Science sur le champ gravitationnel de la Terre. Science qui étudie le champ gravitationnel de la terre. Le champ gravitationnel de la Terre

CHAMP GRAVITATIONNEL DE LA TERRE (champ gravitationnel de la Terre, champ gravitationnel de la Terre ; N. Schwerefeld der Erde ; F. champ de gravite de la Terre ; et. Campo de gravedad de la tierra) - un champ de force dû à l'attraction des masses et de la force centrifuge, qui résulte de la rotation quotidienne de la Terre ; dépend également de manière insignifiante de l'attraction de la Lune et du Soleil et d'autres corps célestes et des masses de la Terre. Le champ gravitationnel de la Terre est caractérisé par la force de gravité, le potentiel de la force de gravité et ses diverses dérivées. Le potentiel a la dimension m2 .s -2, l'unité de mesure des dérivées premières du potentiel (y compris la gravité) en gravimétrie est le milligal (mGal), égal à 10 -5 ms -2, et pour les dérivées secondes - etvesh ( E, E) égal à 10 -9 .s -2.

Valeurs des principales caractéristiques du champ gravitationnel de la Terre : potentiel de gravité au niveau de la mer 62636830 m 2 .s -2 ; la gravité moyenne sur Terre est de 979,8 Gal ; une diminution de la gravité moyenne du pôle à l'équateur 5200 mGal (dont du fait de la rotation quotidienne de la Terre 3400 mGal) ; l'anomalie de gravité maximale sur Terre est de 660 mGal ; gradient vertical normal de gravité 0,3086 mGal / m; la déviation maximale du fil à plomb sur Terre est de 120 "; la plage des variations luni-solaires périodiques de la force de gravité est de 0,4 mGal; l'amplitude possible du changement séculaire de la force de gravité<0,01 мГал/год.

La partie du potentiel de gravité, due uniquement à l'attraction de la Terre, s'appelle le géopotentiel. Pour résoudre de nombreux problèmes globaux (étude de la forme de la Terre, calcul des trajectoires des satellites, etc.), le géopotentiel est représenté sous la forme d'un développement en fonctions sphériques. Les dérivées secondes du potentiel de gravité sont mesurées par des gradiomètres et des variomètres gravimétriques. Il existe plusieurs expansions du géopotentiel qui diffèrent par les données d'observation initiales et les degrés d'expansion.

Habituellement, le champ gravitationnel de la Terre est représenté comme composé de 2 parties : normale et anormale. La partie principale - la partie normale du champ correspond au modèle schématisé de la Terre sous la forme d'un ellipsoïde de révolution (Terre normale). Elle est cohérente avec la Terre réelle (les centres de masse, les valeurs de masse, les vitesses angulaires et les axes de rotation journalière coïncident). La surface d'une Terre normale est considérée comme plane, c'est-à-dire le potentiel de gravité en tous ses points a la même valeur (voir géoïde) ; la force de gravité lui est dirigée le long de la normale et change selon une loi simple. En gravimétrie, la formule internationale de la gravité normale est largement utilisée :

g (p) = 978049 (1 + 0,0052884 sin 2 p - 0,0000059 sin 2 2p), mGal.

Dans d'autres pays socialistes, la formule de F.R. Helmert est principalement utilisée :

g (p) = 978030 (1 + 0,005302 sin 2 p - 0,000007 sin 2 2p), mGal.

Des côtés droits des deux formules, 14 mGal sont soustraits pour tenir compte de l'erreur de la gravité absolue, qui a été établie à la suite de plusieurs mesures de la gravité absolue à différents endroits. D'autres formules similaires sont dérivées, qui prennent en compte les changements de la gravité normale dus à la triaxialité de la Terre, l'asymétrie de ses hémisphères nord et sud, etc. La différence entre la gravité mesurée et normale est appelée anomalie de gravité (voir géophysique anomalie). La partie anormale du champ gravitationnel de la Terre est plus petite que la normale et change de manière complexe. Lorsque les positions de la Lune et du Soleil par rapport à la Terre changent, une variation périodique du champ gravitationnel de la Terre se produit. Cela provoque des déformations de marée de la Terre, incl. marées maritimes. Il existe également des changements non liés aux marées dans le champ gravitationnel de la Terre dans le temps, qui surviennent en raison de la redistribution des masses à l'intérieur de la Terre, des mouvements tectoniques, des tremblements de terre, des éruptions volcaniques, du mouvement de l'eau et des masses atmosphériques, des changements de vitesse angulaire et l'axe de rotation quotidienne de la Terre. De nombreuses valeurs de changements non liés aux marées dans le champ gravitationnel de la Terre ne sont pas observées et ne sont estimées que théoriquement.

