Trọng lực học

Đ ỊA V Ậ T LỶ 733 n hũng từ k ế hiện đại, phẩn m ềm xử lý mới và nhừng E1 D avvi M .G ., T i a n y o u L., H u i s ., a n d D a p e n g L., 2004. D e p th kết quả nghiên cửu vê' khoáng vật học cho thấy E s tim a tio n o f 2 -D M a g n e tic A n o m a lo u s S o u r c e s b y U s in g m agnetit tại sinh, được hình thành do rò ri và di E u le r D e c o n v o lu t io n M e th o d . A m e r ic a n Ị o u r n a ỉ o f A p p lie d chuyên dầu khí trong bồn trầm tích tạo ra trường từ S ciences. 2, N 3 : 209-214. yếu nên thăm dò từ hàng không phân giải cao (HRAM) H a m o u d i M ., Q u e s n e l Y., D y m e n t ] ., a n d L e s u r V ., 201 1 . phát hiện được dị thường từ yếu (khoảng 2 đến lOnT) A e r o m a g n e t ic a n d M a r in e M e a s u r e m e n ts : 57-103. In: M a n - của magnetit tại sinh ờ đứt gãy trong trẩm tích. d e a M ., K o rte M . (E d s.). G e o m a g n e tic O b s e r v a tio n s a n d M o d e ls , IA G A S p e c ia l S o p ro n Book S e rie s 5, S p r in g e r Thăm d ò từ còn được d ù n g trong tìm kiếm các S c ie n c e + B u s in e s s M e d ia . kho vũ khí, m ìn kim loại, bãi thải, di vật khảo cô có Li X., 2008. M a g n e tic r e d u c tio n - to - th e - p o le a t lo w la titu d e s . từ tính, v .v ... O b s e r v a tio n s a n d c o n s id e r a tio n s . T h e L e a d in g E d ge: 2 7 /8 : Khảo cô tù học là m ôn khảo sát từ hóa dư của di 9 9 0 -1 0 0 2 vật khảo cố, chủ yếu nhằm xác định niên đại của di L i Y., a n d O l d e n b u r g D . YV., 1996. 3 -D in v e r s io n o f m a g n e tic vật bằng sét n un g chứa khoáng vật sắt từ. Các d a ta . G e o p h ỵ s ic s . 6 1 /2 : 3 9 4 -4 0 8 . k hoáng vật sắt từ khi bị nung n ón g lên khoảng trên M a c h e ỉ H .G . a n d B u rto n E.A ., 1991. C h e m ic a l a n d m ic ro b ia l 7 0 0 °c sè bị m ất hết các từ d ư trước đây, sau đó p ro c e s s e s c a u s in g a n o m a lo u s m a g n e tiz a tio n in e n y ir o n m e n ts nguội dẩn sẽ có từ dư nhiệt với p hư ơng của trường a ffe c te d by h y d ro c a rb o n seepage. G e o p h y s ics. địa từ lúc đó và có độ từ hóa tỷ lệ với cường độ 56/5: 598-605. trường từ đó. Trường địa từ biến thiên theo thời gian N g u y ễ n S a n , 1980. T h ă m d ò từ . T r o n g : Đ ịa v ậ t lý th ă m d ò , T ậ p (biến thiên th ế kỷ) v ề p hư ơng cũng như vê' cường II: 7-233. N X B Đ ạ i h ọ c v à T r u n g h ọ c c h u y ê n n g h iệ p . H à N ộ i. độ. D o vậy, xác đ ịnh p hư ơng (độ từ thiên D, độ từ khuynh I) hoặc cường đ ộ từ d ư hoặc cả hai rồi so P h a n T h ị K im V ă n , T r ầ n C á n h , 1999. P h â n b ố h ệ th ố n g đ ứ t g ã y N a m T r u n g B ộ th e o p h â n tíc h d ị