重力学在国内外的发展.docx

1、重力学在国内外的发展重力学在国内外的发展学院：地球物理学院专业：地球物理学学号：201405050318姓名：蒋雨辰摘要重力学是地球物理学的一个分支，是大地测量学，天文学，地球物理学，地 球动力学的一个交汇点。他与人类的社会实践密切相关。本文大致论述了重力学 在国内外的发展过程及现状。关键词：重力学 发展情况 研究现状 改进方向一、 重力学在国外的发展二、 重力学在国内的发展3.1国内重力测量精度的发展3.2国内重力测量仪器的发展3.3地球内部构造研究方而三、未来发展而临的挑战一、重力学在国外的发展古希腊亚里士多德提出物体下落的速度与其重量成比例。意大利伽利略在1590年从比萨斜塔大量实验中发

2、现，物体下落的路径与它 经历的时间的平方成正比，而与物体自身的重量无关，他粗略地求出地球重力加 速度的数值为9. 8m./s2 o里歇在17世纪在利用摆钟从巴黎到南美进行天文观测是发现重力加速度在 各地并非恒值。牛顿和惠更斯指出这种现象与他们认为地球是旋转的推论相符，在理论上阐 明了地球重力场的变化。1687年，牛顿根据开普勒行星运动定律推导出万有引力定律，这一定律是 重力学最重要的基本定律。1735-1744年，布格等人通过一系列的观测证实了重力随纬度的变化：1749 年乂进行了重力随高度变化的观测，并研究了重力的海平面改正(乂称高度改 正)。19世纪初的发展特点是开展新的测量方法研究和可移

3、动的仪器研制，与进 行较大区域的野外测量。如在1811年德国天文学家鲍年倍格(J. Bohnenberger) 阐明了可倒摆原理。1818年英国卡特(H. Kat er)研制成第一台可供野外观测的 可倒摆仪器。试用结果，测量误差约为35毫伽(mGal)贝塞尔(F. W. Bessil)研 究了可倒摆的理论和误差源。并研制出线摆，并在1828年前后用其实施了绝对 重力测量。这种仪器的误差已减到约为lOmGalo拉普拉斯(Laplace)应用克莱劳定理对一批重力点的重力值计算，给出地球 扁率约为1： 330o 1873年，理斯廷将高斯(C. F. Gauss)给出的海平面上的等位 面，定名为大地水

4、准面。英国数学家斯托克斯(G. G. Stokes)证明了位理论反演 问题没有唯一解，位理论反演的LI的在于从外部重力场来确定地球内部的物质分 布。这是地球物理中的十分重要的问题。1854年英国人普拉特(F. Pratt)整理在喜马拉雅山附近用摆测量的垂线偏 差记录时，发现实测值比预期的小，表明地下存在某种补偿作用抵消了一部分高 山的影响，在1855年他提出一个假设，认为：“山脉是由地下物质从某一补偿 深度起，向上膨胀而形成的，山越高，密度越小。但在补偿深度以上的各个岩石 柱体的质量都相等”。同年，英国天文学家艾里(G. Airy)提出另一个假设，认 为：山脉是较轻的岩石浮在较重的介质上。山越

5、高，它的底部伸人介质中的深度 越大。即所谓的“山根”。后人在普拉特和艾里的假说基础上乂提出了改进和新 的均衡、补偿的假说。1889年，美国地质学家杜顿(C. E. Dutton)引进了均衡(isostasy)这一名 称。根据均衡学说，可见的物质剩余(山地)和物质亏损(海洋)，可通过地壳密度 或者地壳厚度的变化而得到补偿，从而在某一补偿深度上达到静力平衡。19世纪末叶，使用的摆仪，在每个测点上观测半日至一日，可使重力差的 精确度从10土20mGal提高到5mGalo此时已获得了大量可用的全球重力资 料。为了便于重力资料的使用，就要求研究重力数据归算到海平面的问题。赫尔 默特(F. R. Helm

6、ent)在这方面作出了贡献，1901年，他使用经过空间改正后的 1400个重力值，得到的椭球扁平率为1： 298.3,大大地提高了地球扁率的精度, 并由此推出的正常重力公式在20世纪初得到世界各国广泛的应用。18981904 年，库宇和冯特万勒尔在波茨坦完成了绝对重力测量。其观测结果被确定为“波 茨坦重力系统”的基础：在1909年该系统被采用为世界重力基准。20世纪初，山于厄特沃什研制成适用于野外作业的扭秤，在匈牙利进行了 持续的扭秤观测，结果表明扭秤可以反映地下区域的密度变化。在应用地球物理 方法勘探石油之初就是使用扭秤。1934年拉科斯特研制出了高精度的金属弹簧重力仪，沃登研制出了石英弹

7、簧重力仪，这类仪器的测量精度约达0. 05-0. 2mGal； 一个测点的平均观测时间 已缩短到10-30分钟，到1939年，这类重力仪完全取代了扭秤。此后，重力测量工作一方面是建立重力控制网，另一方面是应用重力方法解 决地学问题。二、重力学在国内的发展在中国，对重力的测量和重力学的研究仅仅有60余年。2.1国内重力测量精度的发展在1933年，法国科学院院士 Pierre Lejay与北平研究院物理研究所合作， 应用Holweek-Lejay倒摆型相对重力仪，以上海徐家汇天文台为原点，在中国共 测208个测点。1938年方俊教授发表了中国地壳均衡问题，中国正常重力公式 等研究论文。并于1938

