『壹』 相对重力测量仪器概述
用于重力勘探工作中的重力仪，都是相对重力测量仪器，即只能测出某两点之间的重力差。由于重力差比重力全值小几个数量级以上，因而要使测量值达±（1～0.0n）g.u.精度，其相对精度就比绝对重力仪小得多了，这样使仪器轻便化、小型化就较易实现。即便如此，为能准确反映重力极微小的变化，在仪器设计、材料选择、各种干扰的消除等方面仍非易事。
（一）工作原理
一个恒定的质量m在重力场内的重量随g的变化而变化，如果用另外一种力（弹力、电磁力等）来平衡这种重量或重力矩的变化，则通过对该物体平衡状态的观测，就有可能测量出两点间的重力差值。按物体受力变化而产生位移方式的不同，重力仪可分为平移（或线位移）式和旋转（或角位移）式两大类。日常生活中使用的弹簧秤从原理上说就是一种平移式重力仪。设弹簧的原始长度为s0，弹力系数为k，挂上质量为m的物体后其重量为mg。当由弹簧的形变产生的弹力与重量大小相等（方向相反）时，重物静止在某一平衡位置上，此时有：
mg＝k（s－s0）
式中：s为平衡时弹簧的长度。若将该系统分别置于重力值为g1和g2的两点上，弹簧形变后的长度为s1和s2，可类似得到上述两个方程，将它们相减便有
地球物理勘探概论
系数C称为格值，因此测得重物的位移量就可以换算出重力差。
将上式全微分后并除以该式，可得到相对误差表达式：
地球物理勘探概论
设Δg＝1000g.u，dΔg取0.1g.u.，则相对误差为10－4；平均地说，对格值与Δs测定的相对误差不能超过0.5×10－4，可见要实施起来是相当困难的。
（二）构造上的基本要求
不同类型重力仪尽管结构上差异很大，但任何一台重力仪都有两个最基本的部分：一是静力平衡系统，又叫灵敏系统，用来感受重力的变化，因而是仪器的“心脏”；二是测读机构，用来观测平衡系统的微小变化并测量出重力变化。对前者来说，系统必须具备足够高的灵敏度以便能准确地感受到重力的微小变化；对后者来说应有足够大的放大能力以分辨出灵敏系统的微小变化，同时测量重力变化的范围较大，读数与重力变化间的换算简单。
（三）平衡方程式与灵敏度
图2-2-1 旋转式重力仪灵敏系统
简化了的旋转式弹性重力仪中灵敏系统如图2-2-1所示，1为带重荷m的摆杆（亦称平衡体），它与支杆3固结为一体，可绕旋转轴O转动，此旋转轴可为一对水平扭丝或水平扭转弹簧。2 称为主弹簧，上端固定，下端与支杆3 相连。这样，平衡体在重力矩和弹力矩的作用下可在某一位置达到平衡（静止），设Mg表示平衡体所受的重力矩，它是重力g与平衡体偏离水平位置为φ角的函数；Mτ表示平衡体受到的弹力矩，是φ角的函数。在平衡体静止时，合力矩M0为零，即
地球物理勘探概论
这就是重力仪的基本平衡方程式，从该式出发我们来讨论角灵敏度问题。
所谓角灵敏度，是指单位重力变化所能引起平衡体偏角大小的变化。偏角越大，则表示仪器越灵敏，即角灵敏度越大，反之亦然。将式（2-2-1）对g和φ进行微分得到：
地球物理勘探概论
稍加整理即获得角灵敏度的表达式：
地球物理勘探概论
因此，从原理上说，提高灵敏度有两个途径。一是加大上式中的分子，这意味着要增大m和l（l为平衡体质心到转轴O的距离），其结果会增加仪器的重量和体积，同时也会使各种干扰因素的影响加大，这是不可取的。二是减少上式中的分母，其物理意义为减小平衡系统的稳定性。根据力学原理，让式（2-2-2）的分母从小于零的方向趋近于零而不等于零，即减小系统的稳定性，但又不使其达到不稳定状态，使灵敏度达到我们所需要的范围。为实现这一要求，可采取加助动装置（亦称敏化）方法、倾斜观测法以及适当布置主弹簧位置等方法。图2-2-1中主弹簧连在支杆上的布局，本身就起到了自动助动作用，随着β角的减小，灵敏度会逐渐增大。
（四）测读机构与零点读数法
由于重力的变化所能引起平衡体偏转角的改变量十分微小，肉眼无法判别。因此，为能观察出这一微小变化，测读机构首先要有一套具有足够放大能力的放大机构，如光学放大、光电放大和电容放大等；其次应有一套测读机构，如测微计数器或自动记录系统等，将平衡体角位移改变量测读出来，以换算出重力变化量。现代重力仪的测读都是采用补偿法进行的，也称零点读数法。其含义是：选取平衡体的某一位置作为测量重力变化的起始位置，即零点位置；重力变化后第一步是通过放大装置观测平衡体对零点位置的偏离情况，第二步是用另外的力去补充重力的变化，即通过测读装置再将平衡体又准确地调回到零点位置，测微器上前后两个读数的变化就反映了重力的变化。采用零点读数法有许多优点，扩大了直接测量范围，减小了仪器的体积，测读精度高，以相同的灵敏度在各点上施测。此外，读数换算也较简单。
（五）影响重力仪精度的因素及消除影响的措施
精度是指实测值逼近真值的程度，它与测量次数有关，更与测量中不可避免的各种干扰因素造成的误差有关。影响重力仪观测精度的因素很多，如何采取相应措施使这些干扰的影响降到最低水平，是决定重力仪性能或质量的根本保证。
1.温度影响
