重力观测的工具与要求

重力观测就是测定某处的重力场强度，分绝对重力测量和相对重力测量。绝对重力测量就是直接测量出测点处的重力场强度，而相对重力测量是测量所在点与另一点间重力场强度的差值。

2.2.1 重力测量仪器

日常生活中也可感觉到重力的存在和重力大小的变化。如物体的重量，在游乐场过山车项目中游客可明显感受到失重。但要定量比较两地之间重力的差异，需采用专门的重力仪器进行观测。

在重力作用下物体的运动必然涉及重力加速度（重力场强度）。如摆仪、真空中的自由落体运动等。可通过观测这类运动来确定重力场强度。采用这类方式观测重力的仪器称为动力法仪器。通常用于测量该点重力的全值（绝对重力值）。我国生产的NIM Ⅰ型和NIM Ⅱ型绝对重力仪就是采用自由落体原理的仪器。

通过静力平衡方式实现重力观测称为静力法，可用来确定两点间的重力差值（相对重力值）。弹簧重力仪就是根据物体在重力作用下达到静力平衡来设计的，有石英零长弹簧传感器［如加拿大先达利（Scientrex）公司的CG 3型全自动重力仪］和以金属零长弹簧传感器［如目前广泛使用的拉斯特隆贝格（LaCoste-Romberg）金属弹簧重力仪］。

一个百米尺度的局部地质构造或矿床引起的重力变化大约为背景重力值的百万分之一或千万分之一。要观测到这么微小的重力变化，必须采用高灵敏度、性能稳定、适合野外复杂条件、便于携带的专业级重力测量仪器。由重力仪测量的数值不一定都是重力值，环境的影响，如温度、气压及轻微的振动都会引起仪器读数的变化，产生干扰影响。专业级的重力仪器在设计和制造中重要的一个环节就是消除这些影响。自20世纪70年代以来，L R型重力仪中的D型重力仪、CG 15型重力仪等的重力观测精度已达到±1μGal的精度。NIMⅠ型和NIMⅡ型绝对重力仪的重力观测精度分别达到±16μGal和±12μGal的精度。

2.2.2 全球重力网和国家重力网

重力值是一个基本的参数，分析物体的运动或静力平衡状态都绕不开重力加速度这个物理量，地球形状的定义也来自于与重力密切关联的大地水准面。因此，在地球物理学、海洋科学、航天科学、物理学、计量科学及国防科学研究等方面都需要重力场资料。为了评价重力数据全球性和区域性的特点，建设了全球重力网和国家重力网。

1）全球重力网

19世纪末20世纪初，德国波茨坦大地测量研究所采用多台可倒摆仪进行了绝对重力测量，建立了全球重力参考系统——波茨坦重力系统。1950—1970年，世界各地围绕大地测量、地球物理和地球动力学研究开展了重力测量，以国际合作形式建立并由国际大地测量与地球物理联合会（IUGG）1971年发布了新的全球重力参考系统——国际重力标准网1971，简称IGSN 71。现今，各国或地区经过区域性重力测量建立的区域性重力网［即国家（或地区）重力网］都会连接到IGSN 71上。

2）国家重力网

在重力基本点（以一定分布密度和一定精度布测的重力观测点）联测的基础上，我国国家测绘总局1957年建立了与波茨坦系统一致的第一个国家重力控制网，称为“57”网。它分为基本网和一等网两级，重力基本网点距为几百公里，一级重力网为几十千米到100km。随着测量仪器和观测水平的提高，1983—1986年，国家测绘局组织国内有关部门用9台LCR-G型重力仪进行了新的重力基本网的联测，建成了与IGSN-71系统一致的第二代国家重力控制网，称为“国家重力基本网1985”，简称“85网”。

2.2.3 重力测量工作方法

重力测量全程工作大致可分成三步：第一步是根据承担的观测任务进行现场踏勘和编写技术设计；第二步是进行野外测量，采集有关的各种数据；第三步是对实测数据进行必要的处理和解释，编写成果图和报告。(www.xing528.com)

根据测量仪器所处的空间位置，重力测量可分为地面重力测量、地下（包括井中和坑道）重力测量、海洋重力测量、航空重力测量、卫星重力测量。

重力测量野外作业的工作流程包括：

（1）重力测量的技术设计。为了使重力测量野外作业有序地进行，在野外作业之前必须编写施工设计书。经布置重力测量野外作业的业主批准后，施工设计书将作为野外施工和成果验收的法定依据。

