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(地震大地測量重點實驗室)，武漢市洪山側路40號， 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(地震大地測量重點實驗室)，武漢市洪山側路40號， 430071

摘要：基于實驗數據，從靜態(tài)漂移和動態(tài)漂移兩個方面對CG-5重力儀的零漂特性進行系統(tǒng)分析。結果發(fā)現(xiàn)，CG-5重力儀的零漂值(靜態(tài)漂移率和動態(tài)漂移率)較高，幅值隨時間變化逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定；靜態(tài)漂移率和動態(tài)漂移率總體隨空間緯度(重力值讀數段)增大而減小，但個體差異較大。

關鍵詞：CG-5重力儀；動態(tài)零漂；靜態(tài)零漂

本文利用多臺CG-5重力儀[1-5]進行大量關于長期漂移的實驗，同時結合重力測量數據，對CG-5重力儀長期漂移的靜態(tài)和動態(tài)特性進行研究。

1彈減性與長期漂移

對CG-5重力儀影響較大的主要是彈性的時間效應和彈減性。彈性的時間效應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反復加載和卸載，應變總是落后于應力變化；彈性后效則是彈簧加載或卸載后產生應變，載荷持續(xù)一段時間后應變量增加或減少。移動CG-5重力儀在不同的空間位置進行測量的過程符合彈性的時間效應產生條件。但從重力測量的作業(yè)流程分析，當重力儀被運送到某地時，并非立即開始測量工作，尋找測量點位、搬運儀器至點位、安置儀器并置平觀測等過程會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，再通過延遲觀測時間或觀察讀數變化等措施予以消除，因此，彈性的時間效應影響可以忽略。CG-5重力儀的讀數彈簧由無靜電熔凝石英構成，擺體重荷12 mg，垂直懸掛不鎖擺，在重力或外力作用下往復伸縮，基本滿足彈減性的定義條件。彈簧的應力減退是個緩慢、漸變且不可恢復的過程，對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測試方案及數據處理結果

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，進行至少24 h的連續(xù)觀測(采樣時間一般為40～55 s,讀數周期一般為60 s)。將觀測值經固體潮改正后繪出儀器的靜態(tài)零漂曲線,計算重力儀的平均靜態(tài)零漂率,以檢測靜態(tài)零漂曲線的線性度。以2012-07-18～21 C834儀器在西安的靜態(tài)測試為例，觀測數據經理論固體潮改正后，靜態(tài)零點漂移率呈現(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，剛出廠時最大可達到100 μGal /h。表1為幾臺CG-5重力儀剛出廠時的靜態(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體之間靜態(tài)漂移率也不盡相同, 這與重力儀內部零長彈簧系統(tǒng)的狀態(tài)有關。

2.2靜態(tài)漂移隨時間的變化

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

隨著使用時間的增長，重力儀靜態(tài)漂移率會在某一穩(wěn)定值附近振蕩，而這也是儀器穩(wěn)定、觀測數據可靠的指標之一。只有在重力儀的漂移率穩(wěn)定、零漂曲線線性較好時，才可以用一定的數據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減小，因此漂移率隨空間的變化實際上反映了重力儀不同讀數段內漂移率的變化。在近似相同時間(0.5 a)內，對C834、C845、C509、C232重力儀的靜態(tài)漂移率進行一系列測試，采樣率設置為1 min，連續(xù)觀測時間不少于24 h，實驗結果見圖2。

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

增大而減小的趨勢,但個體差異較大，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動態(tài)漂移特性

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

3.1動態(tài)漂移隨時間的變化

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

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

圖5為2010～2013年C509、C524重力儀在讀數段偏大的喀什-伽師(喀伽)、烏魯木齊、甘肅和寧夏4個測網間的動態(tài)漂移變化情況，上述4個測網每年至少觀測兩期。

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

實際觀測過程中，每個測點的觀測時間一般小于40 min，在此觀測期間重力儀動態(tài)漂移率一直處于小幅度調整中，取不同時段的觀測值對實測段差結果有一定影響。表2為對三峽重力網中太平溪-鄧村測段分時間段取重力值對段差結果的影響情況。由表2可知，隨時間變化的動態(tài)漂移率對實測段差結果有著不可忽視的影響，在外業(yè)觀測和內業(yè)數據處理過程中應給予充分重視。

3.2動態(tài)漂移隨空間的變化

從較短時間尺度(1個測回或1 d)分析CG-5動態(tài)漂移率隨空間的變化情況。實際重力測量過程中，經常遇見上山和下山兩種情形，上山過程中測點高程增加，重力儀重力值減小，下山過程則相反。表3和表4為在豐裕口基線場、秦嶺太白山及三峽重力網太平溪-鄧村測段間進行的動態(tài)漂移率測試結果。