温度变化会使重力仪各部件热胀冷缩，使各着力点间的相对位置发生变化；弹簧的弹力系数也是温度的函数。以石英弹簧为例，它的弹性温度系数约为120×10－6，即温度变化1℃，相当于重力（全值）变化了1200g.u.。因此，克服温度变化的影响是提高重力仪精度的重要保证。为此，已采用的措施有：选用受温度变化影响小的材料作仪器的弹性元件；附加自动温度补偿装置；采用电热恒温（有的仪器必要时加双层恒温），这样使仪器内部温度基本保持不变。此外在野外使用仪器时，应尽量避免阳光直接照射在仪器上，搬运中应使用通风性能好的专用外包装箱等。
2.气压影响
主要是使空气密度改变而使平衡体所受的浮力改变，并在仪器内部可能形成微弱的气体流动冲击弹性系统。消除的方法有：将弹性系统置于高真空的封闭容器内；在与平衡体相反方向上（相对旋转轴而言）加一个等体积矩的气压补偿器；条件需要和许可时，应将仪器放入气压仓内检测受气压变化的影响，以便引入相应的气压校正。
3.电磁力影响
用石英材料制成的摆杆（平衡体），因质量很小无需加固。当它在自由摆动时，会与容器中残存的空气分子相摩擦而产生静电，电荷的不断积累会使仪器读数发生变化。因此，这类仪器常在平衡体附近放一适量的放射性物质，使残存气体游离而导走电荷。对于用金属制成的弹性元件来说，材料中含的铁磁性元素就会对地磁场变化产生响应而改变仪器读数，为此，要将整个弹性系统作消磁处理，外面再加上磁屏以屏蔽磁场；有条件时，应在人工磁场中进行实际测量，以了解受磁场方向、强度变化的影响，必要时引入相应的校正项；在野外工作中，利用指南针定向安放仪器，让摆杆方向总与地磁场垂直。
4.安置状态不一致的影响
在各测点上安放重力仪时不可能完全一致，因而摆杆与重力的交角就不会一致，从而使测量结果不仅包含有各测点间重力的变化量，还包含了摆杆与重力方向夹角不一致的影响。可以证明，为了使后者的影响降低到最小限度，应取平衡体的质心与水平转轴所构成的平面为水平时的平衡体位置作为重力仪的零点位置。为此，重力仪都装有指示水平的纵、横水准器和相应的调平角螺丝，有的还装有灵敏度更高的电子水准器和自动调节系统。
5.零点漂移影响
重力仪中的弹性元件，在一个力的长期作用下会产生弹性疲劳和蠕变等现象，使弹性元件随时间推移而产生极其微小的永久形变（类似橡皮筋的老化）。它严重地影响了重力仪的测量精度，带来了几乎不可克服的零点漂移，即仪器的零点位置在随时间变化；或者说，在同一点上排除了其他各种影响后，不同时刻的读数仍会不同，这种漂移量的大小和有无规律与材料的选择及工艺（如事前进行时校处理等）水平密切相关。一台好的重力仪应是零漂小且与时间呈线性关系，这是在恒温精度提高后衡量仪器好坏的另一个重要指标。为消除这一影响，必须通过性能试验检查其零漂变化情况，确定在重力基点控制下每一测段工作时间长短而专门引入零点校正。
6.震动的影响
震动对观测精度有影响，例如仪器在运输中受突然性的撞击，甚至取出与放回仪器时不小心碰撞了一下仪器箱边，常常会出现读数的突变（俗称突然掉格）；再则，仪器的零漂在动态时要比静态时大且无规律，且动态的零漂随运输方式不同也不尽相同。实践证明，飞机运输比汽车运输影响要小，在同样道路上不同型号的汽车其震动影响也不相同。在高精度的重力测量中，震动已是一个关系测量误差大小的非常重要的因素。运输中可用泡沫海绵垫、软垫、人工小心手提等方式使造成的误差最小。
『贰』 重力基准点的引入
为了达到绝对重力测量的目的，需要在飞机停机坪上建立了一个重力基准点，该点位于重力仪的正下方。重力基点值是由高精度地面重力仪利用双程往返观测法，从国家重力基本网系统的重力基点引入。在基点的联测过程中，仪器的位置和高度尽可能前后保持一致。此项工作一般安排在野外测量过程中进行。
『叁』 求助几个重力勘探方面的小问题
1、CG-5重力仪的单位是毫伽，测得的读数都是到0.001毫伽，即微伽，你讲的没错。由于CG-5是石英弹簧型重力仪，弹簧由于不间断的受地球引力而疲劳，所以就会出现我们所讲的漂移，一般每天在0.0-0.2mGal左右吧，某股时间增大或某段时间减小，当然不同仪器也会有大小的不同。所以你说的不同日期测得是整数变化就不奇怪了，但这个没有关系，！只要每天闭合在基点上的两次读数经过潮汐较正后的差值满足规范要求就可以了！，即不超过精度的3倍即行。2、工区只有一个基点那么这个基点就是总基点，所以的重力异常都是相对于它的。3、三重循环的第一个值就是第一点的值的，由它来确定第二点的值。那么1号点如果不是基点那么它就得还要与基点做个循环；总之一点，所有的读数都必须与基点是相联系，这就是相对重力仪的基本要求
『肆』 地震局地球物理所地震磁力重力仪器
中国地震局地球物理研究所
BKD-2A宽频带地震计
BKD–2A宽频带地震计是由中国地震局地球物理研究所第六研究室即地球物理与观测技术研究室成功研制，是新一代灵敏度高、动态范围大的反馈式力平衡宽频带地震计。在设计工艺、三分量一致性、小型化等方面具有独特的优势。在川藏地区人工爆破、青海昆仑山口地震应急等多次流动观测中体现出优良的性能，该设备获中国地震局科技进步三等奖，目前已推广应用150余套。
“十五”期间，研究室对该类仪器进行了升级，采用了多项最新研究成果，如探头采用的斜对称结构设计，外部解锁和自动调零技术，具有宽频带、高灵敏度和大动态范围等特点。同时为了适用野外流动观测，地震数据采集器采用了最新的低功耗、高性能的德国控创公司DIMMCPU板，增加了大容量存储，具有网络远程监控和现场组网功能。目前已经应用于广东省地震局、重庆市地震局以及其他单位。该设备在北京地震台网流动观测中对地震和爆破等事件记录清晰，具有良好的观测质量。
