几类重力测量系统

2．1．3　几类重力测量系统

1.陆地重复(连续)重力测量系统

介绍潮汐重力仪(图2-11)与超导重力仪(图2-12)。

图2-11　潮汐重力仪

图2-12　超导重力仪

重力场的连续变化信息可以用来进行多项科学研究。如:建立重力网与重力潮汐基准;精密确定全球的重力潮汐参数;探讨水与大气变化导致的重力场微小变化的时频特征;研究全球海潮模型与海洋负荷效应;探索各种地球动力学现象与机制。

通过对高精度的重力网的重复高精度的观测，还能够获得重力场绝对重力值变化的信息，为地震预报、海平面变化和地球动力学研究提供微伽级精度的重力场变化信息。利用绝对重力基准值，可获得地球现今重力场的变化图像，为地震的中长期预报提供重要依据。还可从重复绝对重力观测结果中发现一些地区的绝对重力值的变化，研究地震同震位错与重力变化的关系，以及板块间俯冲等引起的重力变化。

超导重力仪:超导重力仪是一种新型测定相对重力变化的仪器。工作原理是:首先设法在超导线圈内产生一个永久性的闭合电流。由于超导体的电阻为零，这一电流非常稳定。然后，在超导线圈所产生的一次磁场中放置一个同样由超导材料做成的小球。由于超导体的完全抗磁性，磁场不能穿入小球内部。小球表面感应电流所产生的二次磁场与线圈永久电流所产生的一次磁场互相排斥，使小球浮起，当小球受到的浮力与其重量互相平衡时，小球则浮在线圈上方的一定高度。重力的变化将引起小球平衡位置的改变。准确测出小球位置的变化，就可以求出重力的变化。超导重力仪免除了一般机械重力仪的零点位移和温度影响，具有较高的零点稳定性，24小时零点位移小于1/1000毫伽，即小于1微伽。超导重力仪需要液体氦做冷却剂，保存运输不便，不宜野外使用。一般在固定点上研究重力的日变和长期变化。

GWR超导重力仪是美国GWRINSTRUMENTS，INC．公司生产的用于测量地球观测点重力加速度随时间相对变化值的高精度仪器。该仪器可以检测周期从几秒到几年的地球物理和地球动力学效应所导致的微小重力场的变化。通过分析仪器测定到的重力场潮汐和非潮汐变化，可进一步了解构造活动信息和全球环境变迁等重要现象，有助于进行环境评估研究及地震前兆信息获取等，服务于相关灾害预防工作。

GWR-OSG超导重力仪是国家重力台网中的关键设备之一。利用OSG超导重力仪在国家重力台网中心观测基地建立中国重力潮汐基准。通过该仪器在全国各台站的流动测量，将基准传递到台站。通过基准建立和传递对全国的重力台站形成控制，统一全国的地震重力潮汐变化测量。

2.海洋重力测量系统

1903年，德国地球物理学家O．黑克尔最早在海船上用气压计进行重力测量，但未能获得好的结果。1920年荷兰大地测量和地球物理学家F．A．芬宁·梅因纳斯提出海洋摆仪理论并制造出可消除干扰加速度影响的三摆仪;20世纪20～30年代，在他的主持下使用潜艇进行了大西洋、印度洋和爪哇海域的海洋摆仪测量，获取了大量海洋重力资料，发现在海沟处有明显的负重力异常。20世纪50年代相继制造出几种装在水面船只上，航行时做连续观测的船上重力仪。至20世纪60年代中期，这类仪器日臻完善，观测精度高，使用简便，从而逐渐取代了摆仪，加速了海洋重力测量的发展。

海洋重力测量是在海上或海底进行连续或定点观测的一种重力测量方法，为探矿目的而进行的海洋重力测量又称海洋重力勘探。海洋重力测量的方式有:用海底重力仪进行定点观测;用海洋重力仪在船上进行连续重力测量;用海洋振摆仪在船上或潜艇内进行定点观测。后者效率较低，精度也较差。目前主要采用前两种方法。