Sur la base du champ gravitationnel de la Terre, un géoïde est déterminé qui caractérise la figure gravimétrique de la Terre, par rapport à laquelle les hauteurs de la surface physique de la Terre sont définies. Le champ gravitationnel de la Terre en combinaison avec d'autres données géophysiques est utilisé pour étudier le modèle de la distribution radiale de la densité de la Terre. Sur cette base, des conclusions sont tirées sur l'état d'équilibre hydrostatique de la Terre et sur les contraintes qui y sont associées dans son

g (p) = 978049 (1 + 0,0052884 sin 2 p - 0,0000059 sin 2 2p), mGal.

Dans d'autres pays socialistes, la formule de F.R. Helmert est principalement utilisée :

g (p) = 978030 (1 + 0,005302 sin 2 p - 0,000007 sin 2 2p), mGal.

L'étude du champ gravitationnel de la Terre est non seulement scientifique, mais aussi d'une grande importance pratique pour de nombreux secteurs de l'économie nationale de la Russie. En tant que direction scientifique indépendante, la gravimétrie fait également partie intégrante d'autres sciences de la Terre complexes, telles que la physique de la Terre, la géologie, la géodésie et l'astronautique, l'océanographie et la navigation, la sismologie et la prévision.

Tous les concepts originaux de la gravimétrie sont basés sur les dispositions de la mécanique newtonienne classique. Sous l'action de la gravité, tout le monde subit une accélération g. Habituellement, il s'agit non pas de la gravité, mais de son accélération, qui est numériquement égale à l'intensité du champ en un point donné. Les changements de gravité dépendent de la répartition des masses sur la Terre. Sous l'influence de cette force, la forme moderne (figure) de la Terre a été créée et sa différenciation se poursuit en géosphères de composition et de densité différentes. Ce phénomène est utilisé en gravimétrie pour étudier la géologie. Les modifications de la force de gravité associées aux inhomogénéités de la croûte terrestre, qui n'ont pas de motif évident et visible et provoquent l'écart des valeurs de la force de gravité par rapport à la normale, sont appelées anomalies de la force de gravité. Ces anomalies ne sont pas grandes. Leurs valeurs fluctuent à l'intérieur de plusieurs unités de 10-3 m / s 2, ce qui représente 0,05 % de la valeur totale de la force de gravité et un ordre de grandeur inférieur à sa variation normale. Cependant, ce sont ces changements qui sont intéressants pour l'étude de la croûte terrestre et pour la recherche.

Les anomalies gravitationnelles sont causées à la fois par les masses faisant saillie à la surface (montagnes) et par la différence de densité de masse à l'intérieur de la Terre. L'influence des masses visibles externes est calculée en excluant les corrections des anomalies obtenues. Des changements de densité peuvent se produire à la fois en raison de l'élévation et de l'abaissement des couches, et en raison de changements dans les densités au sein des couches elles-mêmes. Par conséquent, les anomalies de gravité reflètent à la fois les formes structurelles et la composition pétrographique des roches dans diverses couches de la croûte terrestre. Les densités dans la croûte sont différenciées à la fois verticalement et horizontalement. La densité augmente avec la profondeur de 1,9–2,3 g/cm 3 à la surface à 2,7–2,8 g/cm 3 au niveau de la limite inférieure de la croûte et atteint 3,0–3,3 g/cm 3 dans la zone du manteau supérieur.

