開設“地球重力場與人類生活”公選課程的探索

王林松

摘要：地球表面的任何物體都受到地球重力的作用，而地球重力場的自然過程規(guī)律及變化又與人類活動息息相關。本文概述了地球重力場的基本概念及其觀測與應用，闡述了在我校以“地球科學”學科為主導的學科體系開設該類公選課程及課程設計的重要性。課程的開設將對培養(yǎng)具備一定的地學知識的綜合型人才具有重要意義。

關鍵詞：地球重力場；人類生活；公選課

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）03-0110-02

一、地球重力場

地球是一個具有明顯圈層結構特征的非均勻質體?？傮w上說，地球圈層分為地球外圈和地球內(nèi)圈兩大部分。其中，地球內(nèi)圈分為地幔圈、液態(tài)外核圈和固態(tài)內(nèi)核圈。各圈層可根據(jù)密度結構劃分成更細的層，各圈層的密度結構各不相同，同時，各圈層之間存在著極為復雜的耦合作用。地球表面靜止物體所受的作用力為引力和地球自轉離心力的合力，通常稱為重力，它的物理量是重力加速度。地球重力場是表征地球介質密度變化和各種環(huán)境下（如固體潮汐、內(nèi)部熱流、固體和液體之間的質量交換、表面負荷和構造運動等）動力學特征的最基本和最直接的物理量[1]。因此，地球重力場不僅存在著空間變化而且存在著時間變化，地球表面重力觀測隨時間的變化，形成時變重力信號。時變重力信號有很寬的頻譜范圍，周期變化范圍可從幾秒到一年以上，其中大部分理論上已知的地球動力學現(xiàn)象都可通過高精度連續(xù)重力測量，所獲得的不同時間尺度的重力變化，可用于揭示地殼均衡、地殼形變、冰后回彈、自由振蕩等地球的動力學過程，以及與人類活動相關的重力場時變成因。

二、地球重力場的觀測與應用

準確的地球重力值可通過絕對重力測量獲得，它不僅是大地測量、區(qū)域性乃至全球性地球重力場標定的基礎，也被廣泛應用于地殼非潮汐形變監(jiān)測、海平面變化、地震及震后效應、火山活動等現(xiàn)象的研究領域。隨著資源開發(fā)和環(huán)境監(jiān)測日益增長，高精度絕對重力測量也逐步延伸到這些領域[2]。隨著科學技術的發(fā)展，高精度連續(xù)重力儀器已經(jīng)取得在小型化、自動化及智能化等方面的發(fā)展。利用全球重力觀測網(wǎng)絡獲得的重力場時間變化資料能夠用以研究地球物理學和地球動力學中的熱點問題[3]。與此同時，GRACE衛(wèi)星時變重力模型的發(fā)布，使得利用衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)研究地球全球性乃至區(qū)域性物質質量變遷成為可能。進入21世紀以來，地面與衛(wèi)星時變重力觀測逐漸受到重視，在很大程度上促進了地球重力場的研究進展，其中，與人類活動及生活息息相關的應用領域主要包括三個方面：（1）解決行星間系統(tǒng)下的地球動力學變化特征及地球內(nèi)部參數(shù)的確定問題，例如，地球本身的固有運動，地球重力潮汐（固體潮）、地球自轉及同震重力響應時變重力觀測等。（2）解決非唯一性的地球內(nèi)部物質遷移與結構問題，例如，地球相對穩(wěn)定重力場的應用，圈層結構及資源勘探。（3）解決人類活動時間尺度下的地表物質遷移與環(huán)境問題，例如，地表及以上物質遷移的監(jiān)測，以及地表負荷激發(fā)的地球動力學響應。

三、高校開設相關領域課程的現(xiàn)狀

“重力學/重力勘探”等課程是目前國內(nèi)外高校在地球科學領域中開設的主要專業(yè)骨干課，通過重力測量技術和觀測數(shù)據(jù)解譯技術以及相關的理論的講授，為進一步從事地球物理基礎研究和應用研究打下基礎[1]。重力學（重力勘探）是地球物理學（地球物理勘探）的一個分支[4]，由于專業(yè)的實踐性和應用性都很強，因此，少有高校開設與其內(nèi)容相關的公選課程，對于“地球物理學”及“大地測量學”專業(yè)外的學生而言，很難接觸并了解跟我們?nèi)祟惢顒优c生活息息相關的地球重力場及其相關的地球科學問題。中國地質大學（武漢）自建校以來，始終大力構建“以地球系統(tǒng)科學為主導”的學科體系，積極發(fā)展應用科學、前沿科學，以及與社會經(jīng)濟發(fā)展密切相關的信息等新興交叉學科。通過開設該公選課程，為其他學科專業(yè)學生提供認知地球重力場的學習與交流平臺，了解與熟悉相關重力測量理論與方法，結合目前地球重力場研究領域的發(fā)展現(xiàn)狀，加深對地球重力場探測及其相關地學應用與人類生活之間關系的理解。