(1)测量原理:从理论上讲，海洋重力测量主要是查明地球质量中的那些异常质量(或称地质质量)的分布状况，另一方面，海底具有不同密度的地层分界面，这种界面的起伏会导致重力的变化。因此，海洋重力测量就如同一般的重力测量一样。海上重力测量技术远较陆地测量复杂。调查船在风、海流、浪涌和潮汐的作用下，随着海洋表面水体作周期性或非周期性的运动。由于船只的这种运动所发生的纵倾和横摇，以及航速和航向的偏差，都对船上重力仪附加以相当强的水平干扰加速度和垂直干扰加速度，使得海上重力测量从原理、仪器直至观测方法都表现出一定的特殊性。船上重力仪是海洋重力测量的主要设备，是在船只行进中连续测定重力加速度相对变化的仪器。船只的水平干扰加速度和垂直干扰加速度，以及震动等对仪器有很大影响。此外，船向东航行时，船速增大了作用在重力仪上的地球自转向心加速度，而向西航行时，船速减小这种向心加速度。这种导致重力视变化的作用称厄缶(厄特渥斯)效应。这个效应的大小与航向、航速和船只所处的地理纬度有关。克服和消除上述各项干扰效应始终是提高观测精度的关键。

(2)测量仪器:有海洋摆仪和海洋重力仪两大类。海洋摆仪是根据单摆原理设计的，借助光学照相系统观测摆动周期的变化。它的缺点是结构复杂、笨重低效、抗震性差、资料整理冗繁，因而逐步为重力仪所取代。海洋重力仪按工作条件的差别分为海底重力仪、水中重力仪和船上重力仪。船上重力仪以弹性系统结构划分，有力平衡型(又分直立型和旋转型)和振弦型。船上重力仪的结构原理是通过弹簧的伸缩量、水平摆杆的偏角、振弦的频率变化等测定重力的相对变化。同陆上重力仪相似。

(3)观测方法:基本上采用走航式的连续观测方法。海洋重力测量与陆上重力测量相比，有它的特殊要求:①需要在港口码头建立重力基点;②需要准确的船只运动参数(航向、航速、位置);③要求船只沿着航线(测线)尽量保持匀速直线航行。另外，还要求仪器适于不同深度海区和任意航速下的观测。当配有卫星导航系统时，船只可昼夜连续工作，日效240～360海里。

海上重力测量的精度普遍比陆地低，近海的海底重力仪观测精度(以均方误差表示)为±0．2～±0．8毫伽，远海区为±3～±5毫伽，深海远洋区更低。其主要原因是测点位置的测定误差很大(几百米至几海里不等)，以及厄特渥斯校正的偏差。

(4)资料整理:是对仪器测得的原始数据引入各项校正计算重力异常的过程。观测重力值在引入必要的校正后与正常重力值的偏差称为重力异常。校正的项目很多，但可归结为两类:一类是为得到观测重力值所作的校正，如厄特渥斯校正、零点漂移校正、引入绝对重力值等;另一类是为得到重力异常所附加的校正，如自由空间校正、布格校正、地形校正和均衡校正，最后是正常场校正(见海洋重力异常)。

最终的成果是调查海域的重力异常平面图(等值线图)或剖面图，以及相应的文字说明和调查报告。

图2-13　拉科斯特高精度航空海洋重力仪

3.空间重力测量系统

主要分为航空重力测量与卫星重力测量两大系统。

(1)航空重力测量系统(图2-14):航空重力测量是把特制的重力仪装在飞机上进行连续测量的一种重力测量方法。它不受地面交通条件的限制，工作效率较高。航空重力测量的原理、方法和仪器与海洋重力测量基本相同，但飞机上仪器所受的干扰加速度比船上要大几倍到几十倍，而且周期很长。空中的导航定位、航高、航速等测量要求也高，厄缶改正误差很大;静力重力仪要附加更强的阻尼易造成重力异常的畸变。

航空重力测量始于20世纪50年代末。1958年，美国空军使用LaCoste-Romberg公司生产的S-6型重力仪进行了第一次航空重力测量试验。进入20世纪90年代以来，随着动态差分GPS(DGPS)、INS以及高灵敏度、高稳定性重力传感器技术的成功应用，航空重力测量的研究取得了突破性进展。1992年，苏黎世地球动力学和大地测量实验室也进行了一次航空重力调查，他们使用的是DeHavillandTwinOtter飞机和LaCoste及Romberg重力仪。目前各国有许多研究机构、大学和公司正在积极研究、开发和应用航空重力和航空重力梯度测量系统，有的已经投入使用，有的正在进行飞行试验，有的还在实验室中。我国西安测绘研究所和航天科技集团16所研制成一套供大地测量用的航空重力测量系统(CHAGS)，已于2002年通过国家鉴定。

图2-14　拉科斯特高精度航空重力测量系统

CHAGS分为硬件系统和软件系统两大部分。硬件系统包括重力传感器分系统、定位传感器分系统、高度传感器分系统、姿态传感器分系统和数据采集分系统;软件系统由5个模块组成，即数据采集记录与存储模块、定位测速模块、观测数据的滤波与处理模块、空中测线网平差模块和向下延拓模块。CHAGS分别于2002年2月、3月和2003年11月在陕西汉中、山西大同和黑龙江哈尔滨地区进行了飞行试验，精度与国外同类型系统相当。

