陸地重力測量儀器技術發展史

經驗人：周 鵬 李 輝

陸地重力測量儀器技術發展史

經驗人：周 鵬 李 輝

重力測量屬于大地測量學、固體地球物理學、應用地球物理學的交叉內容，其在國土測繪、地震、地質、資源勘探等行業有著十分重要的作用。重力測量的發展是伴隨測量儀器而發展的?；仡欔懙刂亓y量儀器技術自17世紀以來的發展歷史，有助于讓我們看清世界重力測量儀器發展的現狀和方向，進而努力縮小與世界先進技術間的差距。

世紀前的發展

這為重力測量奠定了理論基礎?；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

世紀的發展

進入19世紀初，重力測量發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。可以看到在早期，絕對重力測量技術占主導地位。

19世紀末期，R.von Sterneck設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臺的重力值，建立了“維也納重力系統（基準）”，并于1900年在巴黎舉行的國際大地測量學協會會議上通過成為世界上第一個國際重力基準。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，其觀測結果被1909年在倫敦舉行的國際大地測量學協會會議確定為“波茨坦重力系統（基準）”，被世界使用至1971年。

世紀的發展

20世紀初期，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果可反映地下密度變化，后被廣泛應用于石油勘探。從1920年開始所應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測定單一的構造，對大區域快速測量已不再適用，新型重力儀便應運而生。

從20世紀30年代初至50年代間，將近20種達到生產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研制出了杠桿彈簧扭秤系統，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、質量重，在野外作業中已被以LaCoste＆amp;Romberg型、Scintrex CG型便攜式重力儀所取代，不過經改進后仍可用于重力固體潮連續觀測。

1939年美國的拉科斯特（J.B.LaCoste）依據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構，于1945年開始大量生產，精度從最初的提高到了（20世紀末），甚至到20世紀末 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了類似的石英彈簧重力儀，如加拿大Scintrex公司的CG型、蘇聯的GAK型重力儀，測量精度從最初的提高到了（20世紀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30年代以來，隨著彈簧重力儀的飛速發展，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域大顯身手。讓一個原來單純的物理學原理和現象緊緊地與人類的經濟和生產活動聯系起來。因此可以說，這一時期是重力測量發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）重新提出應用自由落體原理測定重力值，并在1952年實現的精度。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、高精度方向發展。此后法拉（J.E.Faller）在之前基礎上制成了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化可移動式FG5型絕對重力儀，精度可達，并于1998年成立現在我們相當熟悉的Micro-g公司。

1950年以來，伴隨陸地重力測量儀器技術的發展，世界各國的重力網得到大規模更新。當人們發現“波茨坦重力系統”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網。1971年在莫斯科舉行的國際大地測量學和地球物理學聯合會第15屆大會上決定采用其結果建立“國際重力基準網（I.S.G.N.71）”，該網點值平均精度為0.1mGal。

當前的發展

進入20世紀后期到當前的階段，至今仍發展應用的重力儀已經屈指可數。

相對重力儀方面，LaCoste＆amp;Romberg金屬彈簧重力儀已經停產，不過至今仍在使用。隨著計算機技術和網絡技術的發展，其后被Scintrex CG5型全自動石英彈簧重力儀所取代，現在已經成為世界主流的相對重力儀，目前已經生產了一千多臺，供不應求。不久一款全自動金屬彈簧重力儀在LCR重力儀的基礎上被研發出來，這就是Burris型重力儀，它可以說是LCR型重力儀的數字升級版。它們的測量精度已經達到，實測中有的儀器還會更高。此外，用于臺站定點連續觀測的相對重力儀也有發展。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，其精度已經可以達到。我國曾于1986年研制了DZW型連續重力儀，現在經過數字化改造仍在地震系統中使用。1968年Prothero和Goodkind研制出了第一種超導重力儀，其利用不同于彈簧型重力儀的原理，根據特定金屬的超導特性研制?，F今只有一款美國GWR公司生產的GWR-T型超導重力儀在使用，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公司至今生產的JILA型、FG5型、A10型、FG5X型絕對重力儀牢牢占據世界95％以上的市場份額，其精度已達到A10型當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、中國計量科學研究院、清華大學、中國地震局地震研究所、地球物理研究所等機構也都有各自的研究產品，但是從精度和穩定性上都沒有達到目前使用的各型絕對重力儀的標準。

總結

通過一部將近400年的重力測量儀器技術發展史，一方面再一次印證了科學技術是第一生產力的論斷，另一方面也給我們國家自身在重力測量儀器技術發展與世界發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、資源勘探等行業中的重力儀幾乎全都是高價進口產品。其實重力測量原理很簡單，但是從重力測量儀器技術歷史發展來看，我們缺乏的是創新思維和精密生產工藝及材料。隨著我國改革發展的進一步深入，相信在不久的將來，我國自主生產的高精度重力測量儀器能在世界市場占據一席之地。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.10.045