Gravitationsanomali - Gravity anomaly

För att inte förväxla med gravitationell anomali .
För formlerna, se Gravity of Earth § Matematiska modeller .

En tyngdkraftsanomali är skillnaden mellan den observerade accelerationen av ett föremål i fritt fall ( tyngdkraft ) på en planets yta, och motsvarande värde som förutses från en modell av planetens gravitationsfält . Typiskt är modellen baserad på förenklade antaganden , till exempel att planeten under sin självgravitation och rotationsrörelse antar figuren av en ellipsoid av revolution. Tyngdkraften på ytan av denna referenselipsoid ges sedan med en enkel formel som endast innehåller latituden , och subtraktion från observerad gravitation på samma plats kommer att ge gravitationens anomali.

Anomali -värden är vanligtvis en liten bråkdel av själva gravitationens värden, eftersom massbidragen från planetens totala massa, dess rotation och dess tillhörande utplattning har subtraherats. Som sådan beskriver tyngdkraftsanomalier de lokala variationerna av tyngdkraftsfältet runt modellfältet. En plats med en positiv avvikelse uppvisar större tyngdkraft än vad modellen förutsäger-vilket tyder på förekomsten av en positiv anomali under ytan, medan en negativ avvikelse uppvisar ett lägre värde än förutspått-vilket tyder på ett underskott under ytan. Dessa avvikelser är således av stort geofysiskt och geologiskt intresse.

När tyngdkraftsmätningar har gjorts på topografin över havsnivån måste en noggrann reduktionsprocess, som även involverar effekten av lokala topografiska massor, utföras för att erhålla geofysiskt användbara gravitationstecken, av vilka det finns flera olika typer. Att rent extrahera svaret på den lokala under ytgeologin är det typiska målet för tillämpad geofysik .

Orsaker

Tyngdkraft och geoidanomalier orsakade av olika ändringar i skorpan och litosfären i förhållande till en referenskonfiguration. Alla inställningar är under lokal isostatisk kompensation med en höjd av antingen +1000 eller -1000 m över referensnivån.

Laterala variationer i gravitationsanomalier är relaterade till avvikande densitetsfördelningar inom jorden. Lokalt att mäta jordens gravitation hjälper oss att förstå planetens inre struktur. Syntetiska beräkningar visar att tyngdkraftsanomaliens signatur av en förtjockad skorpa (till exempel i orogena bälten som produceras av kontinental kollision ) är positiv och större i absolut värde, i förhållande till ett fall där förtjockning påverkar hela litosfären .

De Bouguer anomalier är oftast negativa i bergen , eftersom de innebär att minska ut attraktion av berget massan med cirka 100 milligals per kilometer av bergshöjden. I stora bergsområden är de ännu mer negativa än detta på grund av isostasi : bergstätheten i bergsrötterna är lägre jämfört med den omgivande jordens mantel , vilket orsakar ett ytterligare gravitationstänkande. Typiska avvikelser i centralalperna är -150 milligals (-1,5 mm/s²). Snarare lokala avvikelser används i tillämpad geofysik : om de är positiva kan detta tyda på metalliska malmer . På skalor mellan hela bergskedjor och malmkroppar kan Bouguer -avvikelser indikera bergarter. Till exempel nordost-sydväst trender hög över centrala New Jersey (se figur i följande avsnitt) representerar en graben av Triassic ålder i stort sett fylld med täta basalter . Saltkupoler uttrycks vanligtvis i gravitationskartor som låga, eftersom salt har en låg densitet jämfört med de stenar som kupolen tränger in. Anomalier kan hjälpa till att skilja sedimentära bassänger vars fyllning skiljer sig i täthet från den i den omgivande regionen; se Gravity Anomalies i Storbritannien och Irland till exempel.

Geodesi och geofysik

Inom geodesi och geofysik är den vanliga teoretiska modellen gravitationen på ytan av en referenselipsoid som WGS84 .

