水為何往低處流？向天空丟擲的石子為何落回地面？“天宮”空間站為何圍繞地球飛行？原來，這一切都受地球重力場的控制。地球重力場雖無處不在，但看不見摸不著，在牛頓三百多年前發現萬有引力之前，人們往往身在其中而不解其意。今天，隨著科學技術的發展，人們不僅可以以超高的精度測量重力場，而且已將其應用於國民經濟建設和地球科學研究的很多方面。
1、何為地球重力場？
重力即因地球的巨大質量和自轉運動而產生，是地球質量產生的萬有引力和自轉離心力的合力。地球因其內部密度不均勻、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（圖1），並制約了地球外部物體的運動。同時，地球表面的水氣流動，內部的岩漿流動、構造運動，乃至人工水庫蓄水等改變了物質分佈，即會引起重力場的細微變化。如果人們透過測量，記錄下地球重力場不同位置的量值，以及其隨時間的變化過程，那就可以將其應用於國民經濟建設和地球科學研究的很多方面。
圖1 地球重力場模型（武漢大學），從物理的角度描述了地球的形狀
2、如何測量地球重力場？
地球重力場的測量，是指重力加速度的測量，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，透過記錄物體自由下落的距離和時間，或者記錄單擺擺動週期，即可以計算出重力加速度。但是，實際應用中要求能夠測得10-5 m/s2（毫伽）甚至10-8 m/s2（微伽）量級的微小量值。為此，自17世紀以來，人們發明了擺儀、彈簧重力儀、超導重力儀、鐳射干涉絕對重力儀、冷原子絕對重力儀、海空重力儀，乃至衛星重力等觀測儀器裝備，目的便是儘可能準確全面地測量地球重力場及其變化。
今天，人們已經建立了從衛星、航空、海洋至陸地的立體重力觀測體系，據此資料建立的重力場模型空間解析度已可達10km，可觀測到地球極移、固體潮、陸地水、大氣壓，乃至地球核心運動等引起的微小重力變化。
圖2 陸海空天一體化重力觀測體系
3、地球重力場的應用
重力場是地球的基本物理場，重力場及其變化觀測資料在基礎測繪、工程建設、資源勘探、地震災害監測等方面有重要應用。
重力場資料是建立國家垂直基準（大地水準面）的基礎資料。有了它，才能確定各地的海拔高程，確保諸如南水北調、港珠澳大橋等長跨度大型工程的順利施工建設。重力場還反映了地球內部的質量分佈，重力普查資料可為圈定礦產分佈、評估其儲量提供依據。重力探測等資料還可為我們揭示地殼內部密度結構提供佐證，實現“透明地殼”的目標。
重力場的變化與地球內部構造運動密切相關，不受空間的阻隔，可以反映地殼深部地震孕育相關物性變化，在地震監測預測中具有較好應用潛力。為此，我國自1966年邢臺地震之後開展地震重力監測工作，先後在滇西、津京唐張等地區，與德國、美國、日本等國開展了科學觀測實驗，對震前重力變化的規律、原理取得了一定認識。2008年汶川地震以來，建成了覆蓋中國大陸，由連續重力臺網、絕對重力基準網和相對重力聯測網構成的地震重力監測體系，相關觀測資料為強震危險性評估提供了重要支撐。
未來，隨著《中國地球物理站網（重力）規劃》方案的落實，觀測和資料處理技術的進步，以及科學認識的深入，重力場及其變化觀測資料必將獲得更廣泛的應用。
【來源：扎蘭屯市地震中心】
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