重力均衡与质量均衡

均衡理论，无论是艾礼模式，还是普拉特模式，都是建立在平面地壳的基础之上，并不考虑重力随高程的变化；这事实上相当于质量的均衡。如果在球面上考察均衡理论，并且考虑重力随高程的变化，则得到的均衡模型为重力的均衡。定量计算表明，质量均衡和重力均衡之间的差别是不可忽略的。这种差别对研究地壳的应力状态意义重大。     

华南陆块均衡重力状态及其地质意义

重力均衡是一普遍的地球物理现象, 可为区域深部构造、岩石圈形变、地壳结构以及应力场状态研究提供参考信息, 是研究地壳内部结构和划分大地构造单元的重要方法之一。华南陆块是欧亚板块重要组成部分, 也是我国矿产资源“大粮仓”, 虽然对华南陆块的研究已持续近百年, 但在构造、成矿等诸多地质问题上仍存在较大争议。为了解华南陆块均衡程度及其对构造、成矿的影响, 本文尝试从均衡重力异常和均衡深度异常两个方面来探索。首先利用卫星布格重力计算得到了均衡剩余重力异常, 然后利用高程和壳幔密度差计算了均衡深度异常。结果表明华南陆块大部分区域地壳处于均衡状态, 相对正均衡异常主要位于东部沿海地区和武陵山一带, 相对负均衡异常反映了秦岭—大别造山带、江南造山带及华南陆块西缘造山活动。地震多沿正、负均衡深度异常的转换带或梯度带发生, 认为这些地带通常为深部构造转换部位, 应当成为地震活动研究关注的重点区域。均衡剩余重力异常也间接约束了不同类型金属矿床分布, 正均衡剩余重力异常区多分布地幔来源金属矿床, 而负均衡异常区则多产出壳源相关金属矿床。     

喜马拉雅中东部镜像均衡重力异常的形成研究

青藏高原南缘处于重力不均衡状态,由北向南可依次分为高原近重力均衡区、喜马拉雅山正均衡异常区和山前盆地负均衡异常区,正、负异常呈现壮观的镜像分布。本文选取喜马拉雅中东部的均衡重力异常数据,结合地貌高程、地壳厚度、降雨量、冰川及山前沉积等的分布状况,探讨地貌分异与均衡重力异常分布的相互关系。由上述资料获得3条跨越喜马拉雅山的综合剖面,结果显示喜马拉雅中东部正均衡重力异常的分布与冰川、河流等代表的地表剥蚀作用存在明显的空间耦合关系,而与降雨量无直接联系,山前盆地负均衡重力异常与沉积厚度的分布也存在很好的耦合。利用数值模型计算得到了喜马拉雅地区的均衡调整时间域在1 Ma左右的时间尺度内。通过与地貌响应时间域相对比,以及对地表剥蚀厚度的估计,认为山脉地区的正均衡异常主要由地壳厚度补偿不足引起(侧重Airy假说),而山前盆地的负均衡异常主要由低密度沉积层的分布引起(侧重Pratt假说),由于地貌响应时间快于均衡调整时间,在大约5～2 Ma以来,地壳的均衡调整始终延迟于山脉的持续剥蚀和山前的持续沉积,使得岩石圈朝着"反均衡"方向演变,最终形成了喜马拉雅现今壮观的镜像均衡重力异常分布。     

我国地壳深部构造的区域特征

本文根据平均布格重力异常和已知莫霍界面深度之间的统计关系,确定了全国的地壳厚度变化,并提出中国的地壳深部构造分区;利用重力异常和地表高程的相关关系,分析地壳的均衡状态和均衡机制,从而对地壳结构作出推断;根据均衡条件,利用地震和重力资料计算的地壳质量变化,估计了上地幔平均密度的横向变化情况。     

