地球重力场分布规律
第四章——地球正常重力场
第四章 地球的正常重力场重力测量结果表明，地球在其表面上的重力分布是有规律的；总的说来，它由赤道向两极逐渐增加，由赤道上的978Gal 逐渐增加到两极的983Gal 。
在大地测量中，参数合适的旋转椭球是地面点坐标的参考架，当参考椭球选定后，大地水准面相对参考椭球面的起伏不超过110m ，起伏只占参考椭球赤道半径的2×10-6。
因而自然想到，用质量等于地球总质量、以地球自转角速度绕其极半径旋转的旋转椭球来模拟真实地球，用这种地球模型（正常场地球模型），在其表面上和外部空间产生的重力场称为地球的正常重力场。
当正常场地球模型在地球内部定位后，地球的重力场可以分解为两部分，一部分是正常场地球模型在该点产生的重力场，第二部分为真实地球与正常场地球模型的密度分布不同在该点产生的重力场；前者称为地球在该点产生的正常重力场，后者称为地球在该点产生的重力异常场。
重力测量结果表明，当正常场地球模型选择合适后，大地水准面上的重力异常场不超过150 mGal ，约占地球正常重力场的1×10-4~2×10-4。
地球的重力异常场虽只占地球重力场的万分之一二，但它却包含了有关地球内部结构和大地水准面形状的重要信息，因而研究地球重力异常场空间分布规律以及它们与地球内部结构和大地水准面形状之间的关系已成为重力测量的重要目的之一。
根据第三章的结果，本章给出正常场地球模型在旋转椭球面上产生的重力、正常重力位二次导数张量以及它在其外部空间产生的大地位球函数展开系数。
4.1 旋转椭球的几何参数引入笛卡尔直角坐标系123Ox x x ，坐标原点O 置于旋转椭球的中心，3Ox 沿其极半径，12Ox x 在其赤道平面内，则旋转椭球面的方程为其子午椭圆的方程为其中a 、c 分别为旋转椭球的赤道半径和极半径，它们是决定旋转椭球形状的两个几何参数。
考虑到参考椭球的赤道半径a 和极半径c 相差很小，其扁率 约为3×10-3量级，因而参考椭球的子午椭圆与圆非常接近，为了讨论问题方便，对子午椭圆常引入下面几个几何参数：子午椭圆的扁率α、第一偏心率e、第二偏心率'e有下述关系如图4.1.1所示，OA与Ox轴之间的角度0ϕ为A点的地心纬度，A点子午椭圆的法线与Ox轴之间的角度B称为A点的大地纬度，因为子午椭圆与圆非常接近，A点的地心纬度和大地纬度相差很小，其差约为子午椭圆扁率的量级。
地球物理学概论(重力勘探)
2、火成岩（2.5～3.6 g /cm³）
（1）主要取决于矿物成分及其含量的百分比，由 酸性→基性→超基性岩，随着密度大的铁镁 暗色矿物含量增多密度逐渐加大。
（2）成岩过程中的冷凝、结晶分异作用也会造成 同一岩体不同岩相带，由边缘相到中心相， 密度逐渐增大；
（3）不同成岩环境(如侵入与喷发)也会造成同一岩 类的密度有较大差异，同一成分的火成岩密 度，喷出岩小于侵入岩。
attraction.
To the left is a “gravimeter” which measures the force of
gravity in the earth.
