2025年大學《地球物理學》專業(yè)題庫——地球物理學在地球平衡系統(tǒng)研究中的應用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、填空題（每空2分，共20分）1.根據(jù)Airy均衡模型，地殼上方某點的自由空氣異常等于該點上方空氣柱的______與該點下方地殼柱體（密度為ρ?）的______之差。2.布格異常是經(jīng)過自由空氣改正、______改正和地形改正后的重力異常，它主要反映了地殼內(nèi)部密度結(jié)構(gòu)的變化。3.地球重力場的長波長部分主要反映了地球整體形狀和內(nèi)部______的不均勻性。4.利用均衡模型研究地殼均衡時，Pratt模型假設(shè)地殼下方密度均勻，且等于地幔的平均密度；而Airy模型假設(shè)地殼下方存在一個______的空腔。5.大地水準面是海水面在長波長尺度上受______和______綜合影響的靜止平衡形狀。6.GPS技術(shù)通過測量衛(wèi)星與接收機之間的______來精確確定接收機的三維坐標，可用于監(jiān)測地殼的______形變。7.地球的自轉(zhuǎn)速度變化和地軸進動是影響全球重力場______的主要因素。8.地殼均衡理論認為，地殼的厚度大致與上覆地幔的______成正比。9.重力異常的垂向梯度異常是研究地殼淺部______結(jié)構(gòu)的重要資料。10.在地球平衡系統(tǒng)中，______和______是描述地球整體質(zhì)量和密度分布的關(guān)鍵物理量。二、簡答題（每題5分，共30分）1.簡述自由空氣異常和布格異常的主要區(qū)別。2.解釋什么是地殼均衡，并簡述其兩種主要模型（Airy模型和Pratt模型）的基本思想。3.說明大地水準面異常（U）與均衡異常（Δg_e）之間的概念關(guān)系。4.簡述重力學在探測地殼密度異常體（如基性巖體、鹽丘）方面的應用原理。5.簡述GPS技術(shù)在研究區(qū)域構(gòu)造運動和地殼形變中的應用方法。6.為什么說地球的重力場既是地球形狀的反映，也是地球內(nèi)部物質(zhì)分布的反映？三、論述題（每題10分，共40分）1.試述如何利用重力異常資料推斷地殼的均衡狀態(tài)。在推斷過程中需要考慮哪些因素？可能遇到哪些困難？2.結(jié)合具體應用場景（如油氣勘探、資源調(diào)查或工程地質(zhì)勘察），論述重力和大地測量方法在地球平衡系統(tǒng)研究中的各自優(yōu)勢和局限性。3.闡述地球重力場長波長信息與地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)（如地核、地幔密度分布）的關(guān)系。重力資料在揭示地球深部構(gòu)造方面有何作用？4.綜合運用重力學、大地測量學和巖石物理學的基本原理，描述一個研究者可能采取的步驟來評估某個特定研究區(qū)（例如一個造山帶或裂谷帶）的地球物理均衡狀態(tài)。試卷答案一、填空題1.重力勢能；質(zhì)量2.球冠改正3.密度4.等密度5.自轉(zhuǎn)；大地水準面重力6.距離；垂直7.時變譜8.重力勢能9.結(jié)構(gòu)10.地球質(zhì)量；地球密度分布二、簡答題1.解析思路：區(qū)分兩者是布格異常定義的關(guān)鍵。自由空氣異常僅考慮了自地表到觀測點之間空氣柱的引力效應，未考慮下方物質(zhì)的影響；布格異常在自由空氣異?；A(chǔ)上，進一步減去了以觀測點為中心、半徑為球冠半徑的下方地殼柱體的引力效應。因此，自由空氣異常隨海拔升高而增大，布格異常則主要反映地殼內(nèi)部密度結(jié)構(gòu)。答：自由空氣異常僅考慮了從地表到觀測點之間空氣柱的引力效應，相當于一個質(zhì)量為ρ空氣×（R+h）3/R3的質(zhì)點在該點產(chǎn)生的引力；布格異常是在自由空氣異?