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重力勘探之分金定穴

  小说中常常出现能神乎其神地通过风水相术来分金定穴的相术先生真的在现实生活中存在吗?

  答案当然是否定的。

  但是,在地球物理学领域,确实存在那么一批人,他们能通过科学的方法来探索神秘的地底世界,他们就是地球物理勘探工作者。

  经过漫长的发展,地球物理勘探逐渐发展成“四大门派”,他们各自继承了“四字风水秘诀”中的一项绝技,分别是重、磁、电、震。今后我们将一一揭开“四大门派“的神秘面纱。

  而这次,我们要介绍的就是其中的重力勘探派——且看他们如何利用地球重力场来“分金定穴”。

  什么是地球重力场?

  根据牛顿万有引力定律,任何两个物体间普遍存在一种吸引力。

  如果我们不考虑其他天体对地球的作用,地球上的物体受到地球的吸引力 fa,同时要承受地球自转带来的惯性离心力 fc;地球物理学家用这两者的合力作为地球上物体受到的重力。

  我们可以使用场论中优雅的数学形式描述重力场(注意到重力勘探中的重力实际指的是重力加速度,即抛开物体的质量,只关注场本身的性质):

  其中,W是重力势能,如果你对重力势能的具体形式感兴趣,或许你可以尝试参考下面的表述计算地球上每一点的重力值,其中V是地球对物体的吸引力贡献的引力势能,Φ是惯性离心力势能。重力的单位常用 gal(伽)表示,1gal=1cm·s^(-2)


地球重力场的简单计算

  也许这些公式让你头疼,而且你仍然会问:地球重力场是什么?

  事实上,重力场是看不见也摸不着的,但它们无处不在。正是地球重力场带来的那股强劲的吸引力,使得大气、水、生物被牢牢地吸附在地球表面,否则,地球上所有的物质都只能像太空中的宇航员一样在空中四处漂浮了。

  如果我们将视野置于地球之外,就能从整体上感受到地球重力场的威力,下图展示的是由于地球重力场的存在,使得地球附近的时空发生扭曲。


地球重力场使附近的时空扭曲

  分金定穴?

  那么说了这么多,地球物理学家真的能用重力场来分金定穴吗?别急,下面我们一一道来。

  我们知道,地底下的物质密度是不均匀的,除了岩石,还广泛分布有空穴、地下水、金属矿,它们或者比岩石重,或者比岩石轻,这些密度差异都会以重力异常的形式展现出来,地球物理学家通过布设测线,能够捕捉到这些重力异常出现的位置,并据此推测地下的物质种类和它们的深度。

  1、寻找金属矿


重力勘探的基本原理

  如图,如果地底存在一个球形的金矿矿藏,会在我们的重力测线上表现出一个正的重力异常峰;同时,我们还能根据峰的形状确定矿藏的埋深,图中可以看到,埋深更浅的矿藏A对应的峰更高更瘦,而埋深更深的矿藏B对应一个矮胖的重力异常峰。如果我们在测线上发现一个高瘦的正的重力异常峰,那么,我们脚下很可能藏着一个大的金属矿了!

  2、反演水资源分布

  我们生活的土地下存在着很多空洞,水等流体常常就分布在这些空洞里,由于水比周围的岩石密度低,常常会引起负的重力异常。

  同样的道理,地球物理学家可以据此得到某个大区域的地表或地下水资源分布随季节的涨落,这对于指导农业生产灌溉有着重要意义。

  如下图所示,展示的就是通过地球重力场资料得到的亚马逊地区的水资源时空分布图。


GRACE 卫星得到的亚马逊地区 2004 年各月水资源分布图

  那么你可能会感到奇怪,这么大的区域,怎么去布置测线呢?聪明的地球物理学家早就想好了应对策略,他们设计了一系列重力卫星发射到太空中,在地球外实时测量地球重力场。

  3、卫星重力探测

  利用人造卫星测量地球的重力场,和传统的重力测量完全不同,并不是简单地把重力仪安放在人造卫星上(因为在高速运转的人造卫星内,物体是失重的,重力仪放在里边都无法工作),而是将卫星当做地球重力场的探测器或者传感器,通过卫星轨道的相关参数的轻微变化来获取地球重力场的结构。

  有了重力卫星,就可以方便地实时检测大区域的重力场信息。如下图,展示的是美国宇航中心(NASA)和德国航空航天中心合作发射的重力双子星 GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)。

GRACE 卫星示意图

  重力卫星就像一个可靠的数据记录员,在太空中不知疲倦地连续记录地球重力场的值,根据这些数据,我们可以研究大区域范围的重力场随时间的变化,下面的动画展示的就是根据 GRACE 卫星的数据绘制的全球重力场时空变化。

  现在,想必你已经对重力勘探的基本方法和应用有了一定的了解。

  在未来,石头将会继续科普重力学的相关内容和应用。

  参考资料及图片来源:

  [1] http://www.orangesmile.com/extreme/en/famous-goldmines/veladero-gold-mine.htm

  [2] http://www2.csr.utexas.edu/grace/publications/

  [3] http://www.nasa.gov/mission_pages/gpb/gpb_012.html

  [4] https://grace.cnes.fr/en/grace-0

  [5] Lowrie W. Fundamentals of geophysics[M]. Cambridge university press, 2007.

  [6] Hofmann-Wellenhof B, Moritz H. Physical geodesy[M]. Springer Science & Business Media, 2006.

  撰稿:张晟星
  美编:江陵

  石头科普工作室出品

时间:2019-06-12 22:05:13阅读(21)
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