关于重力测量介绍

[拼音]：zhongli celiang

[外文]：gravimetric survey

测定重力加速度值的工作。重力测量结果广泛地用于测绘、地质勘探、地球物理研究以及空间科学技术等方面。

重力

作用在地球表面任一质点的重力g是引力F和惯性离心力P的合力（见图）。根据牛顿万有引力定律，整个地球质量产生引力，地球自转则产生惯性离心力。引力的方向指向地球质心，惯性离心力的方向垂直于地球自转轴向外，而重力的方向则为两者合力的方向，即垂线的方向。

惯性离心力最大约为重力的1/300，因此地球的引力方向和重力方向非常接近。作用在单位质点上的重力称为该点的重力场强度，它同重力加速度在数值上相等。在重力测量中，重力加速度是实际所要测定的基本物理量，通常又将重力加速度简称为重力。在MKS制中，重力的单位为米/秒2;在CGS制中，则为厘米/秒2。为了纪念世界上第一个测定重力的意大利物理学家伽利略 (G.Galilei)，将重力的单位厘米／秒2称为伽(Gal)，千分之一伽称为毫伽(mGal)，千分之一毫伽称为微伽(μGal)。

由于地球表面形状不规则和地球内部质量分布不均匀，地球表面各点的引力是不同的。惯性离心力的大小又与作用点至地球自转轴的距离有关，一般在地球赤道上惯性离心力最大，在地球两极惯性离心力最小，所以，地球表面上各点的重力不是一个常数，它的数值变化约从978伽到983伽，由赤道向两极增大。重力还随时间变化，这主要是由于日、月对地球的引力变化和地球内部物理过程引起的。此外，地球周围的大气层质量同样产生引力作用，在高精度重力测量中，应当考虑这些因素。

测量方法

重力值的大小可通过重力测量方法求得，而其方向则需通过天文测量方法确定。重力测量分绝对重力测量和相对重力测量。测定重力值可以利用与重力有关的许多物理现象，例如在重力作用下的自由落体、摆的摆动、d簧伸缩、弦振动，等等。由此，重力测量方法分为两类：一类是动力法，它是根据物体受力后的运动状态测定重力；另一类是静力法，它是根据物体受力后的平衡状态测定重力。

测定重力场中一点的绝对重力值，一般采用动力法。主要利用两种原理，一种是自由落体原理，这是伽利略在1590年进行世界上第一次重力测量时所提出的原理；另一种是摆的原理，这是荷兰物理学家惠更斯 (C.Huygens)在1673年提出的。这两种原理一直沿用至今。虽然自由落体原理发现较早，但为测定长度和时间的技术水平所限，首先得到发展的是利用摆的原理进行绝对重力测量的方法。为了观测摆的周期，早在1735年就出现了时间观测的符合法，并于1792年第一次用于摆的实际观测。1826～1827年，德国大地测量学家F.W.贝塞尔，利用结构近似于数学摆的线摆进行了比较完整的绝对重力测量。但是线摆并非理想的数学摆。为了解决精确测定摆长的问题，1817年英国物理学家凯特（H.Kater）创造了可倒摆，并用它进行了绝对重力测量。直到20世纪中期，可倒摆一直是绝对重力测量的主要仪器。但由于影响测量精度的许多干扰因素不易消除，到现在这种方法几乎已弃置不用。与此同时，自由落体的方法开始有了迅速的发展。1950年前后，一些国家开始采用摄影方法记录自由落体的下落距离和时间，并用长度量测仪测量距离，以此测定绝对重力。但测定精度仍受到一定限制。近几年来由于激光干涉系统和高稳定度频率标准的出现，使自由落体下落距离和时间的测定精度大大提高，所以许多国家又采用激光绝对重力仪进行绝对重力测量，其测定精度可达几个微伽。

测定两点的重力差值，可采用动力法和静力法。最早的相对重力测量是奥地利测量学家施特内克(R.V.Sterneck)于1887年采用动力法的摆仪进行的。此法是用长度不变的摆在两个待测点上观测摆动周期，根据两点的周期差求重力差。从而避免了精确测量摆长的困难。此后，欧洲各国都采用这种摆仪来进行相对重力测量。以后在仪器结构和观测方法上虽作了不少改进，但测定精度只能达到毫伽级，加上摆仪观测既费时又麻烦，所以目前已很少采用。现在普遍采用静力法的d簧重力仪测定重力差值。国际上对这种仪器研究甚多，发展很快，不论是测定精度还是使用的方便程度都已达到很高水平。一般精度可达几十微伽，甚至几微伽。野外工作时，在一个测站只需几分钟就可观测完毕。为了克服d性重力仪因d性疲劳而引起的零点漂移，1968年又出现了超导重力仪。这种重力仪对重力变化具有很高的分辨力，零点漂移极小，所以特别适合于固定台站上的潮汐和非潮汐重力变化观测。

地球表面约有71％的海洋，为了获得全球重力资料，必须进行海洋重力测量。通常有两种途径：一是将重力仪沉入海底进行遥测，这同陆地上的相对重力测量相似；二是将摆仪或重力仪安置在潜水艇或海面船上进行观测。由于测量船的运动，重力观测值受到多种扰动影响，这些影响可以达到几十伽至几百伽的量级。所以海洋重力测量必须根据这些扰动影响的性质、测量仪器的结构、测量船的大小以及海洋和大气状况等，增设一些附属设备，采取措施，消除扰动影响。

在沙漠、冰川、沼泽、崇山峻岭和原始森林等交通不便、人迹难到的地区进行重力测量，需采用航空重力测量方法。即将重力仪安置在飞机上测定重力。航空重力测量会受到飞机运动所产生的各种扰动的影响，这些影响的性质和海洋重力测量相似，但其数量级要大得多，因而用于消除扰动影响的附属设备和措施也复杂得多。航空重力测量的结果经过归算至海面后，只代表某一面积内的平均观测值。

重力测量基准

绝对重力值为已知的重力点，可以作为相对重力测量的基准点，由它可以递推出各重力点的绝对重力值。历史上曾经有过两个国际重力基准点:一是维也纳系统，这是1900年在巴黎举行的国际大地测量学协会会议上通过的;另一是波茨坦系统，这是1909年在伦敦举行的国际大地测量学协会会议上通过的。后者一直被世界各国使用至今。波茨坦系统以德国波茨坦大地测量研究所摆仪厅的重力值作为基准，重力值g=981.274±0.003伽。几十年来，许多国家的绝对重力测量结果表明，波茨坦绝对重力值大了14毫伽左右，所以1971年在莫斯科举行的国际大地测量学和地球物理学联合会第15届大会上决定采用1971年国际重力基准网 (ISGN-71)。与其相应的波茨坦基准点的新重力值g=981260.19±0.017毫伽。国际重力基准网除了作为相对重力测量的起始数据外，还用作重力仪格值标定的比较基线。因此它具有较高的精度。

中国从1895年在上海徐家汇观象台测定第一个重力值起，到1949年全国总共测定了200多个重力点。其误差约为5～10毫伽。1949年以后，开始用摆仪和重力仪在部分地区进行相对重力测量。为了建立各种用途的相对重力测量基准和为有关学科提供重力资料，1956～1957年在全国范围内建立了第一个国家重力控制网，该网由21个基本点和82个一等点组成。1981年又在全国测定了10多个高精度绝对重力点，精度约为±10微伽。1983年起开始重建全国重力基本网，其中基本点约40个，一等点约百余个。测定精度基本点高于±25微伽，一等点高于±40微伽。1984年又和香港、日本、法国进行了重力国际联测。