直線型海洋重力儀負漂移原因分析及處理

王勁松， 葉宇星， 徐　行， 趙　強， 廖開訓(xùn)

(1.國土資源部海底礦產(chǎn)資源重點實驗室，廣東廣州510075； 2.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東廣州510075； 3.中國石油集團東方地球物理勘探有限責(zé)任公司，河北涿州072750)

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直線型海洋重力儀負漂移原因分析及處理

王勁松1,2， 葉宇星3， 徐行1,2， 趙強1,2， 廖開訓(xùn)1,2

(1.國土資源部海底礦產(chǎn)資源重點實驗室，廣東廣州510075； 2.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東廣州510075； 3.中國石油集團東方地球物理勘探有限責(zé)任公司，河北涿州072750)

摘要：分析了直線型KSS31M (SN035)海洋重力儀短期負漂移現(xiàn)象的原因、采取的處理措施和經(jīng)驗總結(jié)，認為在減震措施不足的情況下，重力儀長期經(jīng)受震動，而頻繁的搬動會使重力儀彈性系統(tǒng)中的金屬彈簧產(chǎn)生較大的彈性疲勞，這種影響在短時間內(nèi)無法完全消除，由此可能導(dǎo)致月漂移超標(biāo)；陀螺穩(wěn)定平臺軸因承受震動磨損較嚴重，軸承間隙變大，導(dǎo)致安裝在平臺之上的重力傳感器經(jīng)過拋物線測試之后不能完全垂直指向地心，重力在水平方向存在一個微小的分量，最終導(dǎo)致重力讀數(shù)偏小，即短期負漂移；重力基點環(huán)境的變化等對漂移也有一定的影響。建議在搬動重力儀后將儀器保持足夠長時間的恒溫后再開機，密切監(jiān)測一段時間，以確保儀器處于良好的工作狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：海洋重力測量；海洋重力儀；零點漂移；負漂移

0引言

海洋重力測量一般采用走航式的連續(xù)觀測方法，屬于動態(tài)相對測量。由于幾乎所有的重力儀都存在零點漂移問題(黃謨濤等，2005；曾華霖，2005)，海洋重力儀也不例外。零點漂移是海洋重力儀穩(wěn)定性的重要技術(shù)指標(biāo)之一，它不僅直接指示海洋重力儀的工作狀態(tài)，其改正還關(guān)系到重力觀測數(shù)據(jù)的精度，因此研究海洋重力儀的零點漂移問題具有重要意義。

國內(nèi)對海洋重力儀零點漂移的研究已經(jīng)很多，但不管是中短期漂移還是長期漂移，均側(cè)重研究漂移的規(guī)律及零點漂移改正的方法(許時耕，1982；欒錫武，2004；顧兆峰等，2005；付永濤等，2007；黃謨濤等，2014；陸凱等，2014；廖開訓(xùn)等，2015)，但對零點漂移中出現(xiàn)的漂移過大、負漂移等異常現(xiàn)象及其原因研究很少。

通過對廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局裝備的直線型KSS31M(SN035)海洋重力儀13年來零點漂移中的負漂移現(xiàn)象觀測、原因分析及采取的處理方法的綜合分析，討論了異?，F(xiàn)象及原因，為同類型海洋重力儀的維護、使用提供借鑒。

1KSS31M型海洋重力儀簡介

迄今為止，國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的海洋重力儀是美國的LaCoste&RombergS系列重力儀以及德國的KSS31系列重力儀。前者采用零長彈簧，屬于旋轉(zhuǎn)型(擺桿型)，后者采用直立彈簧，屬于直線型。

KSS31M型海洋重力儀采用直立直線型彈簧測量系統(tǒng)(圖1)。測量彈簧位于1個圓管內(nèi)，5條細鎢絲和2條細彈簧使管狀質(zhì)量只在垂直方向上有自由度，從而在設(shè)計上有效地消除了交叉耦合效應(yīng)。在該測量系統(tǒng)中，重力變化改變著彈簧的張力，彈簧的伸縮量與重力變化成正比(陳邦彥等，1998)。精確的電磁系統(tǒng)確保彈簧工作在零位系統(tǒng)中，使彈簧始終保持在0位置(欒錫武，2004)。高靈敏度的電容測微器直接讀取平衡體(即管狀質(zhì)量)的位移大小，由此產(chǎn)生的電磁信號經(jīng)中央處理器處理后得到觀測的重力變化。