L'interprétation des anomalies gravimétriques en géologie est d'une importance particulière. Directement ou indirectement, la gravité est impliquée dans tout. Enfin, les anomalies de gravité, de par leur nature physique et les méthodes utilisées pour les calculer, permettent d'étudier simultanément les éventuelles inhomogénéités de densité de la Terre, où et à quelle profondeur elles se trouvent. Cela permet d'utiliser les données gravimétriques pour résoudre des problèmes géologiques très divers en échelle et en profondeur. L'arpentage gravimétrique est largement utilisé dans la prospection et l'exploration de gisements de minerai et de structures pétrolières et gazières.

Le rôle et l'importance des données gravimétriques dans l'étude des données sismiques profondes ont particulièrement augmenté ces dernières années, alors que non seulement le Kola, mais aussi d'autres puits profonds et très profonds, y compris étrangers (Oberpfalz V, Gravberg V, etc.) n'ont pas confirmer les résultats de l'interprétation géologique des données sismiques profondes qui sous-tendent la conception de ces puits.

Pour l'interprétation géologique des anomalies de gravité dans des régions géomorphologiquement très différentes, un rôle particulier est joué par le choix de la réduction de gravité la plus justifiée, car, par exemple, dans les zones montagneuses, les anomalies de Faya et de Bouguer diffèrent fortement non seulement en intensité, mais même en signe. Pour les territoires continentaux, la plus reconnue est la réduction de Bouguer avec une densité de la couche intermédiaire de 2,67 g/cm 3 et avec une correction pour l'influence du relief de surface dans un rayon de 200 km

Les élévations de la surface de la terre, ainsi que les profondeurs du fond des mers et des océans, sont mesurées à partir de la surface du quasigéoïde (niveau de la mer). Par conséquent, pour tenir pleinement compte de l'influence gravitationnelle de la forme de la Terre, il est nécessaire d'introduire deux corrections : la correction de Bruns pour les écarts de la figure de la Terre par rapport à l'ellipsoïde terrestre normal ou à un sphéroïde de révolution, ainsi que des corrections topographiques et hydrotopographiques corrections des écarts de la surface terrestre solide par rapport au niveau de la mer.

Les anomalies de gravité sont largement utilisées pour résoudre divers problèmes géologiques. Les idées sur la nature géologique profonde des anomalies gravitationnelles si grandes et hétérogènes sur le territoire de la Russie changeront largement en fonction des concepts théoriques de la formation et de l'évolution tectonique de la Terre qui ont été pris comme base. Un lien clair des anomalies de gravité à Bouguer et des réductions hydrotopographiques avec la topographie diurne et avec les profondeurs de la mer, lorsque les structures montagneuses correspondent à des minimums intenses, et aux mers - aux maximums de gravité, a longtemps été noté par les chercheurs et a a été largement utilisé pour étudier l'isostasie, la corrélation des anomalies de gravité avec les données de sondage sismique profond. Les réductions Bouguer et hydrotopographiques permettent de supprimer l'influence des inhomogénéités de densité connues de la Terre et ainsi de mettre en évidence les composantes plus profondes du champ. La corrélation observée avec le relief diurne des anomalies gravimétriques souligne que c'est l'isostasie en tant que phénomène physique qui est responsable du fait que non seulement le relief, mais toutes les inhomogénéités de densité de la Terre s'équilibrent mutuellement sous la forme de zones de relativement haute et de faible densité, alternant souvent à plusieurs reprises avec la profondeur et se compensant mutuellement. Les données modernes sur les propriétés rhéologiques de la Terre avec sa litho- et son asthénosphère, très différentes dans leur élasticité et, par conséquent, leur mobilité, ainsi que la stratification tectonique de la croûte terrestre, avec la présence possible dans celle-ci d'une convection à plusieurs niveaux de la matière profonde de la Terre, indiquent une relaxation géologiquement instantanée des charges ... Par conséquent, sur la Terre, à la fois maintenant et avant, toutes les masses anormales de toute taille et profondeur étaient et continuent d'être compensées isostatiquement, peu importe où elles se trouvaient et sous quelque forme qu'elles se manifestent. Et si auparavant ils essayaient d'expliquer les amplitudes et les signes d'anomalies gravitationnelles uniquement par des changements dans l'épaisseur totale de la croûte terrestre et calculaient à cet effet les coefficients de sa corrélation avec la topographie diurne ou avec les anomalies gravitationnelles, alors la suite de plus en plus étude sismique détaillée de la croûte terrestre et du manteau supérieur, l'utilisation de méthodes de tomographie sismique a montré que les inhomogénéités sismiques latérales et, par conséquent, les inhomogénéités de densité sont caractéristiques de tous les niveaux de différenciation des masses profondes de la Terre, c'est-à-dire non seulement la croûte terrestre, mais aussi le manteau supérieur et inférieur, et même le noyau de la Terre.

