CG-5重力仪外业工作中常见问题及解决方法

路利春，周明霞，李小龙，孙海龙，张冲，郑向光，庞日轩，王龙龙，李冰，许石，郑伟

(1.陕西地矿第二综合物探大队有限公司重力探测综合研究中心，西安 7100162.新疆地质矿产勘查开发局第九地质大队，乌鲁木齐 830009；3.西安煤航遥感信息有限公司，西安 710199；4.中国地质科学院地球深部探测中心，北京 100037；5.陕西地矿物化探队有限公司，西安 710043)

0 引言

重力勘探作为地球物理勘探方法中的一个重要分支学科，随着新中国的成立，得到了快速发展。21世纪初，随着对矿产石油等资源需求的增加，以及矿产资源勘探难度的不断加大，对重力勘探仪器以及数据采集精度也有了更高要求。近年来，随着电子技术的发展及广泛应用，先后出现了很多高精度重力仪器[1- 5]。

中国地形起伏比较大，地质地貌形态复杂多样，西部地区资源丰富，但多为中、高山区，地形高差比较大，地面高精度重力勘探过程中交通相对不便，而CG-5重力仪对于运输过程中的要求较高，才能保证高精度数据质量。高精度相对重力勘探技术采集和研究微伽级重力异常，通过先进的仪器设备数据采集、数据处理、图象处理等技术，充分发挥高精度重力勘探在解决细小地质异常体领域里的优势。加拿大Scintrex(先得利)公司生产的高精度移动重力仪CG-5取代了以前的LaCoste(G/D)型传统重力仪，从而进行快速移动重力测量成为该领域一次划时代的革新，使野外重力测量变得更加准确、方便和快捷。

CG-5重力仪具有的先进性能，具备了较高精度和使用上的巨大便利性，且应用领域广泛，主要包括：区域重力研究及重力填图，油气及矿藏勘探，火山学及地热研究，土木工程勘察，地下水和环境研究，考古综合地球物理研究，煤田采空区及城市塌陷区等地质灾害调查领域。高精度数据质量都基于仪器性能良好、使用正常的情况下所采集的数据，但电子设备在各种恶劣的交通、地形、气候气象等不同情况环境下会出现一些问题，正确处理这些问题才能保质保量的完成高精度数据采集。

1 CG-5重力仪简介

Scintrex公司是世界上地球物理仪器领域的一面旗帜。从1999年开始，Scintrex先后兼并了以生产绝对重力仪著称的Micro-g公司，以生产零长弹簧著称的LaCoste & Romberg公司，2003年三家公司合并成立为LaCoste & Romberg-Scintrex集团(LRS)，产品包括相对重力仪(g-Phone型台站式和CG-5流动式)、绝对重力仪、井中重力仪、航空重力仪、海洋重力仪等。近年来，该产品成为国际国内区域重力调查、矿藏及油气勘探的主流手段，占全球市场份额的90%以上。20世纪60年代至90年代初，CG-2、美国Worden及北京地质仪器厂ZSM重力仪曾作为主流重力勘查仪器，在石油普查、固体矿勘普查和1∶100万、1∶25万区域重力调查中发挥了举足轻重的作用。随着时代的发展，技术手段革新，这些仪器由于各方面的存在的不足逐渐退出重力勘探领域的舞台。CG-5重力仪是Scintrex公司生产的一种全自动重力仪，使用无静电熔凝石英弹簧，其精度优于±5×10-8m/s2，读数分辨率±1.0×10-8m/s2，厂家提供的静态漂移率<1.0×10-8(m·s-2)/d，测量范围8000×10-5m/s2(全量程反馈)，具有自动读数功能，可选择潮汐、倾斜、温度、滤波等修正项[6- 8]。CG-5重力仪以其优异的性能和良好的操作性，在我国得到了广泛认可和使用，目前国内拥有量已超过500台。