圖1　KSS31M型海洋重力儀直立直線型傳感器Fig.1　Erective linear sensor of the KSS31M marine gravimeter

2零點漂移及負漂移

海洋重力傳感器的主要部件(如主測量彈簧) 會隨著使用年限的增長而出現(xiàn)老化現(xiàn)象，致使重力儀起始讀數(shù)的零位隨時間發(fā)生緩慢變化，這種現(xiàn)象稱為儀器零點漂移，也稱儀器掉格(顧兆峰等，2005)。KSS31M型海洋重力儀傳感器中的彈簧及有關(guān)的連結(jié)件，不可能做得完全穩(wěn)定，即使在儀器罩內(nèi)保持恒溫和恒壓也是如此(德林格爾，1981)，因此零點漂移是不可避免的。大多數(shù)現(xiàn)代重力儀(陸地和海洋)的漂移率呈線性低值變化，且呈正向漂移，因為彈簧在重力的長期作用下是被拉長的，從而測得的重力加速度偏大。如果將漂移做成線性，那么在數(shù)據(jù)處理時就能方便地加以改正。一般情況下，正常運行的重力儀的實際月漂移均小于3×10-3cm/s2，且漂移應(yīng)該是線性的。

在實際作業(yè)中，通常用平均漂移率來評估儀器狀態(tài)，它根據(jù)重力儀在港口的連續(xù)讀數(shù)得到的測量閉合差求得。在測量船只能返回同一港口基點的情況下，平均漂移率就是基點觀測值之差除以2次讀數(shù)之間的時間。對一給定的重力儀，當(dāng)漂移看上去明顯地比以往大得多時，就可能發(fā)生了跳變(如在一段航行期間)(德林格爾，1981)。

2007年1月對廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局裝備的2套KSS31(M)重力儀進行過1周的陸地對比試驗。一套型號為KSS31M(SN035)，另外一套型號為KSS31(SN033)。2套重力儀技術(shù)指標(biāo)完全相同，不同的只是電子控制部分。在完成一系列測試后，2套重力儀進行了同時、定點、同方位的對比試驗，結(jié)果見圖2。

圖2　2套KSS31型海洋重力儀對比試驗曲線(藍線為KSS31海洋重力儀，紅線為KSS31M海洋重力儀)Fig.2　Test curves of two KSS31 marine gravimeters

從試驗結(jié)果來看，KSS31型海洋重力儀呈現(xiàn)較明顯的正掉趨勢，KSS31M型海洋重力儀呈現(xiàn)微弱的負掉趨勢，二者同步感應(yīng)潮汐變化，KSS31M型海洋重力儀感應(yīng)更為靈敏。兩者在試驗過程中出現(xiàn)不明擾動干擾，但工作狀態(tài)正常。從漂移情況來看，2套設(shè)備都滿足調(diào)查規(guī)范。KSS31M(SN035)型海洋重力儀工作狀態(tài)很好，但當(dāng)年綜合物探船前往我國北方某海域進行49天調(diào)查返回海洋地質(zhì)碼頭后，共掉格-7×10-3cm/s2，平均月漂移-4.29×10-3cm/s2。隨后進行的長達64天的海上調(diào)查平均月漂移也超過了3×10-3cm/s2，明顯大于以往的漂移速率(圖3)。

圖3為KSS31M(SN035)型海洋重力儀2002—2008年間各調(diào)查航次的平均月漂移情況統(tǒng)計圖，計算平均月漂移之前所有重力觀測值已全部換算至同一基準點上。圖3顯示，在2006年之前，短期零點漂移有正有負，以負漂移居多，整體來看呈微弱的負漂移趨勢。2006—2007年時段，零點漂移先呈明顯的負漂移，然后逐漸轉(zhuǎn)為正漂移，并且幅度變化很大，這意味著設(shè)備狀態(tài)發(fā)生了重大變化。