（一）重力仪分类：
石英弹簧重力仪 机械式重力仪 金属弹簧重力仪
按结构分
振弦重力仪（海上）
电子式重力仪
超导重力仪 （实验室）
地球物理学概论 地球重力场
中国大陆地区布格重力异常
中国大陆地区自由空间重力异常
中国区域地质图
第一节 重力勘探理论基础
一、重力场（gravity field）
（一）重力 （gravity）
P F C
P—重力
C—惯性离心力，
F—地球质量对物体m的引
力,
而引力 F 服从万有引力定律，即：
器 的干涉条纹数目直接代表下落距离(即S=Nλ/２，N为
干涉条纹数)。这些干涉信号由光电倍增管接收，转换
成电信号，放大后与来自石英振荡器的标准频率信号
同时送入高精度的电子系统，以便计算时间间隔与干
涉条纹数目，从而精确得到S１、S2、S3、 S4 。
2
上抛下落对称观测可避免残存空气阻力、时间测
定、电磁等影响带来的误差，物体被铅垂上抛后，
地球的物理性质与圈层结构
g / c m 3
1 5 1 0
5 2 0 0 0 4 0 0 0 6 0 0 0 k m 内 核
外 核 地 幔
地 壳
图 3 — 2 一 种 地 球 内 部 物 质 密 度 变 化 的 推 断 模 型
地球的弹—塑—粘性 弹性——变形与受力成正比； 塑性——外力消失后部分变形不能恢复； 粘性——外力消失后变形还可能继续
该快轴与地球自转轴不重合，且两者夹角在不断变化。
——快轴对于内核自身在短期内不应有明显的变化，
故应该是地核与整体地球之间存在着旋转速度的差 异。
地幔部分熔融
地幔部分熔融指地幔上部的部分岩石因受到复杂的地质作用而发生部分熔解，显示为高度 可塑甚至液态的现象。动态模拟发现岩石流动应力为20—100MPa．这大大降低了对地幔物质 的运动限制,为地壳运动的动力学提供了实验证据。
=0.273 蛋壳：0.05——1/100 蛋清：2——1/2.5 蛋黄：2.7——1/1.7
地球(km) 长轴/短轴 =6378/6356=1.003 扁平率=(长-短)/长轴
=0.003 地壳：33——1/200 地幔：3000——1/2弱 地核：3300——1/2强
地球就是地球，是独一无二，具有圈层结构的地球
楔子： 地球物理性质的应用
重力异常：将地球视作一个圆滑的均匀球体，计算得出的重力 值称作理论重力值。地球的地面起伏甚大，内部的物质密度分布也 极不均匀，在结构上还存在着显著差异。这些都使得实测的重力值 与理论值之间有明显的偏离，在地学上称之为重力异常。利用这一 原理，可以通过发现各地的局部重力异常来进行找矿和勘查地下地 质构造。
磁极漂移与磁性倒转事件
磁偏角在几十到几百年的时间内，大致沿着纬线方向平稳地向西移动，这一性质被称 作地磁场的向西漂移。此外地磁场还有时间尺度更短的昼夜变化。
地球重力场的定义
地球重力场的定义地球重力场的定义地球重力场是指地球引力作用下，周围物体所受到的重力影响。
在地球表面上，重力加速度的大小约为9.8m/s²，这是由于地球质量、密度和大小等因素所决定的。
地球重力场不仅影响着人类生活，还对许多自然现象产生了重要影响。
一、地球引力的基本概念1.引力的定义引力是指物体之间由于它们之间存在质量而产生的相互吸引作用。
它是经典物理学中最基本、最普遍的力之一。
2.万有引力定律万有引力定律是牛顿在1687年发现的一条规律，它描述了两个物体之间相互作用的大小与距离平方成反比例关系。
即：F=G(m1m2/r²)，其中F表示两个物体之间相互作用产生的引力，G为万有引力常数，m1和m2分别为两个物体的质量，r为它们之间的距离。
二、地球重力场特点1.强度变化在不同位置处，由于地球半径和密度分布不同，地球表面上所受到的重力加速度大小也不同。
例如，在地球赤道上，重力加速度约为9.78m/s²，而在北极地区则约为9.83m/s²。
2.方向变化地球重力场的方向指向地心，因此在地球表面上垂直于水平面。
但在不同位置处，由于地球自转和引力作用的影响，重力方向也会发生微小的变化。
3.形状特征地球重力场呈现出类似于一个椭球形的形状，其中离地心较远处的引力作用较弱，而靠近地心处则较强。