CG-5重力仪具有很多优点：①使用三重恒温装置，线性温漂可自动校正，保证仪器良好的漂移线性度；②仪器内部基于软件可实现各项校正和自动读数等功能；③使用大容量、小体积锂电池，大幅延长了野外工作时间；④采用整体熔凝抗静电石英传感器，骨架和活动部件之间没有连接点，因此几乎没有原零长弹簧重力仪存在的掉格现象，亦减小了粘摆问题的发生概率[9-12]；⑤独特设计使仪器的稳定性、重复性、抗冲击能力比零长弹簧重力仪得到大幅提高，测量及搬运时不再需要开摆、锁摆；⑥采用内置的倾斜传感器，在不平稳的地方测量时，可自动去除因仪器的晃动而带来的误差；⑦全自动电子读数，采样率可设，野外测试时间大大缩短，仅需1～2 min即可完成单点测量；⑧基本上不受磁场、环境温度、大气压力影响，可进行实时潮汐修正，可用于低至-40℃的高寒地区(如西藏新疆高海拔地区)；⑨智能自动去噪信号处理能去除由于局部受到冲击和振动所引起的测量误差；⑩卓越的地震滤波功能，能去除较大的微地震噪声。

2 CG-5重力仪工作原理及试验

目前CG-5重力仪器系统软件已经升级为V4.1，改进方面有以下五个：①改进了潮汐改正的时间；②完善了遥测控制功能；③完善了软件控制电源的功能；④对于一些操作造成的死机进行了改善。⑤解决了零点的跳跃问题。

2.1 工作原理

依据测量物理量的不同，重力测量分为动力法和静力法两大类，动力法观测的是物体的运动状态(时间与路径)，用以测定重力的全值，即绝对重力值(早期的摆仪也可用于相对测量)；静力法则是观测物体在重力作用下静力平衡位置的变化。以测量两点间的重力差，称相对重力测定。CG- 5重力仪器不同于其他重力仪，重荷是悬挂在一石英弹簧上，当重力变化时，重荷的位置上下移动，因此，属于线位移系统(图1、图2)。

1.可变电容器；2.弹簧；3.温度传感器；4.控制电路；5.数模转换器；6.数据接收；7.反馈电压；8.倾斜灵敏元件；9.真空容器；10.重荷图1 CG-5重力仪器外形及工作原理图

图2 灵敏系统工作原理图

作用在重荷M上的重力是靠弹簧的弹力及较小的静电恢复力来平衡的。重力的变化通过电容位移转换器感应到，重力变化时重荷位置会上下移动，则电容量发生变化，在控制电路中就有电流通过，由此得到的直流电压经反馈回路加到电容板极板上，当在重荷M上产生一静电力使其回到初始位置，这一反馈电压与重力变化的大小有关。反馈电压经模数转换为数字信号并送到仪器的数据接收系统，进行处理、存储与显示。

2.2 外业工作之前仪器准备

重力测量项目确定出队时间以后，仪器准备阶段，若仪器一直处于通电状态，则进行基本的仪器校验，连续24 h静态实验、动态试验，实验结果符合设计及规范要求后，方可进行重力勘探测量工作；若仪器一直处于断电状态，则仪器需要通电48 h以上，其中预热4 h仪器才能达到运行温度，通电48 h后仪器才能基本稳定，以实际经验最好通电一周以上，再进行上述基本仪器校验。

3 常见问题及解决方案

3.1 仪器使用注意事项

(1)应安排熟悉流程的人员进行仪器调节、校验、仪器管理、充电等管理操作，每天每台仪器必须带一块备用电池，防止出现意外情况。在充电时，必须使用稳压器稳定电压。

(2)电源的范围为100～240 V，若野外有变化时，轻易不要更换电池或使用外接电源，电池电量6.6 Ah，在25 ℃时可工作15 h左右，建议充电时空气温度在0～45 ℃。