Le champ des anomalies gravimétriques change énormément - plus de 500 mGal - de -245 à +265 mGal, formant un système de différentes tailles et intensités d'anomalies gravimétriques globales, régionales et plus locales qui caractérisent la croûte, le manteau crustal et le manteau proprement dit niveaux d'inhomogénéités de densité latérale de la Terre. Le champ gravitationnel anormal reflète l'effet total des masses gravitantes situées à différentes profondeurs et dans le manteau supérieur. Ainsi, la structure des bassins sédimentaires se manifeste mieux dans un champ gravitationnel anormal en présence d'une différenciation de densité suffisante dans les zones où les roches du socle cristallin se trouvent à de grandes profondeurs. L'effet gravitationnel des roches sédimentaires dans les zones à sous-sol peu profond est beaucoup plus difficile à observer, car il est masqué par l'influence des caractéristiques du sous-sol. Les zones avec une grande "couche de granit" se distinguent par des anomalies de gravité négative. Les affleurements des massifs granitiques à la surface sont caractérisés par les minima de la force de gravité. Dans le champ gravitationnel anormal, les limites des blocs individuels sont clairement visibles dans les zones de grands gradients et des maxima de bande de la force de gravité. Au sein des plates-formes et des zones repliées, on distingue des structures plus petites, des houles et des avant-fonds.

Les anomalies de gravité les plus globales, caractérisant les inhomogénéités du niveau propre du manteau (asthénosphérique), sont si grandes que seules leurs parties marginales pénètrent dans les limites du territoire considéré de la Russie, s'étendant bien au-delà de ses limites, où leur intensité augmente considérablement. Une seule zone du maximum de gravité méditerranéen coïncide avec le bassin et est délimitée au nord par un petit minimum de gravité alpin, et à l'est par un seul minimum de gravité asiatique très intense et énorme, correspondant à l'ensemble du méga-gonflement asiatique. de la Terre, couvrant les structures montagneuses de l'Asie centrale et de la Haute Asie de à et, par conséquent, du Tien Shan au système nord-est de dépressions internes (Ordos, Sichuan, etc.). Ce minimum global de gravité asiatique diminue en intensité et peut être retracé jusqu'au territoire du nord-est de la Russie (structures montagneuses, Transbaïkalie, région de Verkhoyansk-Tchoukotka), et sa ramification couvre la quasi-totalité de la zone de la Sibérie. Plate-forme précambrienne, activée ces derniers temps, dans son ensemble peu élevée (jusqu'à 500-1000 m) plateau sibérien.

On trouve une explication logique et différents signes de ces anomalies, si l'on tient compte du fait que la fonte de la zone, en remontant jusqu'à la surface de l'asthénolithe, laisse à chaque niveau des roches refondues, relativement plus denses que les strates les renfermant latéralement. Par conséquent, dans le champ gravitationnel, la somme entière de ces roches refondues crée un seul maximum total de gravité, et même la présence de "couches" en fusion (zones d'inversion de vitesse et de densité) ne modifiera pas ses caractéristiques globales, comme c'est le cas. observés dans les parties marginales de l'Arctique - Atlantique et Pacifique maximums mondiaux de gravité.

