CG-5重力仪的漂移特征

汪　健　孙少安　邢乐林　申重阳　李　辉

1　中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室)，武汉市洪山侧路40号， 430071



CG-5重力仪的漂移特征

汪健1孙少安1邢乐林1申重阳1李辉1

1中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室)，武汉市洪山侧路40号， 430071

摘要：基于实验数据，从静态漂移和动态漂移两个方面对CG-5重力仪的零漂特性进行系统分析。结果发现，CG-5重力仪的零漂值(静态漂移率和动态漂移率)较高，幅值随时间变化逐渐减小，最终趋于稳定；静态漂移率和动态漂移率总体随空间纬度(重力值读数段)增大而减小，但个体差异较大。

关键词：CG-5重力仪；动态零漂；静态零漂

本文利用多台CG-5重力仪[1-5]进行大量关于长期漂移的实验，同时结合重力测量数据，对CG-5重力仪长期漂移的静态和动态特性进行研究。

1弹减性与长期漂移

对CG-5重力仪影响较大的主要是弹性的时间效应和弹减性。弹性的时间效应分为弹性滞后和弹性后效。弹性滞后是弹性材料在弹性变形范围内反复加载和卸载，应变总是落后于应力变化；弹性后效则是弹簧加载或卸载后产生应变，载荷持续一段时间后应变量增加或减少。移动CG-5重力仪在不同的空间位置进行测量的过程符合弹性的时间效应产生条件。但从重力测量的作业流程分析，当重力仪被运送到某地时，并非立即开始测量工作，寻找测量点位、搬运仪器至点位、安置仪器并置平观测等过程会在一定程度上削弱弹性滞后和弹性后效的影响，如果还有残余，再通过延迟观测时间或观察读数变化等措施予以消除，因此，弹性的时间效应影响可以忽略。CG-5重力仪的读数弹簧由无静电熔凝石英构成，摆体重荷12 mg，垂直悬挂不锁摆，在重力或外力作用下往复伸缩，基本满足弹减性的定义条件。弹簧的应力减退是个缓慢、渐变且不可恢复的过程，对CG-5重力仪的影响是长期的，称之为长期漂移。

2静态漂移特性

2.1测试方案及数据处理结果

将重力仪静置于某一稳定、无外界噪声干扰的环境中，漂移率趋于稳定后，进行至少24 h的连续观测(采样时间一般为40～55 s,读数周期一般为60 s)。将观测值经固体潮改正后绘出仪器的静态零漂曲线,计算重力仪的平均静态零漂率,以检测静态零漂曲线的线性度。以2012-07-18～21 C834仪器在西安的静态测试为例，观测数据经理论固体潮改正后，静态零点漂移率呈现很好的线性特征，平均静态漂移率为29.3 μGal/h。

CG-5重力仪的静态漂移率比Lacoast仪器大，刚出厂时最大可达到100 μGal /h。表1为几台CG-5重力仪刚出厂时的静态漂移情况。由表1可知，不同批次的重力仪出厂后的静态漂移率差异较大，同一批次出厂的重力仪个体之间静态漂移率也不尽相同, 这与重力仪内部零长弹簧系统的状态有关。

2.2静态漂移随时间的变化

图1为C834、C845重力仪2012～2014年在中国地震局地震研究所绝对重力点上的静态漂移情况。

随着使用时间的增长，重力仪静态漂移率会在某一稳定值附近振荡，而这也是仪器稳定、观测数据可靠的指标之一。只有在重力仪的漂移率稳定、零漂曲线线性较好时，才可以用一定的数据处理方法将零漂的影响尽可能地模拟并消除，得到所需的重力观测值。

2.3静态漂移随空间的变化

本文中空间变化特指作业区域纬度的变化。随着纬度的增加，地球表面的重力值相对减小，因此漂移率随空间的变化实际上反映了重力仪不同读数段内漂移率的变化。在近似相同时间(0.5 a)内，对C834、C845、C509、C232重力仪的静态漂移率进行一系列测试，采样率设置为1 min，连续观测时间不少于24 h，实验结果见图2。

由图2可知，CG-5重力仪的不同读数段静态漂移率不一致，总体呈现随纬度(重力值读数段)

增大而减小的趋势,但个体差异较大，其中C834、C845漂移率变化幅度较大，C232、C509漂移率较为稳定，变化幅度小。

3动态漂移特性

CG-5重力仪的动态漂移是指重力仪在运输与野外测量过程中，经过一段时间连续观测(一般超过15 d)，待漂移率趋于稳定并进行固体潮改正后，得到的重力仪平均动态零漂情况。

3.1动态漂移随时间的变化

图3为刚出厂1个月与使用6个月后的重力仪在云南测区测量过程中的动态漂移对比。由图3可知，新重力仪的弹簧系统处于不断调整之中，动态漂移率变化较大，在约50 d的重力测量过程中变化幅度为20 μGal/h。随着使用时间的增长，其弹簧系统逐渐稳定，最终动态漂移率维持在较小变化区间内(变化幅度逐渐减小为6 μGal/h)。待重力仪使用一段时间，日平均动态漂移情况逐渐稳定后，便可在较长时间尺度下讨论CG-5重力仪动态漂移率随时间的变化特征。