th ư ờ n g t ừ h à n g k h ô n g . T ạ p sánh với đ ư ờng biến thiên th ế kỷ quy chuấn đã được c h í C á c K h o a h ọ c v ề T r á i Đ ấ t. 21 /4 : 282-288. xác định cho khu vự c (ở Bungari đã xây dự ng được đ ư ờng biến thiên dài nhất, 8 nghìn năm) đ ế tìm ra R a ja r a m M ., 2008. R e c c n t D e v e lo p m e n ts in M a g n e tic M e th o d niên đại của di vật. fo r H y d r o c a r b o n E x p lo r a tio n . P ro c e e d itĩg s o f " 7 lh I n t e r n a t io n a l C o n Ịe re n c e & E x p o s itio n o tĩ P e tr o le u m G e o p h ỵ s ic s ". H y d e r a b a d . Tài liệu tham khảo 212 . R a y m o n d c . A . a n d B la k e ly R. ] . , 1995. C r u s t a l m a g n e tic a n o - B u r a z e r M ., G r b o v ic M ., a n d Ẵ itk o V ., 2 0 01. M a g n e tic d a t a m a lie s . R e v ie iv s o f G e o p h y s ic s . 33:, 17 7 - 1 8 3 . p r o c e s in g f o r th e p u r p o s e o f h y d r o c a r b o n e x p lo r a tio n in th e P a n n o n i a n B a sin , Y o p o s la v ia . G e o p h y s ic s . 66/ 6 :1 6 6 9 -1 6 7 9 . Trọng lực học B ù i C ô n g Q u ế . V iệ n V ậ t lý đ ịa c ầ u , V iệ n H à n lâ m K h o a h ọ c v à C ô n g n g h ệ V iệ t N a m . Giới thiệu Trọng lực h ọ c là khoa học vê' trường trọng lực d o hướng v ề phía Trái Đất. Nhà bác học Italia Galileo của Trái Đất và tương tác của nó với các vật thể ở là n gư ời đẩu tiên phát m inh ra định luật rơi tự d o bên trong, trên b ề mặt và bên ngoài Trái Đất. Thành của các vật rắn và năm 1638 đã đ ể ra p hư ơng pháp phẩn chủ yếu của trường trọng lực là lực hút, còn xác định gia tốc trọng lực, m ờ đẩu cho sự nghiên cứu gọi là lực hâp dẫn. Lực hấp dẫn là đặc tính của Trái v ể trường trọng lực của Trái Đất và ứ ng d ụn g của nó Đât và m ọi vật th ể trong tự nhiên, được biểu thị trong n hừ ng th ế kỷ tiếp theo. bằng định luật vạn vặt hâp dẫn của Nevvton. Trọng Đ ổi tượng nghiên cứu chính của Trọng lực học là lực là lực tổng hợp giừa lực hút của Trái Đất, lực ly m ôi quan hệ giữa trường trọng lực và hình d ạng của tâm và lực hút từ các thiên th ể như Mặt Trăng, Mặt Trái Đất, trường trọng lực bình thường và dị thường, Trài, v .v ... tác đ ộn g lên vật th ể ở m ọi điểm bên trạng thái đẳng tình bên trong Trái Đât, chuyển đ ộn g trong, trên mặt và ở bên ngoài Trái Đât tạo thành và tương tác của Trái Đất với các hành tinh trong vũ trường trọng lực của Trái Đất. M ọi vật th ế trong trụ. Trọng lực học là cơ sở cho sự hình thành và phát trường trọng lực của Trái Đất đểu ờ trạng thái rơi tự triển của p hư ơn g pháp thăm dò trọng lực, được ứng 734 BÁCH KHOA THƯ ĐỊA CHÀT d ụ n g rộng rãi trong các lĩnh vự c nghiên cứu cấu trúc lượng, th ế tích, hình