1. Основы теории гравитационного поля Земли и гравиразведки

1.1. Сила тяжести, ее потенциал и производные потенциала

1.1.1. Сила тяжести.

Силой тяжести () называют равнодействующую двух сил - силы ньютоновского притяжения всей массой Земли () и центробежной силы, возникающей вследствие суточного вращения Земли (). Отнесенные к единице массы, эти силы характеризуются ускорениями силы тяжестиg=F/m, ньютоновского притяжения f=F_н/m и центробежным P=P/m. Ускорение силы тяжести равно геометрической сумме ускорения притяжения и центробежного ускорения (рис. 1.1). Обычно в гравиметрии, когда говорят "сила тяжести", подразумевают именно ускорение силы тяжести.

Рис. 1.1 Ускорение силы тяжести и его составляющие

Единицей ускорения в системе СИ является м/с². В гравиметрии традиционно используют более мелкую единицу - Гал, равный 1 см/с². В среднем на Земле g=981 Гал. В практике гравиразведки применяется величина в 1000 раз меньшая, получившая название миллигал (мГал).

Сила притяжения какой-либо массы () всей массой Земли () определяется законом всемирного тяготения Ньютона:

(1.1)

где - расстояние между центрами масси, т.е. радиус Земли;- гравитационная постоянная, равнаяG=6,67*10^-11 м³/кг*с². Сила притяжения единичной массы (m=1) равна и направлена к центру Земли.

Центробежная сила () направлена по радиусу, перпендикулярному оси вращения (), и определяется формулой

(1.2)

где - угловая скорость вращения Земли.

Величина изменяется от нуля на полюсе (R=0) до максимума на экваторе. Отношение , поэтому сила тяжести почти целиком определяется силой притяжения, а ускорение силы тяжести практически равно ускорению притяжения.

Земля в первом приближении является эллипсоидом вращения, причем экваториальный радиус , а полярный,a-c=21 км. Разная величина радиуса Земли на полюсе и экваторе наряду с изменением центробежной силы приводит к увеличению на полюсе (g_п=983 Гал) по сравнению с на экваторе (g_э= 978 Гал). По известным ибыли определены масса ЗемлиМ=5,98*10²⁴ кг и ее средняя плотность .

1.1.2. Потенциал силы тяжести.

Потенциал силы тяжести () был введен в теорию гравиметрии для облегчения решения теоретических задач. В точке А, расположенной на расстоянииr_A от центра Земли, выражение для потенциала принимается равным: W_A=GM/r_A, а в любой точке B, расположенной на продолжении радиуса ,. Поэтому разность потенциалов будет равна:

В пределе при малом имеем:

отсюда g=-dW/dr, т.е. сила тяжести есть производная потенциала силы тяжести по направлению к центру Земли.

С другой стороны, работа, которая может быть произведена при движении притягиваемой точки по отрезку , равна. Поэтому, или работа силы тяжести по перемещению единичной массы на отрезкеравна разности значений потенциала на концах этого отрезка.

При перемещении точки в направлении, перпендикулярном силе тяжести, dW=0. Это означает, что W=const. Поэтому гравитационное поле можно представить в виде набора бесконечного числа поверхностей, на которых потенциал остается постоянным, а ускорение силы тяжести направлено перпендикулярно этой поверхности. Такие поверхности называют эквипотенциальными или уровенными. В частности, поверхность жидкости на Земле, например, моря, совпадает с уровенной поверхностью. У Земли есть одна уникальная уровенная поверхность, которая совпадает с невозмущенной волнениями поверхностью океанов. Она называется геоидом.

Таким образом, геоид - это условная уровенная поверхность, которая совпадает со средним уровнем океанов и открытых морей, проходит под сушей и по определению везде горизонтальна, а ускорение силы тяжести к ней перпендикулярно.