（2）仪器的检查与标定。在进行野外施工之前和施工过程中，为保证取得合格的测量数据，需要对重力仪进行检查、调校、性能试验及标定。仪器性能的试验包括静态试验、动态试验和一致性试验。仪器的标定一般是指仪器格值的标定，特殊情况下还要进行温度系数、气压系数和磁性系数的标定。调校不合要求、性能试验不合要求和标定不合要求的仪器不能用于重力测量。

（3）基点网的布置与观测。重力仪存在着自身无法消除的零点漂移，因此用重力仪在测点上进行观测时，需要有一些精度更高、重力值已知的点来控制，这些点称为基点。重力基点在观测时都要连成封闭的网络，这些网称为基点网。任一测段的重力普通点观测均应从基点开始，并终止于基点。基点网的作用在于：控制重力普通点的观测精度，避免误差的积累；检查重力仪在某一段工作时间内的零点漂移，确定零点漂移校正系数；推算全区重力测点上的相对重力值或绝对重力值。

（4）普通点、检查点的布置与观测。普通点是测区内为获得重力资料而布置的观测点，它们应按设计书中提出的测网形状、点线距等均匀布于全区。普通点的观测一般可采用单次观测，但必须在规定时间内（即最大线性时间间隔内）起止于基点上。

为了检查在普通点上重力观测的质量，需要抽取一定数量的点做检查观测。按规范要求，检查点应占普通点总数的5％～10％，在大面积的区域调查中也不应少于3％。检查点的布置应在时间上与空间上大致均匀，检查观测要做到三“不同”（与初次观测时所用的仪器不同、操作人员不同、观测路线不同），在平时的普通点观测工作之中穿插进行。

（5）测地工作。测地工作包括：测定重力测点位置（平面坐标、绝对或相对高程），高精度重力测量中要求的近区地形测量。测地工作应与重力测量工作同步进行。

2.2.4 利用卫星测高技术测定海洋重力场

卫星测高是20世纪70年代发展起来的一项高科技测量技术，它能快速获取全球海域的测高信息，提供海洋地区具有统一高程基准、高精度（5～10cm）和高分辨率（10km）的大地水准面起伏。

利用卫星测高数据推算海洋重力异常有三种方法：数值积分法、最小二乘配置法和谱方法。其中，最小二乘配置是一种主要方法。目前，已经拥有了来自Geos-3，Seasat， Geosat，ERS-1，T／P和ERS-2等卫星的海面观测数据。在开发利用Geosat卫星测高数据的过程中，美国国防制图局（现已改名为国家影像制图局）1992年直接利用Geosat／GM的海面高度数据（未经过海面地形改正），通过最小二乘配置法（使用T／R全球协方差函数模型）计算得到广大海洋地区的5′×5′网格重力异常。1995年，美国国防制图局，国家宇航局和俄亥俄州立大学合作，对Geosat／GM数据进行再处理后，求得500万个5′×5′网格点海面高度值，将其中的27610个测高平均异常同海面船测数据作比较，两者的标准差为±2．3mGal。Geosat卫星的覆盖范围只限制在南纬72°以北的广大海洋，ERS-1卫星地面轨迹的纬度范围为±82°，可以观测到地球最南面所有不冻海域的洋面。合作团队使用10289个ERS-1数据推算得到30′×30′平均重力异常，来填补Geosat卫星覆盖域的空白，这部分数据同海面船测数据比较的标准差为±3．4mGal。

丹麦学者努森（P．Knudsen）和安德尔森（O．B．Andersen）利用精确的T／P测高数据联合密集的Geosat和ERS-1大地测量数据，计算了3′45″×3′45″（对应于赤道上的间距为7km×7km）网格的平均海面高和重力异常。中国台湾学者黄金维等综合利用Seasat、Geosat、ERS-1和T／P卫星的测高数据，通过逆费宁 梅内斯公式，计算得到全球海洋2′×2′网格重力异常数据文件，在全球12个不同海区，将推算重力异常同船测重力异常作比较，不符值均方根值为±5～±14mGal。