圖3　KSS31M(SN035)海洋重力儀各航次的平均月漂移曲線(2002—2008)Fig.3　Average drift curve per month of KSS31M (SN035) in surveys from 2002 to 2008

3漂移原因及校正措施

出現(xiàn)這種情況后，首先檢查漂移超標(biāo)的航段采集的所有數(shù)據(jù)，并與之前的正常數(shù)據(jù)進行對比，排除了海上發(fā)生異常掉格的可能。其次檢查航前的儀器測試記錄，確實是嚴格按照操作規(guī)程進行的，而且與之前正常情況下的記錄比較后沒有發(fā)現(xiàn)異常。初步分析認為，儀器的電子控制及軟件部分功能正常，問題應(yīng)該來自硬件方面。最后，會同廠家對設(shè)備進行系統(tǒng)檢查和測試，具體原因分析及采取的措施如下。

3.1安裝環(huán)境的影響

KSS31M型重力儀長期安裝在一條綜合物探船上，大部分重力測量航次和長排列、大容量震源的多道地震勘探同步作業(yè)。該船地震震源常規(guī)作業(yè)參數(shù)為壓力13.8MPa，容量83.2dm3。2007年前往我國北部海域水深不超過100m的淺水區(qū)作業(yè)，且海底為砂質(zhì)等硬底，每當(dāng)觸發(fā)震源、空氣槍陣放炮時，調(diào)查船船體能感受到多次明顯的跳動。這種震動以及2005—2006年間的頻繁搬動造成的累積效應(yīng)可能是導(dǎo)致KSS31M型重力儀漂移過大的主要原因。因為在減震措施不足的情況下，重力儀長期經(jīng)受震動會導(dǎo)致其彈性系統(tǒng)中的金屬彈簧產(chǎn)生較大的彈性疲勞，這種影響在結(jié)束調(diào)查返回碼頭的短短幾天時間內(nèi)是無法完全恢復(fù)的。

在減震措施不夠的情況下長期經(jīng)受震動還有另外一個影響，即陀螺穩(wěn)定平臺軸承磨損較嚴重，摩擦力偏大，軸承間隙越來越大，使安裝在平臺上的重力傳感器經(jīng)過拋物線測試之后不能完全垂直指向地心，重力在水平方向上有一個微小的分量存在，最終導(dǎo)致重力讀數(shù)偏小，導(dǎo)致短期負漂移。

3.2其他影響因素分析

KSS31M型海洋重力儀月漂移過大的問題發(fā)生在汶川大地震之前，所以懷疑重力基點的重力值是否已經(jīng)發(fā)生了改變。20世紀80年代開始，國內(nèi)一直有學(xué)者在研究重力變化與地震的關(guān)系(孫林松，1988；許厚澤等，1994；張為民等，2008)，綜合他們的研究，可以得出以下結(jié)論：(1) 大地震前后，震中附近的重力都會發(fā)生變化，幅度可達1×10-4cm/s2，可能是正向的，也可能是負向的；(2) 5級以上大地震前，在重力臺站300km范圍內(nèi)可觀測到 (5～10)×10-5cm/s2的重力變化；(3) 地震后重力場整體處于恢復(fù)狀態(tài)；(4) 震前、震后重力儀零點漂移偏離正常背景變化，出現(xiàn)異常年變化，這不是由于儀器、干擾等因素造成的，可能與地震帶構(gòu)造活動有關(guān)。

