ZSM-6高精度数字重力仪原理与应用试验

陶照明，梁连仲，秦 佩，王 斌，薛振海，许德树

(1. 北京奥地探测仪器有限公司，北京 100016；2.北京勘察技术工程有限公司，北京 100085)

0 引言

高精度地面微重力测量技术和装备是地球物理勘查和地球重力场信息观测的基本手段。受地球引力影响，地面上的物体具有重力加速度[1-2]，在地球纬度、地层中矿藏变化等因素影响下，重力加速度会有细微变化，这种变化是发现石油、天然气、金属矿产等资源能源的重要依据之一。

重力仪分为绝对重力仪和相对重力仪两大类。通过观测物体的运动状态(时间与路径)，用以测定重力的全值，称为绝对重力仪；采用静力法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，称为相对重力仪。

国内在20世纪80年代初引进的地面重力测量装备绝大部分都是相对重力仪。其中，沃尔登型(Worlden)重力仪[3]是美国沃尔登公司于20世纪70年代生产的，该重力仪属石英弹簧重力仪；CG-5数字重力仪是加拿大Scintrex公司生产的，也属于石英弹簧重力仪，CG-5重力仪目前在我国具有较高的市场占有率。

重力测量是现代国防、资源勘探、空间科学、海洋科学、大地测量学、地球物理学、地球动力学等研究的重要方法之一，是关系国计民生的军民两用前沿技术。在“十三五”国家重点研发计划项目“地面地球物理勘探关键技术与装备”支持下，具有自主知识产权的高度智能的“ZSM-6高精度数字重力仪”研制成功，填补了国内在该领域的空白，打破了该类科学仪器长期依赖进口的局面，全面提升了我国重力仪研制与生产的综合实力。

随着近期国产ZSM-6数字重力仪的应用推广，其在矿产资源勘查、地质灾害观测、地震预报观测、国防建设等领域均有应用。

1 系统组成

数字重力仪主要由重力传感器分系统、控温测温分系统、倾角测量分系统、控制与数据处理分系统和定位授时分系统等5部分构成。

1.1 主要技术指标(表1)

表1 ZSM-6数字重力仪主要技术指标

1.2 重力传感器分系统

重力传感器分系统由石英弹簧系统、电容测微传感器及相应信号调理电路组成，其功能是把重力的相对变化转换为电信号。

熔融石英重力传感器密封于真空仓内，消除大气扰动及气压变化对石英弹性系统的影响。

电容测微传感器亦称为差动式电容传感器。电容传感器的电容值变化很微小，不能直接显示记录，必须将电容变化转换为电流、电压的变化。设计中引入锁相放大器、相敏检波器等工作电路，能够将作用于石英弹簧系统的重力变化所产生的微弱信号有效地检出，实现微弱重力变化的高精度检测，原理框图详见图1。

图1 信号转换原理图

1.3 控温测温分系统

该系统可实现熔融石英重力传感器的恒温控制(精度0.003 ℃)及高精度测量(0.000 01 ℃)，为熔融石英重力传感器提供恒定的工作温度，并能检测出微小的温度变化，为测量结果的温度改正提供相应的温度参数。

理论和实践证明，采用石英弹簧为主要敏感元件构成的数字重力仪，环境温度变化对重力仪读数的影响约为125 mGal/℃。为消除温度变化对重力仪读数的影响[9]，使其满足在各种不同环境温度条件下的作业需求，重力传感器必须置于恒温仓内，恒温仓采用恒温控制设计[7-8]。将石英弹性系统、电容测微传感器等灵敏电子部件安装在一个高稳定的双层恒温仓内，设计的双层恒温电路[6]由外控温电路、PID调节内控温电路两部分组成。通过双层控温电路调节，恒温系统的控温精度达到0.003 ℃。

