11.2.1 高原地區(qū)負(fù)的完全布格異常和垂線偏斜

觀測的重力值經(jīng)過各項(xiàng)改正后，所得完全布格異常應(yīng)當(dāng)很小，即消除高度和地形影響之后的觀測值后，與正常值應(yīng)當(dāng)相差很小。但事實(shí)并非如此。在廣闊的地區(qū)，布格異常顯示出總體與地形的相關(guān)性。表現(xiàn)為在山區(qū)的異常值往往是負(fù)值，并且山區(qū)地勢越高，異常值下降得越嚴(yán)重。大約每上升1000m，要降低1～2mm/s2。而在海洋地區(qū)異常值是正的，并且海水越深，異常值上升得越厲害，大約每加深1000m，要提高2～4mm/s2。這種高區(qū)負(fù)異常和水深區(qū)正異常的現(xiàn)象意味著在高山地區(qū)地下巖石密度小于平均密度，而在海盆區(qū)地下巖石密度則大于平均密度。說明存在一種由地下質(zhì)量來補(bǔ)償?shù)厍虮砻嫫鸱螒B(tài)的機(jī)理。

在高山附近，重力場方向應(yīng)該是地球基本場與高山引力場合力的方向。1840—1859年，印度總測繪師Everest領(lǐng)導(dǎo)一支測量隊(duì)在印度測量子午線長度。這期間，Everest計算了很多點(diǎn)的大地位置，獲得了這些點(diǎn)精確的天文位置。他發(fā)現(xiàn)在Ganges平原的兩個點(diǎn)（Kaliana和Kalianpur）上，大地測量測定的緯度差較天文方法得到的結(jié)果相差5.24″。1854年，劍橋畢業(yè)的數(shù)學(xué)家Pratt詳細(xì)計算了喜馬拉雅山對Kaliana和Kalianpur的引力影響，他將山體分為一系列的小塊，計算每個小塊單元的引力作用，再將引力合成。其結(jié)果表明山體的引力影響足以使鉛垂擺偏轉(zhuǎn)15.885″，較觀測值大3倍以上。在圖11-2中，A是由于山的質(zhì)量引起的理論偏斜，B是實(shí)測的偏斜，而C是不偏斜的標(biāo)準(zhǔn)位置。

圖11-2 由喜馬拉雅山引起的垂線偏斜

A—由于山的吸引應(yīng)當(dāng)引起的理論偏斜；

B—實(shí)測的偏斜，因?yàn)樯礁嬖谄睖p少；

C—不偏斜的位置（標(biāo)準(zhǔn)位）

11.2.2 兩種均衡補(bǔ)償假說

為了解釋這些觀測結(jié)果，曾經(jīng)提出過兩種假說：一個是艾里（Airy）假說，一個是普拉特（Pratt）假說。兩種假說都是以山下質(zhì)量不足為依據(jù)。

按照1855年的艾里假說，喜馬拉雅山有山根，山越高則山根貫入較重的基層應(yīng)該越深。如果基層的性能像流體一樣，并且較輕的山岳物質(zhì)有點(diǎn)像冰山浮在水面上那樣浮在較厚的流體基層上，則上述情況是完全可能的。因此，補(bǔ)償深度是可變的，而且像是真實(shí)地面地形的鏡像投影（圖11-3（a））。

按照普拉特假說，喜馬拉雅山是由地殼柱體構(gòu)成，柱體密度隨地形高度而改變。因?yàn)樗兄w的下邊界處于海平面以下的同一深度上，而且每個地殼柱體的質(zhì)量相等，所以山越增高，它的平均密度越小，反之，山越降低，它的平均密度越大。這個相同的深度，稱為補(bǔ)償深度（圖11-3（b））。

這兩種假說的重要區(qū)別在于，普拉特假說認(rèn)為地殼底面的深度一致，但密度隨地面高度增加而減??；艾里假說認(rèn)為地殼的密度一致，但底面深度隨地面高度增加而下降。

圖11-3 艾里和普拉特的地殼均衡假說

1889年美國地質(zhì)學(xué)家杜通（Dutton），在討論地球內(nèi)部一定深度處的流體靜壓力時，第一次引進(jìn)“地殼均衡”一詞。如今地殼均衡的概念已經(jīng)廣泛地運(yùn)用于地學(xué)（地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)）領(lǐng)域。以后幾十年時間，人們開展了大規(guī)模的大陸和海洋的重力測量，進(jìn)一步肯定了布格異常與地形的相關(guān)關(guān)系。例如，山區(qū)是大的負(fù)值區(qū)（如阿爾卑斯山，Δg B為-110×105mm/s2），海洋區(qū)是大的正值區(qū)（如東大西洋，Δg B為+270×105mm/s2）。

圖11-4 重力異常與地殼厚度和地形的比較

地震方法已給出地球內(nèi)部分層的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，莫氏面是地殼與地幔之分界面，在此上下速度發(fā)生急劇變化（從6.5km/s變到8.0km/s）。根據(jù)速度與密度的一般關(guān)系，又根據(jù)地球內(nèi)部密度隨深度的變化，有明顯跡象表明這個界面也是一個發(fā)生很大密度差的界面（從2.9g/cm3變到3.3g/cm3）。圖11-4給出大陸與海洋的折射地震研究結(jié)果。在其中標(biāo)出地形、地殼厚度和布格異常，它們之間顯示出極好的相關(guān)性。