水為何往低處流？向天空拋出的石子為何落回地面？“天宮”空間站為何圍繞地球飛行？原來(lái)，這一切都受地球重力場(chǎng)的控制。地球重力場(chǎng)雖無(wú)處不在，但看不見(jiàn)摸不著，在牛頓三百多年前發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力之前，人們往往身在其中而不解其意。今天，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們不僅可以以超高的精度測(cè)量重力場(chǎng)，而且已將其應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和地球科學(xué)研究的很多方面。
1.何為地球重力場(chǎng)？
重力即因地球的巨大質(zhì)量和自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生，是地球質(zhì)量產(chǎn)生的萬(wàn)有引力和自轉(zhuǎn)離心力的合力。地球因其內(nèi)部密度不均勻、地表地形的起伏等影響，使得地球表面重力處處不同，形成重力場(chǎng)（圖1），并制約了地球外部物體的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，地球表面的水氣流動(dòng)，內(nèi)部的巖漿流動(dòng)、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，乃至人工水庫(kù)蓄水等改變了物質(zhì)分布，即會(huì)引起重力場(chǎng)的細(xì)微變化。如果人們通過(guò)測(cè)量，記錄下地球重力場(chǎng)不同位置的量值，以及其隨時(shí)間的變化過(guò)程，那就可以將其應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和地球科學(xué)研究的很多方面。
圖1 地球重力場(chǎng)模型（武漢大學(xué)），從物理的角度描述了地球的形狀
2.如何測(cè)量地球重力場(chǎng)？
地球重力場(chǎng)的測(cè)量，是指重力加速度的測(cè)量，其度量單位是m/s²（米每平方秒），常用參考值是9.8 m/s²。初中物理教材即告訴我們，通過(guò)記錄物體自由下落的距離和時(shí)間，或者記錄單擺擺動(dòng)周期，即可以計(jì)算出重力加速度。但是，實(shí)際應(yīng)用中要求能夠測(cè)得10-5 m/s²（毫伽）甚至10-8 m/s²（微伽）量級(jí)的微小量值。為此，自17世紀(jì)以來(lái)，人們發(fā)明了擺儀、彈簧重力儀、超導(dǎo)重力儀、激光干涉絕對(duì)重力儀、冷原子絕對(duì)重力儀、?？罩亓x，乃至衛(wèi)星重力等觀測(cè)儀器裝備，目的便是盡可能準(zhǔn)確全面地測(cè)量地球重力場(chǎng)及其變化。
今天，人們已經(jīng)建立了從衛(wèi)星、航空、海洋至陸地的立體重力觀測(cè)體系，據(jù)此資料建立的重力場(chǎng)模型空間分辨率已可達(dá)10km，可觀測(cè)到地球極移、固體潮、陸地水、大氣壓，乃至地球內(nèi)核運(yùn)動(dòng)等引起的微小重力變化。
圖2 陸海空天一體化重力觀測(cè)體系
3.地球重力場(chǎng)的應(yīng)用
重力場(chǎng)是地球的基本物理場(chǎng)，重力場(chǎng)及其變化觀測(cè)資料在基礎(chǔ)測(cè)繪、工程建設(shè)、資源勘探、地震災(zāi)害監(jiān)測(cè)等方面有重要應(yīng)用。
重力場(chǎng)數(shù)據(jù)是建立國(guó)家垂直基準(zhǔn)（大地水準(zhǔn)面）的基礎(chǔ)資料。有了它，才能確定各地的海拔高程，確保諸如南水北調(diào)、港珠澳大橋等長(zhǎng)跨度大型工程的順利施工建設(shè)。重力場(chǎng)還反映了地球內(nèi)部的質(zhì)量分布，重力普查資料可為圈定礦產(chǎn)分布、評(píng)估其儲(chǔ)量提供依據(jù)。重力探測(cè)等資料還可為我們揭示地殼內(nèi)部密度結(jié)構(gòu)提供佐證，實(shí)現(xiàn)“透明地殼”的目標(biāo)。
重力場(chǎng)的變化與地球內(nèi)部構(gòu)造運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，不受空間的阻隔，可以反映地殼深部地震孕育相關(guān)物性變化，在地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)中具有較好應(yīng)用潛力。為此，我國(guó)自1966年邢臺(tái)地震之后開(kāi)展地震重力監(jiān)測(cè)工作，先后在滇西、津京唐張等地區(qū)，與德國(guó)、美國(guó)、日本等國(guó)開(kāi)展了科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)震前重力變化的規(guī)律、原理取得了一定認(rèn)識(shí)。2008年汶川地震以來(lái)，建成了覆蓋中國(guó)大陸，由連續(xù)重力臺(tái)網(wǎng)、絕對(duì)重力基準(zhǔn)網(wǎng)和相對(duì)重力聯(lián)測(cè)網(wǎng)構(gòu)成的地震重力監(jiān)測(cè)體系，相關(guān)觀測(cè)資料為強(qiáng)震危險(xiǎn)性評(píng)估提供了重要支撐。
未來(lái)，隨著《中國(guó)地球物理站網(wǎng)（重力）規(guī)劃》方案的落實(shí)，觀測(cè)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的進(jìn)步，以及科學(xué)認(rèn)識(shí)的深入，重力場(chǎng)及其變化觀測(cè)資料必將獲得更廣泛的應(yīng)用。
