CG-5重力儀的漂移特征

汪　健　孫少安　邢樂林　申重陽　李　輝

1　中國地震局地震研究所(地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，武漢市洪山側(cè)路40號(hào)， 430071

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CG-5重力儀的漂移特征

汪健1孫少安1邢樂林1申重陽1李輝1

1中國地震局地震研究所(地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，武漢市洪山側(cè)路40號(hào)， 430071

摘要：基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從靜態(tài)漂移和動(dòng)態(tài)漂移兩個(gè)方面對(duì)CG-5重力儀的零漂特性進(jìn)行系統(tǒng)分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，CG-5重力儀的零漂值(靜態(tài)漂移率和動(dòng)態(tài)漂移率)較高，幅值隨時(shí)間變化逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定；靜態(tài)漂移率和動(dòng)態(tài)漂移率總體隨空間緯度(重力值讀數(shù)段)增大而減小，但個(gè)體差異較大。

關(guān)鍵詞：CG-5重力儀；動(dòng)態(tài)零漂；靜態(tài)零漂

本文利用多臺(tái)CG-5重力儀[1-5]進(jìn)行大量關(guān)于長期漂移的實(shí)驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合重力測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)CG-5重力儀長期漂移的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究。

1彈減性與長期漂移

對(duì)CG-5重力儀影響較大的主要是彈性的時(shí)間效應(yīng)和彈減性。彈性的時(shí)間效應(yīng)分為彈性滯后和彈性后效。彈性滯后是彈性材料在彈性變形范圍內(nèi)反復(fù)加載和卸載，應(yīng)變總是落后于應(yīng)力變化；彈性后效則是彈簧加載或卸載后產(chǎn)生應(yīng)變，載荷持續(xù)一段時(shí)間后應(yīng)變量增加或減少。移動(dòng)CG-5重力儀在不同的空間位置進(jìn)行測(cè)量的過程符合彈性的時(shí)間效應(yīng)產(chǎn)生條件。但從重力測(cè)量的作業(yè)流程分析，當(dāng)重力儀被運(yùn)送到某地時(shí)，并非立即開始測(cè)量工作，尋找測(cè)量點(diǎn)位、搬運(yùn)儀器至點(diǎn)位、安置儀器并置平觀測(cè)等過程會(huì)在一定程度上削弱彈性滯后和彈性后效的影響，如果還有殘余，再通過延遲觀測(cè)時(shí)間或觀察讀數(shù)變化等措施予以消除，因此，彈性的時(shí)間效應(yīng)影響可以忽略。CG-5重力儀的讀數(shù)彈簧由無靜電熔凝石英構(gòu)成，擺體重荷12 mg，垂直懸掛不鎖擺，在重力或外力作用下往復(fù)伸縮，基本滿足彈減性的定義條件。彈簧的應(yīng)力減退是個(gè)緩慢、漸變且不可恢復(fù)的過程，對(duì)CG-5重力儀的影響是長期的，稱之為長期漂移。

2靜態(tài)漂移特性

2.1測(cè)試方案及數(shù)據(jù)處理結(jié)果

將重力儀靜置于某一穩(wěn)定、無外界噪聲干擾的環(huán)境中，漂移率趨于穩(wěn)定后，進(jìn)行至少24 h的連續(xù)觀測(cè)(采樣時(shí)間一般為40～55 s,讀數(shù)周期一般為60 s)。將觀測(cè)值經(jīng)固體潮改正后繪出儀器的靜態(tài)零漂曲線,計(jì)算重力儀的平均靜態(tài)零漂率,以檢測(cè)靜態(tài)零漂曲線的線性度。以2012-07-18～21 C834儀器在西安的靜態(tài)測(cè)試為例，觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)理論固體潮改正后，靜態(tài)零點(diǎn)漂移率呈現(xiàn)很好的線性特征，平均靜態(tài)漂移率為29.3 μGal/h。

CG-5重力儀的靜態(tài)漂移率比Lacoast儀器大，剛出廠時(shí)最大可達(dá)到100 μGal /h。表1為幾臺(tái)CG-5重力儀剛出廠時(shí)的靜態(tài)漂移情況。由表1可知，不同批次的重力儀出廠后的靜態(tài)漂移率差異較大，同一批次出廠的重力儀個(gè)體之間靜態(tài)漂移率也不盡相同, 這與重力儀內(nèi)部零長彈簧系統(tǒng)的狀態(tài)有關(guān)。