三、地球重力场应用1.测量地球质量和密度通过测量不同位置处的重力加速度大小和方向等参数，可以推算出地球质量和密度分布情况。
这对于了解地球内部结构和演化历史等问题具有重要意义。
2.卫星导航系统卫星导航系统是利用卫星发射信号，在空中进行定位、导航和测量等操作的一种技术。
其中最基本的原理就是利用卫星所受到的重力影响来计算其位置信息。
3.天文学研究天文学研究中经常需要考虑重力作用的影响，例如行星运动、恒星演化等问题。
地球重力场的研究也为天文学研究提供了基础数据。
四、地球重力场研究方法1.重力仪测量法重力仪是一种专门用来测量地球重力场的仪器。
地球物理学基础复习资料
地球物理学基础复习资料绪论一．地球物理学的概念，研究特点和研究内容它是以地球为研究对象的一门应用物理学，是天文学，物理学与地质学之间的边缘学科。
地球物理学应用物理学的原理和方法研究地球形状，内部构造，物质组成及其运动规律，探讨地球起源，形成以及演化过程，为维护生态环境，预测和减轻地球自然灾害，勘探与开发能源和资源做出贡献。
包扩地震学，地磁学，地电学，重力学，地热学，大地测量学，大地构造物理学，地球动力学等。
研究特点：1.交叉学科地球物理学由地质学和物理学发展而来，随着学科本身的发展，它不断产生新的分支学科，同时促进了各分支学科的相互交叉，加强了它与地球科学各学科之间的联系。
2.间接性都是通过观测和研究物理场的信息内容实现地质勘查目标，研究的不是地质体本身，而是其物理性质。
3 多解性正演是唯一的，而反演存在多解。
不同的地质体具有不同的物理性质，但产生的物理场可能相同。
不同的地质体具有相近的物理性质，由于观测误差，物理场的观测不完整以及物理场特点研究不够，产生多解。
不同的地质体具有相同的物理性质，即使知道了地质体的物性分布，也无法确定其地质属性。
地球物理学的总趋势：多学科综合和科学的国际合作。
二．地球物理学各分支所依据的物理学原理和研究的物性参数。
地震学：波在弹性介质中的传播%地震体波走时，面波频散，自由振荡的本征谱特征重力学：牛顿万有引力定律%密度%密度差异地磁学：磁荷理论%岩矿石磁性%①岩石剩余磁性②地磁学轴向偶极子假定。
古地磁学：铁磁学%岩石的剩余磁性。
地电学：①电磁场理论②电荷理论%电阻率ρ介电常数ε介质磁导率μ地热学：热学规律，热传导方程%地球热场，热源。
第一章太阳系和地球一．地球的转动方式。
1.自转地球绕地轴的一种旋转运动，方向自西向东，转速并非完全均匀，有微小变化。
2.公转地球绕太阳以接近正圆的椭圆轨道旋转的运动。
3.平动地球随整个太阳系在宇宙太空中不停地向前运动。
4.进动地球由于旋转，赤道附近向外凸出，日月对此凸出部分的吸引力使地轴绕黄轴转动，方向自东向西。
重力场变化
重力场变化地球是我们生活的家园，而地球上存在着一个神奇而又不可见的力量，那就是重力。
重力是指物体之间相互吸引的力量，是地球对物体施加的引力。
然而，我们是否意识到重力场是如何变化的呢？我们需要明确重力场的特性。
重力场是一种无形的力场，它是由地球的质量所产生的，并且是向地球质心方向作用的。
这意味着地球表面上的物体受到的重力是垂直向下的，并且随着距离地心的远近而逐渐减小。
在地球上，重力场的变化是不均匀的。
当我们接近地球表面时，重力加速度会逐渐增大。
这是因为地球的质量在我们身体下方，所以我们会受到更大的重力吸引。
相比之下，当我们远离地球表面时，重力加速度会逐渐减小。
这造成了我们在不同高度的重力感受的差异。
重力场的变化还受到地球自转的影响。
由于地球自转产生的离心力，地球的赤道部分相对于极地部分会有一定的离心力。
因此，赤道地区的重力略微减小，而极地地区的重力略微增加。
这也是为什么我们在不同地区的体重可能会有微小差异的原因。
除了地球自身的因素，重力场的变化还受到其他物体的影响。
例如，当我们接近高密度物体（如山脉或建筑物）时，由于这些物体自身的引力，我们会感受到稍微增加的重力。
相反，当我们接近低密度物体（如山谷或洞穴）时，由于这些物体产生的引力较小，我们会感受到稍微减小的重力。
地球上的重力场还会受到月球和太阳的引力影响。
