地学科普  
重力测量简介

    一、重力的概念

    从物理概念上来讲,重力是万有引力和离心力的合力。
通常情况下我们所说的重力,是指狭义的重力。狭义的重力是指在万有引力为静态地球总质量的引力且离心力仅为地球自转的离心力的情况下的重力。狭义的重力还假定地球的总质量不变且地球上的物质不存在质量迁移(静态地球),假定地球的自转轴和自转速度都不发生变化(一般取地球的平均自转轴和平均自转速度)。由定义可知,狭义的重力是不变的。

    实际上我们观测的重力是变化的,这种变化引起的原因按上面的重力定义来讲应该有两种,即万有引力和离心力的变化,但实际上还应该包括观测仪器方面的变化。

    首先说明万有引力的变化。万有引力的变化包括太阳、月亮和其他的地球附近星球的引力,因为地球和这些星球之间位置一刻不停的在变动,从而引起了万有引力的变化,这种变化为引潮力的两个主要组成部分之一。其次来说明离心力的变化,为了简明起见,用月亮和地球组成的地月系来说明。当地球和月亮一起旋转时,地球和月亮组成的地月系会有一个共同质心,地球和月亮都绕着这个共同质心做平动,因此地球上所有的质量都会有一个相对于这个共同质心的离心力,这就是引潮力两个主要组成部分中的另一个主要部分。实际上这个共同质心是地球和月亮、太阳、金星等宇宙中所有天体的共同质心。万有引力和离心力的变化之和为引潮力,就是这个力引起地球上各种潮汐现象,如海潮、大气潮、固体潮等,地球上任意一点观测到的重力中主要是引潮力引起的重力变化,我们称之为重力固体潮。

    狭义的重力假定地球上的物质不存在质量迁移(静态地球),实际上地球上的物质无时无刻不在变动,如地壳运动、降雨降雪、海洋潮流、大气运动等等,引起了地球上物质的质量迁移。相对于地球上的一定点来讲,质量的迁移引起的重力变化我们用负荷重力来表示。在计算负荷重力时,一方面要考虑质量的牛顿引力项(也称为直接项),另一方面还要考虑质量迁移后地球的粘弹性形变产生的重力,称之为附加项(也称为间接项)。负荷重力在高精度重力测量中必须考虑。

    最后来说明仪器的重力影响。安装在地表上的仪器,要考虑仪器随地球表面的粘弹性形变的重力影响。另外,仪器的观测环境的影响,如温度、湿度、降雨、植被、地下水、背景噪声、磁场等等,这些影响也需要考虑。

    因此,实测重力是地球引力和离心力、引潮力、负荷重力以及仪器的重力影响的总和,如何从实测重力中精确地分离出你所感兴趣的信号,并对其进行研究和应用是从事重力场研究的地球物理学家的主要工作内容。

二、重力的用处、目前的应用方向

    地球上所用有质量的物体都受到重力的影响,因此重力的用处是非常广泛的,例如在超市里称东西,称的就是该物体的所受的重力的大小,称之为重量。在此我们所要讲的重力的用处,是指高精度的重力观测研究在国民经济、军事、科学等方面的用处。重力测量的目的就是研究地球的重力场。重力场的研究有助于人们研究地球形状、地球内部物质分布、地球内部构造等,因此重力研究主要有以下用处:

(1)太空探索
    从地球上发射太空探测器,最为重要的就是探测器的所受的重力的大小,发射推进器的能量大小限定了探测器的质量范围。另外,其他星球上也有与地球类似的重力场,如月球重力场。因此,重力场的研究为探索太空提供了至关重要的前提和依据。

(2)军事
    既然所有有质量的物体都受到重力影响,导弹也不例外,因为地球重力场在地球表面上的大小是变化的,因此导弹如何才能精确命中目标是必须要考虑重力的影响。另外,军事卫星的发射和精确观测都要用到重力场的知识。所以重力在军事方面的重要性是显而易见的。

(3)科学
    在科学研究中,重力提供了除地震学之外认知地球内部的唯一的另外一种手段,对于精化地球模型和研究地球深内部物理有重要的研究意义。另外,在地震、火山等自然灾害的检测和预报方面,重力研究也提供了众多的有实际应用价值的研究成果。还有,所有的观测仪器,不管是地面上的,还是空间中的,都会受到重力的影响,观测结果的重力影响改正是需要考虑的。

(4)国民经济
    与地质、地磁、地化学等其他手段,探测地球表层中的物质分布情况,为资源勘探提供有力的手段,促进国民经济的发展。
总之,重力有众多的应用范围,目前的地球模型可以较为精确的确定重力潮汐的变化,加上人类对地球结构、密度等参数的确定越来越精确,使重力的研究向着高精度(微伽或更高的量级)方向逐步前进。

三、重力的测量历史、目前的观测仪器、精度

    最早关于地球重力的测量要追溯到1590年意大利物理学家伽利略的比萨斜塔实验,粗略的测得地球的重力加速度的大小为9.8 m/s2。到1672年,法国天文学家J. Richer发现赤道的重力要小于巴黎。后来,牛顿指出地球是赤道膨胀两极略扁的扁球,经过实践测量的证实,重力随纬度而变才为人们所公认。1792年,法国的J. Borda和J. Cassini用线摆较为精确的测量了重力,是后来重力测量的主要方法。其后的重力测量中又出现了更为复杂的复摆和可倒摆。上面所讲到的重力测量都是绝对重力测量,即观测值为测点的绝对重力值。

    只测量测点的重力变化的重力测量称为相对重力测量。地球表面上的重力变化仅在250~350个微伽之间,因此相对重力测量要求观测仪器要非常灵敏而且观测精度要高。最早的相对重力测量是匈牙利的R.Sterneck在1887年进行的,用一个摆长固定的摆在AB两地分别测量得到了两地的重力差。1901年,德国的Hecker用气压计在海上进行了重力测量。利用弹簧来平衡重力进行相对重力测量从19世纪30年代发展起来的,称为后来乃至现在相对重力测量的主要方法。

    我国的重力测量开展的比较晚,在19世纪30年代才开始,50年代开始用四摆仪观测绝对重力。1956-1957年,在前苏联的帮助下建立了第一条重力基线和一定重力观测。

    目前国内外的绝对重力观测主要是美国Micro-g LaCoste公司生产的FG5型重力仪,当然许多国家都有自己研制绝对重力仪,但是FG5型重力仪是应用最为广泛的重力仪,观测精度在微伽的量级。相对重力测量大部分用的是弹簧重力仪,精度最高为微伽量级,类型有许多,如LCR-ET型重力仪、Gphone等;另外是精度最高的超导重力仪,观测精度为0.1个微伽的量级。

四、高精度CG-5型相对重力仪

    CG-5型重力仪是加拿大Scintrex(先达利)公司采用无静电熔凝石英弹簧作为传感器,而生产的一种陆地全自动相对重力仪,其独特的专利设计使仪器的稳定性、重复性、抗冲击能力比零长弹簧重力仪有大幅提高,测量及搬运时不再需要开摆和锁摆,很好地适合了野外重力流动测量的特点。
其主要技术指标:
1.传感器类型:无静电熔凝石英;
2.读数分辨率:1微伽;
3.重复率:优于5微伽;
4.长期漂移率:优于20微伽/天;
5.测量范围:0~8000毫伽;
6.自动改正:潮汐、仪器倾斜、地震噪声等;
7.工作温度:-400C~+450C;
8.重量:8kg。

应用领域:
   1.区域重力研究;
   2.矿藏勘探;
   3.地质填图;
   4.土木工程勘察。
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