开设“地球重力场与人类生活”公选课程的探索

摘要：地球表面的任何物体都受到地球重力的作用，而地球重力场的自然过程规律及变化又与人类活动息息相关。本文概述了地球重力场的基本概念及其观测与应用，阐述了在我校以“地球科学”学科为主导的学科体系开设该类公选课程及课程设计的重要性。课程的开设将对培养具备一定的地学知识的综合型人才具有重要意义。

关键词：地球重力场；人类生活；公选课

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）03-0110-02

一、地球重力场

地球是一个具有明显圈层结构特征的非均匀质体。总体上说，地球圈层分为地球外圈和地球内圈两大部分。其中，地球内圈分为地幔圈、液态外核圈和固态内核圈。各圈层可根据密度结构划分成更细的层，各圈层的密度结构各不相同，同时，各圈层之间存在着极为复杂的耦合作用。地球表面静止物体所受的作用力为引力和地球自转离心力的合力，通常称为重力，它的物理量是重力加速度。地球重力场是表征地球介质密度变化和各种环境下（如固体潮汐、内部热流、固体和液体之间的质量交换、表面负荷和构造运动等）动力学特征的最基本和最直接的物理量[1]。因此，地球重力场不仅存在着空间变化而且存在着时间变化，地球表面重力观测随时间的变化，形成时变重力信号。时变重力信号有很宽的频谱范围，周期变化范围可从几秒到一年以上，其中大部分理论上已知的地球动力学现象都可通过高精度连续重力测量，所获得的不同时间尺度的重力变化，可用于揭示地壳均衡、地壳形变、冰后回弹、自由振荡等地球的动力学过程，以及与人类活动相关的重力场时变成因。

二、地球重力场的观测与应用

准确的地球重力值可通过绝对重力测量获得，它不仅是大地测量、区域性乃至全球性地球重力场标定的基础，也被广泛应用于地壳非潮汐形变监测、海平面变化、地震及震后效应、火山活动等现象的研究领域。随着资源开发和环境监测日益增长，高精度绝对重力测量也逐步延伸到这些领域[2]。随着科学技术的发展，高精度连续重力仪器已经取得在小型化、自动化及智能化等方面的发展。利用全球重力观测网络获得的重力场时间变化资料能够用以研究地球物理学和地球动力学中的热点问题[3]。与此同时，GRACE卫星时变重力模型的发布，使得利用卫星重力数据研究地球全球性乃至区域性物质质量变迁成为可能。进入21世纪以来，地面与卫星时变重力观测逐渐受到重视，在很大程度上促进了地球重力场的研究进展，其中，与人类活动及生活息息相关的应用领域主要包括三个方面：（1）解决行星间系统下的地球动力学变化特征及地球内部参数的确定问题，例如，地球本身的固有运动，地球重力潮汐（固体潮）、地球自转及同震重力响应时变重力观测等。（2）解决非唯一性的地球内部物质迁移与结构问题，例如，地球相对稳定重力场的应用，圈层结构及资源勘探。（3）解决人类活动时间尺度下的地表物质迁移与环境问题，例如，地表及以上物质迁移的监测，以及地表负荷激发的地球动力学响应。

三、高校开设相关领域课程的现状

“重力学/重力勘探”等课程是目前国内外高校在地球科学领域中开设的主要专业骨干课，通过重力测量技术和观测数据解译技术以及相关的理论的讲授，为进一步从事地球物理基础研究和应用研究打下基础[1]。重力学（重力勘探）是地球物理学（地球物理勘探）的一个分支[4]，由于专业的实践性和应用性都很强，因此，少有高校开设与其内容相关的公选课程，对于“地球物理学”及“大地测量学”专业外的学生而言，很难接触并了解跟我们人类活动与生活息息相关的地球重力场及其相关的地球科学问题。中国地质大学（武汉）自建校以来，始终大力构建“以地球系统科学为主导”的学科体系，积极发展应用科学、前沿科学，以及与社会经济发展密切相关的信息等新兴交叉学科。通过开设该公选课程，为其他学科专业学生提供认知地球重力场的学习与交流平台，了解与熟悉相关重力测量理论与方法，结合目前地球重力场研究领域的发展现状，加深对地球重力场探测及其相关地学应用与人类生活之间关系的理解。

