Все тела и предметы, находящиеся на поверхности Земли, испытывают ее притяжение. Пространство, в пределах которого проявляются силы притяжения Земли, называется полем силы тяжести, или гравитационным полем (лат. «гравитас» — тяжесть). Оно отражает характер распределения масс в недрах нашей планеты и тесно связано с формой Земли. Для каждой точки земной поверхности характерна определенная величина силы тяжести. В центре Земли сила тяжести равна нулю.

Всемирное тяготение является причиной, вызывающей свободное падение всех тел на Земле. Великий итальянский ученый Галилео Галилей впервые установил, что при отсутствии сопротивления воздуха разные тела падают на Землю с одним и тем же ускорением, не зависящим от их массы. Ускорение силы тяжести измеряется в галах (в честь Галилея: 1 гл. = 1 см/с2). В практике чаще используется одна тысячная величина тала, называемая миллигалом. Среднее значение ускорения свободного падения на поверхности Земли равно 979 700 млг. Установлено, что ускорение свободного падения различно в разных точках на поверхности Земли. Оно закономерно возрастает в направлении от экватора к полюсам — от 978,04 до 983,24 гала. Для каждой точки земной поверхности может быть рассчитана теоретическая величина силы тяжести исходя из предположения, что Земля является однородным телом. Но в действительности массы вещества распределяются в земной коре неравномерно. Поэтому ускорение свободного падения, измеренное в какой-либо точке на поверхности Земли, обычно отличается от нормального (теоретически вычисленного) значения. Отклонения фактических значений ускорения силы тяжести от теоретически рассчитанных, связанные с неоднородностями внутри Земли, называются гравитационными аномалиями (греч. «а» — отрицание, «номос» — закон).

Гравитационные аномалии регистрируются специальными приборами — гравиметрами (лат. «гравитас» — тяжесть, греч. «метрео» — измеряю). На их использовании основан гравиметрический метод геологических исследований.

Изучение гравитационных аномалий позволяет судить о строении земных недр. Над массивами тяжелых пород ускорение силы тяжести больше (положительная аномалия), а над участками, сложенными легкими породами, меньше (отрицательная аномалия) некоторого теоретического его значения, рассчитанного для модели однородной Земли.

Гравиметрические исследования дали дополнительный материал для объяснения гипотезы изостазии.

В 1855 г. английский ученый Д. Пратт производил геодезические работы в Индии. Он предполагал, что огромный горный массив Гималаи, обладающий значительной массой, должен притягивать отвес и вызывать отклонение его в сторону гор. Пратт вычислил ожидаемое отклонение отвеса. Но при сравнении его с углом отклонения, определенным на основе астрономических наблюдений, оказалось, что вычисленный теоретически угол отклонения более чем в 5 раз превышает наблюдаемый.

Дж. Эри объяснял это тем, что в данном случае корневые части Гималайских гор сложены менее плотным веществом, чем остальная часть земной коры. Он предположил, что вещество мантии, подстилающее земную кору, является пластичным и более плотным, чем земная кора. Вследствие этого отдельные глыбы земной коры плавают на подстилающей их пластичной мантии. В связи с этим участкам с большими абсолютными отметками рельефа должна соответствовать большая мощность земной коры (рис. 4). Образно говоря, горы имеют корни, уходящие в глубь мантии. Такое состояние гидростатического равновесия получило название изостазии.

С помощью гравиметрических исследований установлено, что в горных областях проявляются отрицательные гравитационные аномалии, а в береговой полосе океанов — положительные. Это позволило предположить, что в основании гор располагаются легкие (2,8 г/см3) породы типа гранитов, в то время как под Тихим океаном располагаются тяжелые породы типа базальтов. Согласно современным данным состояние изостазии отмечается для 90% земной коры.

В последнее время для изучения свободного падения на Земле используются искусственные спутники. В тех местах, где ускорение больше, спутник пролетает ниже, а при уменьшении ускорения свободного падения — выше. В результате траектория искусственного спутника отличается от эллиптической. С помощью данных искусственных спутников рассчитано уклонение гравитационного поля Земли от нормального поля и определены высоты геоида. Это уклонение не связано с главными топографическими особенностями Земли — океанами и континентами. Следовательно, континентальные области изостатически скомпенсированы. В связи с этим некоторые ученые считают, что материки плавают в подкоровом субстрате подобно гигантским айсбергам в полярных морях.