；A(chǔ)上，進一步減去了以觀測點為中心、半徑為R的球冠形地殼（密度為ρ?）的引力效應。自由空氣異常隨海拔升高而線性增大，布格異常則主要反映地殼內(nèi)部密度分布。2.解析思路：首先定義地殼均衡的概念（地殼受力平衡狀態(tài)）。然后分別闡述Airy模型（下方空腔）和Pratt模型（下方等密度補償）的核心假設(shè)和解釋機制。強調(diào)兩者都是解釋地殼等厚現(xiàn)象的理論。答：地殼均衡是指地殼在重力作用下達到的一種力學平衡狀態(tài)，即地殼頂部承受的壓力與其下方地幔的浮力相平衡。Airy模型假設(shè)地殼下方存在一個與地殼厚度成正比的、密度與地幔相同的空腔；Pratt模型假設(shè)地殼下方存在一個密度低于地幔的、形狀與地殼上方地形相對應的補償體。兩種模型都能解釋為什么造山帶地殼增厚而密度增大，同時地表仍能保持近于水平的狀態(tài)。3.解析思路：首先定義大地水準面異常（U）和均衡異常（Δg_e）。然后闡述U是地表實際重力（g）與該點理論重力（g?）之差，g?是在假設(shè)全球為均質(zhì)旋轉(zhuǎn)橢球體時計算得到的重力值。Δg_e是考慮了地殼均衡調(diào)整后的重力異常，它排除了地殼均衡調(diào)整引起的重力變化。U與Δg_e的關(guān)系是：U=Δg-Δg_e，其中Δg是布格異常。因此，U與Δg_e都反映了地殼內(nèi)部密度異常，但U更直接地反映實際重力場，而Δg_e則是在扣除均衡效應后的剩余異常。答：大地水準面異常（U）是地表某點的實際重力（g）減去該點按均質(zhì)旋轉(zhuǎn)橢球模型計算的理論重力（g?）的差值（U=g-g?）。均衡異常（Δg_e）是在布格異常（Δg=g-g?-Δg_air）的基礎(chǔ)上，進一步考慮地殼均衡調(diào)整（如地殼增厚、密度變化）對重力的影響后得到的異常部分。理論上，U與Δg_e都源于地殼內(nèi)部密度異常，但U是更直接的全球重力場信息，而Δg_e則是在扣除部分均衡效應后的剩余信息。4.解析思路：闡述基本原理：不同巖石密度產(chǎn)生不同的重力效應。高密度體（如基性巖體）在周圍低密度介質(zhì)中會引起正重力異常；低密度體（如鹽丘、天然氣藏）則引起負重力異常。利用重力測量數(shù)據(jù)，通過計算異常值并結(jié)合地質(zhì)模型，可以推斷地下是否存在密度異常體及其大致范圍和形狀。答：基本原理是利用不同巖石圈密度差異引起的重力場變化來探測異常體。高密度體（如玄武巖、基性巖體）在周圍低密度介質(zhì)（如硅鋁質(zhì)地殼）中產(chǎn)生正異常，低密度體（如鹽丘、石膏、天然氣藏、地幔熱柱）產(chǎn)生負異常。通過測量重力異常，計算其大小和分布特征，結(jié)合巖石物理資料和地質(zhì)背景，可以推斷地下是否存在這些密度異常體，并對其位置、大小、形狀進行初步定位。5.解析思路：闡述GPS原理：通過接收多顆導航衛(wèi)星信號，測量衛(wèi)星到接收機的距離，利用三維坐標轉(zhuǎn)換解算接收機的精確位置（X,Y,Z）。利用不同時期、不同地點的GPS數(shù)據(jù)，可以精密測量地殼點的水平位移和垂直位移，從而研究區(qū)域構(gòu)造運動、地殼形變、crustaldeformation、活動斷裂活動等。答：GPS技術(shù)通過衛(wèi)星導航系統(tǒng)，為地面接收機提供精確的星歷和衛(wèi)星鐘差信息。接收機通過測量至少四顆衛(wèi)星到自身的距離，利用三維坐標轉(zhuǎn)換模型，可以精確確定自身在地球固定坐標系中的三維坐標（X,Y,Z）。通過對比不同時間點的GPS坐標，可以獲取站點間的相對位移和位移速率。