陸地重力測量儀器技術(shù)發(fā)展史

經(jīng)驗人：周 鵬 李 輝

陸地重力測量儀器技術(shù)發(fā)展史

經(jīng)驗人：周 鵬 李 輝

重力測量屬于大地測量學(xué)、固體地球物理學(xué)、應(yīng)用地球物理學(xué)的交叉內(nèi)容，其在國土測繪、地震、地質(zhì)、資源勘探等行業(yè)有著十分重要的作用。重力測量的發(fā)展是伴隨測量儀器而發(fā)展的。回顧陸地重力測量儀器技術(shù)自17世紀(jì)以來的發(fā)展歷史，有助于讓我們看清世界重力測量儀器發(fā)展的現(xiàn)狀和方向，進而努力縮小與世界先進技術(shù)間的差距。

世紀(jì)前的發(fā)展

這為重力測量奠定了理論基礎(chǔ)?；莞惯€研制出了第一架擺鐘，成為此后200多年間測定重力的唯一工具。1733年前后，拉康達明首次用物理擺測出的值精度達

世紀(jì)的發(fā)展

進入19世紀(jì)初，重力測量發(fā)展了新的測量方法和可移動的測量儀器。1811年鮑年倍格（J.Bohnenberger）闡述了可倒擺原理。1818年卡特（H.Kater）制成第一臺可供野外觀測的可倒擺儀器，測量誤差精度約為1828年貝塞爾（F.W.Bessil）在研究了可倒擺理論和誤差源后，研制出的擺線進行絕對重力測量誤差精度已經(jīng)提高到約這些重力測量都是直接測定某地的值，稱為絕對重力測量。而畢奧（J.B.Biot）和卡特（H.Kater）研制了擺長恒定不變的擺，其所測得的是相對某一確定參考值的重力差值，精度為，稱作相對重力測量?？梢钥吹皆谠缙冢^對重力測量技術(shù)占主導(dǎo)地位。

19世紀(jì)末期，R.von Sterneck設(shè)計的擺儀被廣泛用于重力差值測定，在每個測點上進行半天至一天的觀測，可使獲得的重力差值的精度從提高到。此時我們可以說正式跨入了相對重力測量階段，同時對絕對重力測量精度的要求自然也更高了。赫爾默特（F.R.Helment）首次使用奧地利基準(zhǔn)臺的重力值，建立了“維也納重力系統(tǒng)（基準(zhǔn)）”，并于1900年在巴黎舉行的國際大地測量學(xué)協(xié)會會議上通過成為世界上第一個國際重力基準(zhǔn)。1989～1904年庫寧（F.Kühnen）和馮特萬勒爾（Ph.Furtw?ngler）在德國波茨坦完成了新的絕對重力測量，其觀測結(jié)果被1909年在倫敦舉行的國際大地測量學(xué)協(xié)會會議確定為“波茨坦重力系統(tǒng)（基準(zhǔn)）”，被世界使用至1971年。

世紀(jì)的發(fā)展

20世紀(jì)初期，厄特沃什（R.Von.E?tv?s）研制出適用于野外觀測的扭秤，在匈牙利進行了近十年的觀測，所測定的水平重力梯度結(jié)果可反映地下密度變化，后被廣泛應(yīng)用于石油勘探。從1920年開始所應(yīng)用的斯坦納克擺儀進行相對擺測量又有了長足進展，觀測的重力差值精度提高到了

由于使用擺儀和扭秤觀測過于費時（每點需1～6h），且扭秤只能在平原地區(qū)測定單一的構(gòu)造，對大區(qū)域快速測量已不再適用，新型重力儀便應(yīng)運而生。

從20世紀(jì)30年代初至50年代間，將近20種達到生產(chǎn)水平的各型彈簧重力儀相繼問世。

1932年哈特利（Hartley）、1938年格拉夫（A.Graf）以垂直彈簧秤為基礎(chǔ)研制出了杠桿彈簧扭秤系統(tǒng)，由此誕生了德國阿斯卡利亞（Askania）GS型重力儀，其精度從最初的最后提高到了約從1970年開始，由于其外形大、質(zhì)量重，在野外作業(yè)中已被以LaCoste＆amp;Romberg型、Scintrex CG型便攜式重力儀所取代，不過經(jīng)改進后仍可用于重力固體潮連續(xù)觀測。

1939年美國的拉科斯特（J.B.LaCoste）依據(jù)零長彈簧的長周期垂直地震儀的概念（LaCoste，1934）提出了最早的高精度拉科斯特-隆貝格（LaCoste＆amp;Romberg）助動金屬彈簧重力儀的結(jié)構(gòu)，于1945年開始大量生產(chǎn)，精度從最初的提高到了（20世紀(jì)末），甚至到20世紀(jì)末 LCR型重力儀仍被很多使用者視為最好的相對重力儀。

1947年美國的沃登（Sam.P.Worden）研制成功了助動石英彈簧重力儀，此后其他制造商以同樣的原理生產(chǎn)了類似的石英彈簧重力儀，如加拿大Scintrex公司的CG型、蘇聯(lián)的GAK型重力儀，測量精度從最初的提高到了（20世紀(jì)70年代）。自40年代起此類重力儀被普遍使用，測量精度也不斷提高到觀測時間已縮短到10～30min，測程已可以覆蓋地球上最大的重力差值。

