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重力加速度的测量方法

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发表时间:2020-11-17 22:51

重力测量就是对地球表面的重力加速度值进行测定量度。例如在重力作用下的自由落体运动、摆的摆动、弹簧伸缩、弦振动等与重力有关的物理现象,可以用于测定重力值。由此重力测量方法分为动力法和静力法两类。动力法是根据物体受力后运动状态的改变测定重力;静力法,它是根据物体受力后的平衡状态测定重力。


相对重力测量

相对重力测量是测定两点的重力差值,可采用动力法和静力法。Z早的相对重力测量在1887年,采用动力法的摆仪。因摆仪的测定精度只能达到毫伽级而且观测效率不高,目前已很少采用。


现在普遍采用静力法的弹簧重力仪,使用方便,一般测定精度可达几十微伽。地球表面约有71%的海洋。通常有两种办法进行海洋重力测量:①将重力仪沉入海底进行遥测。②将摆仪或重力仪安置在潜水艇或海面船上进行观测。在沙漠、冰川、沼泽、崇山峻岭和原始森林等交通不便地区,需采用航空重力测量方法。


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


重力测量

地球表面上任意一点的重力值,是该点单位质量的物体受到整个地球质量的引力与地球自转在该点所产生的惯性离心力的合力。它等于该点的重力加速度值。


测定重力场中一点的重力值,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diyi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(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diyi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,并用它进行了重力测量。直到20世纪中期,可倒摆一直是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。


近几年来由于激光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激光重力仪进行重力测量,其测定精度可达几个微伽。


海洋重力测量

海洋重力测量是海洋地球物理测量方法之一。从理论上讲,海洋重力测量主要是查明地球质量中的那些异常质量(或称地质质量)的分布状况,而异常质量仅相当于地球质量的极小部分,产生的重力异常不过是全部重力的百万分之几,因而要求重力测量仪器必须有足够的灵敏性和很高的精确度。


海上重力测量技术远较陆地测量复杂。调查船在风、海流、浪涌和潮汐的作用下,随着海洋表面水体作周期性或非周期性的运动。由于船只的这种运动所发生的纵倾和横摇,以及航速和航向的偏差,都对船上重力仪附加以相当强的水平干扰加速度和垂直干扰加速度,使得海上重力测量从原理、仪器直至观测方法都表现出一定的特殊性。


船上重力仪是海洋重力测量的主要设备,是在船只行进中连续测定重力加速度相对变化的仪器。船只的水平干扰加速度和垂直干扰加速度,以及震动等对仪器有很大影响。此外,船向东航行时,船速增大了作用在重力仪上的地球自转向心加速度,而向西航行时,船速减小这种向心加速度。这种导致重力视变化的作用称厄缶(厄特渥斯)效应。这个效应的大小与航向、航速和船只所处的地理纬度有关。克服和消除上述各项干扰效应始终是提高观测精度的关键。


卫星重力测量

卫星重力测量利用人造卫星测量地球的重力场,与传统的重力测量完全不同,并不是把重力仪安放在人造卫星上,因为在高速运转的人造卫星内,物体是失重的,任何重力仪放在里边都无法工作。


地球重力场反演是指通过分析卫星观测数据(GPS接收机的轨道位置及速度、K波段/激光干涉系统的星间距离及星间速度、星载加速度计的非保守力、恒星敏感器的卫星及载荷三维姿态、卫星重力梯度仪的重力梯度张量等)和地球重力场模型中引力位系数的关系,建立并求解卫星运动观测方程,进而反演地球引力位系数,Z终目的是反演高精度和高空间解析度的地球重力场。


微重力测量

微重力测量(Micmgravimetry)是在重力测量学基础上发展起来的一个新兴分支学科。因此,微重力位场基础理论、概念等与重力学基本上是相同的,具有其共性,但在特殊性上,突出“微”的性质和特点。它是基于地球引力场基础上,研究不同岩性密度的变化来解决一些特殊地质问题的勘探方法。


微重力测量与常规重力测量不同,是能够达到微伽级精度的重力测量。为保证得到微伽级精度的分析解析结果,其关键在于野外勘测作业的方法、技术上与常规的勘探测量有许多不同的要求、特殊措施和规定,比常规重力测量要复杂得多。在地质等自然条件上,地形、地貌、近仪物体、温度、压力、振动、固体潮等因素的影响;在观测操作技术上,仪器及底盘的放置、调节操作、测点高程等因素都需要专门考虑;记录方法也需要专门的规定。对于微重力观测得到的数据,除与常规重力观测数据改正相同的项目之外,为确保达到微伽级的观测数据的质量要求,还需要进行近物体影响的改正和在一定范围内的建筑物影响的改正。


矢量重力测量

重力测量按其复杂程度,可依次分为标量重力测量、矢量重力测量和梯度重力测量。标量重力测量仅测量重力扰动的大小,而矢量重力测量则能测定整个重力扰动矢量,即扰动引力的三个分量。与标量重力测量相比,矢量重力测量具有其明显的优势,它不仅能测出重力异常而且能测出垂线偏差。


在科学研究领域,地球重力场数据不仅用于大地测量、地球物理,而且广泛用于地球动力学、地质学和海洋学研究。地球物理学家需要分辨率为10~100km、精确到1~5mGal的平均重力矢量,用于研究岩石圈结构、地幔构成,监测大气层变暖等现象。海洋学家需要分辨率为50~500km,精确到0.1mGal的重力场数据,用于研究海面地形等。石油物探测需要更精细的地球重力场信息(分辨率为1~10km、精度为0.5~1mGal)。


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