利用大量站點的時間序列數(shù)據(jù)，可以繪制出地殼形變場，分析區(qū)域構(gòu)造運動特征，如板塊邊界運動、造山帶隆升、盆地沉降、活動斷裂活動等。6.解析思路：從兩個層面解釋：一是地球形狀。地球內(nèi)部質(zhì)量分布不均會導致引力加速度（g）在空間分布不均，形成重力異常，這種長波長異常直接反映了地球形狀的局部起伏。二是內(nèi)部物質(zhì)分布。地球內(nèi)部不同圈層（地殼、地幔、地核）具有不同的平均密度。重力場不僅反映了這些圈層整體的質(zhì)量分布，也反映了其中局部密度異常（如密度不均勻體、物質(zhì)聚集或虧損區(qū)）的分布情況。長波長重力異常與深部結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。答：地球的形狀。地球不是一個完美的橢球體，其內(nèi)部質(zhì)量分布不均勻，導致地表引力加速度（g）的大小和方向發(fā)生空間變化，形成重力異常。這種主要反映地球整體形狀和內(nèi)部大尺度質(zhì)量分布的重力異常通常具有長波長特征。地球內(nèi)部物質(zhì)分布。地球內(nèi)部不同圈層（地殼、地幔、地核）的平均密度不同，這種宏觀的密度結(jié)構(gòu)決定了地球的基本引力場。同時，地殼、地幔內(nèi)部存在的局部密度異常體（如巖漿房、地幔柱、大型沉積盆地、鹽丘等）也會在其周圍產(chǎn)生局部的重力擾動，這些異常也常常具有長波長特征。因此，地球重力場的長波長信息既是地球形狀的反映，也是地球內(nèi)部物質(zhì)分布（包括整體密度結(jié)構(gòu)和局部異常）的反映。三、論述題1.解析思路：*方法：首述利用重力異常推斷均衡狀態(tài)的基本思路：通過計算布格異常，排除部分地殼結(jié)構(gòu)影響，然后結(jié)合地形起伏，應用均衡模型（主要是Pratt模型或Airy模型的思想）來推斷地殼下方是否存在密度補償或空腔。具體步驟可能包括：計算區(qū)域的重力異常圖；結(jié)合地質(zhì)填圖、鉆井資料等確定地表地形；選擇合適的均衡模型（或假設(shè)）；根據(jù)均衡方程（如Pratt:Δg_e≈ρ?gh，Airy:Δg_e≈ρ_m(H-h)g）反推地殼厚度H或下方密度異常?？赡苄枰紤]地幔密度ρ_m、地殼平均密度ρ?等參數(shù)。*因素：指出推斷中需要考慮的關(guān)鍵參數(shù)和前提，如地殼/地幔密度、均衡模型的假設(shè)、地形數(shù)據(jù)精度、橫向密度變化、深部結(jié)構(gòu)復雜性等。*困難：分析可能遇到的挑戰(zhàn)，如參數(shù)不確定性（特別是地殼/地幔密度）、均衡模型本身的簡化（忽略了流變效應、多期構(gòu)造活動）、橫向密度不均勻性導致模型解釋的多解性、地形與均衡狀態(tài)的非嚴格對應關(guān)系等。答：利用重力異常推斷地殼均衡狀態(tài)主要依據(jù)均衡模型的基本原理。首先，通過計算布格異常，大致排除地殼頂部物質(zhì)和地形起伏對重力異常的影響。然后，根據(jù)地表地形特征，結(jié)合選定的均衡模型（通常是Pratt或Airy模型的簡化應用）進行反演。例如，若采用Pratt模型思想，可以測量均衡異常（Δg_e），結(jié)合地殼平均密度（ρ?）和地幔密度（ρ_m），估算地殼下方所需的密度補償量或等效空腔深度。反之，若采用Airy模型思想，可估算地殼厚度。具體步驟包括：獲取高精度重力數(shù)據(jù)并計算布格異常；收集準確的數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)；選擇或設(shè)定地殼、地幔密度參數(shù)；應用均衡方程進行計算和解釋。