汶川震中距離廣州約2 000km，影響不可能達到10-4cm/s2量級，由此認為地震不可能是導(dǎo)致KSS31M型海洋重力儀漂移過大的原因。

另一個因素是基點周圍環(huán)境的影響。眾所周知，從理論上講，基點的相對重力值只與高程變化有關(guān)，高程每變化1m，重力變化3.086×10-4cm/s2。但是根據(jù)經(jīng)驗，當(dāng)2艘大船靠在一起比對基點時，泊位靠里還是靠外會對基點比對值產(chǎn)生一定的影響。另外，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局海洋地質(zhì)碼頭重力基點的周圍環(huán)境變化比較大，原本比較荒涼的地方現(xiàn)在工廠云集，尤其是鄰近的船廠碼頭經(jīng)常停泊著萬噸以上巨輪，調(diào)查船出航前后該處停泊的巨輪數(shù)量不等，最不利的影響是在基點比對期間有大噸位船舶的進出港活動。根據(jù)張春艷(2006)的研究，周圍建筑物群對基點的影響非常小，同樣地，類似于巨輪這樣的可移動的巨大質(zhì)量體對基點的影響也不會太大，兩者均不會是漂移過大的原因。

3.3Backlash調(diào)整

Backlash在此可理解成軸承間隙，其調(diào)整要求達到0.04～0.05mm的精度。維修工程師建議做這項工作時使用廠方的專用工具，或者由廠方派出經(jīng)驗豐富的專業(yè)人員進行現(xiàn)場維修，用戶自行維修則很難達到上述精度，且易導(dǎo)致相關(guān)部件的損壞。

3.4其他測試和調(diào)整

常規(guī)測試和調(diào)節(jié)項目有氣壓補償調(diào)節(jié)、平臺拋物線測試、小球常數(shù)測試、陀螺漂移調(diào)節(jié)。KSS31M型海洋動儀自引進以來，只在驗收時進行過1次氣壓補償調(diào)節(jié)，本次維修經(jīng)過調(diào)節(jié)后，重力讀數(shù)變化了約0.012cm/s2；平臺拋物線測試及小球常數(shù)測試均為每次出航調(diào)查前必測項目，以確保設(shè)備處于最佳狀態(tài)，這2項測試結(jié)果正常，與之前的結(jié)果相符。陀螺漂移調(diào)節(jié)后，負漂移結(jié)果正常。

上述所有測試和調(diào)節(jié)完成后，經(jīng)過一段時間的觀察，設(shè)備處于正常運行狀態(tài)，經(jīng)檢查，相關(guān)板件和電子元器件均處于良好狀態(tài)。

最后，針對減震不足的情況，在重力儀陀螺平臺的底部加裝了減震彈簧墊，以減少地震作業(yè)對重力儀的影響。

3.5穩(wěn)定性試驗

圖4　維修后KSS31M型海洋重力儀32天的靜態(tài)穩(wěn)定性試驗曲線圖Fig.4　32-day static stability test curves of the repaired KSS31M

為檢查維修后重力儀的工作狀態(tài)，將重力儀置于重力實驗室，進行約32天的靜態(tài)穩(wěn)定性試驗(圖4)，儀器的平均月漂移為-2×10-3cm/s2，已經(jīng)達到設(shè)計指標(biāo)，符合調(diào)查規(guī)范的要求。但該漂移仍然為負漂移，對此，廠方認為儀器的漂移已經(jīng)在指標(biāo)范圍之內(nèi)，說明儀器已經(jīng)正常；負漂移很小，屬常見現(xiàn)象，相信漂移會越來越小，有時甚至可能是0。

3.6維修后歷年漂移統(tǒng)計

經(jīng)過2008年的維修及陸地靜態(tài)穩(wěn)定性試驗后，將重力儀重新裝回綜合物探船上，之后未再搬動過。圖5是重力儀2009—2014年間的漂移統(tǒng)計情況。自2008年下半年之后，重力儀的零點漂移曲線基本回到了原來的趨勢上，其變化規(guī)律逐漸平緩，平均月漂移雖偶有超標(biāo)，但是其零漂情況可逐年改善，尤其是2014年4個航次的平均月漂移量都很小。總體來看，漂移變?yōu)橐哉佣?，這也驗證了廠家的說法是正確的。

圖5　維修后KSS31M型海洋重力儀的平均月漂移曲線(2009—2014)Fig.5　Average month drift curve of the repaired KSS31M from years of 2009 to 2014