2.2靜態(tài)漂移隨時(shí)間的變化

圖1為C834、C845重力儀2012～2014年在中國地震局地震研究所絕對(duì)重力點(diǎn)上的靜態(tài)漂移情況。

隨著使用時(shí)間的增長，重力儀靜態(tài)漂移率會(huì)在某一穩(wěn)定值附近振蕩，而這也是儀器穩(wěn)定、觀測(cè)數(shù)據(jù)可靠的指標(biāo)之一。只有在重力儀的漂移率穩(wěn)定、零漂曲線線性較好時(shí)，才可以用一定的數(shù)據(jù)處理方法將零漂的影響盡可能地模擬并消除，得到所需的重力觀測(cè)值。

2.3靜態(tài)漂移隨空間的變化

本文中空間變化特指作業(yè)區(qū)域緯度的變化。隨著緯度的增加，地球表面的重力值相對(duì)減小，因此漂移率隨空間的變化實(shí)際上反映了重力儀不同讀數(shù)段內(nèi)漂移率的變化。在近似相同時(shí)間(0.5 a)內(nèi)，對(duì)C834、C845、C509、C232重力儀的靜態(tài)漂移率進(jìn)行一系列測(cè)試，采樣率設(shè)置為1 min，連續(xù)觀測(cè)時(shí)間不少于24 h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

由圖2可知，CG-5重力儀的不同讀數(shù)段靜態(tài)漂移率不一致，總體呈現(xiàn)隨緯度(重力值讀數(shù)段)

增大而減小的趨勢(shì),但個(gè)體差異較大，其中C834、C845漂移率變化幅度較大，C232、C509漂移率較為穩(wěn)定，變化幅度小。

3動(dòng)態(tài)漂移特性

CG-5重力儀的動(dòng)態(tài)漂移是指重力儀在運(yùn)輸與野外測(cè)量過程中，經(jīng)過一段時(shí)間連續(xù)觀測(cè)(一般超過15 d)，待漂移率趨于穩(wěn)定并進(jìn)行固體潮改正后，得到的重力儀平均動(dòng)態(tài)零漂情況。

3.1動(dòng)態(tài)漂移隨時(shí)間的變化

圖3為剛出廠1個(gè)月與使用6個(gè)月后的重力儀在云南測(cè)區(qū)測(cè)量過程中的動(dòng)態(tài)漂移對(duì)比。由圖3可知，新重力儀的彈簧系統(tǒng)處于不斷調(diào)整之中，動(dòng)態(tài)漂移率變化較大，在約50 d的重力測(cè)量過程中變化幅度為20 μGal/h。隨著使用時(shí)間的增長，其彈簧系統(tǒng)逐漸穩(wěn)定，最終動(dòng)態(tài)漂移率維持在較小變化區(qū)間內(nèi)(變化幅度逐漸減小為6 μGal/h)。待重力儀使用一段時(shí)間，日平均動(dòng)態(tài)漂移情況逐漸穩(wěn)定后，便可在較長時(shí)間尺度下討論CG-5重力儀動(dòng)態(tài)漂移率隨時(shí)間的變化特征。

CG-5重力儀讀數(shù)量程較大(最大可達(dá)7 000 μGal)，之前并未有學(xué)者對(duì)不同讀數(shù)段的動(dòng)態(tài)漂移率隨時(shí)間變化規(guī)律進(jìn)行過研究，本文將對(duì)此進(jìn)行分析。圖4為C230、C369重力儀2010～2013年在讀數(shù)段偏小的廣東與福建測(cè)區(qū)的動(dòng)態(tài)漂移率變化情形。由圖4可知，CG-5重力儀隨著使用時(shí)間的增長，儀器彈簧性能逐漸穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)漂移率逐漸穩(wěn)定，變化量逐漸減小。

