中國地震局地球物理研究所 吳瓊

地震科學(xué)是觀測(cè)的科學(xué)，獲取反映地球內(nèi)部物質(zhì)的分布及運(yùn)移規(guī)律的地球重力場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)是開展地球科學(xué)研究的基本條件之一，也是開展地震重力研究、提取地震前兆信息的基礎(chǔ)。地表高精度的時(shí)變微重力場(chǎng)測(cè)量，可為地球內(nèi)部熱物質(zhì)運(yùn)移、地殼形變、火山、地震等地球內(nèi)部動(dòng)力學(xué)過程提供直接觀測(cè)數(shù)據(jù)，精確描述強(qiáng)震孕育過程中活動(dòng)地塊的運(yùn)動(dòng)特征，為地震預(yù)測(cè)和地震科學(xué)研究提供有效的觀測(cè)資料。

一、什么是地球的重力場(chǎng)

牛頓普適的萬有引力定律表示，任意兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)通過連心線方向上的力相互吸引，這個(gè)力的大小與兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量和乘積成正比，與其距離的平方成反比，如下式所示。

可以想象，具有質(zhì)量的地球，會(huì)對(duì)分布在地表具有質(zhì)量的物體產(chǎn)生萬有引力作用。力的方向通過二者質(zhì)心之間的連線。這種關(guān)系用圖1可以表達(dá)的更加清楚。對(duì)于位于地球表面具有質(zhì)量的物體，平衡狀態(tài)僅受兩個(gè)力的作用，即地面對(duì)其支撐力和萬有引力，由于地面的支撐力垂直于物體所在位置球面的切線方向，并不與萬有引力重合，因此可以將萬有引力分解為一個(gè)與支撐力大小相同，方向相反的重力，另一個(gè)就是物體繞地球自轉(zhuǎn)軸做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力。

圖1 萬有引力與重力關(guān)系

如果假設(shè)地球自轉(zhuǎn)角速度為，則萬有引力與重力、向心力的關(guān)系可以表達(dá)成：

這里的為物體做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑，也就是說，在赤道上，，向心力最大，重力最小，兩極，不受向心力作用，重力最大。即重力從赤道向兩極不斷增加，同時(shí)由于地形起伏、地下介質(zhì)密度、地球周圍天體的運(yùn)動(dòng)等均會(huì)引起的改變，從而形成地球上隨著時(shí)間和空間不斷變化的重力場(chǎng)。

二、地球重力加速度的絕對(duì)測(cè)量

地球表面質(zhì)量為的物體所受的重力可以表達(dá)為：

這里的即重力加速度。我們對(duì)地球重力場(chǎng)的測(cè)量即是對(duì)重力加速度的測(cè)量。這里有兩種測(cè)量方式，一是對(duì)空間或時(shí)間尺度上，重力加速度的變化量的測(cè)量，即相對(duì)重力測(cè)量；另一種是對(duì)某個(gè)點(diǎn)位在某個(gè)時(shí)間重力加速度絕對(duì)值的測(cè)量，即絕對(duì)重力測(cè)量。

重力加速度的單位是m/s2(國際單位制)，但是由于科學(xué)研究的需要，對(duì)重力測(cè)量的精度不斷提出更高的要求，為了更加清晰的表達(dá)微小的重力加速度變化，又引入了幾個(gè)常用的單位：Gal、mGal和μGal，它們之間的關(guān)系是：

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

高精度絕對(duì)重力測(cè)量的任務(wù)就是不僅要測(cè)量出赤道到兩極Gal量級(jí)的重力場(chǎng)變化，也要敏感到地震發(fā)生前后幾個(gè)μGal的重力場(chǎng)變化。絕對(duì)重力測(cè)量需要兩個(gè)基準(zhǔn)：時(shí)間和長度，就相當(dāng)于用時(shí)間和長度這兩把尺子精確測(cè)量出重力加速度的大小。

圖2 絕對(duì)重力測(cè)量方法

（從左至右依次為單擺、激光干涉、原子干涉絕對(duì)重力測(cè)量方法）

從上世紀(jì)至今，完成絕對(duì)重力測(cè)量的技術(shù)如圖2所示，從左至右依次是單擺、激光干涉和原子干涉。圖3顯示了近年來絕對(duì)重力測(cè)量技術(shù)的發(fā)展和絕對(duì)重力測(cè)量準(zhǔn)確度的提高歷程。

簡單說來，單擺是通過對(duì)單擺的周期和擺長的測(cè)量，根據(jù)經(jīng)典的單擺公式解算出重力加速度值，這種測(cè)量技術(shù)在上世紀(jì)六七十年代成熟，但是由于擺長的測(cè)量精度不能有效提高，故這種測(cè)量技術(shù)的最高測(cè)量指標(biāo)僅能達(dá)到mGal量級(jí)。