龙门山晚新生代均衡反弹隆升的定量研究

龙门山位于青藏高原东缘与四川盆地的交接部位,是青藏高原周边山脉中地形梯度变化最大的山脉,其隆升过程和机制一直是国际地学界关注的焦点。晚新生代经过大量的滑坡、泥石流等快速剥蚀作用,龙门山的高程却不断升高。讨论了龙门山构造隆升的3种地球动力学机制,即下地壳通道流机制、地壳挤压缩短变形机制、地壳均衡反弹机制。晚新生代龙门山的隆升与剥蚀引起的均衡反弹作用相关,剥蚀作用使得地壳岩石逐步被移去,剥蚀区重力损失,岩石圈或地壳卸载作用导致山脉顶峰的隆升。结合数字高程模型数据研究表明,巨大地震的长期同震构造变形以及滑坡、泥石流等引起的快速剥蚀所导致的地壳均衡反弹,可能是龙门山晚新生代构造隆升的地球动力学新机制。龙门山地区现今高程受构造作用与剥蚀引起的均衡反弹作用的共同影响,其中剥蚀引起的均衡反弹作用对龙门山隆升的影响贡献率约占30%。     

地壳均衡与海平面变化

提要:在全球海面变化的近期研究中，无论是均衡模式、还是重力模式，写考虑到冰川均衡作用和水力均衡作用。本文认为，绝对均衡表示地壳均街的最终结果，相对均衡表示地壳均衡中一系列中间过程。这两种均衡之间的差别，往往被人们所忽视。
    定量计算的结果表明，冰盖的吸引不仅使周围的海面升高，而且使内核在外核中产生定向运动。由于参加相对均衡的大陆壳数量不同、宕石圈的强度不同，陆壳与陆充、陆克与洋壳之间将产生不同幅度的垂直运动。这为解释全球海面变化不一致性提供了另一个新思路。
        

均衡重力异常计算方法

本文提出了采用埃利均衡补偿模式计算5ˊ×5ˊ平均均衡重力异常的一种方认。计算是使用5ˊ×5ˊ平均高程值,将A～O带分为近、中、远三个区:近区用1ˊ40〞×1ˊ40〞的柱体,中区用5ˊ×5ˊ的柱体,远区用15ˊ×15ˊ的柱体,分别采用矩形柱体、质线和质点的正演公式计算地形一均衡校正值。从华南某地区的均衡重力异常图可以看出,根据均衡重力异常可以消除由地壳厚度变化而产生的区域场,突出局部异常场。     

龙门山均衡重力异常及其对青藏高原东缘山脉地壳隆升的约束

青藏高原东缘处于不均衡状态，自西而东可分为青藏高原弱负均衡重力异常区、龙门山正均衡重力异常区和四川盆地负均衡重力异常区，表明该区的不均衡状态并未导致Airy均衡运动的产生，即龙门山没有均衡下降，而处于不断的隆升状态，显示该地区反均衡运动的构造抬升是导致龙门山隆升的主因。本次采用似三度体重力异常计算方法对该区的正均衡重力异常进行模拟和反演，研究了大尺度地貌分异与均衡重力异常分区之间的相互关系，结果表明，龙门山的下地壳顶面抬升了11．2～12．6km，造成了龙门山的正均衡异常，揭示了构造抬升和剥蚀作用在相似的时间尺度上和空间尺度上控制着龙门山地貌的形成，龙门山的表面隆升是构造隆升和剥蚀作用相叠加的产物。     

重力异常与青藏高原地壳构造

1987年在青海格尔木—西藏亚东地区开展了1:50万重力路线扑点工作。在总长度1620km内,布设201个测站。利用上述资料计算了研究区的莫霍面深度及均衡异常(普拉特模式),分析了地壳与上地幔内的均衡信息。利用布格异常形态与测点高程的相关统计,在工区内划分了9个地体及13条较大的断裂。     

重力均衡异常与湖南原生金刚石矿床预测

已有的研制表明,重力均衡异常既反映了地壳深处（软流层）的构造活动,又反映其活动的近期性。因此,在湖南原生金刚石矿床的预测时空域中,应注意沅水流域年青金刚石载体的勘查。     