(3)长途或短途运输时，必须避免仪器碰撞，千万不要水平摆动，摆动过大会使仪器产生“recover problem”，在携带仪器乘坐飞机或汽车时，管理员应把重力仪抱在怀中，防止失重、超重及其他惯性运动。

(4)CG-5漂移改正的起始时间不能手动更改，清除内存后自动更改漂移起始时间。

(5)在实际工作中不要开启固体潮改正系统，测得数据必须重新用软件进行固体潮改正。

(6)野外工作中遇到潮湿地带或草木生长旺盛的场地，操作人员尽量配备小铲子等工具，对测点平整后再进行数据采集。

(7)非专业人员不要轻易改变出厂的标定参数，若变化大，要在绝对安静的环境，数据噪音最好小于20 dB。

(8)在非测量工作状态下，不要把仪器直接放置于地面之上，必须放置于脚架上充电或者检查，CG-5外表静电较大，使用者保持双手皮肤干燥，有些地区不许消除地电(根据实际条件方法各异)。

(9)CG-5重力仪的内存系统在存储量达5%左右时，可能出现无法传输数据或死机的情况，应随时传输并保存数据，避免数据丢失。

3.2 出现的主要问题及解决方式

每次重力测量项目中重力仪器都可能出现相应的问题。现将CG-5重力在实际工作中遇到的问题及解决方案从以下五个方面总结归纳。

3.2.1 施工前仪器试验问题

CG-5重力仪经过长期运输后，必须在工作区重新选定仪器试验场所进行仪器性能试验测定。仪器性能试验精度无法达到设计或规范要求，问题分析及处理有以下几个方面。

静态观测试验不合格有以下几个方面：①仪器在运输过程中，无法及时充电，电池电量耗尽断电所致，及时充电48 h以上；②仪器长途运输受到影响(振动或碰撞)，静置24～48 h，待其稳定；③试验地点受干扰太大，重新选定实验地点。

动态仪器试验不合格有：①可能为试验过程中对仪器有碰撞造成的，则必须静置仪器等其稳定后重新开始试验；②可能在读数过程中仪器并未稳定记录了试验数据。

多台仪器一致性试验不合格原因：①在每个试验点，单台仪器没有同点位(水平面不一样)，重新试验；②起始基准点单台仪器没有在同一位置导致起算值有误差，重新试验；③比例因子计算错误或国家重力基本点值收集资料应用有误(非同一时间、同一标定场标定的比例因子)，检查并重新计算。

3.2.2 电源造成的问题

电源造成的问题有：①电源接触不良、电池安装位置有误或电量耗尽造成的重力仪无法启动，重新更换安装电池或及时充电即可解决；②电池与仪器接触芯片损坏，必须返厂维修；③不能正常显示电池状态及正常充放电，电池比正常情况下充电快，而使用容量却减少(如开机显示100%电量，短时间或瞬间电量降为零)；④电池校准丢失或电池未充电或电池充电损坏，使用充电器重新校准或充电更换电池；⑤显示屏不能正常显示电池工作状态，需要重新设置内部电池充电器，拿掉一个电池或断开外接电源电缆几秒钟来重新设置电池控制器。

3.2.3 温度控制系统的问题

CG-5重力仪的温控系统对重力观测数据的影响也是非常大的，主要包括：①仪器显示器显示变化缓慢，环境温度过度，显示器无法正常工作，在Options界面下或通过先后启动DISPLAY键和F1键，打开屏幕加热器；②仪器面板温度升高或降低，应立即停止工作，检查恒温装置是否正常，待仪器温度正常后，返回至前两个测点测量，并计算差值，若正常继续工作，若不正常则全天返工重测；③在极端温度环境中停止工作(极冷或极热)，低于-20℃或高于40℃，并采取措施保护仪器，使其温控系统不受破坏。

