陆地重力测量仪器技术发展史

经验人：周 鹏 李 辉

陆地重力测量仪器技术发展史

经验人：周 鹏 李 辉

重力测量属于大地测量学、固体地球物理学、应用地球物理学的交叉内容，其在国土测绘、地震、地质、资源勘探等行业有着十分重要的作用。重力测量的发展是伴随测量仪器而发展的。回顾陆地重力测量仪器技术自17世纪以来的发展历史，有助于让我们看清世界重力测量仪器发展的现状和方向，进而努力缩小与世界先进技术间的差距。

世纪前的发展

这为重力测量奠定了理论基础。惠更斯还研制出了第一架摆钟，成为此后200多年间测定重力的唯一工具。1733年前后，拉康达明首次用物理摆测出的值精度达

世纪的发展

进入19世纪初，重力测量发展了新的测量方法和可移动的测量仪器。1811年鲍年倍格（J.Bohnenberger）阐述了可倒摆原理。1818年卡特（H.Kater）制成第一台可供野外观测的可倒摆仪器，测量误差精度约为1828年贝塞尔（F.W.Bessil）在研究了可倒摆理论和误差源后，研制出的摆线进行绝对重力测量误差精度已经提高到约这些重力测量都是直接测定某地的值，称为绝对重力测量。而毕奥（J.B.Biot）和卡特（H.Kater）研制了摆长恒定不变的摆，其所测得的是相对某一确定参考值的重力差值，精度为，称作相对重力测量。可以看到在早期，绝对重力测量技术占主导地位。

19世纪末期，R.von Sterneck设计的摆仪被广泛用于重力差值测定，在每个测点上进行半天至一天的观测，可使获得的重力差值的精度从提高到。此时我们可以说正式跨入了相对重力测量阶段，同时对绝对重力测量精度的要求自然也更高了。赫尔默特（F.R.Helment）首次使用奥地利基准台的重力值，建立了“维也纳重力系统（基准）”，并于1900年在巴黎举行的国际大地测量学协会会议上通过成为世界上第一个国际重力基准。1989～1904年库宁（F.Kühnen）和冯特万勒尔（Ph.Furtwängler）在德国波茨坦完成了新的绝对重力测量，其观测结果被1909年在伦敦举行的国际大地测量学协会会议确定为“波茨坦重力系统（基准）”，被世界使用至1971年。

世纪的发展

20世纪初期，厄特沃什（R.Von.Eötvös）研制出适用于野外观测的扭秤，在匈牙利进行了近十年的观测，所测定的水平重力梯度结果可反映地下密度变化，后被广泛应用于石油勘探。从1920年开始所应用的斯坦纳克摆仪进行相对摆测量又有了长足进展，观测的重力差值精度提高到了

由于使用摆仪和扭秤观测过于费时（每点需1～6h），且扭秤只能在平原地区测定单一的构造，对大区域快速测量已不再适用，新型重力仪便应运而生。

从20世纪30年代初至50年代间，将近20种达到生产水平的各型弹簧重力仪相继问世。

1932年哈特利（Hartley）、1938年格拉夫（A.Graf）以垂直弹簧秤为基础研制出了杠杆弹簧扭秤系统，由此诞生了德国阿斯卡利亚（Askania）GS型重力仪，其精度从最初的最后提高到了约从1970年开始，由于其外形大、质量重，在野外作业中已被以LaCoste＆amp;Romberg型、Scintrex CG型便携式重力仪所取代，不过经改进后仍可用于重力固体潮连续观测。

1939年美国的拉科斯特（J.B.LaCoste）依据零长弹簧的长周期垂直地震仪的概念（LaCoste，1934）提出了最早的高精度拉科斯特-隆贝格（LaCoste＆amp;Romberg）助动金属弹簧重力仪的结构，于1945年开始大量生产，精度从最初的提高到了（20世纪末），甚至到20世纪末 LCR型重力仪仍被很多使用者视为最好的相对重力仪。

1947年美国的沃登（Sam.P.Worden）研制成功了助动石英弹簧重力仪，此后其他制造商以同样的原理生产了类似的石英弹簧重力仪，如加拿大Scintrex公司的CG型、苏联的GAK型重力仪，测量精度从最初的提高到了（20世纪70年代）。自40年代起此类重力仪被普遍使用，测量精度也不断提高到观测时间已缩短到10～30min，测程已可以覆盖地球上最大的重力差值。