当月球和太阳靠近地球时，它们的引力会对地球的重力场产生微小的扰动。
这种扰动会导致地球表面的重力场发生微小的变化，但这种变化对我们的日常生活影响甚微。
重力场是地球上一种神奇而又不可见的力量。
它随着距离地心的远近而逐渐减小，并在地球表面上存在不均匀的变化。
此外，地球自转、其他物体的引力以及月球和太阳的引力也会对重力场产生微小的影响。
了解重力场的变化有助于我们更好地理解地球的物理特性，并且对我们的日常生活也有一定的启发。
专业名词解释重力场
专业名词解释重力场
重力场受地球重力作用的空间范围。
由于地球内部质量分布的不规则性，致使地球重力场不是一个按简单规律变化的力场。
但从总的方面看，地球非常接近于一个旋转椭球，因此可以将实际地球规则化，称为正常地球，同它相应的重力场称为正常重力场。
地球重力场的非规则部分称为异常重力场。
地球重力场中任一点的重力位与正常位之差值称为扰动位。
扰动位是由于地球的质量分布和形状与平均地球椭球有所不同而引起的。
与扰动位相应的有重力异常和扰动重力。
重力属于是保守力。
根据全球重力测量和卫星大地测量的结果，可以确定地球的总质量和地球的平均密度；配合天文测量结果，可以求出地球绕其自转轴的转动惯量。
根据地面上大范围甚至全球范围的重力测量结果，可以研究的－地幔边界的起伏，地幔地壳边界的起伏，地幔中的热对流，地壳均衡的状态等。
地球自转的地理意义完整版
地球自转周期
恒星日
以恒星为参考点，地球自转一周所需 的时间，约为23小时56分4秒。
太阳日
以太阳为参考点，地球自转一周所需 的时间，即我们通常所说的一天，约 为24小时。
地球自转方向
自西向东
从北极上空看，地球呈逆时针方向旋转；从南极上空看，地球呈顺时针方向旋 转。
偏转现象
由于地球自转，地球上运动的物体会受到科里奥利力的影响，产生偏转现象。 在北半球，物体向右偏转；在南半球，物体向左偏转。
时区划分
地球自转导致不同经度地区地方时不同，根据这 一原理，全球被划分为24个时区，方便国际交流 和协作。
昼夜交替
地球自转使得同一地点经历昼夜交替，形成地球 上的日照和温度变化，对生物节律和人类生活产 生深远影响。
导航系统定位原理简介
卫星导航
利用地球自转对卫星轨道的影响， 结合地面接收站观测数据，实现 全球范围内的精确定位和导航。
影响因素
地球自转速度的变化、地球公转轨道的偏心率和岁差等都会对昼夜交替周期产生 微小影响。
不同地区昼夜长短变化
赤道地区
赤道地区全年昼夜平分，即每天 昼长和夜长基本相等。
极地地区
极地地区存在极昼和极夜现象。 在极昼期间，太阳始终在地平线 以上，没有夜晚；而在极夜期间， 太阳始终在地平线以下，没有白 天。
气候类型分布
地球自转和公转还导致了气候类型的分布。不同地区由 于接收到的太阳辐射量、大气环流等因素的影响，形成 了不同的气候类型，如热带雨林气候、温带海洋性气候 等。
Part
06
地球自转与人类活动关系
天文观测和日历制定中应用
1 2 3
恒星日与太阳日
地球自转一周所需时间相对于恒星和太阳有所不 同，形成恒星日和太阳日两个概念，对天文观测 和日历制定有重要意义。
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地球重力场分布规律
文章采用目前与中国大陆匹配最精准的EGM2008模型，结合SRTM高程数据，计算5.12地震灾区高程异常，分析了重力场分布规律。
得出结论：重力场随着距震中位置的增大呈现负相关趋势。
提出以下猜想：地震对小范围内重力位的影响远远大于大范围内的影响。
标签：地球重力场；EGM2008；地震灾区
引言
地球重力场是最基本的物理场，由地球系统的物质属性产生，反映由地球各圈层相互作用和动力过程决定的物质空间分布、运动和变化，承载重力场作用机制相关信息，地球重力场时空演化与地球系统的动力过程有重要的联系。
因此，物理大地测量学与所有研究地球各圈层物质运动及其动力学机制的学科有交叉领域。
