淺談幾個典型的地球物理學原理

毛秋勝

摘 要：地球物理學是以從固體內核至大氣圈邊界的整個地球為研究對象的地礦類學科，所涉及的基本原理涵蓋物理學、地球化學、地質學等多個學科的綜合內容，對學生的邏輯思維能力和數值計算能力要求很高。本文重點對解決地球物理學問題所必需的幾個基本原理進行了總結性的論述。

關鍵詞：典型；地球物理；原理

從地球物理學的組成來看，主要分兩種，其一是研究大尺度和一般原理的，叫理論地球物理學；其二是勘查石油、金屬、非金屬礦或解決其它地質問題的，叫應用地球物理學。顯然，理論地球物理學是實際應用的前提，而有關地球物理學的基本原理則是理論內容最基礎的部分。

一、地球形狀與重力分布的重力學基本原理

地球是太陽系中的一顆行星，它有自轉和公轉運動。通俗說地球形狀是兩極稍扁，赤道略鼓的橢球體。對地球形狀的研究是大地測量學和固體地球物理學的一個共同課題，其目的是運用幾何方法、重力方法和空間技術，確定地球的形狀、大小、地面點的位置和重力場的精細結構，地球的形狀主要是由地球的引力和自轉產生的離心力決定的，且地球非常接近于一個旋轉橢球，其長半軸為6378136米，扁率為1∶298.257。 嚴格而言，地球形狀應該是指地球表面的幾何形狀，但是地球自然表面極其復雜，所以從科學上，人們都把平均海水面及其延伸到大陸內部所構成的大地水準面作為地球形狀的研究對象，因為大地水準面同地球表面形狀十分接近，又具有明顯的物理意義。但是大地水準面還不是一個簡單的數字曲面，無法在這樣的面上直接進行測量和數據處理。而從力學角度看，如果地球是一個旋轉的均質流體，那么其平衡形狀應該是一個旋轉橢球體。于是人們進一步設想用一個合適的旋轉橢球面來逼近大地水準面。要確定這一橢球，只需知道其形狀參數（長半軸a，扁率α）和物理參數（地心引力常數GM和旋轉角速度ω）即可。同大地水準面最為接近的橢球面稱為平均地球橢球面。如果能確定大地水準面與該橢球面之間的偏差，亦即大地水準面與橢球面之間的差距（大地水準面差距N）和傾斜（垂線偏差θ），則大地水準面的形狀可完全確定。

地球的重力源于牛頓的萬有引力定律，即宇宙空間任意兩質點，彼此相互吸引，其引力大小與他們的質量成積成正比，與他們之間的距離平方成反比。地面點重力近似值980Gal， 赤道重力值978Gal，兩極重力值 983Gal。由于地球的極曲率及周日運動的原因，重力有從赤道向兩極增大的趨勢。地球上重力的大小與方向只與被吸引點的位置有關，理論上應該是常數，但重力是隨時間變化而變化，即相同的點在不同的時刻所觀測到的重力不相同。

二、地震及彈性波在地球內部的傳播規律

地震波是地下傳播的震動，必然與巖石的彈性有關，一般都假定巖石是一種完全彈性體。在地震波計算中，地球介質可以做為各向同性的完全彈性體來對待。而在地震波理論中，通常把地球介質當作均勻、各向同性和完全彈性介質來處理，只是一種簡化的假定。實踐證明，這種假定可以使分析大大簡單，并且在多數情況下可以得到與觀測結果頗為符合的結果。 研究地震波在地球內部傳播的問題，主要有動力學和運動學兩種方法。動力學方法是直接求解波動方程，研究平面波在平界面上的反射、折射，均勻半空間及平行分層空間中的地震面波，以及球對稱模型的地球的自由振蕩。該方法相對繁瑣，本書不做介紹。我們介紹的是第二種方法：運動學方法，就是將波動方程的求解簡化成波傳播的射線理論，用地震射線這一概念，研究地震波在地球內部傳播的運動學特征。

地震波在地球內部的傳播研究，主要是基于以下幾個基本原理，其一是惠更斯原理，即在均勻彈性介質中，點振源產生球面波向周圍傳播，當距離r 趨向無窮大時，球面波前的半徑很大，曲率很小，此時球面波蛻變成了平面波；其二是費馬原理，即地震波沿射線的旅行時間（傳播）與沿其它任何路徑的旅行時間相比為最小，換言之，波總是沿所使用旅行時間最少的路徑傳播，又叫費馬最小原理和射線原理。總結來講，惠更斯是從波前面的角度來描述波在介質空間中傳播的規律，而費馬原理則從波射線的角度來描述波的傳播規律。

三、地球磁現象和地球電性質

地球磁現象是指地球周圍空間分布的磁場。地球磁場近似于一個位于地球中心的磁偶極子的磁場。它的磁南極（S）大致指向地理北極附近，磁北極（N）大致指向地理南極附近。其磁力線分布特點是赤道附近磁場的方向是水平的，兩極附近則與地表垂直，地球表面的磁場受到各種因素的影響而隨時間發生變化，地磁的南北極與地理上的南北極相反。地磁場包括基本磁場和變化磁場兩個部分。基本磁場是地磁場的主要部分，起源于地球內部，比較穩定，屬于靜磁場部分。變化磁場包括地磁場的各種短期變化，主要起源于地球內部，相對比較微弱。地球變化磁場可分為平靜變化和干擾變化兩大類型。地磁場強度大約是0.5-0.6高斯。

根據大氣電現象的探測，從靜電角度來看，地球和大氣近似形成一個漏電的球狀電容器。由大氣電測量表明：接近地球表面的電場是垂直指向地球表面，在晴天情況下，其數值約為 E=100V/m，而地球表面上的電荷密度-8.85×10-10C/m2，由此可計算得知，地球表面上攜帶總負電荷量為4.51×105C，大氣的電流密度約為-3×10-12 A/m2。總電流約為1350安培，大氣中消耗的總電功率P=5.2億瓦。整個地球由于自轉使正負電荷分開，正電荷分布在地核，負電荷分布在地表，進而在外層產生一個環形電流，電流方向自東向西（電流方向與負電荷運動方向相反），由此產生了由南向北的地磁。

四、結語

了解地球物理學的基本理論和基本原理，有助于學生自我知識框架的建立，同時對地球物理學的整體內容有非常好的梳理作用，筆者也建議廣大在校學生能夠從最基礎的內容開始研究，以便于后期在深造上具備一定的優勢。

參考文獻：

[1]滕吉文. 中國地球物理學研究面臨的機遇、發展空間和時代的挑戰[J]. 地球物理學進展，2007，04：1101-1112.

[2]湯井田，任政勇，化希瑞. 地球物理學中的電磁場正演與反演[J]. 地球物理學進展，2007，04：1181-1194.

[3]陳運泰，滕吉文，張中杰. 地球物理學的回顧與展望[J]. 地球科學進展，2001，05：634-642.

[4]霍振華，戴世坤，蔣奇云. 地球物理學中的電磁場積分方程正演[J]. 地球物理學進展，2014，02：742-747.