在推斷過程中，需要考慮的關(guān)鍵因素包括：地殼和地幔的平均密度值（這些參數(shù)本身存在不確定性）；所采用均衡模型的基本假設(shè)（如Airy模型的空腔、Pratt模型的密度補償）；地形數(shù)據(jù)的精度和可靠性；研究區(qū)域是否存在顯著的橫向密度變化；以及是否考慮了深部圈層的流變性質(zhì)和構(gòu)造演化歷史。推斷過程中可能遇到的困難主要有：地殼-地幔密度邊界并非截然分明，且數(shù)值難以精確測定；均衡模型是靜態(tài)和線性的近似，難以完全反映地球內(nèi)部復雜的流變過程和多期構(gòu)造事件；實際地殼結(jié)構(gòu)往往比模型假設(shè)的更復雜，導致解釋存在多解性；地形并非完全由均衡狀態(tài)控制，還受到侵蝕、沉積等多種因素影響。2.解析思路：*重力學應用：強調(diào)其在探測地殼內(nèi)部密度異常（如基性巖體、鹽丘、大型沉積盆地）方面的優(yōu)勢，可用于尋找油氣、礦產(chǎn)資源，評估地殼結(jié)構(gòu)。局限性在于分辨率相對較低，易受深部結(jié)構(gòu)、地形影響，對軟弱夾層等低密度界面不敏感。*大地測量學應用：突出其在監(jiān)測地殼形變（垂直、水平）、研究板塊運動、測定地球形狀和自轉(zhuǎn)參數(shù)方面的優(yōu)勢。局限性在于絕對精度相對較低，對淺部、中小尺度構(gòu)造活動分辨率不足，易受信號噪聲、儀器誤差影響。*綜合優(yōu)勢與局限：指出單一方法有其邊界，結(jié)合兩者可提供更全面的信息。例如，重力可提供內(nèi)部密度信息，大地測量可提供形變和運動信息，兩者結(jié)合有助于更全面地理解均衡狀態(tài)和構(gòu)造演化。但綜合也面臨數(shù)據(jù)融合、處理方法復雜性等挑戰(zhàn)。答：重力方法和大地測量方法在地球平衡系統(tǒng)研究中各有優(yōu)勢和局限性。重力學的主要優(yōu)勢在于能夠通過測量重力異常來探測地殼內(nèi)部不同密度物質(zhì)的分布。例如，高密度基性巖體、鹽丘等構(gòu)造會引起正異常，而大型沉積盆地、地幔熱柱等則會引起負異常。這在油氣勘探、礦產(chǎn)資源調(diào)查、地殼結(jié)構(gòu)研究等方面有重要應用。然而，重力學方法的局限性也較為明顯：其空間分辨率相對較低，難以分辨淺部、中小尺度的密度變化；重力異常的解釋受深部結(jié)構(gòu)、地形起伏等多種因素影響，需要進行復雜的校正；對于地殼中的軟弱夾層、小型斷裂等低密度界面，重力方法也難以有效響應。大地測量學的主要優(yōu)勢在于能夠精確測量地殼的形變（包括垂直形變和水平形變）和地球形狀參數(shù)，為研究區(qū)域構(gòu)造運動、板塊相互作用、地殼均衡調(diào)整提供了關(guān)鍵信息。例如，GPS、InSAR等技術(shù)可以監(jiān)測毫米級到厘米級的地殼形變，為理解造山帶隆升、裂谷擴張、活動斷裂活動提供依據(jù)。但其局限性在于：大地測量技術(shù)的絕對精度相對較低，更適合研究較大尺度的平均形變場；對于地殼內(nèi)部精細的密度結(jié)構(gòu)，其直接探測能力有限；測量結(jié)果易受信號噪聲、儀器誤差、衛(wèi)星軌道、地球自轉(zhuǎn)變化等多種因素的影響。將重力和大地測量方法結(jié)合起來應用，可以優(yōu)勢互補，提供更全面的地球物理信息。例如，重力資料可以揭示地殼內(nèi)部的密度不均勻性，幫助理解均衡調(diào)整的機制；大地測量資料可以提供地殼形變和運動的直接證據(jù)，反映均衡狀態(tài)的變化。兩者結(jié)合有助于更深入地研究地球平衡系統(tǒng)，如分析構(gòu)造運動與地殼均衡的關(guān)系、評估不同區(qū)域的地殼均衡狀態(tài)等。當然，綜合應用也面臨數(shù)據(jù)融合、處理方法選擇、消除不同方法間干擾等挑戰(zhàn)。3.