BKD–2A型宽频带地震计探头
BKD–2A型宽频带地震计数据采集器
BKD-2A型宽频带地震计三分量记录
地球物理仪器汇编及专论
主要性能(Specifcations)
地球物理仪器汇编及专论
系统主机
GM4磁通门磁力仪
地磁观测设备研制是仪器研发工作的重要组成部分，依托“九五”国家科技攻关项目研究成果，开发了第一代具有自主知识产权的GM3型磁通门磁力仪，改变了我国地磁观测设备依靠进口的历史。GM3型是中国地震局“九五”地磁观测主要设备之一，在全部30多个国家地磁基准台和一些地磁基本台都安装了该设备。结合地磁观测特点，在“十五”期间，又研制了低功耗、便携式、高精度、网络化、大存储容量及数据实时传输的GM4型磁通门磁力仪和流动型GM4磁通门磁力仪，其中GM4型磁通门磁力仪在中国地震局“十五”前兆观测设备投标中全部中标，共有30多套安装在国家地磁基准台和地磁基本台，还有部分设备应用于国防、大型工程如对三峡库区地磁背景场检测等项目中。最早投入观测的GM4磁通门磁力仪是河北红山地磁台，距今已经正常运行3年。另外在国家“十五”期间新建了重庆三峡库区地磁监测台阵，四川西昌地磁台阵，甘肃天祝地磁台阵，云南滇西北地磁台阵和新疆喀什地磁台阵，共架设流动型GM4磁通门磁力仪36套，最早投入正常观测的西昌台阵距今已经正常运行2年.图1～3分别是D分量、H分量和Z分量记录，每幅图显示了崇明岛台(COM)的FGE磁力仪记录曲线，泰安台(TAA)GM3记录曲线，崇明岛台(COM),南京台(NAJ（)图中的高频噪声为距离台站10km左右的地铁运行时造成的影响），泰安台(TAA)的GM4磁通门磁力仪记录曲线。GM4记录波形完整，细节清晰，为基于信号高频分量的地磁数据分析工作提供数据支持。
地球物理仪器汇编及专论
地球物理仪器汇编及专论
主要性能(Specifcations)
地球物理仪器汇编及专论
地球物理仪器汇编及专论
图1 分量日变化曲线
图2 分量日变化曲线
图3 分量日变化形态曲线
流动磁通门磁力仪
地磁场是地球的基本物理场之一。一百多年以前，人们就已注意到地磁异常变化与地震的关系，迄今以磁报震已成为地震预报不可缺少的手段之一。流动台阵观测具有灵活、密集观测、实时性强等特点，已成为地震短临跟踪观测的发展趋势之一。利用流动地磁台阵进行地震短临跟踪已成为有效实现地震短临预报突破的主要途径。
2004年底开始，研究室开始了地磁台阵的探索性研究，对台阵的测点勘选、测点布设方法、设备架设、通讯与组网等一些关键技术进行了集中研究，分别在黑龙江省的富裕、大庆、泰来、肇源和望奎5个点，山东省的乳山、安丘和鄄城3个点布设了地磁台阵，每个测点安装1台流动磁通门磁力仪，组成地磁台阵观测，通过无线传输方式与中心节点进行数据交互。
在此试验研究的基础上，研究室承担了中国地震局“十五”前兆台阵项目，负责甘肃天祝和四川西昌两个地区的地磁台阵的架设，并于2007年完成并投入正常观测。2008年完成了重庆的三峡库区地磁监测台阵。同时，在相关课题的支持下，陆续在新疆的喀什、云南的滇西北地区开展了地磁观测台阵的建设工作。产出的数据主要用于地震短临跟踪技术研究。
目前，研究室还开展了地磁观测台阵组网技术研究和ULF信号的提取等相关算法研究，实现了行业网内台阵仪器的实时监控和数据的实时传输、保存、查询和应用，为实现地震短临跟踪等科学观测目的提供技术保障和数据服务。同时还可以为各个领域内的用户提供包括台阵勘选方案、设备架设方案、组网技术、观测技术、数据处理等相关的技术咨询与服务。
主要性能(Specifcations)
地球物理仪器汇编及专论
流动型GM4磁通门磁力仪主机
流动型GM4磁通门磁力仪探头
已投入正常观测的全国地磁台阵分布
FHDZ-M15地磁总场与分量组合观测系统主机
FHDZ–M15地磁总场与分量组合观测系统是由我研究自主开发的、基于国际上流行的地磁相对场和绝对场观测于一体的地磁观测设备。该设备集成了丹麦的FGE磁通门磁力仪和加拿大的OVERHAUSER磁力仪，可实现地磁场水平分量（H）、竖直分量（Z）、磁偏角（D）、温度（T）、总强度（F）和校验曲线F–P的实时监控和准实时数据传输。该产品在中国地震局“十五”前兆设备招标中中标，主要用于国家地磁基准台站的地磁相对记录。通过在天津静海地磁台站的考核运行，该设备各技术指标在达到设计要求的同时，也实现了实用化、操作简单等方便用户操作的性能。目前该设备已安装在全国28个地磁基准台，最长运行时间已超过两年。目前该主机已经作为国家基准地磁台标准配置仪器之一。
系统主机
技术指标
激光干涉绝对重力仪
我室自主研发的可移动激光干涉绝对重力仪是具有自主知识产权的国产可移动绝对重力仪。仪器由光学、机械和电子三部分组成。其在测量的过程中完全摒弃了相对重力仪的缺点,具有无漂移、无掉格、不用起始参考点、不用重复校准、无需闭合测量的优点。在地球物理研究、环境监测、资源勘探、精密测量和校准以及惯性制导等领域具有广泛的用途。
