地震与地球的内部构造
地球的均衡与重力

一、地球的均衡
1. 均衡概念的起源
    均衡思想最早可追索到文艺复兴时期的达芬奇，他设想剥蚀减轻了山脉的重量，从而造成山脉上升。

    对均衡的详细研究和争论起源于19世纪中叶，英国学者George Everest爵士（1790-1866）任印度测绘局长时主持印度国土测量，同时采用三角测量和天文测量两种方法进行比对，他发现印度恒河平原上相距600km的两座城市Kaliana和Kalianpur，天文法测量比三角测量少了5.24″（150m），超过了当时测量精度允许的范围。Everest认为，天文法比较成熟，误差主要来自三角测量时测站的累积误差。

    针对Everest的结果和认识，远在英国的牧师兼数学家普拉特（John Henry Pratt, 1809-1871）写了长达75页的论文（1854），认为误差恰恰来自天文法，原因是两城市北面喜马拉雅山巨大质量的影响，使天文测量时重锤偏斜，他用万有引力定律进行计算，发现如果考虑喜马拉雅山体的引力作用，两城市的偏差更大，达15.885″，是实际偏差的3倍多，普拉特感到困惑不解。一年后，英国皇家天文学家艾利爵士（Sir George Biddell Airy, 1801-1892）（曾参与发现海王星，第二章）发表了仅3页长的论文，提出了他的均衡思想，认为地壳漂浮在岩浆之上，犹如海面上的冰山，所以地形的隆起可以由深部密度减少作为补偿，换句话说，山有“根”。喜马拉雅山引力远没有普拉特想象的这么大。5年后，普拉特才撰文反驳说，地壳厚度至少150km，没有艾利说的那么薄，喜马拉雅山引力没有想象的那么大的原因是高山区密度减少，地壳密度随地形高度升高而降低。两人的争论最终促成了艾利和普拉特两均衡模式的建立。

2. 均衡的定义
    大地水准面之上山脉（或海洋）的质量过剩（或不足）由大地水准面之下的质量不足（或过剩）来补偿，称为重力均衡或均衡（isostacy），换句话来说，均衡补偿面单位面积上的岩石总质量为常数。现在我们知道，均衡补偿面位于软流圈。

3. 均衡的模型
    （1）普拉特模型（Pratt model）
    普拉特模型又称为密度补偿模型，认为地形高度与岩石密度成反比，在某一深度下具有相等的压力（图）。

    （2）艾利模型（Airy Model）
    艾利模型又称为深度补偿模型，认为地壳密度均一，巨大山脉下地壳厚度大，仿佛“生根”，深邃海盆处地壳厚度小，地形起伏与地壳底部起伏成镜像关系，使某一深度处具有相等的压力（图）。

    思考：两种模型哪种更符合实际情况？

图  普拉特（左）和艾利（右）均衡模式

图中v₁、v₂、m₁、m₂和ρ₁、ρ₂分别相当于某单元地壳体积、质量和密度；u₁、u₂、M₁、M₂和ρ_m分别相当于某单元地幔体积、质量和密度。均衡补偿面在软流圈中。

 二、地球的重力
1. 基本原理
    地球是一个拥有巨大质量并且不停地旋转着的球体，地球的重力就是万有引力和惯性离心力的合力。用牛顿第二定律表示：

             F=ma
或，     G=mg

    用g的大小来衡量重力的大小；单位：cm/s2＝1伽，1伽＝1000毫伽，常用毫伽为单位。
    地球两极：gp=983.22 cm/s2，
    地球赤道：ge=978.04 cm/s2，
    标准：gs＝983.22 cm/s2。
    理论计算值：
     g=978.049×（1+6.00528895sin2θ－0.00002462sin4θ）（θ—纬度）

2. 重力异常
    重力观察值与理论计算值之间的偏差称为重力异常（gravity anomalies）。重力异常的影响因素有：①测点不在大地水准面之上；②测点与大地水准面之间中间物质密度的影响；③测点周边地形起伏的影响；④深部物质的变化等。

   对高度、中间层及地形等3个影响因素的校正称为布格校正（bouguer correction），布格校正之后仍然存在的异常称为布格重力异常（bouguer gravity anomalies）。布格重力异常反映了深部物质的变化。