8、年与美国Woolard用沃登（Worden）重力仪在中国测量了 若干重力点。19561957年，在前苏联重力测量队的协助下，建立了中国重力 基本网和一等网，简称“57网”。1968年陕西省测绘局根据历年测量的16万个 重力点的资料，编绘出版了 1： 250万的全国布格重力异常图。由于“57网”观测精度较低，于19831985年曲国家测绘局等单位重建了 中国高精度重力网即“85网”和重力基准。网点重力值平均中误差为7.8uGalo 精度达到当时国际同类网的水平。为检测和标定重力仪格值，确定重力仪各项校正系数，自50年代起，中国 测绘部门在京津公路建立第一条野外基线场。此后，测绘、地矿等部门陆续建

9、立 了北京灵山、江西庐山等一批国家级和部级重力仪标定基线。中国的地球重力固体潮观测始于1959年，山中国科学院测量与地球物理研 究所仲科院测地所）和前苏联科学院地球物理研究所在兰州合作进行的。1966 年邢台地震后，在北京北安河建立了笫一个为监测地震服务的重力（固体潮）台 站。此后国家地震局在全国主要构造区和地震带布设固定重力台站19个，观测 重力场连续变化。通过多年重复测量观测得到的重力变化表明，这些重力变化与 地质构造、近期地壳及地震活动有一定关系。为中国重复重力观测及对地震预报 探索积累了经验。1985年引进了超导重力仪，其零漂小于6nGal/a,是中国唯 一的一台，在武昌小洪山建立了自

10、动化记录的高精度重力固体潮基准台。19661968年中科院测地所首次在珠穆朗玛峰地区测量重力点100余个。 最高点海拔6546mo7090年代，中国科学院地球物理研究所在青藏高原中南部、 西部和东部先后测量了 425个测点；地矿、测绘等部门也完成了一批重力测点。 这些观测资料都为研究青藏高原地下构造提供了基本数据。19381961年，广东物探大队在南海沿海进行了小范围重力测量。1965年 石油部在渤海与南海海域完成了 1:50万重力测量。19801982年完成东海和黄 海大部分海域的1:100万重力概查。测绘总长5万余公里。国家海洋局还组织了 西太平洋的远洋重力测量与研究工作。已有7艘海洋调查

11、船配备有海洋重力仪。 中国科学院海洋研究所和南海海洋研究所完成了黄海、东海和南海的重力场与地 壳构造的研究。1984年12月中国首次赴南极考察，国家测绘局用珠峰重力仪联测，获得中 国南极长城站重力点的重力值为982208. 83mGalo这是离开了中国本土最远的重 力测点。考察船向阳红10号，沿上海乌斯怀亚一乔治岛一比戈尔水道一麦哲 伦海峡一上海进行了长约41000km的测量工作。在19831986年度中科院测地 所进行了长城站附近的重力测量与固体潮观测。微重力测量是以产生重力异常很微小（微伽级）的小尺度、小范围、小埋深的 物质体为探测对象。中国自80年代后期开展了微重力的理论、观测方法与技术

12、 的研究，并在铁路路基隐伏危险、矿产资源勘探、山体滑坡监测、有价值的考古 项LI探查等方面已实际应用，都有明显的成效。由于微重力测量具有“简、快、 省”的优越性，很受重视并得到很快地发展和推广应用。70年代末，根据国外经验和中国的经验，测绘与地矿等部门将重力测量作 为地质调查中的一项基础工作，开展了区域重力调查。到1982年有23个省、区 完成重力一级基点网。目前，中国东部及沿海14个省（区）已完成了 “五统一” 处理的1： 100万或1： 50万的区域重力资料成果。与此相配合，80年代就在地 矿部北京计算中心建立了区域重力数据库。2.2国内重力测量仪器的发展中国最早进行重力仪器研制的是翁文波

13、教授，1939年留学英国时自制了零 长式金属弹簧重力仪的弹性系统。50年代，西安石油地质仪器厂先后仿制了金 属弹簧重力仪、苏式rAK-3M石英弹簧重力仪，精度皆为0. lmGal量级。70年代 生产的金属弹簧重力仪，精度达到土0. 05mGal,曾在海南石碌矿区用于富铁矿探 测。1967年地质部北京地质仪器厂石英重力仪投产，生产近200台精度达土 0. 03005mGalo 80年代生产了 ZSM. IV型和ZSM. V型高精度、大测程恒 温重力仪。1986年，国家地震局地震研究所研制的DZW型微伽重力仪，采用垂 直悬挂系统，具有良好的线性，该仪器结构简单，受环境温度、气压影响小，达 到国际同