仪器特点
自由下落运动绝对重力仪
数据采集和运动控制自动化
简洁独特的干涉仪光路
使用高稳定激光为长度标准
使用铷钟为时间标准
数据的实时处理和大容量数据存储
3~5秒长周期地震仪隔振
真空系统使用分子泵和离子泵
小型化安装，移动方便
10秒可完成一次测量
地球物理仪器汇编及专论
技术指标
准确度：优于5×10-7m/s2(50微伽)
精度：24小时优于5×10-8m/s2(5微伽)
总重：60kg
数据格式：ASCII
测量范围：全球范围港震机电地震观测系统
『伍』 重力测量原理是什么
重力测量可以分为绝对重力测量和相对重力测量。绝对重力测量测定的是各点重力的全值，又称绝对重力值。地球表面上的绝对重力值约在9.78～9.832m/s2之间。目前测 定的精度可达到g的10-8数量级，即±0.1g.u.，甚至更高。相对重力测量测的是各点相 对某一重力基准点的重力差。它比绝对测量容易且精度高，可达±0.05g.u.，甚至达到 ±0.01g.u.。当基准点的绝对重力值已知时，通过相对重力测量也可以求得各点的绝对 重力值。相对重力测量是现代重力测量的主要形式。
观测重力的方法，可分为动力法和静力法。动力法是观测物体在重力作用下的运动，直接测定的量是时间和路程。例如，利用重力摆仪进行绝对测量，只要测出摆长l和摆动周期T，即可求出重力g，公式形式为
勘探地球物理教程
这种方法不仅工作效率低，而且测量的精度只能准确到1～1.5g.u.。例如要测到1g.u.的重 力变化（即重力全值的10-7），对于近1m长的摆杆来讲，其测定精度达到1×10-7m，摆 动周期测定精度为1×10-7s。目前，这种仪器很少用于重力测量中。
测定绝对重力值的另一种动力法是确定初速度为v0的自由落体通过已知距离S的时 间t。公式为
勘探地球物理教程
当v0为0时，公式形式更简单。该方法要求精密的测出物体下落的时间及该时间内通过的 距离。例如，若要求测定重力值的精度为0.01g.u.，则距离测量精度要达到5×10-6mm，时间测量误差不得超过5×10-10s。我国是当今少数几个能自己进行绝对重力测量的国家 之一。国家计量科学院从1964年开始研制下落式绝对重力仪，1979年制成准确度为 ±1g.u.的固定式仪器。1980年制造出NIM-Ⅰ型可移式仪器，参加了在巴黎进行的国 际对比，准确度约为±0.2g.u.。1985年又制造出NIM-Ⅱ型可移式绝对重力仪，Ⅱ型 仪器在参加巴黎的第二次国际对比中，准确度为±0.14g.u.，质量也减轻至250kg。目前 世界上最先进的可移式绝对重力仪为20世纪90年代美国标准与科技研究所和AXIS仪器 公司共同研制的FG5型绝对重力仪，精度可达0.01～0.02g.u.，总质量32kg，一个点观 测时间为1～2个小时。现被多个国家引进和使用。
静力法是相对重力测量的基本方法。测定的量是物体平衡位置因重力变化而产生的角位移和线位移，用此来计算两点的重力变化。所用的仪器是重力仪。
『陆』 国际重力基准网
波茨坦重力基准已为世界各国应用了数十年。随着科学研究和生产实践对重力值精度要求的日益提高，以及科学技术本身的不断发展，从1930年起，世界上有些国家陆续利用当时的先进技术在本国测定了绝对重力值，并且在世界大部分地区用摆仪和重力仪进行了国际和洲际间的相对重力联测，其中包括与波茨坦重力基点的联测。结果发现波茨坦基点值含有较大的误差。因此国际大地测量协会一方面着手建立新的国际重力基准，另一方面于1967年决定在波茨坦绝对重力值中减去140g.u.的改正值，作为新的国际重力基准建立前的临时措施。1956年在国际重力委员会的会议上又选定了34个一等世界重力点，组成世界一等重力网（FOWGN)，以加速国际联测。随后由于绝对重力测量和相对测量精度不断的提高，在一些国家又建立了若干个高精度绝对重力点，进行了大量国与国间的相对重力联测，为建立国际重力基准网提供了坚实基础。为此，在1971年国际大地测量和地球物理联合会的全体大会上决定通过国际重力基准网1971（简称IGSN-71），用以代替波茨坦国际重力基准。
IGSN-71重力基准网，采用了下列重力测量资料：一是用三种最新的激光绝对重力仪（按自由落体和对称运动原理）测定的8个重力点上的10个绝对重力值；二是用六种相对摆仪测定的1200个动力相对重力值；三是用五种重力仪测定的23700多个静力相对重力值。其中所使用的这些仪器和方法都是当时最先进和比较先进的，并且在所有的观测结果中都进行了地球潮汐改正，能够保证有较高的精度。这个网根据最小二乘法原理进行了整体平差，在整体平差前又根据初步平差结果将误差大于三倍中误差的联测结果舍去。舍去的结果不到全部结果的3%。根据上述观测结果列出24900多个误差方程，解出1854个点的重力值。由此1854个重力点构成了1971年国际重力基准网，它们分属于108个国家或地区的494个城市。国际重力局将网中的重力点进行编号，并列出其重力值及标准误差。表2-2仅列出该网中8个绝对重力点的平差后重力值。
由IGSN-71网推算出来的波茨坦重力基点的新重力值为
g波＝（9812601.9±1.7）g.u.