Les masses anormales qui créent le minimum global d'Asie centrale sont probablement situées à une profondeur encore plus grande, à la suite de quoi la zone de fonte formée a conduit à une augmentation du volume des seules masses profondes et, par conséquent, à la formation à la surface de un seul méga-renflement géant asiatique de la Terre, et la présence d'une lentille en fusion à une profondeur, Apparemment, cela a causé le magmatisme basaltique, de petit volume et dispersé sur tout ce territoire, les tuyaux mésozoïques de l'explosion dans les volcans quaternaires éteints dans la région de l'Altaï-Saïan, et enfin, le magmatisme basaltique plus intense des hautes terres du Baïkal-Patom, bien au-delà du rift du Baïkal lui-même.

La grande profondeur des maxima et minima globaux de gravité, tombant sur le territoire de la Russie, est confirmée par l'interprétation des hauteurs du géoïde.

La gravité, qui est aussi attraction ou gravitation, est une propriété universelle de la matière, que possèdent tous les objets et corps de l'Univers. L'essence de la gravité est que tous les corps matériels attirent tous les autres corps autour.

La force de la gravité

Si la gravité est un concept général et une qualité que possèdent tous les objets de l'Univers, alors la gravité est un cas particulier de ce phénomène global. La terre attire tous les objets matériels sur elle. Grâce à cela, les humains et les animaux peuvent se déplacer en toute sécurité le long des terres, les rivières, les mers et les océans peuvent rester sur leurs rives et l'air ne peut pas voler à travers les étendues infinies de l'espace, mais former l'atmosphère de notre planète.

Une bonne question se pose : si tous les objets ont de la gravité, pourquoi la Terre attire-t-elle les humains et les animaux vers elle-même, et non l'inverse ? Premièrement, nous attirons aussi la Terre vers nous, c'est juste que notre gravité est négligeable par rapport à sa gravité. Deuxièmement, la force de gravité est directement proportionnelle à la masse du corps : moins la masse du corps est faible, plus ses forces gravitationnelles sont faibles.

Le deuxième indicateur dont dépend la force d'attraction est la distance entre les objets : plus la distance est grande, moins l'effet de gravité est important. Y compris à cause de cela, les planètes se déplacent sur leurs orbites et ne tombent pas les unes sur les autres.

Il est à noter que la Terre, la Lune, le Soleil et d'autres planètes doivent leur forme sphérique à la force de gravité. Il agit en direction du centre, attirant vers lui la substance qui constitue le "corps" de la planète.

Le champ gravitationnel de la Terre

Le champ gravitationnel de la Terre est un champ d'énergie de force qui se forme autour de notre planète sous l'action de deux forces :

la gravité;
force centrifuge, qui doit son apparition à la rotation de la Terre autour de son axe (rotation quotidienne).

Étant donné que la gravité et la force centrifuge agissent constamment, le champ gravitationnel est un phénomène constant.

Les forces gravitationnelles du Soleil, de la Lune et de certains autres corps célestes, ainsi que les masses atmosphériques de la Terre, ont un effet insignifiant sur le champ.

La loi de la gravité et Sir Isaac Newton

Le physicien anglais, Sir Isaac Newton, selon la célèbre légende, une fois se promenant dans le jardin pendant la journée, a vu la lune dans le ciel. Au même moment, une pomme tomba de la branche. Newton étudiait alors la loi du mouvement et savait que la pomme tombe sous l'influence du champ gravitationnel et que la lune tourne en orbite autour de la terre.

Et puis l'idée est venue à la tête du scientifique de génie, illuminée de perspicacité, que peut-être la pomme tombe sur la terre, obéissant à la même force grâce à laquelle la Lune est sur son orbite, et ne se précipite pas au hasard dans toute la galaxie. Ainsi la loi de la gravitation universelle a été découverte, c'est aussi la troisième loi de Newton.

Dans le langage des formules mathématiques, cette loi ressemble à ceci :

F=GMm / J 2 ,

où F- la force de gravité mutuelle entre deux corps ;

M- la masse du premier corps ;

m- la masse du deuxième corps ;

J2- distance entre deux corps ;

g- constante gravitationnelle égale à 6,67x10 -11.

