小說中常常出現能神乎其神地通過風水相術來分金定穴的相術先生真的在現實生活中存在嗎？
答案當然是否定的。
但是，在地球物理學領域，確實存在那么一批人，他們能通過科學的方法來探索神秘的地底世界，他們就是地球物理勘探工作者。
經過漫長的發展，地球物理勘探逐漸發展成“四大門派”，他們各自繼承了“四字風水秘訣”中的一項絕技，分別是重、磁、電、震。今后我們將一一揭開“四大門派“的神秘面紗。
而這次，我們要介紹的就是其中的重力勘探派——且看他們如何利用地球重力場來“分金定穴”。
什么是地球重力場？
根據牛頓萬有引力定律，任何兩個物體間普遍存在一種吸引力。
如果我們不考慮其他天體對地球的作用，地球上的物體受到地球的吸引力fa，同時要承受地球自轉帶來的慣性離心力fc；地球物理學家用這兩者的合力作為地球上物體受到的重力。
我們可以使用場論中優雅的數學形式描述重力場（注意到重力勘探中的重力實際指的是重力加速度，即拋開物體的質量，只關注場本身的性質）：
其中，W是重力勢能，如果你對重力勢能的具體形式感興趣，或許你可以嘗試參考下面的表述計算地球上每一點的重力值，其中V是地球對物體的吸引力貢獻的引力勢能，Φ是慣性離心力勢能。重力的單位常用gal（伽）表示，1gal=1cm·s^(-2)。
地球重力場的簡單計算
也許這些公式讓你頭疼，而且你仍然會問：地球重力場是什么？
事實上，重力場是看不見也摸不著的，但它們無處不在。正是地球重力場帶來的那股強勁的吸引力，使得大氣、水、生物被牢牢地吸附在地球表面，否則，地球上所有的物質都只能像太空中的宇航員一樣在空中四處漂浮了。
如果我們將視野置于地球之外，就能從整體上感受到地球重力場的威力，下圖展示的是由于地球重力場的存在，使得地球附近的時空發生扭曲。
地球重力場使附近的時空扭曲
分金定穴？
那么說了這么多，地球物理學家真的能用重力場來分金定穴嗎？別急，下面我們一一道來。
我們知道，地底下的物質密度是不均勻的，除了巖石，還廣泛分布有空穴、地下水、金屬礦，它們或者比巖石重，或者比巖石輕，這些密度差異都會以重力異常的形式展現出來，地球物理學家通過布設測線，能夠捕捉到這些重力異常出現的位置，并據此推測地下的物質種類和它們的深度。
尋找金屬礦
重力勘探的基本原理
如圖，如果地底存在一個球形的金礦礦藏，會在我們的重力測線上表現出一個正的重力異常峰；同時，我們還能根據峰的形狀確定礦藏的埋深，圖中可以看到，埋深更淺的礦藏A對應的峰更高更瘦，而埋深更深的礦藏B對應一個矮胖的重力異常峰。如果我們在測線上發現一個高瘦的正的重力異常峰，那么，我們腳下很可能藏著一個大的金屬礦了！
反演水資源分布
我們生活的土地下存在著很多空洞，水等流體常常就分布在這些空洞里，由于水比周圍的巖石密度低，常常會引起負的重力異常。
同樣的道理，地球物理學家可以據此得到某個大區域的地表或地下水資源分布隨季節的漲落，這對于指導農業生產灌溉有著重要意義。
如下圖所示，展示的就是通過地球重力場資料得到的亞馬遜地區的水資源時空分布圖。
GRACE衛星得到的亞馬遜地區2004年各月水資源分布圖
那么你可能會感到奇怪，這么大的區域，怎么去布置測線呢？聰明的地球物理學家早就想好了應對策略，他們設計了一系列重力衛星發射到太空中，在地球外實時測量地球重力場。
衛星重力探測
利用人造衛星測量地球的重力場，和傳統的重力測量完全不同，并不是簡單地把重力儀安放在人造衛星上（因為在高速運轉的人造衛星內，物體是失重的，重力儀放在里邊都無法工作），而是將衛星當做地球重力場的探測器或者傳感器，通過衛星軌道的相關參數的輕微變化來獲取地球重力場的結構。
有了重力衛星，就可以方便地實時檢測大區域的重力場信息。如下圖，展示的是美國宇航中心（NASA）和德國航空航天中心合作發射的重力雙子星GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）。
GRACE衛星示意圖
重力衛星就像一個可靠的數據記錄員，在太空中不知疲倦地連續記錄地球重力場的值，根據這些數據，我們可以研究大區域范圍的重力場隨時間的變化，下面的動畫展示的就是根據GRACE衛星的數據繪制的全球重力場時空變化。
參考資料及圖片來源：
[1] http://www.orangesmile.com/extreme/en/famous-goldmines/veladero-gold-mine.htm
[2] http://www2.csr.utexas.edu/grace/publications/
[3] http://www.nasa.gov/mission_pages/gpb/gpb_012.html
[4] https://grace./en/grace-0
[5] Lowrie W. Fundamentals of geophysics[M]. Cambridge university press, 2007.
[6] Hofmann-Wellenhof B, Moritz H. Physical geodesy[M]. Springer Science & Business Media, 2006.
撰稿：張晟星
美編：江陵
來源：石頭科普工作室
編輯：lwk