4結(jié)論

從嚴格意義上而言，零點漂移是一種“混合”零點漂移，包括了固體潮、基點周圍固定建筑物以及基點比對時周圍停泊的船只等其他次要影響因素在內(nèi)，總體上能反映出海洋重力儀長期的技術(shù)性能變化情況。通過對廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局裝備的直線型KSS31M(SN035)海洋重力儀13年來的零點漂移中負漂移現(xiàn)象的原因分析、處理措施和經(jīng)驗總結(jié)的介紹，得出以下幾點認識。

(1) 在減震措施不足的情況下，重力儀長期經(jīng)受震動，加之頻繁的搬動，其彈性系統(tǒng)中的金屬彈簧會產(chǎn)生較大的彈性疲勞，而這種影響在結(jié)束調(diào)查返回碼頭的短時間內(nèi)是無法完全恢復(fù)的，體現(xiàn)在數(shù)據(jù)上則是平均月漂移超過規(guī)范的3×10-3cm/s2。

(2) 在減震措施不夠的情況下長期經(jīng)受震動還有另外一個影響，即陀螺穩(wěn)定平臺軸承磨損較嚴重，摩擦力偏大，軸承間隙越來越大，從而使安裝在平臺上的重力傳感器經(jīng)過拋物線測試之后也不能完全垂直指向地心，重力在水平方向上有一個微小的分量存在，最終導(dǎo)致重力讀數(shù)偏小，這是產(chǎn)生短期負漂移的原因。

(3) 重力基點環(huán)境的變化對漂移也有一定的影響，但影響不大。

(4) 海洋重力儀極其精密，不宜頻繁搬動，建議在搬動后使儀器保持足夠長時間的恒溫后再開機，然后密切監(jiān)測一段時間，以確保儀器處于良好的工作狀態(tài)。

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Reason analysis and treatment of the negative drift of the linear type marine gravimeter

WANG Jinsong1,2, YE Yuxing3, XU Xing1,2, ZHAO Qiang1,2, LIAO Kaixun1,2

(1.KeyLaboratoryofMarineMineralResourcesMinistryofLandandResources,Guangzhou510075，Guangdong，China; 2.GuangzhouMarineGeologicalSurvey,Guangzhou510075,Guangdong，China; 3.BGPInc.,ChinaNationalPetroleumCorporation,Zhuozhou072750,Hebei,China)

Abstract：This paper introduces the causes of the short-term negative drift of the linear type KSS31M (SN035) marine gravimeter, and illuminates the treatment measures and experience. The conclusions are: (1) In condition of insufficient vibration absorption, the gravimeter is always affected by strong vibration. Additionally, frequent uninstalling and transporting of the gravimeter also have bad influence on the metal spring of the gravimeter's elastic system. This may cause elastic fatigue of the metal spring, and can not be completely removed in a few days after returning to the dock. This is probably the reason of high monthly drift. (2) The bearing of the gyro platform wears due to vibration and its backlash becomes larger. The result is that the gravity sensor installed on the gyro platform can not be made perfectly erected even after parabola tests. There is a minor component of the gravity force in horizontal direction so that the gravity reading is smaller than the normal one. This is probably the short term negative drift. (3) Great changes of the base point environment affect the drift as well but the effect is actually very small. (4) A good practice after uninstalling and transporting the gravimeter is to keep the thermostat system of the gravimeter on for enough time, and then turn the gravimeter on and keep a close eye on it for a period to make sure the gravimeter is in good condition.

Keywords：marine gravity measurement; marine gravimeter; zero drift; negative drift

doi:10.3969/j.issn.1674-3636.2016.02.326

收稿日期：2015-09-25；修回日期：2015-11-13；編輯：蔣艷

基金項目：國家自然科學(xué)基金重點項目“高分辨率磁異常測量研究南海海盆擴張過程及洋殼磁性層結(jié)構(gòu)與演化”(91028007)、“南海深部構(gòu)造熱演化及其對南海形成演化的控制作用”(91428205)

作者簡介：王勁松(1980—),男,工程師,碩士，從事海洋重力、海洋磁力的數(shù)據(jù)采集、設(shè)備維護和技術(shù)方法研究工作，E-mail： jinsongwang2011@163.com

中圖分類號：P631.1+3

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-3636(2016)02-0326-05