Lý thuyết trường thế và dị thường trọng lực

Trường trọng lực và từ trường là các trường thế được điều chỉnh bởi phương trình Laplace, và việc giảm các phép đo trọng lực thô thành các dị thường cho thấy sự biến đổi mật độ dưới bề mặt gây ra chúng.

Definition

Lý thuyết trường thế là tập hợp các phép toán mô tả các trường, chẳng hạn như trọng lực, bắt nguồn từ một thế thỏa mãn phương trình Laplace trong các vùng không có nguồn; dị thường trọng lực là sự khác biệt giữa trọng lực đo được và giá trị tham chiếu sau các hiệu chỉnh tiêu chuẩn, được sử dụng để suy ra mật độ dưới bề mặt.

Scope

Chủ đề này bao gồm khuôn khổ toán học của các trường thế và ứng dụng của nó vào dữ liệu trọng lực: thế hấp dẫn, các phương trình Laplace và Poisson, và các tính chất điều hòa giới hạn hành vi của trường. Nó đề cập đến các hiệu chỉnh biến trọng lực quan sát được thành dị thường không khí tự do và Bouguer (hiệu chỉnh vĩ độ, không khí tự do, tấm Bouguer và địa hình), tính không duy nhất cố hữu của phép nghịch đảo trường thế, và mô hình hóa thuận và lọc được sử dụng để diễn giải các dị thường theo cấu trúc mật độ bị chôn vùi. Trọng tâm là lý thuyết liên kết mật độ với trường đo được và việc giảm dị thường.

Core questions

• Tại sao trường trọng lực và từ trường được mô tả bằng lý thuyết thế và phương trình Laplace?
• Những hiệu chỉnh nào biến trọng lực quan sát được thành dị thường không khí tự do và Bouguer?
• Tại sao phép nghịch đảo dữ liệu trường thế vốn dĩ không duy nhất?
• Các dị thường được mô hình hóa và lọc như thế nào để suy ra mật độ dưới bề mặt?

Key concepts

• Thế hấp dẫn và phương trình Laplace
• Hiệu chỉnh không khí tự do, Bouguer và địa hình
• Hàm điều hòa và tiếp tục lên trên
• Tính không duy nhất của phép nghịch đảo trường thế
• Mô hình hóa thuận các khối mật độ

Key theories

Lý thuyết thế và phương trình Laplace

Trong các vùng không có khối lượng, thế hấp dẫn là điều hòa, thỏa mãn phương trình Laplace, điều này giới hạn cách trường biến đổi theo vị trí và là cơ sở cho các phép toán như tiếp tục lên trên và tách các dị thường khu vực và dư.

Giảm trọng lực và dị thường

Trọng lực quan sát được phải được hiệu chỉnh theo vĩ độ, độ cao, khối lượng đá xen kẽ và địa hình để tạo ra các dị thường không khí tự do và Bouguer, cô lập tín hiệu trọng lực của sự tương phản mật độ dưới bề mặt khỏi các hiệu ứng có thể dự đoán được.

Mechanisms

Sự tương phản mật độ ở độ sâu làm nhiễu thế hấp dẫn, và vì thế là điều hòa cách xa các nguồn, dị thường bề mặt thu được là một biểu hiện được làm mịn, phụ thuộc vào độ sâu của khối lượng bị chôn vùi đó; việc giảm thiểu loại bỏ sự biến đổi có thể dự đoán được do vĩ độ, độ cao và khối đá để dị thường còn lại phản ánh sự biến đổi mật độ bên của các đặc điểm địa chất quan tâm, mặc dù nhiều phân bố mật độ có thể phù hợp với cùng một dị thường.

Clinical relevance

Phân tích dị thường trọng lực lập bản đồ các bồn địa trầm tích, thân quặng, vòm muối và cấu trúc vỏ Trái Đất, hỗ trợ thăm dò khoáng sản và dầu khí, nghiên cứu kiến tạo khu vực và xác định trường trọng lực được sử dụng trong trắc địa.

History

Laplace và Poisson đã thiết lập lý thuyết thế cơ bản của trọng lực vào cuối thế kỷ XVIII và đầu thế kỷ XIX, các phép đo núi của Bouguer vào thế kỷ XVIII đã giới thiệu các hiệu chỉnh mang tên ông, và sự phát triển của các máy đo trọng lực nhạy cảm vào thế kỷ XX đã biến việc lập bản đồ dị thường thành một công cụ địa vật lý thường xuyên.

Key figures

• Pierre-Simon Laplace
• Pierre Bouguer
• George Gabriel Stokes

Seminal works

• blakely1995
• hofmannwellenhof2006
• telford1990

Frequently asked questions

Sự khác biệt giữa dị thường không khí tự do và dị thường Bouguer là gì?

Dị thường không khí tự do chỉ hiệu chỉnh độ cao của điểm đo, trong khi dị thường Bouguer bổ sung loại bỏ lực hấp dẫn của đá giữa điểm đó và mức tham chiếu; do đó, dị thường Bouguer phản ánh trực tiếp hơn sự biến đổi mật độ dưới bề mặt.

Tại sao dữ liệu trọng lực không thể đưa ra một bức tranh duy nhất về dưới bề mặt?

Nhiều phân bố khối lượng khác nhau ở độ sâu có thể tạo ra cùng một dị thường trọng lực chính xác trên bề mặt, vì vậy phép nghịch đảo trường thế là không duy nhất; các nhà địa chất giảm sự mơ hồ bằng cách thêm các ràng buộc từ khoan, dữ liệu địa chấn và địa chất đã biết.