重力测量——窥探地球内部奥秘

发布时间:2021-10-12 20:11:41 来源:中国地震局公共服务司(法规司)
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湖北省地震局  胡敏章

  水为何往低处流?向天空抛出的石子为何落回地面?“天宫”空间站为何围绕地球飞行?原来,这一切都受地球重力场的控制。地球重力场虽无处不在,但看不见摸不着,在牛顿三百多年前发现万有引力之前,人们往往身在其中而不解其意。今天,随着科学技术的发展,人们不仅可以以超高的精度测量重力场,而且已将其应用于国民经济建设和地球科学研究的很多方面。

  1、何为地球重力场?

  重力即因地球的巨大质量和自转运动而产生,是地球质量产生的万有引力和自转离心力的合力。地球因其内部密度不均匀、地表地形的起伏等影响,使得地球表面重力处处不同,形成重力场(图1),并制约了地球外部物体的运动。同时,地球表面的水气流动,内部的岩浆流动、构造运动,乃至人工水库蓄水等改变了物质分布,即会引起重力场的细微变化。如果人们通过测量,记录下地球重力场不同位置的量值,以及其随时间的变化过程,那就可以将其应用于国民经济建设和地球科学研究的很多方面。

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图1 地球重力场模型(武汉大学),从物理的角度描述了地球的形状

  2、如何测量地球重力场?

  地球重力场的测量,是指重力加速度的测量,其度量单位是m/s²(米每平方秒),常用参考值是9.8 m/s²。初中物理教材即告诉我们,通过记录物体自由下落的距离和时间,或者记录单摆摆动周期,即可以计算出重力加速度。但是,实际应用中要求能够测得10-5 m/s²(毫伽)甚至10-8 m/s²(微伽)量级的微小量值。为此,自17世纪以来,人们发明了摆仪、弹簧重力仪、超导重力仪、激光干涉绝对重力仪、冷原子绝对重力仪、海空重力仪,乃至卫星重力等观测仪器装备,目的便是尽可能准确全面地测量地球重力场及其变化。

  今天,人们已经建立了从卫星、航空、海洋至陆地的立体重力观测体系,据此资料建立的重力场模型空间分辨率已可达10km,可观测到地球极移、固体潮、陆地水、大气压,乃至地球内核运动等引起的微小重力变化。

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图2 陆海空天一体化重力观测体系

  3、地球重力场的应用

  重力场是地球的基本物理场,重力场及其变化观测资料在基础测绘、工程建设、资源勘探、地震灾害监测等方面有重要应用。

  重力场数据是建立国家垂直基准(大地水准面)的基础资料。有了它,才能确定各地的海拔高程,确保诸如南水北调、港珠澳大桥等长跨度大型工程的顺利施工建设。重力场还反映了地球内部的质量分布,重力普查资料可为圈定矿产分布、评估其储量提供依据。重力探测等资料还可为我们揭示地壳内部密度结构提供佐证,实现“透明地壳”的目标。

  重力场的变化与地球内部构造运动密切相关,不受空间的阻隔,可以反映地壳深部地震孕育相关物性变化,在地震监测预测中具有较好应用潜力。为此,我国自1966年邢台地震之后开展地震重力监测工作,先后在滇西、津京唐张等地区,与德国、美国、日本等国开展了科学观测实验,对震前重力变化的规律、原理取得了一定认识。2008年汶川地震以来,建成了覆盖中国大陆,由连续重力台网、绝对重力基准网和相对重力联测网构成的地震重力监测体系,相关观测资料为强震危险性评估提供了重要支撑。

  未来,随着《中国地球物理站网(重力)规划》方案的落实,观测和数据处理技术的进步,以及科学认识的深入,重力场及其变化观测资料必将获得更广泛的应用。

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