解析思路：*長波長信息與內(nèi)部結(jié)構(gòu)：闡述全球長波長重力異常的起源：與地球整體質(zhì)量分布（如地核、地幔密度不均）和形狀（扁率、大地水準面起伏）密切相關(guān)。指出這些信息反映了地球深部圈層的基本特征。*作用機制：解釋重力如何反映內(nèi)部結(jié)構(gòu)：地球內(nèi)部不同圈層（地殼、地幔、地核）具有顯著不同的平均密度。這些圈層的整體密度分布和局部密度異常都會通過萬有引力定律產(chǎn)生外在的重力場效應。長波長重力異常主要對應于這些大尺度密度分布特征。*具體應用：舉例說明重力在揭示深部結(jié)構(gòu)方面的作用：利用長波長重力異常推斷地核形狀和邊界、研究地幔密度結(jié)構(gòu)（如S波速度結(jié)構(gòu)間接關(guān)聯(lián)密度）、尋找地幔熱柱或大型密度異常體、評估整體地球質(zhì)量分布等。答：地球重力場的長波長信息主要源于地球整體的質(zhì)量分布和形狀，這些又與地球內(nèi)部不同圈層（地核、地幔、地殼）的密度分布密切相關(guān)。地球內(nèi)部從地殼到地幔再到地核，平均密度逐漸增大。地球整體的質(zhì)量分布和形狀（如地核的形狀和邊界、地幔的密度結(jié)構(gòu)、地球的扁率、大地水準面起伏）決定了地球外在的重力場。長波長重力異常正是反映了這些大尺度上的質(zhì)量分布和密度變化特征。具體來說，地核相對于地幔的密度差異、地幔內(nèi)部不同層圈的密度梯度、地幔中大型密度異常體（如地幔柱、大型低密度區(qū)）的存在，都會在長波長尺度上引起重力場的擾動，表現(xiàn)為長波長重力異常。因此，通過分析全球長波長重力異常，可以反推地球內(nèi)部深部圈層的基本結(jié)構(gòu)和密度分布。例如，利用長波長重力數(shù)據(jù)可以研究地核的形狀、邊界和密度變化，推斷地幔的密度結(jié)構(gòu)（這通常與地震速度結(jié)構(gòu)相結(jié)合分析），尋找可能存在的大型地幔熱柱或密度虧損區(qū)，評估地球整體的質(zhì)量分布和密度參數(shù)，從而揭示地球深部結(jié)構(gòu)和演化信息。重力資料在揭示地球整體形狀和內(nèi)部大尺度結(jié)構(gòu)方面扮演著至關(guān)重要的角色。4.解析思路：*步驟概述：描述一個研究者在評估特定區(qū)域地球物理均衡狀態(tài)時可能采取的系統(tǒng)性步驟：明確研究目標->數(shù)據(jù)收集->數(shù)據(jù)處理與解釋->結(jié)果分析與評估->綜合結(jié)論。*數(shù)據(jù)收集：列出需要收集的數(shù)據(jù)類型，包括重力（布格異常、均衡異常）、大地測量（GPS位移、水準測量、InSAR形變）、巖石物理（不同巖石密度、聲波速度）以及地質(zhì)、鉆井等背景資料。*數(shù)據(jù)處理與解釋（重力學部分）：描述如何利用重力數(shù)據(jù)。計算布格異常和均衡異常。根據(jù)均衡模型（Pratt或Airy思想）和地形數(shù)據(jù)，反演地殼厚度或密度補償信息。解釋異常分布與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系。*數(shù)據(jù)處理與解釋（大地測量學部分）：描述如何利用大地測量數(shù)據(jù)。分析GPS/InSAR等數(shù)據(jù)獲取的地殼形變場（水平和垂直）。將其與地質(zhì)構(gòu)造、重力異常進行對比分析，探討形變機制與均衡調(diào)整的關(guān)系。*綜合分析：強調(diào)結(jié)合重力和大地測量結(jié)果。將重力推斷的內(nèi)部密度結(jié)構(gòu)信息與大地測量反映的表面形變信息相結(jié)合，評估區(qū)域整體均衡狀態(tài)，討論差異和矛盾，提出可能的解釋。*結(jié)論：總