直线型海洋重力仪负漂移原因分析及处理

王劲松， 叶宇星， 徐　行， 赵　强， 廖开训

(1.国土资源部海底矿产资源重点实验室，广东广州510075； 2.广州海洋地质调查局，广东广州510075； 3.中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司，河北涿州072750)



直线型海洋重力仪负漂移原因分析及处理

王劲松1,2， 叶宇星3， 徐行1,2， 赵强1,2， 廖开训1,2

(1.国土资源部海底矿产资源重点实验室，广东广州510075； 2.广州海洋地质调查局，广东广州510075； 3.中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司，河北涿州072750)

摘要：分析了直线型KSS31M (SN035)海洋重力仪短期负漂移现象的原因、采取的处理措施和经验总结，认为在减震措施不足的情况下，重力仪长期经受震动，而频繁的搬动会使重力仪弹性系统中的金属弹簧产生较大的弹性疲劳，这种影响在短时间内无法完全消除，由此可能导致月漂移超标；陀螺稳定平台轴因承受震动磨损较严重，轴承间隙变大，导致安装在平台之上的重力传感器经过抛物线测试之后不能完全垂直指向地心，重力在水平方向存在一个微小的分量，最终导致重力读数偏小，即短期负漂移；重力基点环境的变化等对漂移也有一定的影响。建议在搬动重力仪后将仪器保持足够长时间的恒温后再开机，密切监测一段时间，以确保仪器处于良好的工作状态。

关键词：海洋重力测量；海洋重力仪；零点漂移；负漂移

0引言

海洋重力测量一般采用走航式的连续观测方法，属于动态相对测量。由于几乎所有的重力仪都存在零点漂移问题(黄谟涛等，2005；曾华霖，2005)，海洋重力仪也不例外。零点漂移是海洋重力仪稳定性的重要技术指标之一，它不仅直接指示海洋重力仪的工作状态，其改正还关系到重力观测数据的精度，因此研究海洋重力仪的零点漂移问题具有重要意义。

国内对海洋重力仪零点漂移的研究已经很多，但不管是中短期漂移还是长期漂移，均侧重研究漂移的规律及零点漂移改正的方法(许时耕，1982；栾锡武，2004；顾兆峰等，2005；付永涛等，2007；黄谟涛等，2014；陆凯等，2014；廖开训等，2015)，但对零点漂移中出现的漂移过大、负漂移等异常现象及其原因研究很少。

通过对广州海洋地质调查局装备的直线型KSS31M(SN035)海洋重力仪13年来零点漂移中的负漂移现象观测、原因分析及采取的处理方法的综合分析，讨论了异常现象及原因，为同类型海洋重力仪的维护、使用提供借鉴。

1KSS31M型海洋重力仪简介

迄今为止，国内应用最广泛的海洋重力仪是美国的LaCoste&RombergS系列重力仪以及德国的KSS31系列重力仪。前者采用零长弹簧，属于旋转型(摆杆型)，后者采用直立弹簧，属于直线型。

KSS31M型海洋重力仪采用直立直线型弹簧测量系统(图1)。测量弹簧位于1个圆管内，5条细钨丝和2条细弹簧使管状质量只在垂直方向上有自由度，从而在设计上有效地消除了交叉耦合效应。在该测量系统中，重力变化改变着弹簧的张力，弹簧的伸缩量与重力变化成正比(陈邦彦等，1998)。精确的电磁系统确保弹簧工作在零位系统中，使弹簧始终保持在0位置(栾锡武，2004)。高灵敏度的电容测微器直接读取平衡体(即管状质量)的位移大小，由此产生的电磁信号经中央处理器处理后得到观测的重力变化。

图1　KSS31M型海洋重力仪直立直线型传感器Fig.1　Erective linear sensor of the KSS31M marine gravimeter

2零点漂移及负漂移

海洋重力传感器的主要部件(如主测量弹簧) 会随着使用年限的增长而出现老化现象，致使重力仪起始读数的零位随时间发生缓慢变化，这种现象称为仪器零点漂移，也称仪器掉格(顾兆峰等，2005)。KSS31M型海洋重力仪传感器中的弹簧及有关的连结件，不可能做得完全稳定，即使在仪器罩内保持恒温和恒压也是如此(德林格尔，1981)，因此零点漂移是不可避免的。大多数现代重力仪(陆地和海洋)的漂移率呈线性低值变化，且呈正向漂移，因为弹簧在重力的长期作用下是被拉长的，从而测得的重力加速度偏大。如果将漂移做成线性，那么在数据处理时就能方便地加以改正。一般情况下，正常运行的重力仪的实际月漂移均小于3×10-3cm/s2，且漂移应该是线性的。

在实际作业中，通常用平均漂移率来评估仪器状态，它根据重力仪在港口的连续读数得到的测量闭合差求得。在测量船只能返回同一港口基点的情况下，平均漂移率就是基点观测值之差除以2次读数之间的时间。对一给定的重力仪，当漂移看上去明显地比以往大得多时，就可能发生了跳变(如在一段航行期间)(德林格尔，1981)。

