地球重力場的監測與地震預報
重力是什麼，簡單講任何有質量的物體都會受到地球的吸引，這個力就是重力。重力標準定義為萬有引力與地球自轉離心力的合力，方向總是垂直向下。在初中的物理學教科書上我們都學過萬有引力定律。但在400年前，英國科學家牛頓還沒有提出這個定律之前大家都不知道有這種力的存在。重力的英文Gravity這個詞最早來源於拉丁文的Gravis，意思是重量。
我們知道了有重力的存在，但是怎麼度量它的大小呢？最早的重力測量，可以追溯到1590年，義大利科學家伽利略在比薩斜塔上做了「兩個鐵球同時落地」的著名實驗，當時他發現了自由落體運動。從重力的度量單位「米每秒方」，我們知道只要能精確度量出時間和距離，就可以計算得到重力加速度值。經過幾百年的發展，重力測量的精度不斷提高，但直到現在，絕對重力測量儀器都還在使用「自由落體」原理，只不過時間和距離的計量方法更加精確了。
我們的地球由於質量不均勻，各種圈層物質在循環運動，你身邊的重力場也時刻都發生著變化。學過初中物理的人都知道9.8這個常用的重力加速度值，現在最靈敏的重力儀通常以這個值小數點後第八位的數字變化來度量重力場，這個單位有一個新的名字叫微伽。但能引起微伽級重力場變化的因素很多，比如：固體潮汐、海潮、大氣壓的變化、下雨、地下水減少、地球的極移等等。在這些因素裡面，能準確計算或預測的重力變化包括固體潮、海潮和極移。在眾多地球物理場變化中，固體潮汐預報也許是人類目前能做的最最準確的預報了，這裡可以強調一下——沒有之一。有了人類對重力場變化規律的了解和精密的重力測量儀器，科學家們就想到可以用這個方法來了解十幾公里深度經常發生地震的那些地方發生了什麼。這個idea早在上世紀60年代就提出來了，很多科學家付出了大量的努力和實踐來嘗試用重力測量手段來研究地震發生前的地下介質變化。唐山大地震後，中美合作開展過聯合攻關。下圖是一份塵封已久的美國自然科學基金申請書，三十年前時任美國哥倫比亞大學拉蒙特-多爾蒂地質觀象台的郭宗汾教授就帶著最先進的儀器和設備來到華北地區，開展過重力場變化與地震之間關係的研究工作。
一份塵封已久的美國自然科學基金申請書：三十年前時任美國哥倫比亞大學拉蒙特-多爾蒂地質觀象台的郭宗汾教授來華北地區開展重力場變化與地震之間關係的研究工作
說到這裡可能會有人問，既然從那個時候就研究，為啥現在還沒解決地震預報的問題，話說回來，如果那麼容易，美國人還能等你們先研究出來？到這裡明眼人也許可以看出來，用重力方法來研究地球質量變化問題，絕對是一把雙刃劍，它很敏感，有質量變化必然產生重力變化；首先是你能不能測量出來，其次是你即便能測量出來，能否準確分離出想要的信號。
上世紀七十年代，以Lacoste-Romberg型相對重力儀問世為標誌，重力場測量的精度達到微伽量級，全球範圍內多次大地震前都有觀測到了區域重力場變化的報道。從重力場變化的成因方面，地下物質運移假說被多次提出。經過多年的科學研究和文獻成果，現在可以明確的認識是：地震活動作為構造運動的一種表現形式，通常在孕震期會產生一定時空尺度的區域重力場變化。但這種重力場隨著時間的變化量級微弱，而通過現代高精度的重力測量手段則可以有效地監測到一定空間尺度的重力位變化。以監測地殼運動、研究與地震活動相關的重力場變化為目的的高精度重力測量，可以稱為地震重力測量。
地震重力測量與勘探重力測量、大地重力測量的不同之處在於：地震重力測點跨度大，間距多為十幾公里至幾十公里，且需要定期同點位複測，由於以相對重力測量為主，長期以來觀測精度一直是制約其發展的瓶頸問題。由於地球重力場的非潮汐部分其空間變化遠大於時間變化，並且地震重力測量到的物理量變化僅為十幾至幾十微伽量級，同時，由於儀器、環境等因素帶來的誤差就在幾微伽至十幾微伽量級，因此，地震微重力測量數據具有低信噪比特性。外加地震重力測量由於儀器需要人工搬運、測量閉合時間要求盡量較短，為了保證工作效率，通常選擇有公路和通過性好的地形條件位置進行測網設計，因此，地震重力測量的測點空間位置分布是不均勻、且有限的。由此帶來的問題即是測量得到的重力場變化信號是局部的，且空間分布不完整。
最後，回到地震預報問題，有人說地震預報為什麼難，因為地震都發生在十幾公里的地下，地下什麼情況看不見摸不著。而重力方法一直被寄予厚望，其原因就在於重力方法作為一種物理手段與幾何方法不同，它具有感知遙遠介質物理屬性變化的能力，而且不像電磁場那樣容易受到人類活動的干擾。值得一提的是就在2016年11月，國際著名期刊Nature子刊就發表了一篇關於探測到2011年日本311大地震重力信號的文章。文章原理很簡單，就是地震發生的一刻，會發生質量變化，造成的引力場變化信號瞬間即可被百公里外的高精度超導重力儀探測到，重力信號比地震波到達快幾十秒，因此，可以用這種方法來實現地震預警。是不是想想就很高大上？當然要想把這篇文章提到的重力預警用於實踐還很難，但是我們難道不該努力一下嗎？
2016年11月國際著名期刊Nature子刊發表的一篇
關於探測到2011年日本311大地震重力信號的文章
說到這裡有人說你提到這個地震預警和地震預報概念不一樣，我這裡不過是先找一個權威的材料想來個剖磚引玉。試想按照牛人文章中提到的最新科技，如果百公里外質量變化的信號可以被探測，想想我們地殼裡面常發生地震的地方有多遠，十幾公里吧？如果我們在距最近的地表，架設好高精度的重力探測設備，是不是孕震區發生的任何質量變化都有可能被探測到？如果我們能再改進一下觀測系統，提取或定位出發生質量變化的位置，那就是否有可能把地震預報問題向前推動一步呢？
最後，我還要補充一點，現在重力測量探測的精度與三十年前相比已經有了翻天覆地的進步，高精度的超導重力儀和絕對重力儀已經完全商品化，觀測精度相比以前可以提高一個量級。我相信三十年前那些大科學家選擇的攻關方向沒錯，現在的任務就在我們身上，能否有勇氣面對前人沒解決的科學問題、迎難而上，我想答案不言自明。
陳石：博士，中國地震局地球物理研究所研究員、數字地震學與震源物理研究室副主任；中國地球物理學會地球物理技術委員會重力專業學科組專家；中國地震學會地震預報專業委員會委員；中國地震學會青年科技工作委員會委員。多個學術期刊重力學及相關領域審稿專家。