3. 布格重力异常的意义。
    重力异常探测有着重要的理论意义和实际意义，重力异常探测可以发现地下金属矿床，还可以发现匿藏在海底的潜艇，等等。

    布格重力负异常的地方，按照艾利模式，地壳厚度增大，反之亦然；按照普拉特模式，地壳密度减小，反之亦然。地震波揭示，大范围内的布格重力异常反映的是艾利模式，小区域内，则有可能是岩石密度变化造成的，例如用重力寻找金属矿产依据的就是普拉特模式。

    图是中国大陆布格重力异常图，反映了莫霍面的起伏，青藏高原地区地壳厚度最大，而东部地区地壳厚度减小，布格重力异常最高的地方，往往对应着强烈下沉区。

图 中国布格重力异常

小节和重要述语（summery and important terms）

一、小结
    地震波是一种弹性波，分为体波和面波两种。体波又分为纵波（P波）和横波（S波）。纵波传播时，介质质点的振动方向与波的前进方向平行；横波传播时，介质质点的振动方向与波的前进方向垂直。纵波传播速度大于横波，液体不传播横波。利用纵、横波的到达地震仪的时差可以确定震中位置。

    面波沿界面传播，分为瑞利波（R波）和勒夫波（L波），当波传播时，前者质点的运动轨迹为椭圆，后者质点的振动方向与波前进方向垂直。面波速度小于体波，但破坏性强。

    地震发生的地方叫震源，震源在地面的垂直投影为震中。震源有大小，震中也有宏观和微观之分。根据震源与震中距离，分为浅源、中源和深源地震三类地震。

    地震是地震大小的量度，反映地震所释放的机械能，有近震震级（Ml）、面波震级（Ms，里氏震级、通用震级）等。

    烈度是地面及建筑物受地震影响和破坏的程度，分12度。注意地震震级和烈度的异同。

    弹性回跳说是构造地震的基本理论，当断层两盘弹性变形力大于断层摩擦力时，断层两盘回弹，发生地震。

    全球分为环太平洋、地中海—印尼和洋中脊三大地震带。地震在时间上表现为周期性和更小的幕式活动。

    地震预报的三要素为时间、地点和震级。根据预报时间的长短，又分为长、中、短期预报和临震预报。长期预报称为烈度区划，又分为基本烈度、场地烈度和设防烈度。

    人类活动引起的局部地震异常活动称为诱发地震，主要有水库、注水诱发地震。

    根据地震波波速变化，地球内部划分为莫霍面、古登堡面以及内、外地核等三个主要界面，此外，还有岩石圈和软流圈以及上、下地幔等之间的分界面。

    重力均衡分为普拉特和艾利两种模式，前者又称密度补偿模式，后者又称深度补偿模式。

    重力观值和理论值之间的偏差称为重力异常。经过高度、地形以及中间层校正后的重力异常称为布格重力异常，反应了深部物质的变化。注意布格重力异常与重力均衡的相互关系。

二、重要术语
    体波（body wave），纵波（P波，Primary Pulse，Push Waves），横波（S波，Secondary Pulse，Shear Waves），面波（L，long oscillations, surface waves），瑞利波（R）（Rayleigh waves）、勒夫波（Love waves )。

    震源 (focus or hypocenter)，震中（epicenter），震源深度（focal depth），震级（magnitude），烈度（intensity），等震线（isoseismal line），构造地震(tectonic earthquake)，弹性回跳（elastic rebound theory），粘滑理论（stick-slip theory），火山地震(volcanic earthquake)，陷落地震(depression earthquake)，相变地震（phase transition earthquake）。

    地震预报（earthquake prediction），烈度区划（seismic zoning），基本烈度（basic intensity），场地烈度（site intensity），设防烈度（defenses intensity）。

    诱发地震（induced earthquake），水库诱发地震（reservoir induced earthquake），注水诱发地震（fluid-injection induced earthquake）。

    莫霍洛维奇不连续面(Mohorovicic discontinuity)，莫霍面（Moho面，或M面），康拉德不连续面（Conrad discontinuity），硅铝层（sial crust），硅镁层（铁镁层）（sima or mafic crust），P波影区（P wave shadow zone），古登堡面不连续面或古登堡面（Gutenberg discontinuity），地震波低（减）速带（low-velocity zone），软流圈（asthenosphere），岩石圈（lithosphere），重力均衡或均衡（isostacy），普拉特模型（Pratt model），艾利模型（Airy Model），重力异常（gravity anomalies），布格校正（Bouguer correction），布格重力异常（Bouguer gravity anomalies）。

    “特征地震”（characteristic earthquake），“地震迁移”（earthquake migration），“地震空区”（seismic gap）。