发布时间：2022-05-12

中国地震局地球物理研究所 吴琼

地震科学是观测的科学，获取反映地球内部物质的分布及运移规律的地球重力场观测数据是开展地球科学研究的基本条件之一，也是开展地震重力研究、提取地震前兆信息的基础。地表高精度的时变微重力场测量，可为地球内部热物质运移、地壳形变、火山、地震等地球内部动力学过程提供直接观测数据，精确描述强震孕育过程中活动地块的运动特征，为地震预测和地震科学研究提供有效的观测资料。

一、什么是地球的重力场

牛顿普适的万有引力定律表示，任意两个质点通过连心线方向上的力F相互吸引，这个力的大小与两个质点的质量M和m乘积成正比，与其距离R的平方成反比，如下式所示。

可以想象，具有质量M的地球，会对分布在地表具有质量m的物体产生万有引力作用。力的方向通过二者质心之间的连线。这种关系用图1可以表达的更加清楚。对于位于地球表面具有质量m的物体，平衡状态仅受两个力的作用，即地面对其支撑力和万有引力，由于地面的支撑力垂直于物体所在位置球面的切线方向，并不与万有引力重合，因此可以将万有引力分解为一个与支撑力大小相同，方向相反的重力G，另一个就是物体绕地球自转轴做圆周运动的向心力F。

图1 万有引力与重力关系

如果假设地球自转角速度为ω，则万有引力与重力、向心力的关系可以表达成：

这里的r为物体做圆周运动的半径，也就是说，在赤道上，r=R，向心力最大，重力G最小，两极r=0，不受向心力作用，重力G最大。即重力G从赤道向两极不断增加，同时由于地形起伏、地下介质密度、地球周围天体的运动等均会引起G的改变，从而形成地球上随着时间和空间不断变化的重力场。

二、地球重力加速度的绝对测量

地球表面质量为m的物体所受的重力可以表达为：

G=mg

这里的g即重力加速度。我们对地球重力场的测量即是对重力加速度的测量。这里有两种测量方式，一是对空间或时间尺度上，重力加速度的变化量的测量，即相对重力测量；另一种是对某个点位在某个时间重力加速度绝对值的测量，即绝对重力测量。

重力加速度的单位是m/s2(国际单位制)，但是由于科学研究的需要，对重力测量的精度不断提出更高的要求，为了更加清晰的表达微小的重力加速度变化，又引入了几个常用的单位：Gal、mGal和μGal，它们之间的关系是：

1 m/s2 = 1×102 Gal = 1×105 mGal = 1×108 μGal

高精度绝对重力测量的任务就是不仅要测量出赤道到两极Gal量级的重力场变化，也要敏感到地震发生前后几个μGal的重力场变化。绝对重力测量需要两个基准：时间和长度，就相当于用时间和长度这两把尺子精确测量出重力加速度g的大小。

图2 绝对重力测量方法

（从左至右依次为单摆、激光干涉、原子干涉绝对重力测量方法）

从上世纪至今，完成绝对重力测量的技术如图2所示，从左至右依次是单摆、激光干涉和原子干涉。图3显示了近年来绝对重力测量技术的发展和绝对重力测量准确度的提高历程。

简单说来，单摆是通过对单摆的周期T和摆长k的测量，根据经典的单摆公式解算出重力加速度值，这种测量技术在上世纪六七十年代成熟，但是由于摆长的测量精度不能有效提高，故这种测量技术的最高测量指标仅能达到mGal量级。

随着激光技术、铷原子时钟的发展和逐步成熟，激光干涉原理的绝对重力测量技术也逐步趋向成熟。这种测量方式基于迈克尔逊干涉仪，完成对做自由下落运动物体运动轨迹上时间和位移坐标的精确测量。通过对这些坐标进行拟合求解，得到高精度的重力加速度绝对值。目前激光干涉原理的绝对重力测量准确度已经可以实现5μGal的量级。

华裔科学家朱棣文教授原子喷泉技术研究的突破，为原子干涉绝对重力测量提供了必须的原子操控技术。与激光干涉原理中做自由下落运动的宏观物体相比，这里做自由下落运动的是微观的原子团。原子团自由下落过程中，由于重力场的作用，其布局数会发生改变，因此可以通过拟合多个原子团自由下落前后布局数的变化形成的周期性变化信号，通过相位与重力加速度绝对值的线性关系实现测量目标。目前原子干涉绝对重力测量的准确度可以实现10μGal量级。

图3 绝对重力测量技术的发展与测量准确度的提高

三、小结

中国是世界上最先开展绝对重力仪研究的国家之一。我国绝对重力仪研究能得到重视与发展，是与我国核潜艇的研制要求分不开的。为了满足我国研制核潜艇导航加速度计标定的需要，1970年国家科委向中国计量科学研究院下达了于1975年要完成100 μGal不确定度绝对重力仪的研制任务。1975年该院研究团队研发成功我国第一套绝对重力仪（NIM-1），测量精度基本达到100 μGal，获得了国家科学技术进步二等奖，在1981年国际重力仪比对大会上，测量结果与平均值仅相差16 μGal。使用该成果，测量了北京国家重力基准点的绝对重力值后，发现我国由苏联引入的波茨坦重力系统，存在13.5 mGal的系统误差。1975总参测绘局根据计量院的绝对重力点数据发文全军，修改全军使用的重力数据。

几十年来，由于得到老一辈科学家，科学院院士方俊、王大珩、顾功叙、秦馨菱等的支持，使我国的绝对重力测量技术在国际上具有一定的影响力。1995至1996年，先后受马来西亚、新加坡、文莱及韩国的邀请，测量建立了10个绝对重力控制点。2000年至2001年又受越南和泰国的邀请分别为两国建成三个绝对重力控制点，一个绝对重力控制网。但是受到各种因素制约，我国绝对重力仪研制仅停留在实验室阶段，研究成果没有实现产业化。

近年来随着国家对自主研发技术重视度的不断提升，高精度绝对重力测量技术得到了快速的发展。目前国内有9个科研团队从事激光干涉和原子干涉绝对重力仪研制，2022年参与中国地震局地震监测专业设备定型测试的产品有6套，具有自主知识产权的高精度绝对重力测量技术正蓬勃发展并逐渐走向成熟。希望在不久的将来，我国自主研发的绝对重力测量仪器可以真正参与到实际的高精度绝对重力测量实践中，为我国的地球科学研究源源不断的提供高精度重力场绝对观测数据。