CG-5重力仪零漂特性现况分析

杨雅慧，刘洪良，张展伟，刘书峰

（河北省地震局 保定地震监测中心站，河北 保定 071000）

0 引言

重力观测技术是目前获取重力场信息及其动态变化情况的重要手段，为了更好地服务于地震监测，高精度的重力观测数据必不可少。CG-5相对重力仪由加拿大Scintrex公司制造，为全自动重力仪，传感器类型为无静电熔凝石英弹簧，其测量精度优于5.0 μgal，读数分辨率 为1 μgal[1]。沈博等[2]认为CG-5相对重力仪在引进初期，静态漂移率常见值0.5 mgal/d左右，在首个野外使用工期中，漂移率通常出现大幅升高，静置数月后，漂移率会逐渐降低，再次使用时又将明显上升，但不超过首次使用的漂移率高点；汪健等[3]认为CG-5相对重力仪零漂幅值随时间变化逐渐减小，最终趋于稳定，静态零漂率和动态零漂率总体随空间纬度（重力值读数段）增大而减小，但个体差异较大；胡金桥等[4]发现CG-5相对重力仪在海南岛测量期间的日均零漂率不存在随着测点纬度的增加而减小的情况；邓友茂等[5]提出运用拟合直线相关系数来评估仪器的静态零漂稳定性，以及运用平均动态零漂率来评估仪器的动态零漂稳定性；邢乐林等[6]通过对CG-5重力仪进行相关测试，对其零漂特性及格值系数进行了研究，提出可通过数据处理或内部设置改正线性零漂。

目前，已有研究大多针对刚投入使用1～3年内的重力仪进行零漂相关分析，并未有成果充分论证使用多年后的重力仪零点漂移特性问题。CG-5相对重力仪使用寿命为10年，其零漂特性随年限逐渐变化，直接影响重力数据的精度和可靠性。现有两台重力仪投入观测时间为2010年，使用时长已达9年，年限较长。为了检测其现有零漂特性，在数据处理中更好地去除零漂的影响，服务于京津冀地区的地震预报工作，有必要对其进行研究分析。

河北局流动测量队自1968年开始进行流动重力观测工作，目前每年复测两期，使用两台CG-5相对重力仪同时观测，重力仪编号分别为C859、C873。本研究将基于2019年河北本测区的两期野外重力资料和室内、外相关测试数据，进行零点漂移相关计算及特性现况分析，为数据处理提供依据。

1 数据稳定性分析

首先，需测试两台CG-5相对重力仪数据产出的稳定性。2019年4月21日，在河北保定选取一较为稳定、干扰较少的场地，对两台重力仪进行重复性观测，共观测5组，每组3次，观测间隔时间为8 min。取每组观测数据进行固体潮及线性零漂改正后得到重力值，并进行自差及标准差的计算，以检测重力仪稳定示值的能力（表1）。

表1 CG-5相对重力仪重复性观测

由表1可以发现，两台重力仪各组观测数据之间差值较小，重复性高，自差控制在5 μgal以内，标准差优于1.5 μgal，产出数据具有较好的稳定性，可靠性强。

2 零点漂移特性计算及相关分析

2.1 静态零点漂移

对重力仪进行静态零点漂移分析可以研究静止状态时重力仪的零点位移变化信息。2019年5月中旬，将两台CG-5相对重力仪置于测量队仪器室内进行静态观测，确保周围环境稳定且相对震动干扰较小，保持CG-5重力仪固定不动，累计观测时长不少于48小时，读数周期为60 s。重力仪刚开始观测时，各项参数均不稳定，观测值存在误差。取重力仪状态稳定后的观测数据，进行固体潮改正后绘制静态零点漂移数据曲线及拟合曲线，计算零点漂移率及拟合残差。以2019年5月24—25日连续静态观测数据为依据，图1为重力仪C859、C873的静态零点漂移数据及其对应的拟合数据、拟合残差值。

如图1所示，连续静态观测时长累计达48 h，两台重力仪的静态零点漂移均呈现明显的线性，静态数据与拟合数据曲线高度重合；得到重力仪C859、C873静态零漂率分别为29.1 μgal/h、19.4 μgal/h，残差值较小，基本控制在±10 μgal 以内。此外，对2019年11月同样进行连续静态观测并计算零漂，得到11月两台重力仪的零漂率分别为38.6 μgal/h、22.5 μgal/h，较5月静态零漂率结果稍高。