2007年1月对广州海洋地质调查局装备的2套KSS31(M)重力仪进行过1周的陆地对比试验。一套型号为KSS31M(SN035)，另外一套型号为KSS31(SN033)。2套重力仪技术指标完全相同，不同的只是电子控制部分。在完成一系列测试后，2套重力仪进行了同时、定点、同方位的对比试验，结果见图2。

图2　2套KSS31型海洋重力仪对比试验曲线(蓝线为KSS31海洋重力仪，红线为KSS31M海洋重力仪)Fig.2　Test curves of two KSS31 marine gravimeters

从试验结果来看，KSS31型海洋重力仪呈现较明显的正掉趋势，KSS31M型海洋重力仪呈现微弱的负掉趋势，二者同步感应潮汐变化，KSS31M型海洋重力仪感应更为灵敏。两者在试验过程中出现不明扰动干扰，但工作状态正常。从漂移情况来看，2套设备都满足调查规范。KSS31M(SN035)型海洋重力仪工作状态很好，但当年综合物探船前往我国北方某海域进行49天调查返回海洋地质码头后，共掉格-7×10-3cm/s2，平均月漂移-4.29×10-3cm/s2。随后进行的长达64天的海上调查平均月漂移也超过了3×10-3cm/s2，明显大于以往的漂移速率(图3)。

图3为KSS31M(SN035)型海洋重力仪2002—2008年间各调查航次的平均月漂移情况统计图，计算平均月漂移之前所有重力观测值已全部换算至同一基准点上。图3显示，在2006年之前，短期零点漂移有正有负，以负漂移居多，整体来看呈微弱的负漂移趋势。2006—2007年时段，零点漂移先呈明显的负漂移，然后逐渐转为正漂移，并且幅度变化很大，这意味着设备状态发生了重大变化。

图3　KSS31M(SN035)海洋重力仪各航次的平均月漂移曲线(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

出现这种情况后，首先检查漂移超标的航段采集的所有数据，并与之前的正常数据进行对比，排除了海上发生异常掉格的可能。其次检查航前的仪器测试记录，确实是严格按照操作规程进行的，而且与之前正常情况下的记录比较后没有发现异常。初步分析认为，仪器的电子控制及软件部分功能正常，问题应该来自硬件方面。最后，会同厂家对设备进行系统检查和测试，具体原因分析及采取的措施如下。

3.1安装环境的影响

KSS31M型重力仪长期安装在一条综合物探船上，大部分重力测量航次和长排列、大容量震源的多道地震勘探同步作业。该船地震震源常规作业参数为压力13.8MPa，容量83.2dm3。2007年前往我国北部海域水深不超过100m的浅水区作业，且海底为砂质等硬底，每当触发震源、空气枪阵放炮时，调查船船体能感受到多次明显的跳动。这种震动以及2005—2006年间的频繁搬动造成的累积效应可能是导致KSS31M型重力仪漂移过大的主要原因。因为在减震措施不足的情况下，重力仪长期经受震动会导致其弹性系统中的金属弹簧产生较大的弹性疲劳，这种影响在结束调查返回码头的短短几天时间内是无法完全恢复的。

在减震措施不够的情况下长期经受震动还有另外一个影响，即陀螺稳定平台轴承磨损较严重，摩擦力偏大，轴承间隙越来越大，使安装在平台上的重力传感器经过抛物线测试之后不能完全垂直指向地心，重力在水平方向上有一个微小的分量存在，最终导致重力读数偏小，导致短期负漂移。

3.2其他影响因素分析

KSS31M型海洋重力仪月漂移过大的问题发生在汶川大地震之前，所以怀疑重力基点的重力值是否已经发生了改变。20世纪80年代开始，国内一直有学者在研究重力变化与地震的关系(孙林松，1988；许厚泽等，1994；张为民等，2008)，综合他们的研究，可以得出以下结论：(1) 大地震前后，震中附近的重力都会发生变化，幅度可达1×10-4cm/s2，可能是正向的，也可能是负向的；(2) 5级以上大地震前，在重力台站300km范围内可观测到 (5～10)×10-5cm/s2的重力变化；(3) 地震后重力场整体处于恢复状态；(4) 震前、震后重力仪零点漂移偏离正常背景变化，出现异常年变化，这不是由于仪器、干扰等因素造成的，可能与地震带构造活动有关。

汶川震中距离广州约2 000km，影响不可能达到10-4cm/s2量级，由此认为地震不可能是导致KSS31M型海洋重力仪漂移过大的原因。

另一个因素是基点周围环境的影响。众所周知，从理论上讲，基点的相对重力值只与高程变化有关，高程每变化1m，重力变化3.086×10-4cm/s2。但是根据经验，当2艘大船靠在一起比对基点时，泊位靠里还是靠外会对基点比对值产生一定的影响。另外，随着经济的发展，广州海洋地质调查局海洋地质码头重力基点的周围环境变化比较大，原本比较荒凉的地方现在工厂云集，尤其是邻近的船厂码头经常停泊着万吨以上巨轮，调查船出航前后该处停泊的巨轮数量不等，最不利的影响是在基点比对期间有大吨位船舶的进出港活动。根据张春艳(2006)的研究，周围建筑物群对基点的影响非常小，同样地，类似于巨轮这样的可移动的巨大质量体对基点的影响也不会太大，两者均不会是漂移过大的原因。