将它和旧值相比较，说明旧值大了140g.u.。这和1967年国际大地测量协会决定的改正值是相同的。
表2-2 1971年国际重力基准网中8个点的绝对重力值
『柒』 微重力测量
15.3.1基本原理
微重力测量（Microgravimetry）是在重力测量学基础上发展起来的一个新兴分支学科。因此，微重力位场基础理论、概念等与重力学基本上是相同的，具有其共性，但在特殊性上，突出“微”的性质和特点。它是基于地球引力场基础上，研究不同岩性密度的变化来解决一些特殊地质问题的勘探方法。
微重力测量与常规重力测量不同，是能够达到微伽级精度的重力测量。为保证得到微伽级精度的分析解析结果，其关键在于野外勘测作业的方法、技术上与常规的勘探测量有许多不同的要求、特殊措施和规定，比常规重力测量要复杂得多。在地质等自然条件上，地形、地貌、近仪物体、温度、压力、振动、固体潮等因素的影响；在观测操作技术上，仪器及底盘的放置、调节操作、测点高程等因素都需要专门考虑；记录方法也需要专门的规定。对于微重力观测得到的数据，除与常规重力观测数据改正相同的项目之外，为确保达到微伽级的观测数据的质量要求，还需要进行近物体影响的改正和在一定范围内的建筑物影响的改正。
众所周知，在地球表面及附近空间的一切物体都具有重量，这是物体受重力作用的结果。P0点是地球上任一点，在P0处有一质量为m0的质点（物体），见图15-3，它受到质量为 M的地球对质点m0产生的引力F(M,mo）；同时，质点 m0还受随地球作自转而产生的惯性离心力C(m0）的作用，惯性离心力的方向垂直于地球自转轴指向外。引力与惯性离心力的矢量合成的合力G(M, m0）就是重力。
地质灾害勘查地球物理技术手册
图15-3地球重力场
重力的方向在不同的地点其指向略有不同。由于所以重力 G(M,m0）的方向大致指向地心。
地质灾害勘查地球物理技术手册
质点 Poo不0 仅受地球物质的吸引，还受到太阳、月亮等其他天体物质的吸引。运动中的地球在日、月引力的作用下，重力也还会出现周期性的随时间而变的微小变化。
存在重力作用效应的空间称为重力场。
为了便于对地球内部物质分布进行比较研究，将单位质量所受的重力作为研究标准，称为重力场强度或重力加速度，对重力加速度的测量简称为重力测量。重力测量可分为绝对测量和相对测量。绝对重力测量测的是重力的全值，称为绝对重力值；相对重力测量测的是各点相对于某一基准点的重力差。相对重力测量是现代测量的主要形式。
地球表面上的重力加速度随着地点的不同有所变化。根据测量得到的地面上的重力变化来研究地下的地质构造特点，勘探矿藏、地下人工建筑物体以及一些人类活动遗迹，是微重力探查的主要内容。由于岩石受力变形，地下洞穴等的差异会产生微重力场的变化，通过研究这种变化可以达到勘查地质灾害的目的，如滑坡、塌陷、地面沉降等。
一般地表重力加速度的变化原因主要有：
（1）地球的实际形状比较复杂，是一个北极稍突出、南极缩入，赤道半径较两极半径稍大的类似梨状的扁球体，并且地面是起伏不平的；
（2）地球绕一定的旋转轴自转；
（3）地球内部，特别是地壳岩石圈层及其附近的物质，密度分布不均匀，这是地球历史上多次复杂的地质作用造成的结果，因此这种不均匀与地质构造、矿产分布有着密切的关系；
（4）人类的历史活动在接近地表形成的遗迹和人工建筑物体的存在，造成局部地区密度分布的微小变化。
15.3.2观测方法
测量重力的方法可分为动力法和静力法。动力法是观测物体在重力作用下的运动，直接测定的量是时间和路程；静力法是观测物体的平衡，直接测定的量是物体因重力变化而发生的线位移和角位移。
图15-4重力仪简单工作原理
采用静力法进行相对重力测量是重力勘探的主要方法，所用的仪器为重力仪。根据测量方式的不同，重力测量又有重力测量和重力垂直梯度测量之分。重力测量是指直接测取测点的重力加速度（绝对值或相对值）；重力垂直梯度测量是指测量地球重力沿铅垂方向的变化率。
图15-4是重力仪简单工作原理图。弹簧原长为 S0，其上端固定在支架上，下端悬挂一个质量为 M的负荷。在重力gG的作用下，弹簧
长度由 So伸长到 SG，于是有
式中：K为弹簧的弹力系数。如果将它移到另一点 A，在该点重力gA的作用下弹簧的长度为SA，则
地质灾害勘查地球物理技术手册
在S0不变的情况下，A、G两点的重力差可由下式决定
地质灾害勘查地球物理技术手册
式中：
当基准点上的绝对重力值已知时，通过相对重力测定也可求出观测点的绝对重力值，即：
地质灾害勘查地球物理技术手册
15.3.3技术要求
15.3.3.1微重力测量的分类与布点原则
在工程上，微重力测量一般可分为两类：①剖面测量，剖面一般垂直于线型地下结构（如断层、背斜、向斜和隐伏河道）的设定走向；②面积测量，主要探测地下地质体大小、形态和分布。无论剖面或面积测量，重力测点位置的相对高程必须用测地方法来确定。