岩石圈内横向密度差异产生的构造应力与缓慢变形

用不可压缩固体模型对岩石圈内横向密度差异产生的构造应力和缓慢变形进行了三维有限元模拟。结果表明,对于达到均衡补偿状态的模型,5公里地形高差的重力势在地壳内产生数百巴的构造应力,高原下出现横向拉张应力,平原下出现挤压应力;地壳厚度变化大的过渡带,应力的增加更显著。在地壳局部增厚而地形高度未达到均衡补偿的情况下,深部侧向密度差异产生的重力调整作用使物质向地壳较厚的地方迁移,导致那里的地壳产生地表隆起。     

重力均衡异常与原生金刚石矿

金刚石幔源成因论认为金刚石在岩石圈底部、软流圈顶部生成,金伯利岩或钾镁煌斑岩仅为载体将其带出成矿,重力均衡异常既反映地壳深处构造活动,又反映其活动的近期性,为此,要特别注意沅水流域年轻的含金刚石岩体的查找     

169km以远地壳质量的重力校正值高精度计算及其数值特征

以前国内重力勘探教科书中,关于2.0 km以远地壳质量重力校正值的计算仅限于2.0~166.7 km圆形环带以内,并且采用的是直角坐标系内成立的计算公式。近年,中国地质调查局推出直角坐标系公式和球坐标系公式一起应用的重力校正值计算程序,但校正值计算涉及范围仍然局限于2.0~166.7 km圆形环带内。笔者曾推导出球壳型六面体重力场△g(zi)公式和其他与重力校正计算相关的公式,现用这些公式开展纯球坐标系内地壳质量的重力校正值高精度计算及其数值特征研究。取得的成果是:1全球陆地和海洋表面、尺度约40 km正方形网格上,169km以远地壳全部质量重力校正值计算;2中国陆地2'×2'网格上,169 km以远地壳全部质量重力校正值计算;3西藏雅江大转弯3°×2°小区地表、尺度约0.556 km正方形网格上,169 km以远地壳全部质量重力校正值计算。通过对上述全球和局部地区169 km以远地壳质量的重力校正值分布特征分析,得到如下结论:1全球重力校正值的最大值、最小值和平均值分别为106.990×10-5m/s2(87.877°E,32.271°N),-41.146×10-5m/s2(166.122°E,28.327°N)和-16.439×10-5m/s2,其数值分布特征与全球高程/海深分布特征基本一致。2在局部地区,169~1 272 km大环带的地壳质量的陆地地形校正值分布特征与该区高程分布特征基本一致。这说明,在地形高程差异大的地区,重力校正值中存在与地形高程正相关的高频成分,与以前众多专家的认识大不相同。实际上,该高频成分是由计算区本身相邻计算点之间存在较大的高程差值引起的。3无论局部地区及其周围陆高或海深变化多么大,1 272 km以远地壳质量的重力校正值均近似为数值很小的常数,可以不计算。4当局部地区及其周围高程或海深变化均很平缓时,169 km以远地壳全部质量的重力校正值也近似为常数,也可以不计算。此成果对于完善地壳质量重力校正值高精度计算有重要意义。     

青藏高原隆升的过程和机制

青藏高原夹持于土兰、塔里木、华北、扬子与印度等刚性地块之间，在地球物理场和岩石圈结构构造上构成一个相对独立的构造系统。白垩纪晚期到始新世，高原开始了一个地壳缩短、加厚和不断隆升的新阶段。高原隆升可以划分为俯冲碰撞隆升、汇聚挤压隆升和均衡调整隆升３个阶段。高原地壳的加厚、缩短是在压应力作用下通过不同层次物质以不同的运动形式实现的，高原隆升的过程和机制可以概括为“陆内汇聚－地壳分层加厚－重力均衡调整”的隆升模式。     

青藏高原重力异常与地形高程的负相关校正

针对消除青藏高原重力异常与地形高程呈负相关关系所引起的假异常,提出了均衡校正和残余负相关校正相结合的一套具有可操作性的校正方法,并对青藏高原可可西里地区重力异常数据进行了处理,效果明显,验证了方法的有效性.     