高精度高分辨率的重力数据及以此构建的高阶地球重力场模型及时变信号，是地球动力学、地球内部物理、海洋物理及动力海洋学等相关学科研究必需的基础信息，精细的全球重力场信息会加深人们对地球系统各圈层的物质异常分布、物质的循环及动量及能量交换机制的认识，精化相关地学的模型参数，以达到对地球系统、其子系统及整体的动力学过程和行为有更深层的理解。
5·12汶川地震，发生于北京时间（UTC+8）2008年5月12日14时28分04秒，震中位于中华人民共和国四川省阿坝藏族羌族自治州汶川县映秀镇与漩口镇交界处。
5·12汶川地震严重破坏地区超过10万平方千米。
其中，极重灾区共10个县（市），重灾区共41个县（市），一般灾区共186个县（市）。
此次地震是中华人民共和国成立以来破坏力最大的地震，也是唐山大地震后伤亡最严重的一次地震。
文章将对四川省灾区范围从重力异常的计算、灾区重力异常分布规律（E100°36′～108°31′，N27°50～34°19′）（如图1）展开论述。
1 计算重力场模型
EGM2008模型高程异常在我国大陆的总体精度为20cm，华东华中地区12cm，华北地区达到9cm，西部地区为24cm；EGM2008模型空间异常在我国大陆的总体精度为10.5mGal（1mGal=10-3cm/s2），且大大缩小了我国大陆重力场信息东西部地区的差距；EGM2008模型具有很高的精度，测试结果显示，EGM2008模型在我国大陆的精度与在全球范围内的精度相当；与WDM94，DQM 系列，EGM96相比，EGM2008模型高程异常精度提高了3～5倍，比利用GRACE 数据的IGG05b，EIGEN-5c模型提高了2倍以上，空间异常的改善程度更为突出。
EGM2008显著改善了我国大陆重力场东西部地区不平衡的现状[2] EGM2008地球重力场模型使用Bruns公式，地球表面上任意点p的模型高程异常可由下式获得：
2 计算结果分析
文章采用ICGEM网站进行地球重力场的计算。
通过规定模型参考系统、格网精度、模型经纬度范围等选项，进行特定区域重力场的计算。
输入灾区范围（E100°36′～108°31′，N27°50～34°19′），选取最小格网精度为0.005，采用EGM2008模型计算高程异常值如表1，单位为m。
由上表可知：（E100°36′～108°31′，N27°50～34°19′）高程异常最大值为-42.074m，最小值为-27.786m，高程异常极值为14.288m，平均高程异常为-34.453m。
结合图1，早去范围内高程异常最大值位于重灾区，最小值位于一般灾区。
分级灾区重力异常的平均值分别为：一般灾区-35.624m、重災区-36.885m、极重灾区-36.901m。
分级灾区重力异常的最小值分别为：一般灾区-28.065m、重灾区为-28.707m，极重灾区为-32.822m。
分级灾区的重力异常最大值分别为：一般灾区-42.074m、重灾区-41.644m、极重灾区-40.980m。
最大值、最小值和平均值在三个范围数值大小排列表现统一，均为一般灾区<重灾区<极重灾区，说明重力异常在此地区分布由外向内逐渐增大，即此区域重力异常分布与5.12震中距呈负相关。
同时，表1数据中有17个位于一般灾区、4个位于重灾区、2个位于极重灾区，说明地震能量随震中距的增大而减小。
因此提出猜想：地震对小范围内重力位的影响远远大于大范围内的影响。
3 结束语
计算并了解重力场的区域分布规律，有利于进一步研究地核-地幔边界的起伏，地幔地壳边界的起伏，地幔中的热对流，地壳均衡的状态等。
文章通过对5.12灾区重力场分布的研究，得出该区域重力异常场由内而外逐渐减小，对推求平均地球椭球的形状、建立国家大地网和国家水准网、确定空间飞行器受地球引力场作用的轨道改正以及研究地球内部构造及矿产资源分布等方面有十分重要的作用。
参考文献
[1]宁津生，王正涛.地球重力场研究现状与进展[J].测绘地理信息，2013，1：1-7.
[2]章传银，郭春喜，陈俊勇，等.EGM 2008地球重力场模型在中国大陆适用性分析[J].测绘学报，2009，4：283-289.
[3]王作钰.EGM 2008重力场模型的高程异常精度分析[J].地理空间信息，2014，3：110-111+8.。