14、类仪器的水平。1965年中科院测地所研制成HSZ-2型石英海洋重力仪：1975年北京地质仪 器厂研制成ZY-1型振弦式海洋重力仪；1977年武汉地震大队研制成ZYZY型海 洋重力仪；1984年国家地震局地震研究所研制成DZY-2型海洋重力仪，并安装 在南极考察船“向阳红10号”上，取得3万海里的记录，技术鉴定性能良好。 中科院测地所研制的轴对称式的新型CHZ海洋重力仪，在恶劣海况下工作，精度 达到 1. 35mGalo中国i|量科学研究院自1965年研制绝对重力仪，经过10年努力，研制成准 确度达100 P Gal的固定式绝对重力仪。1979年该院乂研制成NIM-I型可移式绝 对重力仪，准确度

15、为20uGalo 1985年该院用研制改进的NIM-II型可移式绝对重 力仪在国内多处开展绝对重力与相对重力联合测量，结果表明其不确定度为10 uGal；并于1988年6月通过国家基金委员会鉴定。该仪器达到国际先进水平。2.3地球内部构造研究方面地球内部的研究是一项综合性的研究课题，重力方法是其中之一。应用重力 异常解释地下密度界面起伏的理论和方法早已被研究，但用于实际探讨地壳构造 始于70年代。郑州物探队、辽亍地震队根据重力异常计算深部重力异常，给出 一系列重力剖面的莫霍界面深度及结合地磁、地质的综合地壳深部解释剖面图。中科院地球物理所用sinx/x方法，估算了华北地区一些剖面的地壳厚度、

16、莫霍界面分布轮廓等；应用西藏珠峰地区资料佔算其地壳厚度分布，发现并指出 在珠峰地带地壳并非最厚之处这一特点。1975年提出用压缩质面反演地下密度 界面深度的方法，并在该年海城地震后，首次用以解释辽南海城、营口地区地壳 深部构造特征，提供了发震的深部地壳背景。此后并计算与解释研究了中国各地 区和全亚洲的地壳构造和地壳厚度等。自70年代中后期起，许多单位、许多学者应用各种不同的重力反演方法及 统讣方法，对不同地区、不同构造单元的沉积岩底部界面、莫霍界面等各种密度 界面的深度分布、起伏轮廓进行了讣算或估算和作出相应的地质分析与解释，并 联系大地构造、地震活动以及矿产资源分布开展了各种研究LI的的探讨

17、和应用研 究。使地壳构造研究得到深入和进展，取得相应的社会与经济效益。在提高解释方法的精度方面，近年已山二维发展到三维反演方法。自90年 代起，已从常规方法发展到多层密度界面反演，三维数据处理和三度体正反演， 视密度填图，弱异常增强与提取，小波变换分解重力场，图像处理以及重力解释 丄作站和模型数据库的开发等，使重力资料的处理、解释和应用更加方便、效能 更高。由于反演存在解的非唯一性，因此重力反演需要与深地震测深、地磁、地 电等资料结合，进行综合解释，缩小不确定性，提高解释结果的可鼎程度。近年 已陆续提岀一些综合解释的研究成果。三、未来发展而临的挑战重力场时间变化的研究正处于初始阶段，这个阶段的

18、特征是它正处于从传统 的重力场空间变化的研究向时空变化的研究过渡，但是还没有完全建立起一整套 完善的系统。现代科技的高度发展，使空间变小了，时间变快了，这使人们有条 件从更高的层次来制定重力场的时空研究课题，就国际范圉来说下面三个特征越 来越明显：1.整体化这个整体化包括时空的整体化和研究手段的综合化两方面内容，前者是把整 个地球当作研究对象，因为诸如地球质心变动、核慢边界变形、地慢对流、板块 运动等因素引起的重力变化具有全球性，所以很多地球科学家提出在全球建立绝 对重力台网和超导重力仪台网，就是基于把整个地球作为研究对象出发的。综合 化则考虑各种手段配合问题，因为地球动力学问题，有儿何、物理

19、乃至力学的各 种响应特征,综合研究是必经之路。如VLBI和GPS都与重力场研究有关。各种地 球物理场（如重力场和地磁场）之间也存在一些联系。2.高精度化前面我们已经讨论了没有微厘米每二次方秒级的观测，就没有重力场时间变 化的研究可言，若野外重力测量和台站重力测量的精度能分别提高到1. Om/s, 和0. 01m/s之间的水平时，我们将会发现重力场的更多信息，这时，重力学在地 震预报中将会发挥更有效的作用。3.边缘学科的渗透观测精度提高后，地会发现重力场的时空精细结构与其它学科的关系。很明 显的例子，过去不重视重力与高程和地下水的关系，随着观测精度的提高，现在 就必须顾及这些影响，因而出现了重力学与地壳垂直变形学和水文地质学的渗 透。固体潮观测精度的提高，出现了潮汐变化研究与海潮、地壳构造和地球内部 热流研究之间的渗透，这种渗透要求人们有更广泛的知识。四、参考文献1江国民重力学ppt国家地震与地震研究所，2003.2王谦身.重力学J.地震出版社，2003, 8(6):2-4.3李瑞浩重力学的现阶段和新任务J地震,1990(6):7-18(注：素材和资料部分来自网络，供参考。请预览后才下载，期待你的好评与 关注！)