地球表层均衡补偿现象

11.2.1 高原地区负的完全布格异常和垂线偏斜

观测的重力值经过各项改正后，所得完全布格异常应当很小，即消除高度和地形影响之后的观测值后，与正常值应当相差很小。但事实并非如此。在广阔的地区，布格异常显示出总体与地形的相关性。表现为在山区的异常值往往是负值，并且山区地势越高，异常值下降得越严重。大约每上升1000m，要降低1～2mm/s2。而在海洋地区异常值是正的，并且海水越深，异常值上升得越厉害，大约每加深1000m，要提高2～4mm/s2。这种高区负异常和水深区正异常的现象意味着在高山地区地下岩石密度小于平均密度，而在海盆区地下岩石密度则大于平均密度。说明存在一种由地下质量来补偿地球表面起伏形态的机理。

在高山附近，重力场方向应该是地球基本场与高山引力场合力的方向。1840—1859年，印度总测绘师Everest领导一支测量队在印度测量子午线长度。这期间，Everest计算了很多点的大地位置，获得了这些点精确的天文位置。他发现在Ganges平原的两个点（Kaliana和Kalianpur）上，大地测量测定的纬度差较天文方法得到的结果相差5.24″。1854年，剑桥毕业的数学家Pratt详细计算了喜马拉雅山对Kaliana和Kalianpur的引力影响，他将山体分为一系列的小块，计算每个小块单元的引力作用，再将引力合成。其结果表明山体的引力影响足以使铅垂摆偏转15.885″，较观测值大3倍以上。在图11-2中，A是由于山的质量引起的理论偏斜，B是实测的偏斜，而C是不偏斜的标准位置。

图11-2 由喜马拉雅山引起的垂线偏斜

A—由于山的吸引应当引起的理论偏斜；

B—实测的偏斜，因为山根存在偏斜减少；

C—不偏斜的位置（标准位）

11.2.2 两种均衡补偿假说

为了解释这些观测结果，曾经提出过两种假说：一个是艾里（Airy）假说，一个是普拉特（Pratt）假说。两种假说都是以山下质量不足为依据。

按照1855年的艾里假说，喜马拉雅山有山根，山越高则山根贯入较重的基层应该越深。如果基层的性能像流体一样，并且较轻的山岳物质有点像冰山浮在水面上那样浮在较厚的流体基层上，则上述情况是完全可能的。因此，补偿深度是可变的，而且像是真实地面地形的镜像投影（图11-3（a））。

按照普拉特假说，喜马拉雅山是由地壳柱体构成，柱体密度随地形高度而改变。因为所有柱体的下边界处于海平面以下的同一深度上，而且每个地壳柱体的质量相等，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。这个相同的深度，称为补偿深度（图11-3（b））。

这两种假说的重要区别在于，普拉特假说认为地壳底面的深度一致，但密度随地面高度增加而减小；艾里假说认为地壳的密度一致，但底面深度随地面高度增加而下降。

图11-3 艾里和普拉特的地壳均衡假说

1889年美国地质学家杜通（Dutton），在讨论地球内部一定深度处的流体静压力时，第一次引进“地壳均衡”一词。如今地壳均衡的概念已经广泛地运用于地学（地质学、地球物理学）领域。以后几十年时间，人们开展了大规模的大陆和海洋的重力测量，进一步肯定了布格异常与地形的相关关系。例如，山区是大的负值区（如阿尔卑斯山，Δg B为-110×105mm/s2），海洋区是大的正值区（如东大西洋，Δg B为+270×105mm/s2）。

图11-4 重力异常与地壳厚度和地形的比较

地震方法已给出地球内部分层的详细结构，莫氏面是地壳与地幔之分界面，在此上下速度发生急剧变化（从6.5km/s变到8.0km/s）。根据速度与密度的一般关系，又根据地球内部密度随深度的变化，有明显迹象表明这个界面也是一个发生很大密度差的界面（从2.9g/cm3变到3.3g/cm3）。图11-4给出大陆与海洋的折射地震研究结果。在其中标出地形、地壳厚度和布格异常，它们之间显示出极好的相关性。