隨著激光技術(shù)、銣原子時(shí)鐘的發(fā)展和逐步成熟，激光干涉原理的絕對(duì)重力測(cè)量技術(shù)也逐步趨向成熟。這種測(cè)量方式基于邁克爾遜干涉儀，完成對(duì)做自由下落運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)軌跡上時(shí)間和位移坐標(biāo)的精確測(cè)量。通過對(duì)這些坐標(biāo)進(jìn)行擬合求解，得到高精度的重力加速度絕對(duì)值。目前激光干涉原理的絕對(duì)重力測(cè)量準(zhǔn)確度已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)5μGal的量級(jí)。

華裔科學(xué)家朱棣文教授原子噴泉技術(shù)研究的突破，為原子干涉絕對(duì)重力測(cè)量提供了必須的原子操控技術(shù)。與激光干涉原理中做自由下落運(yùn)動(dòng)的宏觀物體相比，這里做自由下落運(yùn)動(dòng)的是微觀的原子團(tuán)。原子團(tuán)自由下落過程中，由于重力場(chǎng)的作用，其布局?jǐn)?shù)會(huì)發(fā)生改變，因此可以通過擬合多個(gè)原子團(tuán)自由下落前后布局?jǐn)?shù)的變化形成的周期性變化信號(hào)，通過相位與重力加速度絕對(duì)值的線性關(guān)系實(shí)現(xiàn)測(cè)量目標(biāo)。目前原子干涉絕對(duì)重力測(cè)量的準(zhǔn)確度可以實(shí)現(xiàn)10μGal量級(jí)。

圖3 絕對(duì)重力測(cè)量技術(shù)的發(fā)展與測(cè)量準(zhǔn)確度的提高

三、小結(jié)

中國是世界上最先開展絕對(duì)重力儀研究的國家之一。我國絕對(duì)重力儀研究能得到重視與發(fā)展，是與我國核潛艇的研制要求分不開的。為了滿足我國研制核潛艇導(dǎo)航加速度計(jì)標(biāo)定的需要，1970年國家科委向中國計(jì)量科學(xué)研究院下達(dá)了于1975年要完成100 μGal不確定度絕對(duì)重力儀的研制任務(wù)。1975年該院研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)成功我國第一套絕對(duì)重力儀（NIM-1），測(cè)量精度基本達(dá)到100 μGal，獲得了國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)，在1981年國際重力儀比對(duì)大會(huì)上，測(cè)量結(jié)果與平均值僅相差16 μGal。使用該成果，測(cè)量了北京國家重力基準(zhǔn)點(diǎn)的絕對(duì)重力值后，發(fā)現(xiàn)我國由蘇聯(lián)引入的波茨坦重力系統(tǒng)，存在13.5 mGal的系統(tǒng)誤差。1975總參測(cè)繪局根據(jù)計(jì)量院的絕對(duì)重力點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)文全軍，修改全軍使用的重力數(shù)據(jù)。

幾十年來，由于得到老一輩科學(xué)家，科學(xué)院院士方俊、王大珩、顧功敘、秦馨菱等的支持，使我國的絕對(duì)重力測(cè)量技術(shù)在國際上具有一定的影響力。1995至1996年，先后受馬來西亞、新加坡、文萊及韓國的邀請(qǐng)，測(cè)量建立了10個(gè)絕對(duì)重力控制點(diǎn)。2000年至2001年又受越南和泰國的邀請(qǐng)分別為兩國建成三個(gè)絕對(duì)重力控制點(diǎn)，一個(gè)絕對(duì)重力控制網(wǎng)。但是受到各種因素制約，我國絕對(duì)重力儀研制僅停留在實(shí)驗(yàn)室階段，研究成果沒有實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

近年來隨著國家對(duì)自主研發(fā)技術(shù)重視度的不斷提升，高精度絕對(duì)重力測(cè)量技術(shù)得到了快速的發(fā)展。目前國內(nèi)有9個(gè)科研團(tuán)隊(duì)從事激光干涉和原子干涉絕對(duì)重力儀研制，2022年參與中國地震局地震監(jiān)測(cè)專業(yè)設(shè)備定型測(cè)試的產(chǎn)品有6套，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高精度絕對(duì)重力測(cè)量技術(shù)正蓬勃發(fā)展并逐漸走向成熟。希望在不久的將來，我國自主研發(fā)的絕對(duì)重力測(cè)量儀器可以真正參與到實(shí)際的高精度絕對(duì)重力測(cè)量實(shí)踐中，為我國的地球科學(xué)研究源源不斷的提供高精度重力場(chǎng)絕對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)。

【作者簡介】

吳瓊，男，中國地震局地球物理研究所地球物理先導(dǎo)技術(shù)研究室，研究員，研究方向?yàn)椋旱厍蛭锢碛^測(cè)技術(shù)，主要從事激光干涉絕對(duì)重力測(cè)量、重力梯度測(cè)量和相對(duì)重力測(cè)量儀器的研發(fā)與應(yīng)用。