dạng, quỹ đ ạo chuyển đ ộng, địa chất, tìm kiếm thăm dò khoáng sản. Trọng lực chu kỳ quay riêng và khoảng cách khác nhau đ ến học còn là cơ sờ cho các p hư ơn g pháp tính toán điều Mặt Trời. Trái Đất cũng n hư n hiều hành tinh trong khiển quỹ đạo và đ ư ờ n g đi của đạn pháo, tên lửa, vệ hệ Mặt Trời đều có các v ệ tinh riêng. V ệ tinh d u y tinh nhân tạo và tàu vũ trụ. nhât của Trái Đất là Mặt Trăng. Căn cứ kết quả quan trắc và phân tích các trường Lực hấp dẫn vật lý của Trái Đ ất ngư ời ta đã xác định được câu tạo Định luật vạn vật hấp dẫn bên trong của Trái Đất và các thuộc tính cơ bản của nó. V ề cấu tạo, Trái Đâ't có hình cầu, hình thành tử Theo định luật vạn vật hâp dẫn của Nevvton, lực các th ể vật chất khác nhau, gổm nhiều lớp, m ỗi lớp hút giữa 2 đ iểm vật chất có khối lượng Mi và M 2 đ ều có câu tạo bất đ ổn g nhất. Từ bên n goài vào đ ến [H .l] và cách nhau m ột khoảng là r được xác định tâm của Trái Đất, lớp ngoài cùng là vỏ Trái Đât. VcS theo công thức: Trái Đất gồm các lớp đất đá ở th ể rắn và lớp nước. M vM 2 Tiếp theo là m anti được chia thành m anti trên và F = G. (1) m anti dưới. Sau m anti dư ới đến nhân ngoài (thẻ Trong đó: G là hằng s ố hâ'p dẫn. lỏng) và nhân trong (thê rắn) [H.2]. Trong hệ SI: G = (6,67428 ± 0,00067). 10 " [m3/(k g.s2)]. V ỏ Trái Đất có b ề dày biến đổi từ lOkm đ ến 70km. V ỏ Trái Đâ't trên các lục địa và thềm lục địa có Đặc tính cơ bản của lực hắp dẳn bể dày lớn với 3 lớp cơ bản là trầm tích, granit và basalt (bazan) có m ật độ trung bình lần lượt là Lực hấp dẫn giữa 2 vật th ể là đại lượng vector, có 2,3g/cm 3, 2/7g/cm 3 và 2/9 g/cm 3. phương trùng với p hư ơn g nối 2 tâm của vật thể. Cường đ ộ của lực hâp dẫn tỷ lệ thuận với khối lượng các vật th ể và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chủng. Theo định luật vạn vật hấp dẫn, lực hút F của Manti tréạ Trái Đất có khối lượng M tác đ ộn g lên m ột điếm vật chất có khối lượng Mi h ư ớng v ề tâm Trái Đất và làm cho vật th ế rơi tự d o với gia tốc g: G .M M { _ G .M g = m/ s (2 ) M y .r 2 ~ r2 Đơn vị đ o của lực hấp dẫn trong hệ thống CGS là dyn [g.cm /s2], trong hệ thống SI là nevvton (N) [kg.m /s2 ]. Đ ơn vị của gia tốc trong hệ CGS là cm /s2, trong Địa vật lý được gọi là Gal, lấy theo tên của nhà bác học G alileo. Trên thực t ế ngư ời ta thường d ù n g đơn vị nhỏ hơn là m iliG al (1 Gal = 1000 mGal) hoặc Hình 2. Mô hình cấu tạo bên trong Trái Đất. microGal (1 Gal = 106nGal). Hình dạng của Trái Đất Bể m ặt Trái Đât gồm m ặt biển và m ặt đâ't liền có địa hình g ổ g h ề phứ c tạp gọi là m ặt vật lý của Trái Đâ't. V ề lý thuyết, hình dạng Trái Đâ't liên quan với q uy luật phân