3.3Backlash调整

Backlash在此可理解成轴承间隙，其调整要求达到0.04～0.05mm的精度。维修工程师建议做这项工作时使用厂方的专用工具，或者由厂方派出经验丰富的专业人员进行现场维修，用户自行维修则很难达到上述精度，且易导致相关部件的损坏。

3.4其他测试和调整

常规测试和调节项目有气压补偿调节、平台抛物线测试、小球常数测试、陀螺漂移调节。KSS31M型海洋动仪自引进以来，只在验收时进行过1次气压补偿调节，本次维修经过调节后，重力读数变化了约0.012cm/s2；平台抛物线测试及小球常数测试均为每次出航调查前必测项目，以确保设备处于最佳状态，这2项测试结果正常，与之前的结果相符。陀螺漂移调节后，负漂移结果正常。

上述所有测试和调节完成后，经过一段时间的观察，设备处于正常运行状态，经检查，相关板件和电子元器件均处于良好状态。

最后，针对减震不足的情况，在重力仪陀螺平台的底部加装了减震弹簧垫，以减少地震作业对重力仪的影响。

3.5稳定性试验

图4　维修后KSS31M型海洋重力仪32天的静态稳定性试验曲线图Fig.4　32-day static stability test curves of the repaired KSS31M

为检查维修后重力仪的工作状态，将重力仪置于重力实验室，进行约32天的静态稳定性试验(图4)，仪器的平均月漂移为-2×10-3cm/s2，已经达到设计指标，符合调查规范的要求。但该漂移仍然为负漂移，对此，厂方认为仪器的漂移已经在指标范围之内，说明仪器已经正常；负漂移很小，属常见现象，相信漂移会越来越小，有时甚至可能是0。

3.6维修后历年漂移统计

经过2008年的维修及陆地静态稳定性试验后，将重力仪重新装回综合物探船上，之后未再搬动过。图5是重力仪2009—2014年间的漂移统计情况。自2008年下半年之后，重力仪的零点漂移曲线基本回到了原来的趋势上，其变化规律逐渐平缓，平均月漂移虽偶有超标，但是其零漂情况可逐年改善，尤其是2014年4个航次的平均月漂移量都很小。总体来看，漂移变为以正漂居多，这也验证了厂家的说法是正确的。

图5　维修后KSS31M型海洋重力仪的平均月漂移曲线(2009—2014)Fig.5　Average month drift curve of the repaired KSS31M from years of 2009 to 2014

4结论

从严格意义上而言，零点漂移是一种“混合”零点漂移，包括了固体潮、基点周围固定建筑物以及基点比对时周围停泊的船只等其他次要影响因素在内，总体上能反映出海洋重力仪长期的技术性能变化情况。通过对广州海洋地质调查局装备的直线型KSS31M(SN035)海洋重力仪13年来的零点漂移中负漂移现象的原因分析、处理措施和经验总结的介绍，得出以下几点认识。

(1) 在减震措施不足的情况下，重力仪长期经受震动，加之频繁的搬动，其弹性系统中的金属弹簧会产生较大的弹性疲劳，而这种影响在结束调查返回码头的短时间内是无法完全恢复的，体现在数据上则是平均月漂移超过规范的3×10-3cm/s2。

(2) 在减震措施不够的情况下长期经受震动还有另外一个影响，即陀螺稳定平台轴承磨损较严重，摩擦力偏大，轴承间隙越来越大，从而使安装在平台上的重力传感器经过抛物线测试之后也不能完全垂直指向地心，重力在水平方向上有一个微小的分量存在，最终导致重力读数偏小，这是产生短期负漂移的原因。

(3) 重力基点环境的变化对漂移也有一定的影响，但影响不大。

(4) 海洋重力仪极其精密，不宜频繁搬动，建议在搬动后使仪器保持足够长时间的恒温后再开机，然后密切监测一段时间，以确保仪器处于良好的工作状态。

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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；编辑：蒋艳

基金项目：国家自然科学基金重点项目“高分辨率磁异常测量研究南海海盆扩张过程及洋壳磁性层结构与演化”(91028007)、“南海深部构造热演化及其对南海形成演化的控制作用”(91428205)

作者简介：王劲松(1980—),男,工程师,硕士，从事海洋重力、海洋磁力的数据采集、设备维护和技术方法研究工作，E-mail： jinsongwang2011@163.com

中图分类号：P631.1+3

文献标识码：A

文章编号：1674-3636(2016)02-0326-05