20世紀(jì)30年代以來，隨著彈簧重力儀的飛速發(fā)展，使得重力測量從實驗室逐步走到了廣闊而充滿生氣的原野，而且在大地測量和地球物理勘探等領(lǐng)域大顯身手。讓一個原來單純的物理學(xué)原理和現(xiàn)象緊緊地與人類的經(jīng)濟和生產(chǎn)活動聯(lián)系起來。因此可以說，這一時期是重力測量發(fā)展史上的一個里程碑。但我們也要看到，直到50年代的這20年中，測量地球重力的方式和方法基本沒有太大改變，只是在精度上有所提高。

隨著相對重力測量重力儀的發(fā)展，進行絕對重力測量所使用的儀器仍然是可倒擺儀。1946年伏萊（C.Colet）重新提出應(yīng)用自由落體原理測定重力值，并在1952年實現(xiàn)的精度。1963年Sakuma＆amp;J.E.Faller利用麥克爾遜干涉儀原理進行自由落體中的距離時間同步觀測，獲得了精度的絕對重力值，此后這種可移動式重力儀首次在新的世界重力網(wǎng)建立中獲得成功。1965年Cook試驗了對稱上升和下落的方法以減小空氣阻力。此后把自由落體原理制作的測量儀器稱為“絕對重力儀”，絕對重力儀也趕上了時代發(fā)展的步伐。80年代后，絕對重力儀向著小型、輕便、可移動和高效率、高精度方向發(fā)展。此后法拉（J.E.Faller）在之前基礎(chǔ)上制成了JILA型輕便絕對重力儀，此后不斷改進于1993年研制出新一代商業(yè)化可移動式FG5型絕對重力儀，精度可達，并于1998年成立現(xiàn)在我們相當(dāng)熟悉的Micro-g公司。

1950年以來，伴隨陸地重力測量儀器技術(shù)的發(fā)展，世界各國的重力網(wǎng)得到大規(guī)模更新。當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)“波茨坦重力系統(tǒng)”存在一個約的誤差時，1948-1960年間，伍爾拉德（G.D.Woollard）采用格拉夫型擺和沃登重力儀建立了全球新的重力基準(zhǔn)網(wǎng)。1971年在莫斯科舉行的國際大地測量學(xué)和地球物理學(xué)聯(lián)合會第15屆大會上決定采用其結(jié)果建立“國際重力基準(zhǔn)網(wǎng)（I.S.G.N.71）”，該網(wǎng)點值平均精度為0.1mGal。

當(dāng)前的發(fā)展

進入20世紀(jì)后期到當(dāng)前的階段，至今仍發(fā)展應(yīng)用的重力儀已經(jīng)屈指可數(shù)。

相對重力儀方面，LaCoste＆amp;Romberg金屬彈簧重力儀已經(jīng)停產(chǎn)，不過至今仍在使用。隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，其后被Scintrex CG5型全自動石英彈簧重力儀所取代，現(xiàn)在已經(jīng)成為世界主流的相對重力儀，目前已經(jīng)生產(chǎn)了一千多臺，供不應(yīng)求。不久一款全自動金屬彈簧重力儀在LCR重力儀的基礎(chǔ)上被研發(fā)出來，這就是Burris型重力儀，它可以說是LCR型重力儀的數(shù)字升級版。它們的測量精度已經(jīng)達到，實測中有的儀器還會更高。此外，用于臺站定點連續(xù)觀測的相對重力儀也有發(fā)展。從早期的阿斯卡尼亞GS型，到后來拉科斯特的LCR-ET型、PET型、TGR型到目前使用最多的是Micro-g公司的gphone型金屬彈簧重力儀，其精度已經(jīng)可以達到。我國曾于1986年研制了DZW型連續(xù)重力儀，現(xiàn)在經(jīng)過數(shù)字化改造仍在地震系統(tǒng)中使用。1968年P(guān)rothero和Goodkind研制出了第一種超導(dǎo)重力儀，其利用不同于彈簧型重力儀的原理，根據(jù)特定金屬的超導(dǎo)特性研制。現(xiàn)今只有一款美國GWR公司生產(chǎn)的GWR-T型超導(dǎo)重力儀在使用，其精度達到了是目前精度最高的相對重力儀。

絕對重力儀方面，Micro-g公司至今生產(chǎn)的JILA型、FG5型、A10型、FG5X型絕對重力儀牢牢占據(jù)世界95％以上的市場份額，其精度已達到A10型當(dāng)然開展這類絕對重力儀研制的國家還有很多，如俄羅斯、日本、意大利，而我國的中科院測量與地球物理研究所、中國計量科學(xué)研究院、清華大學(xué)、中國地震局地震研究所、地球物理研究所等機構(gòu)也都有各自的研究產(chǎn)品，但是從精度和穩(wěn)定性上都沒有達到目前使用的各型絕對重力儀的標(biāo)準(zhǔn)。

總結(jié)

通過一部將近400年的重力測量儀器技術(shù)發(fā)展史，一方面再一次印證了科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力的論斷，另一方面也給我們國家自身在重力測量儀器技術(shù)發(fā)展與世界發(fā)展趨勢對比提供了一定的參考系。我國在高精尖科技方面的差距是明顯而巨大的，尤其是重力測量儀器方面更是如此。目前活躍在我國測繪、地震、地質(zhì)、資源勘探等行業(yè)中的重力儀幾乎全都是高價進口產(chǎn)品。其實重力測量原理很簡單，但是從重力測量儀器技術(shù)歷史發(fā)展來看，我們?nèi)狈Φ氖莿?chuàng)新思維和精密生產(chǎn)工藝及材料。隨著我國改革發(fā)展的進一步深入，相信在不久的將來，我國自主生產(chǎn)的高精度重力測量儀器能在世界市場占據(jù)一席之地。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.10.045