b ố trường trọng lực trên b ể mặt Trái Đất. Bề m ặt mà tại đ ó các giá trị của th ế trọng lực bằng nhau gọi là m ặt đẳng th ế trợng lực. Bề m ặt đẳng th ế trọng lực trùng với mặt đại d ư ơ n g yên tĩnh k hông có só n g và d òn g chảy, đư ợc k éo dài lý tưởng vào trong lục địa gọi là m ặt geoid . G eoid là m ột b ể Hình 1. Định luật vạn vật hấp dẫn. mặt kín, th ế trọng lực ở bể m ặt geoid là m ột h ằng số. Trên thực tế, do cấu trúc và thành phẩn vật chât bên Trái Đất và hệ Mặt Trời trong Trái Đất k hông đ ổn g nhât nên bề mặt geoid Trái Đất và cấu trúc bên trong của Trái Đất phức tạp. D o vậy k hông th ế d ù n g n gay mặt g eoid đ ế xác định độ cao tuyệt đối của b ể mặt Trái Đâ't mà Trái Đât là m ột trong các hành tinh của hệ Mặt phải thông qua m ột mặt hình học đơn giản là mặt Trời. Môi hành tinh trong hệ Mặt Trời đểu có khôi ellip soid xoay, dẹt ở 2 cực, đôi xứ ng qua trục quay  Đ ỊA VẬT LỶ 735 và m ặt xích đ ạo của Trái Đất, mặt ellip soiđ xoay dẹt D iêm V ương còn có 3 hành tinh lùn khác là Ceres, ờ 2 cực như vậy còn được gọi là spheroid. M akem ake và Eris có khối lượng và kích thước tương đ ư ơng như Sao D iêm Vương, đểu ở rất xa và Bắt đồng nhắt và chuyển động bên trong Trái Đất chuyến đ ộn g quay quanh Mặt Trời theo các quỹ đạo riêng. Các hành tinh lùn cùng có các v ệ tinh riêng, Vặt chât ở các lớp bên trong Trái Đât luôn ở trạng n hữ ng v ệ tinh này chuyển đ ộng quanh hành tinh lùn thái chuyến đ ộng. Ớ các lớp nhân và manti, dưới tác n hư v ệ tinh của Trái Đất và các hành tinh khác. đ ộn g của áp suất và nhiệt độ cao liên tiếp xảy ra các phàn ứ ng nhiệt hạch tạo nên các d òng vật chất nóng Bàng 1. Các thuộc tính cơ bản của Trái Đất. và lỏn g (m agm a) ch u yên đ ộn g theo h ướng đi lên v u ôn g góc với b ề mặt Trái Đâ't. D òn g m agm a lên đến T h u ộ c tín h c ơ bản, đơ n vị đo Kỷ hiệu và g iá trị lớp m anti trên gặp tầng đâ't - đá ờ th ể rắn (thạch Khối lượng, kg M = 5.97378 x 1024 quyến) gồm v ỏ Trái Đất và phẩn trên củng của lớp Mật độ trung bình, kg/m3 p = 5515 m anti trên (bể d ày từ vài chục tới hàng trăm km) Thể tích, m3 V = 1,08320 X 1021 tương tác với thạch quyến và bị đ ấy ngược trở lại tạo nên d ạng ch u yển đ ộn g của d òn g đối lưu. Tác đ ộng Bán kính cầu đồng thể tích, m Re = 6371000 cùa các d ò n g đối lun làm cho thạch quyển bị chia Bán kính xích đạo, m a = 6378136 tách thành các m ảng và khối chuyến động, xê dịch Bán kính cực, m c = 6356751 tương đối với nhau theo p hư ơng nằm ngang. Các Tổng diện tích bề mặt, m2 A = 5,100655 X 1014 chuyên đ ộn g "trôi dạt" và xô h úc giữa các m ảng và khối của thạch quyển tạo nên n hừng chuyển đ ộng Diện tích mặt biển, m2 