6. Нормальное гравитационное поле и его аномалии.

Гравитационное поле Земли имеет сложную структуру, обусловленную неоднородностью вещества земной коры и мантии. Поэтому его принято разделять на две части: нормальное гравитационное поле и остаточное аномальное поле.

Земной эллипсоид наилучшим образом аппроксимирует основную уровенную поверхность Земли – геоид. Этот эллипсоид наз. уровенным эллипсоидом (нормальной Землей). По его параметрам определяют нормальную силу тяжести g₀ , нормальный потенциал и другие характеристики нормального гравитационного поля.

Реальные значения силы тяжести g, наблюдаемые в различных частях земной поверхности, отличаются от нормального ее значения g_0. Разность g_a =g – g₀ в пункте наблюдений называют аномалией силы тяжести g_a (гравитационной аномалией). Величина g_a обусловлена залеганием на глубине тяжелых или легких горных пород и руд. Аномалии бывают положительными (“избыток масс”), обычно присущими глубоководным впадинам океанов, и отрицательными – в высокогорных областях материков и в районах залегания легких горных пород и руд.

Обычно на поверхности Земли значение g_a составляет несколько десятых долей 1см/с², достигая иногда и целых единиц в горах и глубоководных впадинах. Так, аномалии силы тяжести в Марианской впадине на глубине 8740 м g_a = - 0,244 см/с², а в свободном воздухе г. Мауна-Кеа (о.Гавайи) для высоты z = 4214 м составляет +0,669 см/с². Обычно значения g_a отражают изменения гравитационного поля при переходе от одного типа земной коры к другому; они не коррелируют с положением материков и океанов; знак g_a не меняется на протяжении тысяч км. Подобные соотношения между реальными (g) и теоретическими (g₀) значениями ускорения свободного падения объясняются тем, что сравнительно малая масса воды океанов и морей компенсируется массой горных пород большой плотности (базальт, перидотит). На материках под горными хребтами залегают, видимо, породы малой плотности. Все это означает, что на изменение g влияет геологическое строение района, т.е. неравномерное распределение плотностей масс внутри Земли.

Распределение аномалий силы тяжести по всей Земле дается на специальных картах. Наиболее мощная аномалия расположена в северной части Индийского океана вблизи полуострова Индостан. Здесь же располагается минимум геоида.

Ускорение силы тяжести обычно считают направленным к центру Земли по радиусу. Однако над местами сосредоточения аномальных масс вещества в недрах планеты наблюдается отклонение величины g от указанного направления. Для их выявления измеряют вертикальную и горизонтальную составляющие вектора g по меньшей мере в двух точках, а его направление определяют по изменению силы тяжести и отклонению отвеса. Точка пересечения таких векторов является центром возмущающих масс. Если тело имеет сферическую форму, то его центр располагается точно в точке пересечения векторов, а при сплюснутой форме – выше точки.

Такие исследования важны прежде всего в морской съемке, поскольку основные аномалии геоида располагаются в толще океана. Исследователи считают, что массы, вызывающие океанические аномалии, обусловлены неоднородностями, расположенными на глубинах 400 – 900 км. Так, отрицательная аномалия Индийского океана связана с разуплотнением масс вещества мантии, обусловленного перемещением полуострова Индостан в процессе дрейфа материков. Продвигаясь на север, он оставил под собой вещество, менее плотное, по сравнению с составляющим соседние регионы. В результате и возникла здесь самая мощная аномалия.

При продвижении в глубь Земли сила тяжести изменяется и в центре Земли уменьшается до нуля. Изменение силы притяжения с глубиной z можно описать формулой

F = 0,3086z – 0,0838z,

из которой следует, изменение силы притяжения под земной поверхностью материков происходит пропорционально не только глубине, но и плотности среды . При этом в слоях небольшой плотности (  2,2 г/см³) первый член этого выражения больше второго, и потому при углублении примерно до 3000 км (граница мантии и железистого ядра) сила тяжести возрастает (g достигает максимума =10,68 м/с²). Но по мере дальнейшего роста z плотность ядра  плавно увеличивается и вследствие этого уменьшается сила тяжести. В центре земного шара сила притяжения по всем радиусам одинакова и g = 0.

7. Гравитационные явления и процессы.

Под гравитационным явлением понимается перемещение горных пород под влиянием силы тяжести с последующим их разрушением и накоплением в виде рыхлых грубообломочных отложений. Гравитационные явления разнообразны, и их различие заключается в неодинаковой роли силы тяжести и воды (аквальный фактор) в их образовании. По этому признаку на суше выделяют собственно гравитационные, гравитационно-аквальные и аквально-гравитационные явления. В морях, реках и озерах гравитационные явления носят название гравитационно-субаквальных. К собственно гравитационным явлениям относят обвалы, камнепады и снежные лавины. Они происходят полностью под действием силы тяжести, главным образом в горах с обрывистыми склонами. В итоге образуются так наз. отвальные скопления в форме вытянутых холмов с неровной, бугристой поверхностью. Обвалы могут совершаться также в подземных пустотах, образуя на земной поверхности различные провалы, колодцы и воронкообразные углубления. Наибольшее распространение на земной поверхности имеют гравитационно-аквальные явления. К их числу относят оползни, которые присущи горным и равнинным областям. В отличие от обвалов при оползнях отделившаяся по трещинам масса горных пород не летит вниз и не падает, а скользит по склону. Оползни развиваются на любых склонах гор, где существует переслаивание различных пород с глинистыми. В равнинной местности оползни приурочены к побережьям рек, озер и морей и характеризуются большим разнообразием форм и масштабов проявления. Оползневое тело обычно движется по глинистым породам, представляющим собой водоупор для водоносного горизонта. Влага этого горизонта нарушает сцепление между составляющими частицами вышележащих пород и глинистым фундаментом и потому способствует развитию оползневых процессов. Это тело может иметь различную форму и размеры. К аквально-гравитационным явлениям относят те, в образовании которых основную роль играет вода. Это оползневые потоки, оплывы и сели, наблюдающиеся в горных районах. Их образование происходит во время активной геологической деятельности поверхностных и подземных вод, особенно при снеготаянии и ливневых жидких осадках. Вода, попадая в горные породы, уменьшает сцепление между составляющими их частицами. В результате породы приобретают текучую консистенцию, они разжижаются и под действием силы тяжести начинают сползать или даже стекать вниз по склону.

Четвёртый тип гравитационных явлений – гравитационно-субаквальные происходят на подводных склонах рек, озер и морей. Здесь оползни возникают в основном под действием силы тяжести на относительно крутых склонах. Под влиянием своей массы подводный осадочный слой в виде илистых образований начинает ползти. Этот процесс усиливается массой обрушающихся берегов, создающей дополнительную нагрузку на оползающее тело подводного склона. Морские, озерные и речные оползни изучены еще недостаточно, хотя практическое значение их исследований велико.