【连载】葛大庆：碧落深地或可见：地球物理探测 | 对地观测——认识另一个视角下的地球（6）
葛大庆，雷达遥感研究所所长
中国国土资源航空物探遥感中心
《 对地观测
——认识另一个视角下的地球 》系列
第 6 篇
6. 碧落深地或可见：地球物理探测
6.1. 何以探测地球内部？
遥感技术侧重对地球表面以上各圈层进行观察和测量，而难以直接探测地球内部状况。地球内部孕育着人类生活必不可少的各种资源与矿产。何以探测地球内部？这就不得不提到地球物理探测技术。
图32. 固体地球垂直结构示意图
已故著名地球物理学家赵九章先生曾借用白居易的诗句形容地球物理学，即“上穷碧落下黄泉、两处茫茫都不见”。
而现代地球物理学则试图以岩石、矿石（或地层）与围岩的物理性质差异，如密度、磁化性、导电性、放射性等异常为基础，基于物理原理与方法实现对地球各种物理场分布及其变化的观测，以期达到“碧落深地或可见”的地步，为探测地球内部结构与构造、寻找能源、资源和环境监测提供理论、方法和技术，为灾害预报提供重要依据。
常用的探测方法为“打钻取芯”。为了让钻探的更具针对性，对地球物理场的整体了解是必不可少的，而借助卫星和航空平台测量地磁、放射性和重力场等属性，进而研究地球物理场变化，确定局部属性异常，用于全球变化、资源勘查、地质调查和环境监测等。
图33. 地球物理探测的方式与途径
6.2. 卫星重力与磁测量
物体受地球的吸引而产生的力叫重力，这是一种无形又复杂的自然力。按照万有引力定律，地球各处的重力加速度应该相等，而实际上由于地球的自转和地球形状的不规则，造成各处的重力加速度有所差异，与海拔高度、纬度以及地壳成分、地幔深度密切相关，“G”值的大小因位置的不同而有差异。若能充分测量这种重力场的差异，则可以用于地球物理性质的反演。
欧洲航天局在2009年发射了首颗地球重力场测量卫星(GOCE）。使人们对地球重力场产生了全新的认识，GOCE数据已在固体物理大地测量、海平面变化、地下水资源变化等领域的研究中发挥了作用，促进了对全球变化的认识。
图34. GOCE卫星星座与所测大地水准面（Geoid2011）
地磁场作为一个“指南”，给航空、航海提供了方向；作为一个屏障，保护人类免受来自太阳和太空的辐射；作为一种“指示信号”，使地球物理学家可以通过微小的“地磁异常”探索研究地球结构差异或探测矿产资源。因此，如同各种遥感制图一样，对地磁场及其变化的精密测量，并进行系统性的标绘也是必不可少的。
面向地球磁场研究的SWARM卫星星座由三颗地磁卫星组成，由欧洲和加拿大联合研制，其测量数据可帮助提高导航系统（包括卫星系统）效率、地震预报的准确性和自然资源的勘探效率。三颗SWARM卫星所获取的精确地磁信号也广泛用于研究地心、地幔、地壳、海洋以及电离层和电磁层的变化特征。
图35. SWARM地磁卫星星座与磁场差（测量值与模型值差异）
6.3. 航空地球物理探测
较之于卫星地球物理探测，航空地球物理探测（又称航空物探）是将探测仪器搭载在飞机等航空平台探测地球物理场信息的技术方法，侧重以分辨率更高、深度更大、测量结果更为精准来探测地球内部结构等。
以航磁测量这一常见方式为例，其利用航空磁力仪在测量地区上空按预先设定的测线和高度对地磁场强度或梯度进行测量。与地面磁测相比具有较高的测量效率，且不受水域、森林、沼泽、沙漠和高山的限制。
由于飞行是在距地表一定的高度进行的，从而减弱了地表磁性不均匀体的影响，能够更加清楚地反映出深部地质体的磁场特征。经过多年的积累，我国在航空地球物理探测仪器设备研制与地质矿产调查方面取得了巨大进步。
其中，以中国国土资源航空物探遥感中心为代表，成功研制出了首套具有完全自主知识产权的AGS-863航磁全轴梯度勘查系统。该系统以Y-12飞机为飞行平台，由数字式航空氦光泵磁梯度仪、多通道数字航磁补偿仪和空中数据收录系统及辅助测量系统构成，可同时测量航磁横向梯度、纵向梯度、垂向梯度及航磁总场，目前已广泛应用于地学研究和地质找矿、资源调查、工程稳定性及环境评价等方面。
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感谢葛老师与GeoTalks读者分享。