重力在我们日常生活中无处不在，如果没有重力的存在，我们无法站在地上，我们的家园可能随时会飘向天空。但在400年前，英国科学家牛顿还没有提出万有引力定律之前大家都不知道有这种力的存在。今天，任何一本经典物理学教科书上都会讲到万有引力，而且任何有质量的物体之间都会有这种力的存在。这种力与电磁力不同之处在于，它无法被屏蔽，力的大小永远是与距离平方成反比，与质量成正比。
那重力与万有引力之间是什么关系呢？重力标准定义为万有引力与地球自转离心力的合力，方向总是垂直向下。因为地球质量巨大，在其周边会形成一个重力场，在不同的空间和时间位置，每个点的重力加速度都会发生变化。地球上的山川河流、深部的岩浆流动只要是产生了物质的运动，就会引起这个场的微小变化。如果我们将这个场的时变变化过程记录下来，那就可以研究很多地球科学问题。
重力场作为一种最基本的地球物理场，已经有几百年的观测历史，在地球物理学中一直是大哥级的存在。最早的重力测量，可以追溯到1590年，意大利科学家伽利略在比萨斜塔上做了“两个铁球同时落地”的著名实验，推翻了当时古希腊思想家亚里士多德的“重者下落快，轻者下落慢”经典论断。学过初中物理的人都知道9.8这个常用的重力加速度参考值，其度量单位是“米每秒方”。米是距离单位，秒是时间单位，简单来讲只要有一把尺子和手表就能测量重力加速度了，但是其实没那么简单，在过去近五十年时间里，国内外众多科学家发明了很多重力观测仪器，从石英弹簧、金属弹簧，到现代的高稳定激光、原子钟和量子重力仪，技术日新月异，其终极目的只有一个，就是人们想更准确地测量重力加速度。
现在最灵敏的重力仪通常以9.8这个值小数点后第八位的数字变化来度量重力场的大小，这个单位有一个新的名字叫微伽。研究微伽级重力时变过程的科学，可以称之为时变微重力学。能引起微伽级重力场变化的因素很多，比如：固体潮汐、海潮、大气压的变化、下雨、地下水减少、地球的极移等等。在这些因素里面，能准确计算或预测的重力变化包括固体潮、海潮和极移。在众多地球物理场变化中，重力固体潮预报可以毫不夸张地讲，这是是人类目前能做到的最准确的预报了，这里可以强调一下——没有之一呦。
在人类了解重力场变化的规律和物理本质后，通过精密的重力测量仪器，科学家们一直在不断探索，如何通过重力场测试，来研究地球深处物质运动和变化的过程。由于地球的不可入性，人类目前最深的钻井也就只能钻到10km深度，再想了解深部地球介质变化信息已经没有直接的方法可用。上世纪80年代开始，以中国地震局牵头的一批专家就开始了不断探索和尝试用重力测量手段来研究地震发生前的地下介质变化问题。
1976年唐山大地震后，中美曾经合作开展过联合攻关。四十年多前时任美国哥伦比亚大学拉蒙特-多尔蒂地质观象台的郭宗汾教授就带着最先进的仪器和设备来到华北地区，开展过重力场变化与地震之间关系的研究工作。我国已故的著名科学家顾功叙教授，曾经在1997年的《科学通报》上撰文指出：地壳内部多个深度内的流体物质运动对局部重力场变化影响显著且与地震孕育有关。但受当时相对重力仪精度所限，观测数据本身的不确定性较大，争议不断。用重力方法来研究地球质量变化问题，绝对是一把双刃剑，它很敏感，有质量变化必然产生重力变化；首先是你能不能测量出来，其次是你即便能测量出来，能否准确分离出想要的信号。
由于地球重力场的非潮汐部分其空间变化远大于时间变化，并且地震重力测量到的物理量变化仅为十几至几十微伽量级，同时，由于仪器、环境等因素带来的误差就在几微伽至十几微伽量级，因此，地震微重力测量数据具有低信噪比特性。外加地震重力测量由于仪器需要人工搬运、测量闭合时间要求尽量较短，为了保证工作效率，通常选择有公路和通过性好的地形条件位置进行测网设计，因此，地震重力测量的测点空间位置分布是不均匀、且有限的。由此带来的问题即是测量得到的重力场变化信号是局部的，且空间分布不完整。但重力方法一直被寄予厚望，其原因就在于重力方法作为一种物理手段与几何方法不同，它具有感知遥远介质物理属性变化的能力，而且不像电磁场那样容易受到人类活动的干扰。
中国大陆时变微重力观测系统，经过近40年的不断发展，已经实现了多次升级换代。2020年由中国地震局发布的最新版全国《地球物理站网规划》给出的蓝图是：到2030年，形成我国大陆地区相对均匀、活动块体边界带和重点地区适度加密的观测规模。其中，就包括时变微重力监测能力的提升。到那时全国将有上百个高质量的微重力观测台站，可以对我国大陆及周边岩石圈构造运动实现整体监测，获取高精度的时变微重力场图像。有了这些大型基础重力监测设施的存在，无疑将有力于让我们脚下的地壳变得更透明。
值得一提的是就在2016年11月，国际著名期刊Nature子刊就发表了一篇关于探测到2011年日本311大地震重力信号的文章。文章原理很简单，就是地震发生的一刻，会发生质量变化，造成的引力场变化信号以光速传播瞬间即可被百公里外的高精度超导重力仪探测到，重力信号比地震波到达快几十秒，因此，可以用这种方法来实现地震预警。2020年，德国波茨坦地学研究中心王荣江团队开发出一种新算法，在国际顶级地球物理学期刊《地球与行星科学通讯》上撰文指出，该算法可以检测到地震引起的重力信号，这种信号被称为瞬态弹性重力信号（PEGS），对2011年福岛附近地震数据的测试表明，该方法有助于未来对地震预警系统的改善。
这两项研究其实讲的都是同一种物理过程，这些研究为什么能实现，其根本原因还是因为重力观测仪器精度水平越来越高。最后，我还要补充一点，现在重力测量探测的精度与四十年多前相比已经有了长足的进步，高精度的超导重力仪和绝对重力仪甚至已经商品化，观测精度相比以前可以提高一到几个量级以上。
当今国家经济社会高速发展，需要有效的手段确保人类对突如其来的自然灾害有所防范，面对“全灾种，大应急”的任务需要，科技创新当然是最好的支撑方式，而实现创新的任务就在我们科研人员的身上，能否有勇气面对前人没解决的科学问题、迎难而上，我想答案不言自明。
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