水为何往低处流？向天空抛出的石子为何落回地面？“天宫”空间站为何围绕地球飞行？原来，这一切都受地球重力场的控制。地球重力场虽无处不在，但看不见摸不着，在牛顿三百多年前发现万有引力之前，人们往往身在其中而不解其意。今天，随着科学技术的发展，人们不仅可以以超高的精度测量重力场，而且已将其应用于国民经济建设和地球科学研究的很多方面。

1.何为地球重力场？

重力即因地球的巨大质量和自转运动而产生，是地球质量产生的万有引力和自转离心力的合力。地球因其内部密度不均匀、地表地形的起伏等影响，使得地球表面重力处处不同，形成重力场（图1），并制约了地球外部物体的运动。同时，地球表面的水气流动，内部的岩浆流动、构造运动，乃至人工水库蓄水等改变了物质分布，即会引起重力场的细微变化。如果人们通过测量，记录下地球重力场不同位置的量值，以及其随时间的变化过程，那就可以将其应用于国民经济建设和地球科学研究的很多方面。

图1 地球重力场模型（武汉大学），从物理的角度描述了地球的形状

2.如何测量地球重力场？

地球重力场的测量，是指重力加速度的测量，其度量单位是m/s²（米每平方秒），常用参考值是9.8 m/s²。初中物理教材即告诉我们，通过记录物体自由下落的距离和时间，或者记录单摆摆动周期，即可以计算出重力加速度。但是，实际应用中要求能够测得10-5 m/s²（毫伽）甚至10-8 m/s²（微伽）量级的微小量值。为此，自17世纪以来，人们发明了摆仪、弹簧重力仪、超导重力仪、激光干涉绝对重力仪、冷原子绝对重力仪、海空重力仪，乃至卫星重力等观测仪器装备，目的便是尽可能准确全面地测量地球重力场及其变化。

今天，人们已经建立了从卫星、航空、海洋至陆地的立体重力观测体系，据此资料建立的重力场模型空间分辨率已可达10km，可观测到地球极移、固体潮、陆地水、大气压，乃至地球内核运动等引起的微小重力变化。

图2 陆海空天一体化重力观测体系

3.地球重力场的应用

重力场是地球的基本物理场，重力场及其变化观测资料在基础测绘、工程建设、资源勘探、地震灾害监测等方面有重要应用。

重力场数据是建立国家垂直基准（大地水准面）的基础资料。有了它，才能确定各地的海拔高程，确保诸如南水北调、港珠澳大桥等长跨度大型工程的顺利施工建设。重力场还反映了地球内部的质量分布，重力普查资料可为圈定矿产分布、评估其储量提供依据。重力探测等资料还可为我们揭示地壳内部密度结构提供佐证，实现“透明地壳”的目标。

重力场的变化与地球内部构造运动密切相关，不受空间的阻隔，可以反映地壳深部地震孕育相关物性变化，在地震监测预测中具有较好应用潜力。为此，我国自1966年邢台地震之后开展地震重力监测工作，先后在滇西、津京唐张等地区，与德国、美国、日本等国开展了科学观测实验，对震前重力变化的规律、原理取得了一定认识。2008年汶川地震以来，建成了覆盖中国大陆，由连续重力台网、绝对重力基准网和相对重力联测网构成的地震重力监测体系，相关观测资料为强震危险性评估提供了重要支撑。

未来，随着《中国地球物理站网（重力）规划》方案的落实，观测和数据处理技术的进步，以及科学认识的深入，重力场及其变化观测资料必将获得更广泛的应用。