3.2.4 数据采集过程中的问题

数据采集过程中，重力仪若出现多元化的问题，主要有以下几个方面：①读数超出仪器测程范围或读数接近GCAL1值以及ERR/SD过低，问题是传感器被锁定，处理方法用手指轻轻敲(不是拍打)几下仪器面板上Autograv字样的位置，进行一次新的读数，直至传感器解锁，读数正常，仪器读数不会测出错误结果为止；②读数期间，出现屏幕全亮或全暗，背光调整过度或不充分(尤其强光下或夜间读数)，首先切换DISPLAY键，再切换F2键即可；③出现蓝屏或屏幕出现波浪式或电磁波式线条，此情况是系统死机症状，同时启动开关键和F1键，与此同时，启动setup键，热启动系统所有数据将被删除；④屏幕或键盘页面无法更新、无法工作、功能无法实现亦是死机状态，处理方式也热启动；⑤野外出现事故对仪器造成撞击或磕碰，应立即停止工作，返回驻地，待仪器稳定后进行晚基点校验。若当日零点掉格符合要求，则第二个工作日去检查至少不同测线位置的三个测点，检查精度合格，保证数据质量，即初步确定前一日数据为可使用资料；若当日零点掉格不符合3倍观测飓风误差的要求，则全天工作报废，重新测量；⑥外业工作过程中，仪器始终无法在一个测点读数合格，重新选定测点，继续测量，仍然不能获得合格读数，推测周围有影响较大的人为震动或地球发生了地震，此情况下停止当日工作，第二个工作日检查当天工作测点不得少于10%，若有一个测点读数不合格，则全部物理测点作废，返工重新测量；⑦若工作中某一日，早晚基点仪器校验不合格，当日工作报废，重新进行仪器试验，并计算数据，对仪器进行零点漂移改正，待仪器正常稳定后，方可投入生产使用；⑧数据采集中，遇到开机显示屏出现沙漏形状旋转，无法工作的同时也无法开机与关机，先尝试热启动，再冷启动，仍然无法工作时，进行超级冷启动(笔者不建议使用)。

3.2.5 数据传输、处理问题

野外数据采集工作结束后(建议每个行次必须传输保存数据)无法传输数据，电脑系统没有显示任何错误的情况下，有以下三个方面问题：①仪器和计算机间未连接RS-232或USB数据线；②文件传输程序未能正确安装。重新检查USB接口且重新连接数据线或检查SCTUTIL(数据传输软件)程序是否安装正确。检查后仍然无法传输，通过电脑设备管理器，对驱动进行更新安装；③传输数据时，先链接仪器端的USB接口，然后开机再连接电脑端的USB接口；④当电脑系统显示数据传输错误的情况出现时，在排除杀毒软件的影响后，初步推断为CG-5仪器本身内存系统问题，此情况下数据必将丢失，必须进行冷启动重新设置仪器，清空存储卡数据。具体方法：第一步同时按下setup/4键和开关键启动仪器，系统将提示是否恢复为仪器缺省设置，第二步按9键进行冷启动。

为此，笔者对重力仪器操作人员有几点建议。首先再好的仪器也需要工作人员爱护与维护；其次，仪器管理单位应由专业技术人员统一管理使用，定期去厂家或代理商维护与维修；CG-5在中国大陆地区的使用寿命在10年左右，达到使用时限经维修后仍无法达到数据采集精度要求的，应联系厂家置换或购买新设备。

4 结论与认识

作者长达十几年对CG-5高精度重力仪器使用与研究，积累了丰富的工作经验，对各个地区，不同环境下仪器可能出现的问题进行归纳[13- 15]，总结了仪器使用过程中的注意事项以及工作过程中对仪器问题的解决办法，让物探工作者能够及时自己处理仪器问题，将大大减少工作过程中仪器问题对工作造成的影响，在提高工作效率与工作进程的前提下获得更高质量的重力数据。同时，让地质勘探工作者能够更好投入到祖国的物探事业中。