圖5為2010～2013年C509、C524重力儀在讀數(shù)段偏大的喀什-伽師(喀伽)、烏魯木齊、甘肅和寧夏4個(gè)測(cè)網(wǎng)間的動(dòng)態(tài)漂移變化情況，上述4個(gè)測(cè)網(wǎng)每年至少觀測(cè)兩期。

由圖5可知，在讀數(shù)段較大的地區(qū)，CG-5重力儀的動(dòng)態(tài)漂移率同樣呈現(xiàn)出隨時(shí)間增長逐漸減小的趨勢(shì)，待彈簧性能穩(wěn)定后，動(dòng)態(tài)漂移率的變化幅度逐漸減小，最后在某個(gè)固定區(qū)間振蕩。

實(shí)際觀測(cè)過程中，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)時(shí)間一般小于40 min，在此觀測(cè)期間重力儀動(dòng)態(tài)漂移率一直處于小幅度調(diào)整中，取不同時(shí)段的觀測(cè)值對(duì)實(shí)測(cè)段差結(jié)果有一定影響。表2為對(duì)三峽重力網(wǎng)中太平溪-鄧村測(cè)段分時(shí)間段取重力值對(duì)段差結(jié)果的影響情況。由表2可知，隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)漂移率對(duì)實(shí)測(cè)段差結(jié)果有著不可忽視的影響，在外業(yè)觀測(cè)和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過程中應(yīng)給予充分重視。

3.2動(dòng)態(tài)漂移隨空間的變化

從較短時(shí)間尺度(1個(gè)測(cè)回或1 d)分析CG-5動(dòng)態(tài)漂移率隨空間的變化情況。實(shí)際重力測(cè)量過程中，經(jīng)常遇見上山和下山兩種情形，上山過程中測(cè)點(diǎn)高程增加，重力儀重力值減小，下山過程則相反。表3和表4為在豐?？诨€場(chǎng)、秦嶺太白山及三峽重力網(wǎng)太平溪-鄧村測(cè)段間進(jìn)行的動(dòng)態(tài)漂移率測(cè)試結(jié)果。

由表3可知，C834、C217重力儀重力值減小和無重力變化狀態(tài)時(shí)的動(dòng)態(tài)漂移率基本一致，變化較小；重力值增大時(shí)，漂移率相對(duì)減小約40%。由表4可知，C509、C232重力儀重力值減小時(shí)動(dòng)態(tài)漂移率有較明顯增大，C509重力儀重力值增大時(shí)，動(dòng)態(tài)漂移率有小幅度增加，而C232重力儀重力值增大時(shí)，動(dòng)態(tài)漂移率明顯減小。

從較長時(shí)間尺度(1個(gè)測(cè)量周期)分析CG-5動(dòng)態(tài)漂移率隨空間的變化情況。實(shí)際重力測(cè)量過程中，為減小漂移對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響，提高觀測(cè)精度，通常要求盡快完成測(cè)區(qū)的觀測(cè)任務(wù)。圖6為C509、C524重力儀2010～2014年在相同觀測(cè)周期內(nèi)(2個(gè)月)，在烏魯木齊、寧夏、喀伽和甘肅測(cè)網(wǎng)的動(dòng)態(tài)漂移率變化情況。

根據(jù)測(cè)網(wǎng)所在緯度，重力值讀數(shù)段由高到低依次為烏魯木齊、寧夏、喀伽、甘肅。但由圖6可知，隨著讀數(shù)段增加，動(dòng)態(tài)漂移率總體呈現(xiàn)相對(duì)減小的趨勢(shì)；同時(shí)間段、不同區(qū)域內(nèi)，動(dòng)態(tài)漂移率變化趨勢(shì)一致。

4漂移對(duì)重力數(shù)據(jù)處理的影響

由于CG-5重力儀相對(duì)較大的漂移值及隨時(shí)空持續(xù)變化的特征，其漂移特性對(duì)重力數(shù)據(jù)處理有較大影響。如果動(dòng)、靜態(tài)漂移率變化過大，則證明儀器狀態(tài)不穩(wěn)定，在數(shù)據(jù)處理時(shí)應(yīng)作隔段漂移改正。在重力數(shù)據(jù)處理過程中，為減小漂移的影響，一般假定重力儀漂移率為線性，進(jìn)行線性漂移改正。此方法對(duì)漂移率線性度好，且動(dòng)、靜態(tài)漂移率差距小的儀器改正效果明顯；若線性度差，且動(dòng)、靜態(tài)漂移率差值大，則改正效果不佳。