测温电路由精密温度差动电桥、放大电路、低通滤波电路以及A/D模数转换器等电路组成。测温电路能够检测出内层恒温仓中微小的温度变化，测温精度达到1×10-5℃(分辨率为1×10-6℃)，通过软件算法进行自动温度补偿[8]，可消除温度对重力仪读数的影响。

为了达到1×10-5℃的测温精度，需要从几个方面考虑：①定制超高精密电阻和温度传感器组成差动电桥，超高精密电阻温度系数低至5×10-8/℃，保证测温电桥稳定可靠；②选用超低噪声仪表放大器，完全适用放大微小信号，数据采集选用24位(外加5个附加位) A/D模数转换器；③为了降低测温噪声，设计截止频率1 Hz的低通滤波器。

1.4 倾角测量分系统

倾角测量分系统是数字重力仪的一个重要组成部分，主要功能是精确测量重力传感器的倾斜角度，指示和通过调整使得重力传感器处于水平位置(石英弹簧轴重合于铅垂线)。

重力仪作业时仪器架设在三角架上，通过人工概略整平后，精确测定重力传感器相对水平面的倾角，为倾斜改正提供精确的倾角分量参数，倾角测量的分辨率为1″。

倾角测量系统主要由x、y倾角传感器、激励源电路、基准电压源、仪表放大电路、相敏检波电路、低通滤波电路、A/D转换器等部分组成[15-16]。

1.5 控制与数据处理分系统

①通过嵌入式计算机(国产龙芯系列)及相应控制软件，实现重力仪操作的人机对话及测量过程的全自动控制；②实现重力传感器以及各种测量信号(重力、温度、倾角等)的噪声滤波及测量数据的全自动采集；③实现BDS/GPS授时信号(UTC时)的接收及计算机实时钟的校准，为固体潮改正提供经纬度和时间参数；④实现测量数据的数字滤波(地震滤波、FIR滤波等)，测量数据的漂移改正、倾斜改正、温度改正、固体潮改正等各项计算，测量数据的精度评估等。

1.6 定位授时分系统

实现测站位置的概略定位，为固体潮改正提供测站位置参数；为计算机实时钟的时间校准提供标准的UTC时间。

2 重力仪原理

2.1 概述

用于重力勘探工作的重力仪，测出某两点之间的相对重力差，由于重力差比重力全值小几个数量级，因此其相对精度要求比绝对重力仪高得多。为能正确反映极微小的重力变化，ZSM-6数字重力仪根据静力学原理，运用零点读数法测量重力加速度的相对重力值[11]，在仪器设计、新材料选取、新元器件运用、噪声干扰消除[10]等方面采用了全新技术。

2.2 熔融石英重力传感器

熔融石英重力传感器由熔融石英弹性系统和电容测微传感器组成，是数字重力仪的核心部件。

2.2.1 熔融石英弹性系统

作用在重荷上的重力与(弹簧的)弹力以及一个相对较小的静电力相对平衡。重力改变时，通过一个电容测微传感器来检测重荷的位置位移，反馈电路将反馈电压施加在电容测微传感器的极板上， 极板产生的静电力使重荷(动极板)返回零点位置。石英弹性系统由核心部件一根石英弹簧和相关辅助部件组成，见图2。

图2 重力传感器原理图

在零点位置上，当弹力矩、重力矩、静电力矩达到平衡时，动极板静止不动，总力矩等于零。由此可以推出如下公式：

(1)

式中：m为动极板的总质量；a1为重力臂，即重心与摆轴的距离；a3为静电力臂，即重荷中心与摆轴的距离；ε0为真空中的介电常数，ε0=8.85×10-12F/m；U为加在电容器两个极板上的反馈电压；S为电容器极板的表面积；D为电容器极板的间距。

从式(1)可以看出，重力的变化与反馈电压的二次方成正比。

2.2.2 电容测微传感器

在实际测量工作中，重力加速度会有细微变化，对仪器精度和测量环境有着非常高的要求，当重力仪的分辨率达到0.001 mGal时，电容测微传感器的测距分辨率优于0.02 nm。