用以进行勘探的野外程序取决于勘探的目的和有关数据校正的要求，微重力勘探的测量是相对于局部地区的参考点而进行的，并不需要确定绝对重力值。至于面积测量中的比例尺，可按工程的需要确定，1:200至1∶1000不等。
微重力测量的布点原则：
（1）将所探测的对象或异常布置在测线或测区的中心；
（2）测线或测区内应尽可能覆盖在与探测对象有关的地质体附近；
（3）测线方向应尽量垂直于探测对象的走向，并尽可能与已知的地质剖面一致；
（4）测点距应小于可信异常宽度的1/2～1/3，保证至少有四个测点能反映出上述异常；
（5）测线距不大于地质体在地面上投影长度的1/2～1/3。
15.3.3.2微重力测量中的测地工作
（1）测地工作的任务
测地的主要任务在于：①按照微重力勘测设计的要求在工区布设测线或测网（面积测量），确定测点的坐标，以便绘制图件并作正常重力（纬度）校正；②测定测点的高程，以便进行空间（高度）、中间层校正（当然还要求测定岩土密度）；③在地形起伏地区，需作相应比例尺的地形测量，以便进行地改。
（2）测地工作的方法与要求
测地工作方法与要求为：①用经纬仪或测距仪测量重力点的坐标，该坐标可以附属于国家网（点）或是独立坐标；②用水准仪或测距仪测量重力点的高程，精度可按Ⅳ等水准的要求，该高程应附属于国家高程系统；③在做地形测量时，如果在重力点附近（0～4m）高程精度为1cm左右，在4～10m处的精度为2cm左右，10～100m为5cm左右，100m以上可以稍差，最后算得的地改精度有可能达到3×10-8m·s-2；④在进行地下微重力测量时，除按上述要求测定点位和高程外，还需对平硐的各处截面进行位置和高程的测量，以便作平硐改正；⑤在靠近建筑物如墙壁、石柱、仪器墩作微重力测量或梯度测量时，需对它们的相对位置、形状、大小等进行测量，以便作近仪物体和建筑物的改正。
15.3.3.3微重力测量野外记录的要求与记录的内容
（1）微重力测量记录本的记录项目
微重力测量的记录本记录的项目，根据其特点应包括如下内容：①光学位移灵敏度；②读数线；③运输方式；④仪器名称和编号；⑤纵水泡二端读数；⑥横水泡二端读数；⑦重力读数时间和读数；⑧地面（测点桩）和仪器底边距离；⑨气压、气温和仪器内温；⑩外界干扰描述，包括风和震动；（1点）位描述；（12测）点位周围地形、地貌描述。
（2）近仪物体测量记录本的记录项目
由于近仪物体的测量和测区内的地形地貌测量可以同步进行，因此近仪物体记录本也可以用于近区的实地地形地貌测量。该记录本应记录如下内容：①工区内平面草图，该草图包括所有被测物体的平面图和编号，并且有方位；②每个被测物体的素描图及编号，该编号要和平面草图的编号一致，并且有方位；③若被测物体的素图被分割成若干个正规几何体，则每个分割体要画出详细图件，分割体的编号与素图的编号一致，而且和记录纸中的编号一致，详图内各几何体标上位置标记和密度标记，以提供测量时用，并且要有方位。
15.3.4微重力观测数据的整理
由于微重力测量要求有很高的精度，即达到微伽级的精度，因此在观测时以及做各种处理计算、分析解释之前需要进行许多校正、改正和处理。
15.3.4.1观测数据的处理及改正
一个测点的观测值gi可用下式来表达：
地质灾害勘查地球物理技术手册
式中：gi为换算后的测点上的重力值；f(zi）为根据格值表及标定值（线性、二次项）将读数值zi换算成重力值的换算（格值）函数；Cm为磁场系数，可从实验室标定；mg为磁场强度，如在每个测点上严格将仪器定向朝北及避开强磁场干扰，则此项可以忽略；CT为温度系数，可从实验室标定，mT为温差，一般此项亦可忽略；δ为潮汐因子，它因地区而异，一般取为1.16,GT为观测时刻的固体潮理论值；P为周期误差个数；A。为周期误差振幅，
15.3.4.2正常重力改正、高度（空间）改正和中间层改正
（1）正常重力改正：对于微重力测量，通常可以对基点指定一参考纬度，然后用下式计算所有其他测点的纬度校正：
地质灾害勘查地球物理技术手册
式中：△gZL以μGal为单位；△L为距基点（或参考点）的南北向距离，以m为单位；φ为参考纬度；如果要校正的测点在基点之南则用正号，如果在北则用负号。
（2）高度（空间）校正：由于微重力测量是相对于一任意参考高程的（基点的高程，或大地水准面的高程，或平均海平面的高程），而且只需相对于参考高程的测点高程，所以高度（空间）校正公式为：
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式中：△gZFA以μGal为单位；△h为需要校正的测点和参考高程之间的高程差，以m为单位；正号用于比参考高程高的测点，负号则用于比参考高程低的测点。
（3）中间层校正（即布格校正）：对于中间层布格校正，要选择一参考高程，最好是与高度（空间）校正相同的参考高程，并将每一个测点同参考高程之间用无限水平板的物质来近似，则布格校正公式为：