图1 CG-5重力仪静态零点漂移及残差值

2.2 动态及混合零点漂移

对CG-5相对重力仪进行动态零点漂移研究可以了解其在野外实际测量过程中的零点漂移的情况。零点漂移率可由式（1）求得：

式中：k表示零点漂移率；g1、t1分别表示某测点首次测量时的重力观测值和观测时间；g2、t2表示再次回到该测点时的重力观测值和时间。

本文取CG-5相对重力仪在2019年河北局流动测量队重力测区的野外观测数据进行计算分析。重力资料一共2期，第一期观测时间为2—5月，实测54个测点、64个测段；第二期为7—10月，实测58个测点、70个测段。将观测数据经固体潮改正后，筛选测量过程中每天往返测点的重力观测值和时间，基于公式（1）计算每天观测的每个测点的零漂率值，并得到连续一段观测时间内CG-5重力仪的每日平均动态零点漂移率（图2）。

由图2可以发现，重力仪C859在2019年两期的重力观测过程中具有不同的零漂率变化范围，第二期零漂率较第一期有所增加；C859、C873单期动态漂移率的变化范围较小，均在10 μgal/h范围以内浮动，稳定性较好。此外，对比每期的两台重力仪的动态零漂率的变化可以发现其具有一定同步性，说明除仪器本身因素外，零漂率可能还与观测时的环境因素有关。

图2 CG-5重力仪平均动态零点漂移曲线

此外，基于2019年河北局重力测区的两期野外重力观测资料，选取两期资料中各期观测次数均大于两次的测点，对其去固体潮后拟合，得到该测点的混合零点漂移率及拟合残差。本次计算数据经筛选后单期符合要求测点共计16个，两期分别计算，共得到32个测点混合零点漂移率值（单台重力仪）。其中，以重力仪C859为例，选取部分测点在两期的混合零点漂移结果（图3），以每期每个测点拟合的残差范围为依据，统计其在各区间的分布情况（表2）。

表2 混合零点漂移结果统计

图3 C859重力仪混合零点漂移

CG-5重力仪在各测点的零漂曲线呈现较好的线性，零漂率随着测点的变化而不同，C859中90%测点的零漂率分布在30～41 μgal/h内；C873中90%测点的零漂率分布在19～22 μgal/h内；混合零漂拟合残差基本控制在±20 μgal以内，仅有少数测点的测值拟合残差值较大。

2.3 零漂率结果统计及分析

由表3可得，虽然两台重力仪使用年限较长，但在2019年的观测数据处理结果中，无论是静态、动态还是混合零漂率，其平均值均比较接近。两台重力仪零漂率处于正常变化范围，具有较好的稳定性。其中，相比第一期数据，C859在第二期中表现出明显的零漂率的增长，均值增长约为10 μgal/h；C873表现平稳，全年零漂率无明显增长，在19～23 μgal/h内变化，稳定性高。

表3 零漂率结果统计

2.4 数据测试

本测试旨在分析特殊情况对于仪器零点漂移率计算结果及数据精度的影响，比如部分测点被破坏导致点位变化或缺测，测点往返测时间间隔不对称，以及周围环境干扰大等情况。故现于河北保定选取一个稳定场地，布置相对重力测量测线一条，取4个测点，按照A→B→C→D→C→B→A的顺序，完成共8个测回的测量。其中，第一至四个测回进行正常观测，整体平差处理；第五至八测回为特殊情况，分别平差以进行分析。第五、六测回分别设计为测点C点位信息发生变化、C点未观测两种情形；第七个测回取测点C往返观测时间间隔不一致；第八个测回取周围环境干扰较大时观测，观察后四测回中零漂率结果及数据精度的变化情况，测试结果如表4所示。

表4 数据测试结果

在前四测回测量过程中，各测点往返测时间间隔对称，测点信息正常，数据精度高，零漂率接近静态测试时的平均值。在后四测回的特殊情形中，段差值变化明显，数据精度降低，零漂率浮动较大，数据可靠性变差。其中，以第五测回测点位置发生变化时对数据处理的精度影响最大；第七测回往返测时间不一致对零漂率结果的影响最为明显，重力仪C859的零漂率高于正常值的2倍。重力仪C873的零漂率受此次影响较小，较为稳定。

3 结论与讨论

CG-5相对重力仪由于其操作简单、采集数字化、读数重复性好等优点，目前被广泛应用于流动重力观测。通过研究发现，本次所用的两台CG-5重力仪虽然投入使用已达9年，但其静态观测数据及测点数据仍呈现明显的线性，残差结果较好。在零漂率结果统计中，静态、动态及混合零漂的均值相差较小，重力仪零漂特性稳定，可继续用于流动重力观测任务，各项零漂均值结果可用于年度重力仪零漂稳定性的检测。另外，通过数据测试发现，在实际测量过程中应当尽量避免测点往返测时间间隔不一致、测点变化或者周围干扰较大等情况，以保证重力数据的可靠性及精准度。

此外，本次研究所用两台CG-5重力仪在一年尺度内随季节、时间推移未显示明显变化规律，若进一步研究，可扩大时间尺度，分析长时间内的重力仪零漂特性随时间的变化规律。