Ab = 3,62 X 1014 kiến tạo của v ò Trái Đất, được biếu hiện dưới dạng Diện tích mặt đất, m2 Ađ = 1,48 X 1014 như hình thành đứt gãy, uốn nếp, đới hút chìm , núi Khối lượng khí quyển bao quanh, kg mkq = 5,1 X 1018 lưa, đ ộn g đất, xâm nhập m agm a, phun trào, trượt lờ Khối lượng nước đại dương, kg Mđđ= 1,4 X 1021 đất đá, v .v ... Hậu quả của các chuyến đ ộng như trên là liên tục hình thành sự bâ't đ ổn g nhât và sự biến Khối lượng lớp vỏ cứng, kg mvỏ = 2,8 X 1022 đ ộn g của vật chất bên trong Trái Đâ't và vỏ Trái Đất. Khối lượng lớp manti, kg mmt = 4,0 X 1024 Khối lượng nhân ngoài, kg mnn = 1,85 X 1024 Các thuộc tính cơ bản của Trái Đất. Khối lượng nhân trong, kg mnt= 9,7 X 1022 Các thuộc tính cơ bản của Trái Đất được th ế hiện Bán trục quỹ đạo, m rE= 1,4959789 X 1011 trôn Bàng 1. Độ dẹt f=^ = 3,35281 X 1 0 '3 Hệ Mặt Trời = 1/298,257 H ệ Mặt Trời gồm có Mặt Trời, các hành tinh và Trường trọng lực của Trái Đất các tiểu hành tinh, trong đó Mặt Trời có hình cẩu và có khối lư ợ n g và kích thước lớn nhât trong hệ. Các Định nghĩa và tính chất hành tinh và tiếu hành tinh có khối lượng, kích Trường trọng lực của Trái Đất tổn tại ở m ọi điểm thước và khoảng cách đến Mặt Trời khác nhau, bên trong, trên mặt và khoảng không bên ngoài Trái chúng đều quay và ch u yển đ ộn g quanh Mặt Trời Đâ't. Trọng lực ờ m ỗi điểm là tổng hợp của lực hút theo các quỹ đ ạo riêng. Các hành tinh, theo thứ tự tử hướng v ể phía tâm Trái Đất và lực ly tâm do Trái Đất gần đến xa Mặt Trời là Sao Thuỷ, Sao Kim, Trái Đất, quay quanh trục với tốc độ góc U) gây nên. Lực ly tâm Sao Hoả, Sao Mộc, Sao Thổ, Sao Thiên V ương và Sao có hướng rời khỏi tâm quay và vuông góc với trục Hải V ương. Trừ Sao Thuỷ và Sao Kim, các hành tinh quay của Trái Đất. N goài 2 lực chính nói trên còn có khác đểu có từ 1 đến nhiều vệ tinh riêng. Trái Đ ất có lực hút từ Mặt Trăng, Mặt Trời và các hành tinh khác 1 vệ tinh là M ặt Trăng. Trong s ố các hành tinh, tiểu bên ngoài Trái Đất tác đ ộng lên vật thê tại điểm quan hành tinh của hệ Mặt Trời và các vệ tinh của chúng chỉ có Mặt Trăng ở gẩn Trái Đâ't hơn cả. sát. Tuy nhiên lực hút do nhừng tác nhân này gây ra rất nhỏ bé so với 2 lực trên nên chúng có thê được bỏ N goài các hành tinh nói trên còn có Sao D iêm qua và thường được coi là nhừng biến thiên địa triều V ương ở xa Mặt Trời hơn cả và trước năm 2006 vẫn hoặc nhiễu. Trọng lực của Trái Đất là đại lượng vector được coi là hành tinh (hành tinh thứ 9) trong hệ Mặt hướng v ề phía Trái Đất, tác đ ộng lên vật thê và làm Trời. N h ư n g v ì Sao D iêm V ương có khối lượng và cho vật thê rơi tụ do với gia tốc là g. kích thước n hỏ nhất so với các hành