冰川均衡调整重力与径向位移近似关系的不确定性

根据不同地幔粘滞度的冰川均衡调整(glacial isostatic adjustment, GIA)模型, 研究了地球内部各个圈层对GIA粘性重力扰动速率的贡献, 检验了粘性重力扰动速率与径向位移速率的近似关系及其是否独立于地幔粘滞度, 同时利用绝对重力和GPS(global positioning system)径向位移数据从实测角度对Wahr的近似关系进行比较和验证.结果表明: 岩石圈对GIA重力扰动速率和大地水准面异常速率的贡献都超过了86%, 而岩石圈以下5个圈层的总贡献不大于14%;利用近似关系, 由重力信号转换的径向位移速率与有限元模拟的结果相对差异大约为15%, 且相对差异的大小不依赖于地幔粘滞度的变化; 根据北美绝对重力和GPS径向位移数据得到实测的粘性重力-径向位移比值为0.141±0.014 μGal/mm, 与Wahr的理论值(0.154 μGal/mm)非常接近, 相对差异仅为9.2%.因此, 定量给出了粘性重力-径向位移近似关系的不确定性为9.2%~15.0%, 为利用此近似关系分离GIA和现今地表质量变化粘弹信号的不确定性估计提供了重要参考.      

对全球海面变化均衡模式的改进

以J.A.Clark为代表的全球海面变化均衡模式为基础,讨论冰盖形或对地核运动的影响。数值计算表明,由于地核偏离地心的运动,不同海区大约有±1.54m的海面波动。把这个结果叠加在均衡模式的结果之上,会使预测的结果与所观察结果更为符合。     

关于岩石圈有效弹性厚度的地质理解

简要回顾了岩石圈均衡理论的发展及岩石圈区域均衡和挠曲理论在岩石圈动力学研究中起的作用,阐述岩石圈有效弹性厚度(Te)的概念和特征。强调Te的研究是地质学和地球物理学的紧密结合,即通过岩石圈挠曲理论和区域均衡原理,对地形和重力资料进行谱分析计算,来获取岩石圈的物理性质信息。计算的Te(和相应的挠曲刚度)是岩石圈等效的强度,与爆破地震、地震层析成像和大地电磁测深等方法观测到的岩石圈和地壳厚度不同,它们之间只有通过岩石圈的屈服刚度包络面(YSE)才能比较。大洋和大陆岩石圈YSE的理论计算,表明Te值显著小于地震学的地壳和岩石圈厚度。尤其对于大陆岩石圈,地壳厚度、热年龄和应变率均可显著影响岩石圈的强度。本文还以滇西为实例介绍了对相干值曲线计算的新认识和当前岩石圈Te研究的最新趋势。     

利用重力异常研究亚东—格尔木地壳构造

作为亚东—格尔木地学断面研究项目的一个重要组成部分，于1987年完成了亚东一格尔木及东拉一尼木的重力补点测量(1:50万）工作，共布设了226个测点，全长1670 km在这些测量数据的墓础上，计算了研究域内的莫霍深度和均衡异常，分析了地壳和上地幔的均衡信息。利用布格异常与测点高程的相关分析，划分出了9个地体和13个较大断裂，给出了高原隆起及板块碰撞的模式。我们认为高原隆起的直接作用来自板块的碰撞，由冰川消融引起的均衡同升是非常微弱和不重要的，要把这种作用与构造运动引起的快速隆升区分开来是相当困难的。     

利用相关分析划分重力异常

本文从理论上对相关分析法区分重力异常的可行性进行了论述，并从一元线性回归方程着手，对大地水准面上的重力值与相应的地形高程作了相关分析，通过分析，认为在区域性小比例主均衡补偿基本完善的条件下，重力值与高程有极好的线性相关关系；当计算窗口较大时，地下的局部不均匀体，不足以破坏重力值与高程的相头发一，所以，在实际工作中，利用相关分析处理重力资料的叠加场，可以收到较好的效果，且方法简单易行。