地球科学概论 第5讲 地球重力场.ppt

1、第 5 5 讲地球重力场地球重力场申文斌，申文斌，徐新禹徐新禹，霍学深，金涛勇，霍学深，金涛勇20152015年年3 3月月10-1310-131内容提要l 0 0 引言引言l 1 1 基本概念基本概念l 2 2 重力场的测定重力场的测定l 3 3 重力场的应用重力场的应用20 引言l 万有引力定律万有引力定律测定地球质量？1 基本概念l 重力重力p 定义：重力是地球引力与地球自转离心力的合力 前者是质体物质产生的万有引力 后者是由于地球自转产生的惯性离心力l 重力与密度的关系重力与密度的关系p 物质的密度 + 物质的体积 物质的质量p 地面上一点的引力是整个地球质量的综合影响 结合高等数学知

2、识，思考如何计算地球对地面一点的引力l 重力场重力场p 地球重力形成的力场41 基本概念l 位（势）位（势）p 复习高中或大学物理中有关势的概念l （地球）重力位（地球）重力位p 重力位=引力位+离心力位p 重力位的各方向导数（梯度）即重力l （地球）重力等位面（地球）重力等位面p 地球上重力位相等的所有点构成的封闭面p 思考：地球重力等位面会相交吗？p 思考：重力在地球上的分布特点（两极、赤道）。51 基本概念l 大地水准面大地水准面p 延伸到大陆内部，与平静的海面重合的数学面(Gauss)p 延伸到大陆内部，与平均海面重合(Listing)p 平均海面最为接近的重力等位面(现代定义)62

3、重力场的测定l 重力场的相关参量：重力场的相关参量：p 重力位p 重力p 大地水准面p 重力异常p 垂线偏差p 重力梯度l 一般来讲重力的测定实际上是测量重力加速度一般来讲重力的测定实际上是测量重力加速度l 重力场的表达形式（参量重力场的表达形式（参量模型）模型）72 重力场的测定l 最初的重力测量大都采用绝对重力测量模式最初的重力测量大都采用绝对重力测量模式p 1590伽利略利用自由落体测定重力加速度82 重力场的测定l 可倒摆可倒摆9l 可倒摆可倒摆2 重力场的测定10在印度用可倒摆进行绝对重力测量2 重力场的测定l 现代自由落体式重力仪现代自由落体式重力仪11可移动式绝对重力仪FG5测量

4、精度：1微伽2 重力场的测定l 弹簧式相对重力仪弹簧式相对重力仪12Fma2 重力场的测定l 在珠峰附近实施相对重力测量在珠峰附近实施相对重力测量132 重力场的测定l 应用于石油勘探的应用于石油勘探的CG-5CG-5相对重力仪相对重力仪142 重力场的测定l 航空重力测量航空重力测量15未来重点发展方向之一2 重力场的测定l 海洋（船测）重力仪海洋（船测）重力仪162 重力场的测定l 卫星重力方法卫星重力方法17未来重点发展方向之一（静态、时变）2 重力场的测定l CHAMPCHAMP、GRACEGRACE、GOCEGOCE18http:/www.csr.utexas.edu/grace/h

5、ttp:/op.gfz-potsdam.de/champ/2 重力场的测定l CHAMPCHAMP、GRACEGRACE、GOCEGOCE19http:/www.esa.int/Our_Activities/Observing_the_Earth/GOCE2 重力场的测定l 超导绝对重力仪超导绝对重力仪20目前精度最高的重力测量仪器3 重力场的应用l 科学应用科学应用p 应用p 全球高程基准统一p 地球自转和极移p 构造运动引起的重力场变化 物质迁移、地震、地壳垂直运动等固体地球潮汐和地球近周日自由晃动核模信息的获取海洋、大气和重力场的耦合作用3 重力场的应用l 测绘测绘p GPS水准（基准）

6、p 全球高程基准统一p 卫星精密定轨l 地震地震p 地震监测和预报研究l 勘探勘探l 海洋学、水文学、冰盖学、固体地球物理海洋学、水文学、冰盖学、固体地球物理l 军事应用军事应用223 重力场的应用l 高程基准高程基准p 高程基准是推算国家统一高程控制网中所有水准高程的起算依据，它包括一个水准基面和一个永久性水准原点。23青岛水准原点3 重力场的应用l 物质迁移物质迁移全球水分布的研究（冰川学）全球水分布的研究（冰川学）24利用GRACE卫星的重力探测资料计算的格陵兰近10年的水（冰）的流失3 重力场的应用l 水储量的季节性变化（水文学）水储量的季节性变化（水文学）p 南美赤道地区p 奥里诺科

7、流域p 亚马逊流域253 重力场的应用l 干旱监测干旱监测26l 海洋学海洋学p 海山、海沟（早期）p 海底地形p 海平面变化p 海洋环流3 重力场的应用273 重力场的应用l 海山的发现与海底地形的确定海山的发现与海底地形的确定283 重力场的应用293 重力场的应用l 地震监测地震监测303 重力场的应用l 地震应用（同震重力变化）地震应用（同震重力变化）313 重力场的应用l 全球莫霍面（深度）（固体地球物理学）全球莫霍面（深度）（固体地球物理学）32思考：反演密度结构？3 重力场的应用l 地球定向参数（地球定向参数（EOPEOP）的观测）的观测p 重力场的低阶项变化估计地球自转参数LO

8、D33日长变化3 重力场的应用l 研究月球及行星内部研究月球及行星内部343 重力场的应用l 潮汐潮汐l 自由振荡自由振荡353 重力场的应用l 工程应用工程应用p 导航p 航空航天p 探矿363 重力场的应用l 导航导航p 重力辅助（重力：作用力之一）p 重力匹配373 重力场的应用l 利用重力匹配辅助导利用重力匹配辅助导383 重力场的应用l 跨海高程测量跨海高程测量393 重力场的应用403 重力场的应用l 岛礁测绘岛礁测绘413 重力场的应用l 利用重力异常和重力梯度观测数据探矿利用重力异常和重力梯度观测数据探矿423 重力场的应用433 重力场的应用l 卫星的精密轨道确定卫星的精密轨

9、道确定443 重力场的应用l 航天应用航天应用登陆其他天体及返回地球登陆其他天体及返回地球453 重力场的应用l 远程武器（战略导弹）的发射远程武器（战略导弹）的发射46练习题：l 重力和重力位的关系是什么重力和重力位的关系是什么? ?l 大地水准面是如何定义的？大地水准面是如何定义的？l 如何测定重力？如何测定重力？l 在地面不同位置，重力有什么变化？在地面不同位置，重力有什么变化？总结l 本讲阐述了地球重力场，包括重力有关的基本本讲阐述了地球重力场，包括重力有关的基本概念，重力场测定方法及其应用等。概念，重力场测定方法及其应用等。l 重点重点p 地球重力场的基本概念p 大地水准面的现代定义p 重力场的测定方法p 了解1-3个重力的实际应用l 下一讲：地热学下一讲：地热学48