tinh, nhỏ hơn Trái Đ ất n hiều lẩn và ở quá xa Mặt Trời nên vào Trường trọng lực bình thường tháng 8 năm 2006 H iệp hội Thiên văn quốc t ế đã quyết đ ịn h loại Sao D iêm V ương ra khỏi hệ thống Trường trọng lực của Trái Đâ't gồm 2 thành phẩn các hành tinh của hệ Mặt Trời và xếp nó vào lớp các cơ bản là trường bình thường y và trường dị thường tiểu hành tinh được gọi là hành tinh lùn. N goài Sao A g : g = y + Ag. 736 BÁCH KHO A T H Ư Đ ỊA CHÁT Trường trọng lực b ình thư ờn g là p hần trường Ỵ = 978,0327 (1 + 0,0053024 siivkp - 0,0000058 sin22ọ )Gal biến thiên chậm đ ểu đặn vớ i biên đ ộ lớn, liên quan (6) vớ i câu tạo đ ổ n g nhâ't của Trái Đâ't bình th ư ờ n g có Còn có nhiều công thức khác đã được công bô cho d ạn g ellip so id xoay, d ẹt ở 2 cực. những m ô hình Trái Đất bình thường dạng ellipsoiđ (spheroid) có độ dẹt hoặc 3 bán trục khác nhau. Đ ối Bàng 2. Một số thuộc tính của Mặt Trăng và Mặt Trời. chiếu kết quả tính trường trọng lực bình thường theo Thuộc tính, đơn vị đo M ặt Trảng Mặt Trời các công thức khác nhau cho m ỗi đ iếm trên b ể mặt Bán kính, m 1,738 X 106 6,96 X 108 Trái Đất đểu có m ột giá trị chênh lệch nhât định. Khối lượng, kg 7,348 X 1022 1,989 X 1030 Trường trọng lực và hình dạng Trái Đất Mật độ trung bình, kg/m3 3341 1408 H ình d ạng của Trái Đất đ ư ợc xác định chính xác Khoảng cách từ Trái Đất, m 3.4880 X 108 1,4959789 X 1011 khi ta xác định được độ cao của mặt vật lý Trái Đất Vận tốc quay, rad/s 2,66170 X 10*6 2,87 X ^0^6 so với mặt chuẩn spheroid (ellipsoid dẹt). Trên thực Năng lượng sản sinh, w » 7 X 1011 « 3,825 X 1026 tế, khi đ o đ ộ cao của mặt vật lý (địa hình) bằng đo cao trình m ới chi xác định đư ợc đ ộ cao h so với mặt T rường dị th ư ờ n g trọng lực là thành phần của geoid trùng với b ề mặt nước biển yên tĩnh. Mặt trường biến thiên nhanh, biên đ ộ n h ỏ liên quan với g eoid nằm ở đ ộ cao (đ ộ lệch) r) so với mặt spheroid câu trúc địa chất và bất đ ổ n g nhât cục b ộ ả v ỏ Trái và rị là giá trị phái xác định. Đ ộ lệch r) giữa mặt Đ ất và m anti trên. geoid và mặt spheroid là hậu quả của những bằt C ông thức tính trường trọng lự c bình th ư ờ n g của đ ổn g nhất và chuyển đ ộn g bên trong Trái Đâ't, là sụ Trái Đâ't d ạn g ellip so id xoay đ ư ợ c nhà trọng lự c học chênh lệch giữa b ể m ặt của Trái Đâ't thực và bể mặt n gư ờ i Pháp C lairaut tìm ra vào năm 1743, tiếp đ ó của Trái Đất chuẩn (Trái Đ ât bình thường), nó đ ư ợc đ ư ợc n hiều n g ư ờ i n gh iên cứu, p hát triển đư a v ể m ột thê hiện trong giá trị trường trọng lực của Trái Đâ't. d ạn g ch u n g gọi là d ạ n g cô đ iển chi phụ th u ộc v à o v ĩ Bài toán xác định độ cao ì] của geoid so với đ ộ