為減小較大漂移率對(duì)重力測(cè)量自差、互差的影響，一般在測(cè)量過程中預(yù)先設(shè)置漂移率和初始時(shí)間， 自動(dòng)進(jìn)行線性漂移改正。此種方法同樣只適用于動(dòng)、靜態(tài)漂移率差值小，且漂移率相對(duì)穩(wěn)定的儀器。自動(dòng)漂移改正可顯著改進(jìn)測(cè)量過程中的自差結(jié)果，但互差結(jié)果并不一定能得到顯著減小，其取決于不同重力儀間漂移率的擬合程度。用漂移率穩(wěn)定的C834、C845、C1169和C1170重力儀在云南測(cè)區(qū)分別記錄有、無漂移改正重力數(shù)據(jù)處理后的對(duì)比情況發(fā)現(xiàn)，漂移率值預(yù)置與否對(duì)平差后的點(diǎn)值平均精度幾乎無影響。但這只是針對(duì)同一期觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平差，若涉及多期數(shù)據(jù)綜合處理，則不同期數(shù)據(jù)預(yù)置不同的漂移率值會(huì)帶來較大的系統(tǒng)誤差。

5結(jié)語

CG-5重力儀的靜態(tài)漂移率總體隨使用時(shí)間的變長呈現(xiàn)由高到低的變化，并逐漸穩(wěn)定于某一區(qū)間，且隨緯度(重力值讀數(shù)段)增大而逐漸減小，但個(gè)體差異較大。CG-5重力儀的動(dòng)態(tài)漂移率同樣呈現(xiàn)出隨使用時(shí)間變化而逐漸減小的趨勢(shì)，待彈簧性能穩(wěn)定后，動(dòng)態(tài)漂移率的變化幅度逐漸減小。觀測(cè)過程中隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)漂移率對(duì)實(shí)測(cè)段差結(jié)果有不可忽視的影響，且不同讀數(shù)段的動(dòng)態(tài)漂移率并不相同，總體呈現(xiàn)出隨讀數(shù)段增大而減小的趨勢(shì)，但趨勢(shì)性相比隨時(shí)間的變化規(guī)律弱。由于不同儀器間漂移性能存在差異，建議在每次施測(cè)周期前、后，均應(yīng)對(duì)儀器漂移性能指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定。

致謝：感謝中國地震局第二監(jiān)測(cè)中心、云南省地震局等流動(dòng)重力觀測(cè)單位提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

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Foundation support:Special Fund for Eathquake Research of CEA, No. 201308004，201508006；Director Fund of Institute of Seismology, CEA, No.201426144.

About the first author:WANG Jian, assistant researcher, majors in gravity field theory and its application, E-mail:kimyin447@163.com.

Drift Characteristics of CG-5 Gravimeter

WANGJian1SUNShaoan1XINGLelin1SHENChongyang1LIHui1

1Key Laboratory of Earthquake Geodesy, Institute of Seismology, CEA, 40 Hongshance Road, Wuhan 430071, China

Abstract:This paper analyses the CG-5 gravimeter’s drift characteristics from dynamic and static drift rate bases on large experimental data. Our research shows that the CG-5 gravity meter’s zero drift rate is comprehensively high, its variation magnitude becomes smaller as time goes by, but trends to stable eventually; the dynamic and static drift rates show a general trend of decrease as spatial latitude increases (gravity reading section increase),but with significant individual variations.

Key words:CG-5 gravity meter; dynamic drift; static drift

收稿日期：2015-07-03

第一作者簡介：汪健，助理研究員，研究方向?yàn)橹亓?chǎng)理論及應(yīng)用研究，E-mail:kimyin447@163.com。

DOI：10.14075/j.jgg.2016.06.020

文章編號(hào)：1671-5942(2016)06-0556-05

中圖分類號(hào)：P312

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

項(xiàng)目來源：中國地震局地震行業(yè)科研專項(xiàng)(201308004，201508006)；中國地震局地震研究所所長基金(201426144)。