航空重力仪主要由高灵敏度的加速度计组成，用于测量包含重力场信息在内的分力;导航定位设备通常采用高精度的GPS接收机，用于确定各种扰动加速度，并将其从此力中减去，即可获得所需的地球重力场信息。

目前各国都在积极研究重力梯度测量技术，方案很多;梯度测量方式是安装多台重力仪，构成梯度装置，两台重力仪配成一对，测量某一方向上重力之差。由于运动平台的加速度对这两台重力仪的影响是相等的，因此“重力之差”就没有运动平台的影响。由此测出重力的梯度，经过合适的滤波处理，进而恢复(导出)重力场。

(2)卫星重力测量系统:重力场的研究历来是大地测量学研究的核心问题，也是现代大地测量发展中最活跃的领域之一。由于地球重力场是地球的一个物理特征，地球重力场可以反映地球内部物质的分布、运动和变化动态，并制约地球本身及其邻近空间的一切物理事件。研究地球重力场的物理特性，能够充分揭示其运动和时变与地震之间的关系。上述研究主要是依靠地面重力观测手段来实现，其范围也仅限于静态地球重力场的观测与研究，且动态地球重力场的研究一直存在技术上的难题。

由于地形的复杂性和局部环境和气候的恶劣性等诸项因素，使许多地区难以实施传统意义上的重力测量，致使重力测量的地区覆盖率和分辨率受到极大的限制。空间技术在重力测量的应用，不仅弥补了上述不足，例如卫星探测技术为解决全球覆盖率和高空间分辨率重力测量开辟了新的有效途径，而且使动态地球重力场的观测与研究成为现实。人造地球卫星已经成为地球重力场的探测器与传感器，对卫星的观测并获取与地球重力场有关的观测数据已成为研究地球重力场的新的重要手段。因此形成了具有科学前景的全新的卫星重力学与新的研究热点。对此，有关学者预言，卫星重力学的发展带来的变化将是革命性的，其意义和作用都不亚于GPS。

重力卫星实验兴起于2000年后，主要由于CHAMP卫星的成功发射，实现了对重力卫星的科学要求:①近距离传感地球重力扰动，要求低轨运行;②覆盖地球表面广大地区，CHAMP采用近极圆轨道(87．3);③能较好测定作用于重力卫星的非保守力(星载三轴加速计);④精密实时定轨，GPS卫星对重力卫星同步定轨。

空间重力测量学的发展是大地重力学进入21世纪的一个标志。经过30年的准备工作，当前空间重力测量的理论和技术主要表现在3个方面，即:高轨卫星追踪低轨卫星技术;低轨卫星追踪低轨卫星技术;卫星重力梯度测定技术(SGG)。前二者统称卫星追踪卫星技术(SST)。今后几年，欧洲空间局(ESA)将陆续发射3颗包括有求定地球重力场能力的卫星，即CHAMP、GRACE和GOCE。

CHAMP是用于地球物理研究的小卫星，在2000年发射，它是高度为270～470km的低轨卫星，主要用于测定地球重力场和磁场。测定轨道和高低卫-卫跟踪(SST)的星载设施计有GPS，接受SLR跟踪的激光反射镜和测定非重力加速度的一种传感器，以削弱非保守力的影响，更准确求定地球重力场。

GRACE是“探测重力场和气象实验”卫星，2002年3月发射。它和CHAMP有两年共存的重叠期，GRACE用于测定地球重力场的设施类同CHAMP，但它是一个同时以高低和低低SST技术求定重力场的卫星，即它能提供它自身与CHAMP、与GPS等卫星间的距离变化率，以求定地球重力场。GRACE和CHAMP主要依靠SST技术推算重力场的中波、长波部分，而短波部分主要依靠地面重力资料。

GOCE是ESA地球探索卫星系列中的第一个所谓“重力场和静态洋流探索”卫星，它有星载重力梯度仪(SGG)，一个GPS/GLONASS接收机，用于定位和实施高低SST，还有一个无阻尼装置，以补偿非保守力。GOCE利用SGG和SST技术来测定地球重力场。于2008年发射，SGG对地球重力场的中、短波部分比较敏感，而SST则对中、长波部分比较敏感，因此GOCE所提供的地球重力场的分辨率达100km(相应250阶次)，精度达到几个毫伽(1Gal=1cm/s²)。

这3颗星所提供的地球重力场信息是空间重力测量在精度和分辨率方面的一个重大进展，而且它还能实时提供重力场长波随时间变化信息。