20世纪30年代以来，随着弹簧重力仪的飞速发展，使得重力测量从实验室逐步走到了广阔而充满生气的原野，而且在大地测量和地球物理勘探等领域大显身手。让一个原来单纯的物理学原理和现象紧紧地与人类的经济和生产活动联系起来。因此可以说，这一时期是重力测量发展史上的一个里程碑。但我们也要看到，直到50年代的这20年中，测量地球重力的方式和方法基本没有太大改变，只是在精度上有所提高。

随着相对重力测量重力仪的发展，进行绝对重力测量所使用的仪器仍然是可倒摆仪。1946年伏莱（C.Colet）重新提出应用自由落体原理测定重力值，并在1952年实现的精度。1963年Sakuma＆amp;J.E.Faller利用麦克尔逊干涉仪原理进行自由落体中的距离时间同步观测，获得了精度的绝对重力值，此后这种可移动式重力仪首次在新的世界重力网建立中获得成功。1965年Cook试验了对称上升和下落的方法以减小空气阻力。此后把自由落体原理制作的测量仪器称为“绝对重力仪”，绝对重力仪也赶上了时代发展的步伐。80年代后，绝对重力仪向着小型、轻便、可移动和高效率、高精度方向发展。此后法拉（J.E.Faller）在之前基础上制成了JILA型轻便绝对重力仪，此后不断改进于1993年研制出新一代商业化可移动式FG5型绝对重力仪，精度可达，并于1998年成立现在我们相当熟悉的Micro-g公司。

1950年以来，伴随陆地重力测量仪器技术的发展，世界各国的重力网得到大规模更新。当人们发现“波茨坦重力系统”存在一个约的误差时，1948-1960年间，伍尔拉德（G.D.Woollard）采用格拉夫型摆和沃登重力仪建立了全球新的重力基准网。1971年在莫斯科举行的国际大地测量学和地球物理学联合会第15届大会上决定采用其结果建立“国际重力基准网（I.S.G.N.71）”，该网点值平均精度为0.1mGal。

当前的发展

进入20世纪后期到当前的阶段，至今仍发展应用的重力仪已经屈指可数。

相对重力仪方面，LaCoste＆amp;Romberg金属弹簧重力仪已经停产，不过至今仍在使用。随着计算机技术和网络技术的发展，其后被Scintrex CG5型全自动石英弹簧重力仪所取代，现在已经成为世界主流的相对重力仪，目前已经生产了一千多台，供不应求。不久一款全自动金属弹簧重力仪在LCR重力仪的基础上被研发出来，这就是Burris型重力仪，它可以说是LCR型重力仪的数字升级版。它们的测量精度已经达到，实测中有的仪器还会更高。此外，用于台站定点连续观测的相对重力仪也有发展。从早期的阿斯卡尼亚GS型，到后来拉科斯特的LCR-ET型、PET型、TGR型到目前使用最多的是Micro-g公司的gphone型金属弹簧重力仪，其精度已经可以达到。我国曾于1986年研制了DZW型连续重力仪，现在经过数字化改造仍在地震系统中使用。1968年Prothero和Goodkind研制出了第一种超导重力仪，其利用不同于弹簧型重力仪的原理，根据特定金属的超导特性研制。现今只有一款美国GWR公司生产的GWR-T型超导重力仪在使用，其精度达到了是目前精度最高的相对重力仪。

绝对重力仪方面，Micro-g公司至今生产的JILA型、FG5型、A10型、FG5X型绝对重力仪牢牢占据世界95％以上的市场份额，其精度已达到A10型当然开展这类绝对重力仪研制的国家还有很多，如俄罗斯、日本、意大利，而我国的中科院测量与地球物理研究所、中国计量科学研究院、清华大学、中国地震局地震研究所、地球物理研究所等机构也都有各自的研究产品，但是从精度和稳定性上都没有达到目前使用的各型绝对重力仪的标准。

总结

通过一部将近400年的重力测量仪器技术发展史，一方面再一次印证了科学技术是第一生产力的论断，另一方面也给我们国家自身在重力测量仪器技术发展与世界发展趋势对比提供了一定的参考系。我国在高精尖科技方面的差距是明显而巨大的，尤其是重力测量仪器方面更是如此。目前活跃在我国测绘、地震、地质、资源勘探等行业中的重力仪几乎全都是高价进口产品。其实重力测量原理很简单，但是从重力测量仪器技术历史发展来看，我们缺乏的是创新思维和精密生产工艺及材料。随着我国改革发展的进一步深入，相信在不久的将来，我国自主生产的高精度重力测量仪器能在世界市场占据一席之地。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.10.045