地球重力场 基础概念：引力与重力 引力 ：根据牛顿万有引力定律，地球上的任何物体都会受到地球质量的吸引，这个力的大小与地球质量、物体质量的乘积成正比，与两者质心间距离的平方成反比。这是地球重力场最主要的来源。 重力 ：我们实际测量到的“重力”并不仅仅是地球的引力。由于地球在不停地绕地轴 自转 ，地球表面的物体会随之做圆周运动，需要一个向心力。这个向心力正是由地球引力的一部分提供的。因此， 重力是地球引力和离心惯性力（由自转产生）的合力 。在赤道，离心效应最强，重力略小；在两极，离心效应为零，重力最大。 重力场的描述与测量 重力加速度 ：我们通常用重力产生的加速度“g”来描述重力场的强度。在海平面的标准值约为9.8 m/s²，意味着物体自由下落时，其速度每秒会增加约9.8米。 重力单位 ：常用伽（Gal，1 Gal = 1 cm/s²）或毫伽（mGal）。1 mGal是g值（约980 Gal）的百万分之一，是非常微小的变化，但现代仪器可以精确测量。 绝对测量与相对测量 ：早期通过观测自由落体或单摆周期来绝对测定g值。现代则主要使用 重力仪 进行高精度的相对测量，它能感知因位置变化引起的微小重力差（可至微伽级）。 重力场的时空变化与原因 空间变化（重力异常） ： 纬度变化 ：由于地球自转离心力和地球赤道略鼓的形状，g值从赤道到两极逐渐增加，变化可达几千毫伽。 高度变化 ：离地心越远，引力越小，海拔每升高1米，g值约减少0.3毫伽。 地形影响 ：山脉的额外质量会产生附加引力，山谷则质量亏损，这会导致局部重力变化。 地下物质密度变化 ：这是地球物理勘探的关键。如果地下存在高密度矿体（如金属矿），其上方测得的g值会 高于 区域平均值，称为 正重力异常 ；如果存在低密度构造（如盐丘、沉积盆地），则测得 负重力异常 。通过分析这些异常，可以推断地下结构。 时间变化 ： 固体潮 ：在月球和太阳引力作用下，固体地球也会像海洋一样发生周期性弹性形变，导致g值有约0.3毫伽的日变化。 地下水、冰川质量迁移 ：大型蓄水层的变化、冰川消融会导致局部质量重新分布，引起长期的重力场微小变化。 地球重力场的全球模型与大地水准面 参考椭球体 ：将地球近似为一个理想的旋转椭球体，其表面产生的理论重力场称为“正常重力场”，是计算重力异常的基准。 大地水准面 ：它是一个假想的、与 平均海平面 重合并延伸至大陆下方的等重力位面。由于地球内部质量分布不均，真实的重力位面（大地水准面）相对于平滑的参考椭球面有起伏，最高可凸起约80米，最低凹陷约100米。大地水准面的形状直观反映了地球内部深部的密度结构，比如地幔对流的存在。 重力卫星 ：如GRACE（重力恢复与气候实验）和GOCE（重力场和稳态海洋环流探测）等卫星任务，以前所未有的精度绘制了全球重力场和大地水准面图。GRACE通过测量两颗卫星间距的微小变化来反演地球重力场的月度变化，从而监测冰盖消融、大流域水储量变化等全球质量迁移过程。 应用领域 资源勘探 ：寻找石油、天然气、矿产等。 大地测量与测绘 ：定义海拔基准，建立精确的大地坐标系。 地质构造研究 ：探测基底起伏、断裂带、隐伏岩体等。 水文与冰川监测 ：量化地下水储量变化、冰川与冰盖质量平衡。 国防与导航 ：为弹道导弹、潜艇（需要精确知道当地重力以校准惯性导航系统）提供重力数据。 地球动力学 ：研究地幔对流、地壳均衡调整等地球深部过程。