【汇旺担保】 重力测量

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[拼音]:zhongli celiang

[英文]: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

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义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、弹簧伸缩、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。

绝对重力测量

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。近几年来由于镭射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镭射绝对重力仪进行绝对重力测量,其测定精度可达几个微伽。

相对重力测量

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弹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。为了克服弹性重力仪因弹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,增设一些附属装置,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装置和措施也复杂得多。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资料外,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,一等点约百馀个。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。

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