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式中：ΔgZ布校以μGal为单位；ρ为平板的密度（g/cm3）；Δh是被校正测点和参考高程之间的高程差，以m为单位；当测点高于参考高程时取负号，反之取正号。
15.3.4.3地形改正
地形改正对于微重力测量极为重要，是影响重力异常计算的主要因素。地形改正主要的计算方式有以下三种。
（1）表面积分法：表面积分法的基本原理是将重力地形改正的体积分计算，按高斯定理转变为关于地形面及地形改正点所有水准面的表面积分算式，并采用三角形面拟合地形起伏，每个三角形单元的积分用高斯公式数值求积。该方法的优点在于精度较高，计算速度快，灵活性较大，它可以用于远区、中区和近区改正。
（2)FFT地改计算：FFT地改计算方法即快速傅氏变换地形改正计算方法，特点是公式简单，易于在计算机上快速实现。
（3）分区计算法：分区计算法是将地形改正范围分为近区、中区、远区。近区采用斜顶面三棱柱模型，中区和远区采用方柱体公式。
15.3.4.4近仪物体对微重力测量影响的改正
（1）观测仪器墩的重力效应改正：观测仪器墩是最近仪器的物体，对于重力测量的影响不可忽略，一般采取圆柱体、截头圆锥体、方柱体作为几何体模型进行改正。至于仪器周围的墙壁或崖岩体，则可以用方柱体（立方、长方形柱体）等模型组合而成，根据其实测密度计算重力效应并进行改正。
（2）建筑物影响的改正：微重力测量经常在建筑物群中，甚至在建筑物脚下和建筑物内部进行。巨大的建筑物质量的影响，也可称其为“近仪质量”的影响。由于一般的建筑物形状多是规则的几何体，在考虑其影响时，可将建筑物分解成若干个长方体（包括斜长体）、圆柱体、圆球、棱柱体的组合。如果将建筑物划分的足够细，并以相应的规则体（长方、圆柱、球体等）的效应理论公式计算出各自的重力值、重力垂直梯度值等，就可以较精确地计算出建筑物的总体重力效应、重力场分布及相应的改正值。
15.3.5微重力测量的数据处理
微重力数据处理的主要目的是：
（1）消除因重力测量和对重力测量结果进行各项校正时引进的一些误差，或消除与勘探目的无关的某些近地表小型密度不均匀体的干扰；
（2）从多种地质因素所引起的叠加异常中，划分出与重力勘探目标有关的异常；
（3）根据重力勘探问题的需要，进行位场转化。
15.3.5.1曲线平滑
曲线平滑处理用以消除野外重力测量观测误差和对测量结果进行各项校正时引起的误差。
（1）徒手平滑法：有经验的技术人员根据异常曲线的变化规律，直接平滑异常曲线。徒手平滑应注意平滑前后各相应点重力异常值的偏差不应超过实测异常的均方误差，而且尽可能使平滑前后异常曲线所形成的面积相等，重心不变。
（2）多次平均法：把两个相邻点的重力异常平均值作为两点中点的异常值，直到最后达到期望的平滑程度时再徒手光滑曲线。
（3）剖面异常的平滑公式：包括线性平滑公式和二次曲线平滑公式。
线性平滑公式：
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某一点的平滑值是在剖面上以该点为中心取奇数点的算术平均值。由m=1、2、3……可分别得3、5、7……点平滑公式。
二次曲线平滑公式：包括五点和七点平滑公式。
五点平滑公式为：
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七点平滑公式为：（4）平面异常的平滑公式：线性平滑公式（见前）。
地质灾害勘查地球物理技术手册
五点平滑公式：
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九点平滑公式：
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15.3.5.2区域异常与局部异常的划分
区域异常一般是由相对埋藏较深，或分布范围大的剩余质量所引起；局部异常一般由相对浅或小的地质体所引起。在进行地质解释，尤其是进行定量解释之前，需对叠加异常进行处理，划分出区域异常和局部异常。其常用方法有：
（1）图解法：图解法分为平行直线法和平滑曲线法两种，平行直线法适用于区域重力异常沿水平方向呈线性变化的地区；平滑曲线法适用于区域重力异常等值线不能用平行直线而只能用曲线表示。
（2）数值计算法：包括偏差法、圆周法、网络法等。
（3）多项式拟合法、趋势分析法。
15.3.5.3位场的转换
位场转换主要为了便于进行反问题的处理，主要内容包括：
（1）由观测平面上的重力观测值换算同一平面上的重力异常二阶、三阶偏导数（Vxz、Vzz、Vzz2）等各阶系数，即重力异常的导数换算。
（2）由观测平面上的重力观测值换算异常源以外任意点上的△g、Vxz、Vzz、Vzz2等为重力异常的解析延拓。
15.3.5.4微重力测量数据反演方法