Le champ gravitationnel de la Terre - c'est le champ de gravité. La force de gravité agit partout sur Terre et est dirigée le long d'un fil à plomb jusqu'à la surface du géoïde, diminuant en amplitude des pôles à l'équateur.

La terre aurait champ gravitationnel normalà condition qu'il ait la forme d'un ellipsoïde de révolution et qu'il y ait une répartition uniforme des masses. Cependant, la Terre n'est pas un tel corps. La différence entre la force du champ gravitationnel réel et le champ théorique (normal) est appelée anomalie de gravité. Ces anomalies sont causées à la fois par une composition matérielle et une densité différentes des roches, et par des irrégularités visibles de la surface de la terre (relief). Cependant, les montagnes ne provoquent pas toujours une augmentation de la force de gravité (anomalie positive) et les creux océaniques - leur inconvénient (anomalie négative). Cette situation s'explique isostasie(du grec. isostases- égal en

poids) - équilibrer les horizons supérieurs solides et relativement légers de la Terre sur le manteau supérieur plus lourd, qui est à l'état plastique dans la couche asthénosphère. Selon les concepts géophysiques modernes, dans les entrailles de la Terre à une certaine profondeur (profondeur de compensation), il y a une propagation horizontale de masses sous-crustales de matière des endroits de leur excès à la surface (sous forme de montagnes, etc.) la périphérie et l'égalisation de la pression des couches sus-jacentes. L'existence de courants asthénosphériques est une condition nécessaire à l'équilibre isostatique de la croûte terrestre.

Lorsque la charge glaciaire apparaît ou disparaît dans les zones de glaciers anciens et modernes, l'équilibre isostatique est également perturbé. Avec une augmentation de la masse de glace des glaciers de couverture, la croûte terrestre se plie et lorsque la glace fond, elle monte. De tels mouvements verticaux de la croûte terrestre sont appelés brillant et oisostasie(à partir de lat.

glaciers - glace). L'affaissement glacio-isostatique est le plus prononcé sous les parties centrales des calottes glaciaires modernes - l'Antarctique et le Groenland, où le lit des glaciers est courbé par endroits sous le niveau de la mer. Les soulèvements sont particulièrement intenses dans les zones récemment libérées des glaces continentales (par exemple, en Scandinavie, au Canada), où leurs valeurs totales pour la période postglaciaire atteignent plusieurs dizaines de mètres. Selon des mesures instrumentales, les taux de soulèvement modernes atteignent à certains endroits 1 m par siècle, par exemple sur la côte suédoise du golfe de Botnie.

La valeur de la gravité est extrêmement élevée. Il définit la vraie figure de la Terre - le géoïde. Les courants sous-crustaux dans l'asthénosphère provoquent des déformations tectoniques et des mouvements des plaques lithosphériques, créant de grandes formes du relief terrestre. La force de gravité détermine les processus gravitationnels de formation du relief : érosion, glissements de terrain, talus, glissements de terrain, coulées de boue, mouvement des glaciers dans les montagnes, etc. La force de gravité détermine la hauteur maximale des montagnes sur Terre. Il détient l'atmosphère et l'hydrosphère, il obéit au mouvement des masses d'air et d'eau. La gravité aide les humains et de nombreux animaux à rester debout. Géotropisme- les mouvements de croissance des organes végétaux sous l'influence de la force de gravité - détermine la direction verticale des tiges et de la racine primaire. Ce n'est pas sans raison que la biologie gravitationnelle, apparue à l'époque où l'homme a commencé à habiter le monde sans gravité - le Cosmos, inclut les plantes parmi ses objets expérimentaux. La force de gravité doit être prise en compte lorsque l'on considère littéralement tous les processus dans une enveloppe géographique. Sans prendre en compte la force de gravité, il est impossible de calculer les données initiales pour les lancements de fusées et d'engins spatiaux, et l'exploration gravimétrique des minerais et des structures pétrolières et gazières est impossible.