För att förstå gravitationens anomali på grund av underjorden måste ett antal korrigeringar göras till det uppmätta gravitationens värde:

  1. Den teoretiska tyngdkraften (utjämnad normal tyngdkraft) bör tas bort för att endast lämna lokala effekter.
  2. Den höjd för den punkt där varje tyngdkraftsmätning togs måste minskas till en referensdatumet för att jämföra hela profilen. Detta kallas friluftskorrigering , och när det kombineras med avlägsnande av teoretisk gravitation lämnar det fri luftanomali .
  3. den normala gradienten av gravitation (graden av förändring av tyngdkraften genom förändring av höjd), som i fri luft, vanligen 0.3086 milligals per meter, eller Bouguer gradient av 0,1967 MgAl / m (19,67 ^ m / (s ^ · m) som anser medelvärdet bergtäthet (2,67 g/cm³) under punkten; detta värde hittas genom att subtrahera tyngdkraften på grund av Bouguer -plattan , som är 0,11119 mGal/m (11,19 µm/(s² · m)) för denna densitet. för att korrigera effekterna av något material mellan den punkt där gravimetri gjordes och geoiden . För att göra detta modellerar vi materialet emellan som består av ett oändligt antal plattor med tjocklek t . Dessa plattor har ingen lateral variation i densitet , men varje platta kan ha en annan densitet än den ovanför eller under den. Detta kallas Bouguer -korrigeringen .
  4. och (i speciella fall) en digital terrängmodell (DTM). En terrängkorrigering, beräknad från en modellstruktur, redogör för effekterna av snabba sidoförändringar i densitet, t.ex. platån, klippor, branta berg, etc.
(Bouguer) gravitation anomali karta över delstaten New Jersey (USGS)

För dessa minskningar används olika metoder:

  • Tyngdkraften förändras när vi rör oss bort från jordens yta. Av denna anledning måste vi kompensera med friluftsanomali (eller Fayes anomali): applicering av den normala lutningen 0,3086 mGal/m, men ingen terrängmodell. Denna anomali innebär en nedåtgående förskjutning av punkten, tillsammans med hela terrängens form. Denna enkla metod är idealisk för många geodetiska tillämpningar.
  • enkel Bouguer -anomali : minskning nedåt bara med Bouguer -gradienten (0,1967). Denna anomali hanterar punkten som om den ligger på en plan slätt.
  • raffinerad (eller komplett ) Bouguer anomali (vanliga förkortning Δ g B ): DTM anses så korrekt som möjligt, med användning av en standarddensitet av 2,67 g / cm ( granit , kalksten). Bouguer anomalier är idealiska för geofysik eftersom de visar effekterna av olika berg tätheter i ytan.
    • Skillnaden mellan de två - den differentiella gravitationseffekten av terrängens ojämnheter - kallas terrängeffekten . Det är alltid negativt (upp till 100 milligals).
    • Skillnaden mellan Faye anomali och Δ g B kallas Bouguer reduktion (attraktion av terräng).
  • speciella metoder som den hos Poincaré - Prey , med användning av en inre gravitations gradient av omkring 0,0848 mGal per meter (848 nm / (s ^ · m) eller 11 h -2 ). Dessa metoder gäller för gravitationen i borrhål eller för speciella geoidberäkningar .

Satellitmätningar

Detta avsnitt är ett utdrag ur Gravimetry § Satellitgravimetri . [ redigera ]
Gravity anomali karta från GRACE

För närvarande bestäms de statiska och tidsvariabla jordens gravitationens fältparametrar med hjälp av moderna satellituppdrag, såsom GOCE , CHAMP , Swarm , GRACE och GRACE-FO . De lägsta gradparametrarna, inklusive jordens oblateness och geocenterrörelse, bestäms bäst från satellitlaseravstånd .

Storskaliga tyngdkraftsanomalier kan detekteras från rymden, som en biprodukt av satellitgravitationsuppdrag, t.ex. GOCE . Dessa satellituppdrag syftar till återhämtning av en detaljerad gravitationsfältmodell av jorden, som vanligtvis presenteras i form av en sfäriskt-harmonisk expansion av jordens gravitationseffekt, men alternativa presentationer, såsom kartor över geoidböljningar eller gravitationsanomalier, är också produceras.

Den Gravity Recovery och Climate Experiment (Grace) består av två satelliter som kan upptäcka gravitations förändringar över hela jorden. Dessa förändringar kan också presenteras som tyngdkraftsanomali tidsmässiga variationer.

Se även

Referenser

Vidare läsning

  • Heiskanen, Weikko Aleksanteri; Moritz, Helmut (1967). Fysisk geodesi . WH Freeman .