微重力测量数据的反演是微重力异常定量解释的基础。反演前必须对叠加异常作认真分析，并设法提取与勘探目标有关的重力异常，这样才可能对引起异常的地质体作出定量解释。
（1）解析法：我们知道，地质体的△g、Vxz、Vzz和Vzz2是其产状要素、剩余质量及观测点坐标的函数。反之，如果把地质体的产状要素或剩余质量等表示成重力异常（或其导数）及观测点坐标的函数，则当这些地质体产生的△g（或其各阶导数）为已知时，便可以根据这种函数关系求出地质体的产状要素及剩余质量等参数。计算方法包括△g异常曲线求解和Vxz、Vzz、Vzz2曲线求解。
（2）切线法：利用异常曲线特征点的切线，用图解的方法求取物体顶部（或中心）的近似埋藏深度。
（3）选择法：根据实测重力异常的剖面异常曲线或重力异常平面图上重力异常等值线分布和变化的基本特征，结合工作地区的地质和其他地球物理资料，给出引起这种重力异常的地质体的模型，并利用解正问题的方法计算模型体的理论异常，再把理论异常与实测异常进行对比，当两者在所允许的误差范围内时，则所给定的地质体的模型即为所求的解。
（4）直接法：直接利用剖面曲线或平面图上重力异常的分布，通过积分运算来求解异常体的某些参数，如三度体的剩余质量、质心坐标或二度体的横截面积和质心坐标等。
（5）密度分界面的反演：根据实测的重力异常确定地下密度分界面的起伏，对于研究地质构造十分重要。要使这一工作取得良好的效果，必须具备以下条件：①用来进行反演计算的重力异常是由密度界面起伏所引起；②界面上下物质层的密度分布比较均匀，且已知它们的密度差；③在工区内至少有一个或几个点的界面深度为已知。求解密度界面的方法有：线性公式求解法、二级近似公式求解法、压缩质面法等。
（6）浅层应力场反演：以弹性力学平衡方程为理论基础推导出计算地壳浅层应力场的计算公式，并利用地表实测重力资料来反演浅部应力场，以此来探讨一些地质体的力学机理和稳定性趋势。
15.3.6微重力异常地质解释
微重力异常的地质解释可分为定性解释和定量解释。定性解释是根据重力异常基本特征和已知的地质和其他地球物理资料，对引起重力异常的地质原因作出判断。定量解释是在条件具备的情况下，对一些有意义的异常进行定量计算，求出地质体的某些产状。
解释重力异常之前，必须认真考虑重力异常的等效源以及由此而带来的重力勘探反问题的多解性。因此在进行资料解释时要尽可能获取更多信息，以缩小解的范围。
（1）充分利用工作区的已知地质条件，如地层及岩石的种类、构造产状等，以使反问题的解尽量符合客观实际；
（2）岩石密度资料不仅是布置重力勘探工作的依据，也是解重力勘探反问题的重要参数，应当认真收集和分析利用，必要时可采集标本进行直接测定或通过地表重力数据和井中测量数据间接测定；
（3）充分利用钻井资料，从中收集各种地层的准确厚度和各种岩石的物理性质，以便获取解释异常所需的重要资料；
（4）各种地球物理资料可以对重力异常的解释起补充和旁证的作用，应充分利用。
15.3.7成果的表达形式
微重力测量的成果形式主要有：重力异常平面等值线图和重力异常剖面曲线图；各种偏导数平面等值线、剖面曲线图；解析延拓平面等值线图、剖面图；各种推断解释图件等。
15.3.8展望
微重力测量是一种新兴的勘探方法，虽然其野外测量及资料处理比较复杂，但具有不受地形限制、不受各种电磁影响、异常体反映灵敏度高的特点，在地质灾害勘探方面能够发挥更积极的作用，如地面塌陷、滑坡、泥石流、崩塌、地裂缝、库岸、地面沉降的地质调查等各方面均有较好的应用前景。
15.3.9仪器设备
微重力勘探的仪器设备见表15-4。
表15-4微重力测量仪器一览表
『捌』 世界重力基点
相对重力测量测定的是两点的重力差。为了求得绝对重力值，必须有一个已知的绝对重力点作为相对重力测量的起始点。为此必须建立统一的重力基准。世界公认的重力起始点称为世界重力基点，历史上有过两个国际重力基准，一是1900年举行的国际大地测量协会通过采用的维也纳重力基点，其绝对重力值为
g维＝（9812900±100）g.u.
由此推算的绝对重力值称为维也纳系统，因其精度较低，所以以后很少采用。另一个是1909年举行的国际大地测量协会会议上决定采用波茨坦重力基点，其绝对重力值为
g波＝（9812742±30）g.u.
从该点出发推算的绝对重力值称为波茨坦系统。波茨坦绝对重力值是在1894～1904年期间利用五个可倒摆进行测定的。
后来，由于科技的发展，标准频率和光干涉技术的广泛应用，使得微区间的测时和测距相对精度大大提高。日本学者佐久间晃彦博士设计出一台自由落体型的绝对重力仪。该仪器在塞弗尔点进行长期观测并获得了0.01g.u.（即微伽级）的精度。1971年，十五届国际大地测量与地球物理联合会（IUGG）采用他的结果，并建立了新的国际重力基准，从而结束了波茨坦全球重力起始点的历史。塞弗尔点的绝对重力值为
g塞＝（9809259.49±0.054）g.u.