四、“地球重力場與人類生活”公選課程設計

在國內(nèi)，關于“重力學”及“重力勘探”等方面的教材較多，主要面向的對象為地球物理學及大地測量學等專業(yè)學生，教材涉及的內(nèi)容主要涵蓋了概念、基本理論公式、處理方法及實際應用解釋等，但是還沒有地球重力場直接與人類活動等科學問題配套的教材。其原因一方面是此類內(nèi)容多是近年來地球科學領域與社會關注的熱點問題，通常以科學研究的通訊新聞或科技論文的形式發(fā)表，體現(xiàn)了課程所設計內(nèi)容的實時性與重要性。因此，課程以認識地球重力場為主線，結合最新的科技文獻等熱點信息資料，以講授故事、分享實例及相互交流等形式，增加學生對地球科學學科的感性認識，提高學生的學習興趣。以上課程內(nèi)容按24個學時設置，主要涵蓋了4個方面的內(nèi)容。

1.地球重力場介紹。主要介紹地球重力的組成、引力及慣性離心力分布特征、人類對于重力現(xiàn)象的認識過程經(jīng)歷了幾次大飛躍；重力的單位、重力位、引力位、水準面、大地水準面等基本概念；分析直角坐標系中地球重力場（包括各個分量）的基本表達式、重力位與重力的關系等基本關系，著重講解地球重力場、重力位、及大地水準面等問題。

2.重力觀測方式介紹。主要介紹重力測量儀器以及觀測的主要方式等，重點介紹衛(wèi)星重力觀測的基本原理與觀測方式。通過簡單地講解“重力測量儀器”或“衛(wèi)星傳感器”的基本原理，使學生了解用于測量的重力儀技術要求等功能原理，其中主要以發(fā)展歷史、圖片展示的過程進行針對性講授。

3.人類活動與生活相關的地球重力場應用。地球表面的任何物體都受到地球重力的作用，地表重力不僅隨不同的時間與地點而變化，并且與地下物質密度分布不均勻以及物質遷移有關。因此，研究地上、地表與地下物質密度分布不均勻及遷移引起的重力變化，可以了解和推斷地球的結構、地殼的構造，以及地球動力學等課題。在這些研究領域中，人類活動無疑存在于甚至影響這些地球系統(tǒng)運動過程。

4.由地球重力場的變化帶給我們的啟示。主要介紹地球重力場的變化可能帶來的地球活動的前因與后效等問題，例如，地震前兆等與人類緊密相關的事件。同時，重點介紹由于人類活動導致的質量遷移所引起的重力變化，例如，冰雪融化、地下水流失等社會熱點問題。通過結合科學研究成果詳細介紹，并與學生廣泛地交流，以期達到從各類事件中給予學生對資源保護災害認知的啟示。

地球是一個龐大而復雜的系統(tǒng)。人類在這顆星球上世世代代生息繁衍，并在生產(chǎn)和科學實踐中不斷地研究和深化對地球的認識。對于地球物理學中的重力場而言，許多自然現(xiàn)象引起的重力場微弱變化現(xiàn)如今都已可以檢測，如冰后回彈、地球自由振蕩、陸地地下水儲量變化等，因此，推動了重力場理論模擬和重力觀測技術的發(fā)展，并為“重力學理論”研究提供基礎和動力。作為面對地球物理學專業(yè)以外學生開設的“地球重力場與人類生活”公選課程，能夠使學生更好地了解我們賴以生存的地球，對“地球科學學科”產(chǎn)生興趣。因此，作為以地球科學類特色的中國地質大學（武漢），應該開設相關科普性公選課程，培養(yǎng)具備一定的地學知識的綜合型人才，這是我校地球科學學科為主導的學科體系發(fā)展不可忽視的教學環(huán)節(jié)。

參考文獻：

[1]王謙身，安玉林，張赤軍，等.重力學——中國現(xiàn)代科學全書·固體地球物理學[M].北京：地震出版社，2003.467-470.

[2]王勇，張為民.高精度絕對重力測量在地殼垂直運動研究中的作用和應用前景[J].地殼形變與地震，1997，17（3）：98-102.

[3]孫和平，許厚澤.國際地球動力學合作項目的實施與展望[J].地球科學進展，1997，12（2）：152-157.

[4]曾華霖.重力場與重力勘探[M].北京：地質出版社，2005.

Exploration on Offering the Public Elective Course of "Earth Gravity Field and Human Life"

WANG Lin-song

（Hubei Subsurface Multi-scale Imaging Key Laboratory，Institute of Geophysics and Geomatics，

China University of Geosciences，Wuhan，Hubei 430074，China）

Abstract：Every object in the Earth's surface is subject to effect from the gravity. The natural process and rule of the Earth gravitational field and its changes is closely related to human activities. This paper summarizes the basic conception，observation and application of the Earth gravitational field，and the significance of offering the public elective course of Earth Gravity Field and Human Life course in geosciences disciplines and course design are expounded. It will be great significance of offering this course to cultivate comprehensive talents for geosciences knowledge.

Key words：Earth Gravity Field；Human life；public elective course