[科普中国]-同步观测

简介

重力梯度是重力位的二阶导数，反映了地球重力场在全空间的变化率和水准面的曲率，具有比重力本身更高的分辨率，能够更好地反映场源体的细节和探测地下物质的分布及界面起伏等。重力垂直梯度是重力梯度张量中最重要的分量，主要应用于反演近地表异常物体、推求地球内部重力、提高地质特征的定量模拟质量、绝对重力测量的高度改正、检核和解释井中重力数据以及确定地面点的海拔高等。

重力梯度测量即测量重力沿某方向的空间变化率，常规陆地重力梯度测量方法通常在梯度方向的不同位置上使用不少于两台高精度重力仪按照相对重力测量方法测量两点的重力差。忽略重力梯度的非线性影响，利用观测的重力差除以两点间的距离即可得到该距离的平均重力梯度。常规方法的观测效率较低，数据处理较为繁琐1。

同步观测数据处理模型重力梯度观测时两点间的距离通常是固定的，其核心是测定两点间的重力差，因此，下面仅讨论重力差的数据处理模型。

实际处理时可以用平均差值代替重力梯度测量两个位置的气压改正的差值，只需在最后的结果中加以改正。考虑到同步观测时各台重力仪的固体潮改正相同，外界噪声可以认为大致相同，仪器高改正（同一位置观测时仪器面板高度）也可以忽略。

从上述原理可以看出，重力梯度同步观测数据处理无需计算固体潮改正和零漂改正，直接求解重力梯度观测的重力差2。

同步测量实验为了验证和评价重力梯度同步观测方法的正确性和有效性，设计了同步测量实验。实验内容包括重力仪延迟参数测定、重力仪电子输出数据到重力值（mGal）转换模型参数的测定、同步观测电子输出的相关特性和垂直重力梯度同步观测。

实验采用L&R G型重力仪G－960和G－1063，两台重力仪均配置了CPI，具有电子输出功能，电子输出记录采用16位、8通道的A/D采集卡。

1 重力仪延迟参数测定

重力仪延迟参数测定用于确定从重力仪松摆到重力仪输出稳定的过渡时间，其采样间隔为0．1s。

2 转换模型参数测定

确定重力仪电子输出数据转换为重力值（mGal）的模型参数。在约400μGal范围内，对称分布于零位两侧的等间隔的5点上记录重力仪读数轮读数、时间和电子输出的连续采样，采样间隔为0.001s，连续记录时长不少于3min。

3 相关特性测试

为了了解两台重力仪同步观测时其电子输出数据的相关性，测试3种重力仪安置状态下的相关性，即并行安置、上下安置及下上安置。每种重力仪安置状态分别进行，采样间隔为0.001s，记录时长不少于20min。

4 垂直重力梯度测定

为了获得垂直重力梯度观测数据，两台重力仪的观测位置可以分为东西并置、上下安置和下上安置，以LL、LH 和HL表示，每一个观测位置采集的数据的集合称为一组电子输出数据，采样间隔均为0.001s，记录时长不少于5min。

5 相关特性

基于内插法转换模型得到的同步观测重力数据的相关系数，并置时的相关性最强，上下或下上安置时的相关性弱于并置时的相关性。

为了分析观测数据中高频部分（环境噪声）的相关特性，将电子输出数据减去二次曲线拟合的内插值得到高频数据的时间序列，即滤除潮汐和零漂部分，然后计算高频同步观测数据的相关系数。高频部分的相关性弱于全通量的相关性，梯度测量架对环境噪声的传递产生影响。

6 垂直重力梯度

同步观测实验中重力仪G960不小心被轻轻地碰了一下，使得观测数据发生了山丘形变化。为了考察该方法抗御磕碰的能力，按全部数据、磕碰前数据和磕碰后数据3种情况分别进行求解。

只选取每一组电子输出数据中最后1min的数据进行处理。为了检验结果，利用相同的数据生成平均时间和mGal观测值，按照常规相对重力数据处理方法进行处理，处理的结果作为比较基准。用于同步梯度计算的数据用两种方法产生：取最靠近整秒的电子输出数据作为同步数据，每一组共60个；二次曲线拟合的整秒内插数据作为拟合数据，每一组共60个。常规、同步和拟合3种分组的数据均取自未经数据剔除的同一段数据，dg 为重力差，RMS为中误差。利用磕碰前数据的求解结果优于其他两种情况，并且同步和拟合的结果与常规的结果基本一致。

为了比较观测效率，采用磕碰前数据的二次拟合内插数据求解重力差，其中dg 为平均重力差，RMS为中误差。结果表明，组数多于5（相当于常规梯度测量的两组独立结果）时，重力差结果就可以满足要求。

总结同步观测实验全部在室内完成，因室内观测环境噪声较小，该方法的优越性体现得还不是非常明显，重力梯度的同步观测方法在环境干扰大的野外环境应该更能体现其优势，有必要进行全面的野外观测实验。配备能够便捷变换重力仪观测位置的重力梯度观测架，可以避免观测中重力仪的磕碰，缩短重力梯度的观测时间，提高效率。此外，重力仪零漂特性的稳定是保证该方法成功应用的关键因素，因此，有必要对参加重力梯度同步观测的重力仪进行筛选。使用配备有静电反馈装置的重力仪进行重力梯度的同步观测，更为方便和快捷3。