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  1. 什么是「地壳均衡说」?
  2. 异常的重力测量值是什么?
  3. 「地壳均衡说」的模式是什么?
  4. 喜玛拉雅山是否处于地壳均衡的状态?
  5. 沈积和侵蚀的地壳均衡效应是怎样的?
  6. 重力是什么?
  7. 重力是怎样测量的?
    撰文:李本滢

  1. 什么「地壳均衡说」?

    「地壳均衡说」模式在一个世纪多前提出,解释在地球各地测量重力得到的异常数据(重力是什么? 怎样测量重力?)。地壳压力均衡的概念是密度平衡,即山脉下有较小密度的物质以平衡山脉的质量,而在海洋下则有大量较高密度的物质以平衡较小密度的海水。   

    从这个观点考虑,「地壳均衡说」就是建立在「阿基米德原理」的基础上 — 即物体浸没在液体中所受到的浮力相等于它所排液体的重量。(或物体在液体中减少了的重量,等于所排液体的重量。)

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  2. 异常的重力测量值是什么?

    上述经测量所得的奇特重力不同现象通常称为「重力异常」。简而言之,它是重力测量值(经各种因素作出校正后)与理论数值之间的差别。

    图1分别显示在大西洋中部的山脉上,欧洲阿尔卑斯山和澳洲东南方大陆边缘的重力异常情况。很明显,在海洋地区的重力异常是大正数(即测量值明显超过理论值),强度随海洋深度增加,而在魏峨耸立的高原上则变成大负数(即测量值明显小于理论值)。

    figure1
    图 1


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  3. 「地壳均衡说」的模式是什么?

    科学家为「地壳均衡说」提出几个模式,以解释上面第一条问题提及的密度平衡。两个最常提及的型式是∶ -

    (a)  Airy 模式 — 地壳厚度不均,但密度均恒,地壳在高原地区下面比低洼地区(例如海洋)下较厚。深入地下「根部」的深度与在其上面地形的高度有关。

    (b)  Pratt 模式 — 地壳密度不均,但在海平面以下它的地基底部深度固定不变。地势高度与在该处的地壳密度有关。 

    图2展示说明两个模式的示意图。

    figure2
    图2. 「地壳均衡说」常见模式∶Airy (左) and Pratt (右)  [来源 – Wikipedia]  

    虽然两种模式是基于不太实际的假设,但是在描述不同地形地区上的重力观测却极其好,这表明世界上大部分地方均服从「地壳均衡说」概念。 

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  4. 喜玛拉雅山是否处于地壳均衡的状态?

    不。「地壳均衡说」只能解释喜玛拉雅山升高的部分原因。科学家仍在推测此中奥秘。一些科学家提出喜马拉雅山之经常被推挤至更高的高度,是由于印度板块(参考此处)向北移动所致。

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  5. 沈积和侵蚀的地壳均衡效应是怎样的?

    在沈积发生的地方,沈淀物的重量可能会引起在下面的地壳下沉。同样,在侵蚀发生的地方,地壳会向上升。

    同样地,当冰床形成时,地壳可能下沉。相反地,当冰床融化时,地壳会回升,例如波罗的海和加拿大赫德森海湾地区周遭正在发生的地壳升降现象。具体的例子如,斯堪的纳维亚半岛和苏格兰在冰河时期埋藏在冰下超过300米,但冰河期过后,波罗的海北面的地壳迅速上升,地壳现仍以每世纪大约一米(即大约每年一厘米)的速度上升。就好像一块跷跷板一样,大陆板块另一边的波罗的海南部和英格兰南部由于冰雪负重较少,现正下沉。[不幸地,气候转变令情况恶化 --- 因为全球变暖使海洋暖化,海水因受热膨胀而令海平面上升。此外,冰川融化将更多的水输往海洋。这两个因素都会引至海平面上升。]

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  6. 重力是什么?

    物体彼此互相吸引,例如太阳和地球之间的引力,又如地球与地球上物体之间的引力。在地球表面上,有另一种力 — 由地球日夜不停自转引起的「离心力」。重力是引力(我们叫地心吸力)和离心力抗衡的结果。

    figure3
    图 3 (为便于说明,图中地球的椭球形状是被夸大的。)

    许多人都知道地球重力引起的加速度「g」大约是 9.8 m/s2。它随纬度和高度变化。例如,以上提及的离心力在赤道上最大,并且与地球引力方向相反,大约是引力的1/3%。此外,「g」大约以 3.1 x 10-6/s2 的速率随高度改变。  

    另一方面,重力在地球表面上也随地点改变而有所变化,反映出地壳和地幔里的质量分布不均匀。此外,还有微小的短期变化是由于太阳和月球引力改变所产生的。

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  7. 重力是怎样测量的?

    由于钟摆的周期只取决于它的长度和重力,可以利用钟摆来测量重力。只须量度时间和长度便可(即钟摆的周期和它的有效长度)。还有其他一些不常用的方法,例如透过量度自由落体的时间。

    以上提到是重力的绝对测量方法。相对重力可以用「比重计」测量,比重计利用螺旋形弹簧悬起一件重物,弹簧长度按重力变化的比例伸缩。由于比重计只测量重力变化,对微细变化更敏感,且操作更简单和便捷。因此,比重计广泛使用于测量重力,只须将测量值加诸一个基本站的已知绝对重力上便可。与钟摆仪器相比,比重计的精确程度大3或4个等级。 

    figure4
    图 4 – 照片显示在香港天文台1883大楼走廊上的重力测量位置。纪录最早于天文台进行重力测量,时间是1933-1935年。

    现时利用人造卫星上测量重力已属例行公事。简而言之,当一个卫星飞越重力异常地点时,它会在轨道上加速/减速。虽然一般重力异常值较小,但卫星反覆多次飞越同一位置时所累积的加速/减速是可以测量得到的。

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    参考∶

  1. Wikipedia.
  2. "Does anything eat wasps", New Scientist, Profile Books, p.158, 2005.
  3. "The Cambridge Encyclopedia of Earth Sciences", D.G. Smiths, Cambridge University Press, 1981.


最近修订日期: <2014年4月1日>