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

從較長時間尺度(1個測量周期)分析CG-5動態(tài)漂移率隨空間的變化情況。實際重力測量過程中，為減小漂移對觀測結果的影響，提高觀測精度，通常要求盡快完成測區(qū)的觀測任務。圖6為C509、C524重力儀2010～2014年在相同觀測周期內(2個月)，在烏魯木齊、寧夏、喀伽和甘肅測網的動態(tài)漂移率變化情況。

根據測網所在緯度，重力值讀數段由高到低依次為烏魯木齊、寧夏、喀伽、甘肅。但由圖6可知，隨著讀數段增加，動態(tài)漂移率總體呈現(xiàn)相對減小的趨勢；同時間段、不同區(qū)域內，動態(tài)漂移率變化趨勢一致。

4漂移對重力數據處理的影響

由于CG-5重力儀相對較大的漂移值及隨時空持續(xù)變化的特征，其漂移特性對重力數據處理有較大影響。如果動、靜態(tài)漂移率變化過大，則證明儀器狀態(tài)不穩(wěn)定，在數據處理時應作隔段漂移改正。在重力數據處理過程中，為減小漂移的影響，一般假定重力儀漂移率為線性，進行線性漂移改正。此方法對漂移率線性度好，且動、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、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重力測量自差、互差的影響，一般在測量過程中預先設置漂移率和初始時間， 自動進行線性漂移改正。此種方法同樣只適用于動、靜態(tài)漂移率差值小，且漂移率相對穩(wěn)定的儀器。自動漂移改正可顯著改進測量過程中的自差結果，但互差結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重力儀在云南測區(qū)分別記錄有、無漂移改正重力數據處理后的對比情況發(fā)現(xiàn)，漂移率值預置與否對平差后的點值平均精度幾乎無影響。但這只是針對同一期觀測數據進行平差，若涉及多期數據綜合處理，則不同期數據預置不同的漂移率值會帶來較大的系統(tǒng)誤差。

5結語

CG-5重力儀的靜態(tài)漂移率總體隨使用時間的變長呈現(xiàn)由高到低的變化，并逐漸穩(wěn)定于某一區(qū)間，且隨緯度(重力值讀數段)增大而逐漸減小，但個體差異較大。CG-5重力儀的動態(tài)漂移率同樣呈現(xiàn)出隨使用時間變化而逐漸減小的趨勢，待彈簧性能穩(wěn)定后，動態(tài)漂移率的變化幅度逐漸減小。觀測過程中隨時間變化的動態(tài)漂移率對實測段差結果有不可忽視的影響，且不同讀數段的動態(tài)漂移率并不相同，總體呈現(xiàn)出隨讀數段增大而減小的趨勢，但趨勢性相比隨時間的變化規(guī)律弱。由于不同儀器間漂移性能存在差異，建議在每次施測周期前、后，均應對儀器漂移性能指標進行標定。

致謝：感謝中國地震局第二監(jiān)測中心、云南省地震局等流動重力觀測單位提供實驗數據。

參考文獻

[1]邢樂林,李輝,夏正超,等.CG-5 重力儀零漂特性研究[J].地震學報,2010，32(3) : 369-373(Xing Lelin, Li Hui, Xia Zhengchao, et al. Study on Zero Drift Characteristics of CG-5 Gravimeter [J]. Acta Seismologica Sinica, 2010, 32(3): 369--373)

[2]曹金國,王來鵬,翟廣卿,等.CG-5 重力儀及應用[M]．北京: 解放軍出版社，2007(Cao Jinguo, Wang Laipeng,Zhai Guangqing, et al.CG-5 Gravity Meter and Its Application[M]. Beijing: The People’s Liberation Army Press,2007)

[3]沈博,袁尚武,馬玄龍,等.CG-5 重力儀的漂移與壽命[J]．物探與化探，2015，39(2) : 383-386(Shen Bo,Yuan Shangwu, Ma Xuanlong. Zero Drift of CG-5 Gravimeter and Its Service Lifetime [J].Geophysical and Geochemical Exploration，2015，39(2) : 383-386)

[4]邱雪峰,王應建,朱命琪.求定CG-5型重力儀靜態(tài)漂移常數的方法研究[J]. 北京測繪,2013(6):65-67(Qiu Xuefeng, Wang Yingjian, Zhu Mingqi. Study on the Method of Getting Zero Drift of CG-5 Gravimeter[J]. Beijing Surveying and Mapping,2013(6):65-67)

[5]肖凡,張宏偉. 利用 CG-5 重力儀標定動態(tài)檢定場[J].地理空間信息,2012,10(4): 126-128(Xiao Fan, Zhang Hongwei. Calibrating Dynamic Verification Field Based on CG-5 Gravimeters[J]. Geospatial Information,2012,10(4): 126-128)

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，研究方向為重力場理論及應用研究，E-mail:kimyin447@163.com。

DOI：10.14075/j.jgg.2016.06.020

文章編號：1671-5942(2016)06-0556-05

中圖分類號：P312

文獻標識碼：A

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