1.1.3. Производные потенциала силы тяжести.

Производные потенциала силы тяжести по трем координатным осям ,,однозначно определяют его полный вектор.

В частности, если ось z направить к центру Земли, то , а

В гравиметрии кроме первых производных изучаются вторые производные потенциала или их разности:

(1.3)

Физический смысл этих выражений легко получить, если иметь в виду, что . Так, например, вторая производнаяуказывает на скорость изменения силы тяжести по осих, т.е. является горизонтальным градиентом силы тяжести.

Аналогичный смысл имеют вторые производные и.

Вторые производные ,характеризуют форму уровенной поверхности (геоида), изучаемую в геодезической гравиметрии. Практической единицей измерения градиента силы тяжести принимается 1 этвеш (Е)=10^-9/c², что соответствует изменению силы тяжести в 0,1 мГал на 1 км.

1.2. Нормальное значение силы тяжести, редукции, аномалии силы тяжести и плотность горных пород

1.2.1. Нормальное значение силы тяжести.

Нормальным значением силы тяжести ( ) называется сила тяжести, обусловленная суточным вращением и притяжением Земли, в предположении, что она состоит из однородных по плотности концентрических слоев.

Принимая Землю за сфероид, Клеро получил следующую приближенную формулу для ее расчета:

где - сила тяжести на экваторе;- географическая широта пункта наблюдения;- коэффициент, зависящий от угловой скорости вращения и сжатия сфероида.

Однако Земля - геоид, и нормальные значения силы тяжести для его поверхности рассчитываются по формуле:

(1.4)

где - географическая долгота точки наблюдения.

Коэффициенты ,изависят от формы Земли, ее угловой скорости вращения, распределения масс. По многочисленным измерениям можно определить эти неизвестные коэффициенты. В настоящее время используется формула, в которой коэффициенты равны:,,иg_э=978,013 Гал.

Составлены специальные таблицы, по которым легко определить величину для любой точки земной поверхности. Измеривg_н в какой-то точке и вычтя , получим аномалию силы тяжести.

Таким образом, геоид является поверхностью относимости, по отношению к которой рассчитываются аномалии.

1.2.2. Редукции силы тяжести.

В наблюденные значения силы тяжести вводятся поправки (редукции). Введение поправок необходимо потому, что нормальные значения относятся к поверхности геоида, которая совпадает с уровнем океана, а измеренные значения относятся к действительной (реальной) земной поверхности. Для того, чтобы все наблюдения силы тяжести были сопоставимы, их приводят к одной поверхности - уровню геоида, т.е. как бы опускают точку наблюдения на этот уровень. Это осуществляется путем введения поправок за высоту, за притяжение промежуточного слоя и окружающий рельеф. Поправки называются редукциями.

Основными из них являются: поправка за высоту, за притяжение промежуточного слоя, за рельеф.

Для приведения измеренного значения к уровню океана вводят поправку за высоту (). Эту поправку называют поправкой за "свободный воздух" или поправкой Фая. Формула для расчета поправки за высоту имеет вид:, гдев миллигалах, а(высота над уровнем моря) в метрах. Эта поправка должна прибавляться к измеренной силе тяжести, если точка наблюдений находится выше уровня геоида, и вычитаться, если ниже.

При введении поправки за притяжение промежуточного слоя () вычисляется притяжение масс слоем между уровнем океана и данной точкой. Для расчета этой поправки используют формулу притяжения плоскопараллельной пластины, которая имеет вид:, где- абсолютная высота точки наблюдения в м, а- средняя плотность пород в этом слое в г/см³. Поправка имеет знак, противоположный знаку поправки за свободный воздух.

Для учета бокового притяжения рельефа местности, окружающего пункт наблюдения, при съемке в горных районах вводятся топографические поправки (). Имеется несколько способов учета таких поправок, которые всегда положительны.

При региональных исследованиях суши и океанов иногда используют специально рассчитываемые изостатические редукции, которые характеризуют отклонение от существующего в целом гидростатического равновесия Земли. Считается, что в верхней оболочке, называемой литосферой мощностью 100-200 км, такое равновесие достигается в основном посредством упругого изгиба. Глубже, в так называемой астеносфере с более низкой вязкостью, равновесие достигается горизонтальными течениями. От этих факторов зависит гидростатическое равновесие. В ряде районов с интенсивными изостатическими аномалиями оно нарушено.