四、“地球重力场与人类生活”公选课程设计

在国内，关于“重力学”及“重力勘探”等方面的教材较多，主要面向的对象为地球物理学及大地测量学等专业学生，教材涉及的内容主要涵盖了概念、基本理论公式、处理方法及实际应用解释等，但是还没有地球重力场直接与人类活动等科学问题配套的教材。其原因一方面是此类内容多是近年来地球科学领域与社会关注的热点问题，通常以科学研究的通讯新闻或科技论文的形式发表，体现了课程所设计内容的实时性与重要性。因此，课程以认识地球重力场为主线，结合最新的科技文献等热点信息资料，以讲授故事、分享实例及相互交流等形式，增加学生对地球科学学科的感性认识，提高学生的学习兴趣。以上课程内容按24个学时设置，主要涵盖了4个方面的内容。

1.地球重力场介绍。主要介绍地球重力的组成、引力及惯性离心力分布特征、人类对于重力现象的认识过程经历了几次大飞跃；重力的单位、重力位、引力位、水准面、大地水准面等基本概念；分析直角坐标系中地球重力场（包括各个分量）的基本表达式、重力位与重力的关系等基本关系，着重讲解地球重力场、重力位、及大地水准面等问题。

2.重力观测方式介绍。主要介绍重力测量仪器以及观测的主要方式等，重点介绍卫星重力观测的基本原理与观测方式。通过简单地讲解“重力测量仪器”或“卫星传感器”的基本原理，使学生了解用于测量的重力仪技术要求等功能原理，其中主要以发展历史、图片展示的过程进行针对性讲授。

3.人类活动与生活相关的地球重力场应用。地球表面的任何物体都受到地球重力的作用，地表重力不仅随不同的时间与地点而变化，并且与地下物质密度分布不均匀以及物质迁移有关。因此，研究地上、地表与地下物质密度分布不均匀及迁移引起的重力变化，可以了解和推断地球的结构、地壳的构造，以及地球动力学等课题。在这些研究领域中，人类活动无疑存在于甚至影响这些地球系统运动过程。

4.由地球重力场的变化带给我们的启示。主要介绍地球重力场的变化可能带来的地球活动的前因与后效等问题，例如，地震前兆等与人类紧密相关的事件。同时，重点介绍由于人类活动导致的质量迁移所引起的重力变化，例如，冰雪融化、地下水流失等社会热点问题。通过结合科学研究成果详细介绍，并与学生广泛地交流，以期达到从各类事件中给予学生对资源保护灾害认知的启示。

地球是一个庞大而复杂的系统。人类在这颗星球上世世代代生息繁衍，并在生产和科学实践中不断地研究和深化对地球的认识。对于地球物理学中的重力场而言，许多自然现象引起的重力场微弱变化现如今都已可以检测，如冰后回弹、地球自由振荡、陆地地下水储量变化等，因此，推动了重力场理论模拟和重力观测技术的发展，并为“重力学理论”研究提供基础和动力。作为面对地球物理学专业以外学生开设的“地球重力场与人类生活”公选课程，能够使学生更好地了解我们赖以生存的地球，对“地球科学学科”产生兴趣。因此，作为以地球科学类特色的中国地质大学（武汉），应该开设相关科普性公选课程，培养具备一定的地学知识的综合型人才，这是我校地球科学学科为主导的学科体系发展不可忽视的教学环节。

参考文献：

[1]王谦身，安玉林，张赤军，等.重力学——中国现代科学全书·固体地球物理学[M].北京：地震出版社，2003.467-470.

[2]王勇，张为民.高精度绝对重力测量在地壳垂直运动研究中的作用和应用前景[J].地壳形变与地震，1997，17（3）：98-102.

[3]孙和平，许厚泽.国际地球动力学合作项目的实施与展望[J].地球科学进展，1997，12（2）：152-157.

[4]曾华霖.重力场与重力勘探[M].北京：地质出版社，2005.

Exploration on Offering the Public Elective Course of "Earth Gravity Field and Human Life"

WANG Lin-song

（Hubei Subsurface Multi-scale Imaging Key Laboratory，Institute of Geophysics and Geomatics，

China University of Geosciences，Wuhan，Hubei 430074，China）

Abstract：Every object in the Earth"s surface is subject to effect from the gravity. The natural process and rule of the Earth gravitational field and its changes is closely related to human activities. This paper summarizes the basic conception，observation and application of the Earth gravitational field，and the significance of offering the public elective course of Earth Gravity Field and Human Life course in geosciences disciplines and course design are expounded. It will be great significance of offering this course to cultivate comprehensive talents for geosciences knowledge.

Key words：Earth Gravity Field；Human life；public elective course