, что широко используется при поисках полезных ископаемых.

Напротив, такие объекты, как соляные купола (плотность ~2,2 г/см³ против 2,4–2,6 г/см³ для вмещающих осадочных пород), глубокие океанические впадины и некоторые горные хребты, представляют собой мощные скопления материала пониженной плотности в земной коре и создают отрицательные гравитационные аномалии. Наиболее выраженные отрицательные аномалии, достигающие –6000 г. е., зарегистрированы в районе Гималайской горной цепи. Здесь мощная толща земной коры (до 70–80 км против обычных 30–40 км) изостатически компенсирует огромную топографическую массу, что выражается в глубоком дефиците плотности под горами. Анализ гравитационных аномалий позволяет геофизикам строить карты подповерхностных структур, определять мощность земной коры (глубину границы Мохоровичича), выявлять зоны рифтогенеза и оценивать изостатическое состояние литосферы в различных тектонических обстановках — от древних кратонов до активных континентальных окраин.

Дополнительная литература: Теркотт, Дональд Л. и Джеральд Шуберт. Геодинамика. 2-е изд. Кембридж: Издательство Кембриджского университета, 2002.
Ваничек, Петр и Николаос Т. Кристу. Геоид и его геофизические интерпретации. Нью-Йорк: CRC Press, 1994.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам естественнонаучных направлений (геологии, географии, геофизики, астрофизики и космологии), начинающим специалистам в области структурной геологии, тектоники, космологии и астрофизики, а также всем, кто интересуется фундаментальными загадками устройства Вселенной и процессами формирования Земли.