根据计算，电容测微传感器的位移分辨率是0.02 nm/μGal。

电容端的输出电压计算公式为

(2)

由式(2)可见，输出电压U0与被测位移Δd之间呈良好的线性特性。U0经放大检波后通过模数转换成数字信号，然后送到仪器的计算机系统进行处理、显示和存储。

2.2.3 信号检测与反馈

由相敏检波器和低通滤波器组成的基于锁相放大原理研制的检测电路，包括电容差动式交流电桥、放大电路、多阶低通滤波电路、积分电路和弱信号相关检测电路、静电反馈电路，构成完整的信号检测与反馈电路系统。信号检测与反馈分系统的整体电路设计框图详见图3。

图3 信号检测与反馈整体电路设计框图

通过电荷放大器电路、宽带放大器电路、低通滤波器电路、相敏检波电路、积分器电路等实现重荷位移信号的预处理。通过跟随器、反向放大器、耦合电路等组成的反馈电路产生反馈电压，反馈电压施加到电容极板上产生静电力，使重荷(动极板)返回零点位置。通过高稳定、高灵敏度的电容测微传感器实现重荷(动极板)位移的精密检测(机械位移0.02 nm/μGal)，从而实现对输出电压的精确测量。

3 应用试验

重力试验环境主要考虑矿产地质调查、区域重力调查、油气重力调查和城市地质调查等各类不同的重力勘探应用环境。本次应用试验通过选择两类环境开展重力生产试验工作。模拟矿产地质调查、城市地质调查的应用，而区域重力调查的工作环境类似于内蒙毛登矿集区的矿产地质调查环境。

3.1 应用试验实例1

通过北京城区开展生产性试验，检验仪器在城市地质调查中的应用。测试ZSM-6数字重力仪产品化、实用化水平，评价仪器的野外试生产各项精度指标。

试验地点选择在北京通州地区，横跨燕郊断裂、姚辛庄断裂、夏店断裂和西集断裂，试验重力仪在城市地质调查中的应用。通州城市副中心剖面主要位于通州以东，地表为第四系覆盖，大兴隆起地区第四系直接覆盖于古生界、元古界、太古界之上；夏店马坊断裂以东，沉积巨厚，第三系广泛发育，甚至下伏有中生界，重力变化幅度达到42 mGal，是开展重力生产试验的理想场所。

布设走向北西的重力剖面，长度21 km，走向N125.3E。剖面端点坐标(476583，4418839)～(493806，4406654)，横跨大兴隆起与大厂凹陷。其中剖面西段位于正在新建的北京城市副中心。

3.1.1 工作方法

参加试验的有两台ZSM-6数字重力仪，另有一台CG-5型全自动重力仪用于比对。加拿大Scintrex公司生产的CG-5全自动重力仪在国内地矿、石油勘探等行业拥有较多用户，其各项技术指标也代表了国际同类仪器的最高水平。

野外施工投入三个重力测量台班，一个测地台班，每个台班2人。其中三个重力测量除二个重力试生产台班外，还包括一个CG-5对比台班。

野外施工过程中，先由测量台班使用手持GPS引导队伍进入测线，然后使用RTK型GPS开展三维高精度坐标观测，设置固定标志。重力操作员跟随RTK，在有固定标志位置开展重力试验观测，按三台仪器近距离摆设，同步调平、同步读数存取数据的工作方式开展工作。要求仪器操作人员要确保数据采集质量的评价标准合理、客观，同一测点多次读数的重复性变化范围小于20 μGal。

测点重力观测采用起闭于基点的单次观测法，测点观测前应在基点上进行基—辅—基观测，以检查仪器是否正常。基点与辅基点间距离应保证基点上2次读数时间间隔不小于5 min。基点3次读数，辅基2次读数，最大与最小读数之差<0.020 mGal；然后进行测点观测，每个测点读2次数，2次读数之间差值小于0.020 mGal。平均数采用四舍五入法记录，最后闭合于重力基点。一般情况下重力观测闭合时间不大于12 h。