CG-5重力仪读数量程较大(最大可达7 000 μGal)，之前并未有学者对不同读数段的动态漂移率随时间变化规律进行过研究，本文将对此进行分析。图4为C230、C369重力仪2010～2013年在读数段偏小的广东与福建测区的动态漂移率变化情形。由图4可知，CG-5重力仪随着使用时间的增长，仪器弹簧性能逐渐稳定，动态漂移率逐渐稳定，变化量逐渐减小。

图5为2010～2013年C509、C524重力仪在读数段偏大的喀什-伽师(喀伽)、乌鲁木齐、甘肃和宁夏4个测网间的动态漂移变化情况，上述4个测网每年至少观测两期。

由图5可知，在读数段较大的地区，CG-5重力仪的动态漂移率同样呈现出随时间增长逐渐减小的趋势，待弹簧性能稳定后，动态漂移率的变化幅度逐渐减小，最后在某个固定区间振荡。

实际观测过程中，每个测点的观测时间一般小于40 min，在此观测期间重力仪动态漂移率一直处于小幅度调整中，取不同时段的观测值对实测段差结果有一定影响。表2为对三峡重力网中太平溪-邓村测段分时间段取重力值对段差结果的影响情况。由表2可知，随时间变化的动态漂移率对实测段差结果有着不可忽视的影响，在外业观测和内业数据处理过程中应给予充分重视。

3.2动态漂移随空间的变化

从较短时间尺度(1个测回或1 d)分析CG-5动态漂移率随空间的变化情况。实际重力测量过程中，经常遇见上山和下山两种情形，上山过程中测点高程增加，重力仪重力值减小，下山过程则相反。表3和表4为在丰裕口基线场、秦岭太白山及三峡重力网太平溪-邓村测段间进行的动态漂移率测试结果。

由表3可知，C834、C217重力仪重力值减小和无重力变化状态时的动态漂移率基本一致，变化较小；重力值增大时，漂移率相对减小约40%。由表4可知，C509、C232重力仪重力值减小时动态漂移率有较明显增大，C509重力仪重力值增大时，动态漂移率有小幅度增加，而C232重力仪重力值增大时，动态漂移率明显减小。

从较长时间尺度(1个测量周期)分析CG-5动态漂移率随空间的变化情况。实际重力测量过程中，为减小漂移对观测结果的影响，提高观测精度，通常要求尽快完成测区的观测任务。图6为C509、C524重力仪2010～2014年在相同观测周期内(2个月)，在乌鲁木齐、宁夏、喀伽和甘肃测网的动态漂移率变化情况。

根据测网所在纬度，重力值读数段由高到低依次为乌鲁木齐、宁夏、喀伽、甘肃。但由图6可知，随着读数段增加，动态漂移率总体呈现相对减小的趋势；同时间段、不同区域内，动态漂移率变化趋势一致。

4漂移对重力数据处理的影响

由于CG-5重力仪相对较大的漂移值及随时空持续变化的特征，其漂移特性对重力数据处理有较大影响。如果动、静态漂移率变化过大，则证明仪器状态不稳定，在数据处理时应作隔段漂移改正。在重力数据处理过程中，为减小漂移的影响，一般假定重力仪漂移率为线性，进行线性漂移改正。此方法对漂移率线性度好，且动、静态漂移率差距小的仪器改正效果明显；若线性度差，且动、静态漂移率差值大，则改正效果不佳。

为减小较大漂移率对重力测量自差、互差的影响，一般在测量过程中预先设置漂移率和初始时间， 自动进行线性漂移改正。此种方法同样只适用于动、静态漂移率差值小，且漂移率相对稳定的仪器。自动漂移改正可显著改进测量过程中的自差结果，但互差结果并不一定能得到显著减小，其取决于不同重力仪间漂移率的拟合程度。用漂移率稳定的C834、C845、C1169和C1170重力仪在云南测区分别记录有、无漂移改正重力数据处理后的对比情况发现，漂移率值预置与否对平差后的点值平均精度几乎无影响。但这只是针对同一期观测数据进行平差，若涉及多期数据综合处理，则不同期数据预置不同的漂移率值会带来较大的系统误差。

5结语

CG-5重力仪的静态漂移率总体随使用时间的变长呈现由高到低的变化，并逐渐稳定于某一区间，且随纬度(重力值读数段)增大而逐渐减小，但个体差异较大。CG-5重力仪的动态漂移率同样呈现出随使用时间变化而逐渐减小的趋势，待弹簧性能稳定后，动态漂移率的变化幅度逐渐减小。观测过程中随时间变化的动态漂移率对实测段差结果有不可忽视的影响，且不同读数段的动态漂移率并不相同，总体呈现出随读数段增大而减小的趋势，但趋势性相比随时间的变化规律弱。由于不同仪器间漂移性能存在差异，建议在每次施测周期前、后，均应对仪器漂移性能指标进行标定。

致谢：感谢中国地震局第二监测中心、云南省地震局等流动重力观测单位提供实验数据。

参考文献

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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

第一作者简介：汪健，助理研究员，研究方向为重力场理论及应用研究，E-mail:kimyin447@163.com。

DOI：10.14075/j.jgg.2016.06.020

文章编号：1671-5942(2016)06-0556-05

中图分类号：P312

文献标识码：A

项目来源：中国地震局地震行业科研专项(201308004，201508006)；中国地震局地震研究所所长基金(201426144)。