毛秋勝

摘 要：地球物理學是以從固體內(nèi)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(zhì)學等多個學科的綜合內(nèi)容，對學生的邏輯思維能力和數(shù)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(jié)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(zhì)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(nèi)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(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)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(shù)，確定地球的形狀、大小、地面點的位置和重力場的精細結(jié)構(gòu)，地球的形狀主要是由地球的引力和自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力決定的，且地球非常接近于一個旋轉(zhuǎn)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(nèi)部所構(gòu)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(shù)字曲面，無法在這樣的面上直接進行測量和數(shù)據(jù)處理。而從力學角度看，如果地球是一個旋轉(zhuǎn)的均質(zhì)流體，那么其平衡形狀應該是一個旋轉(zhuǎn)橢球體。于是人們進一步設想用一個合適的旋轉(zhuǎn)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(shù)（長半軸a，扁率α）和物理參數(shù)（地心引力常數(shù)GM和旋轉(zhuǎn)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(zhì)點，彼此相互吸引，其引力大小與他們的質(zhì)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(shù)，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(nèi)部的傳播規(guī)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(zhì)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(zhì)當作均勻、各向同性和完全彈性介質(zhì)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(shù)情況下可以得到與觀測結(jié)果頗為符合的結(jié)果。 研究地震波在地球內(nèi)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?qū)ΨQ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(nèi)部傳播的運動學特征。

地震波在地球內(nèi)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(zhì)中，點振源產(chǎn)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?？偨Y(jié)來講，惠更斯是從波前面的角度來描述波在介質(zhì)空間中傳播的規(guī)律，而費馬原理則從波射線的角度來描述波的傳播規(guī)律。

三、地球磁現(xiàn)象和地球電性質(zhì)

地球磁現(xiàn)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(fā)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(nèi)部，比較穩(wěn)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(nèi)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(jù)大氣電現(xiàn)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(shù)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?？傠娏骷s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(zhuǎn)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(chǎn)生一個環(huán)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(chǎn)生了由南向北的地磁。

四、結(jié)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(nèi)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(nèi)容開始研究，以便于后期在深造上具備一定的優(yōu)勢。

參考文獻：

[1]滕吉文. 中國地球物理學研究面臨的機遇、發(fā)展空間和時代的挑戰(zhàn)[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.