3.1.2 试验成果分析

在北京市通州城市副中心开展了重力测量剖面试验，通州城市副中心重力测量剖面图详见图4。

通过水平一次导数计算，发现5条断层中的4条分别对应于燕郊断裂、姚辛庄断裂、夏店断裂和西集断裂，还有一条断裂位于大厂凹陷一侧，尚未有命名，是与夏店断裂、西集断裂平行的一条断裂。通过正反演拟合计算，推断了断裂构造的空间展布位置，为本区的断裂构造研究提供了重要依据。

3.2 应用试验实例2

本次试验地点选择在内蒙古自治区锡林郭勒盟西乌珠穆沁旗境内毛登矿集区。地理坐标：东经116°30′00″～116°45′00″，北纬44°10′00″～ 44°20′00″。属于中国地质调查局发展研究中心2016年实施的“全国重要矿集区”之一。试验重力仪在野外矿产地质调查中的应用。

地表有第四系浅覆盖，下伏二叠系大石寨组地层。大石寨组上段地层包括：凝灰质砂岩、粉砂岩、泥岩、硅质岩及结晶灰岩、内碎屑灰岩、含泥质条带生物碎屑灰岩。大石寨组下段：凝灰岩、安山岩、流纹岩、火山角砾岩夹少量结晶灰岩、硅质泥岩，火山熔岩见突起构造、皮壳构造、龟裂纹，球泡构造，区内出露岩体有中粒辉长岩、辉绿岩，火山岩见有流纹岩、安山岩及玄武安山岩等。推断航磁异常主要与基性侵入岩如辉长岩辉绿岩有关，也有可能与大石寨组内的中基性火山喷出岩有关。铅锌矿化点位于磁异常边部，需要适当加密关注该矿化点是否是有规模的重力异常，甚至找到工业矿产。

1. 3741混合零点改正后重力值；2. CG5-779混合零点改正后重力值；3. 4549混合零点改正后重力值；4. RTK GPS测量高程；5. 3741布格重力异常值；6. CG5-779布格重力异常值；7. 4549布格重力异常值。

布设走向南北的重力剖面，长度21 km。剖面端点坐标分别是(476583，4418839)～(493806，4406654)，剖面横宽走向东西的航磁主异常和一个次级异常(图5)。

图5 地形图上的重力测量观测成果

三条测线最醒目的异常是中央偏北部与设计航磁图磁力高吻合处有同源重力高异常存在(G1)，140线异常宽度500 m，向东异常宽度变大，达到1000 m。地质填图见有中二叠世辉长岩，能同时引起重力高与磁力高。

在内蒙毛登矿集区基岩覆盖区，通过1∶10000比例尺的重力测量，发现了强度1.2 mGal半宽度为300 m的局部重力高，该异常附近位于成矿有利地区的地质盲区，对这一异常成因的研究，可能有助于该地区的找矿突破。

4 结论与展望

高精度的重力测量数据是许多科研领域和工程技术领域的必要研究手段和研究依据。目前ZSM-6高精度数字重力仪相关精度指标达到20 μGal，下一步通过国家重点研发计划的大力支持，对石英重力传感器的材料和限位等关键技术进一步研究，改进制作工艺和测试工艺，采用真空室多层恒温控制设计，进一步提高恒温测温精度，增进温度补偿效果，使得测量精度提高到5～10 μGal，测程范围增大到8000 mGal。未来将加速重力仪的市场推广，以满足基础重力图测量、油气矿产勘探、地球物理研究等应用领域的迫切需求，促进国产高精度数字重力仪设备的产业升级发展，打破国内市场被国外产品垄断的局面，为相关领域的科学研究和国防安全等提供有效地支撑。