2018, Vol. 38
从我国引进第一台CG-5重力仪到现在已经有10余年的时间，据不完全统计，我国共引进该型号仪器400多台。CG-5重力仪以其优越的性能指标和便捷的操作性，赢得国内重力勘探人员的好评。但随着使用年限的增加，该仪器的零漂稳定性会发生明显的变化，故急需建立一套能评估CG-5重力仪零漂稳定性的参数系统。
CG-5重力仪是在CG-2/3重力仪的基础上发展起来的全自动相对重力仪，其重力传感元器件使用无静电熔凝石英弹簧，摆体重约12 mg，垂直悬挂不锁摆[1]，其测量精度优于±5 μGal，读数分辨率为±1 μGal，标称静态漂移率小于1 mGal/d，测量范围0~8 000 mGal(全量程反馈)，具有自动读数功能，可选择固体潮改正、倾斜改正、滤波等功能项[2-5]。
重力仪的零点漂移简称零漂(或掉格)，指由于重力仪灵敏系统主要部件的老化以及其他部件的逐渐机械疲劳而引起重力仪起始读数的零位不断改变的现象[6-7]。CG-5重力仪同样也存在着零点漂移现象，且由于购买时间和使用频率的不同，每台重力仪的零点漂移特征并不完全相同。在重力数据处理过程中，为了减小重力仪零漂的影响，一般假设重力仪的零漂曲线为线性，从而进行线性零漂改正[1]。由于重力仪零漂曲线实际上是非线性的，运用线性零漂改正会对测量数据产生误差，进而影响数据的精度，这种方法对零漂稳定性较差的仪器尤为明显。
1 静态零漂试验静态零漂试验是为了了解CG-5重力仪静态零点漂移是否呈线性变化(在静止状态下零点位移大小和线性程度)[8]。将CG-5重力仪安置于周围无振动干扰、环境温度变化较小的稳固场所，待仪器稳定后，每隔10 min读数一次，进行不少于24 h的静态观测，读数经固体潮改正后得到CG-5重力仪的静态零点位移曲线, 即静态零漂曲线，如图 1所示。
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图 1 CG-5重力仪静态零漂曲线 Fig. 1 Static zero drift curve of the CG-5 gravimeter |
从图 1可以看出，CG-5重力仪的静态零漂曲线呈良好的线性，零点漂移较小, 但每台仪器的静态零漂曲线也存在着明显的差异：1)A仪器静态零漂值最小，但局部变化较大；2)B仪器静态零漂曲线前端呈近二次曲线状(先上升后下降)；3)C仪器和D仪器静态零漂曲线线性度最好；4)A仪器和C仪器静态零漂曲线呈正向漂移(读数逐渐增大)；5)B仪器和D仪器静态零漂曲线呈负向漂移(读数逐渐减小)。
运用数理统计中的线性回归分析法，采用最小二乘法拟合每台重力仪的静态零漂曲线，计算出仪器静态零漂曲线的平均漂移率、拟合残差和拟合直线相关系数(表 1、表 2)，并画出每台重力仪拟合直线的残差(图 2)。从表 1可以看出，CG-5重力仪具有较小的静态零漂率，其绝对值在0.034~0.065 mGal/d之间；拟合直线残差绝对值均在0.023 mGal以内；拟合直线相关系数均大于0.8。
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表 1 CG-5重力仪静态零漂稳定性分析 Tab. 1 Static zero drift stability analysis of the CG-5 gravimeter |
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表 2 CG-5重力仪拟合残差分析 Tab. 2 Fitting residual analysis of the CG-5 gravimeter |
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图 2 CG-5重力仪静态零漂曲线拟合残差 Fig. 2 Static zero drift curve fitting residuals of the CG-5 gravimeter |
CG-5重力仪是一种数字化程度很高的仪器，其静态零漂率可以根据实际情况进行调整，从而能使静态零漂率控制在很小的范围。故运用CG-5重力仪静态零漂曲线拟合成直线的相关系数，更能体现出CG-5重力仪静态零漂稳定性特征。
2 动态零漂试验动态零漂试验是为了了解CG-5重力仪动态混合零点漂移的速率(位移大小和线性程度)[8]。本文主要通过收集每台CG-5重力仪在野外工作过程中早晚基点的数据，计算仪器每天的动态零漂率(单位mGal/h)，最后统计出每台仪器在连续一段时间内(50 d)的动态零漂率值，并绘制出动态零漂曲线(图 3)。
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图 3 CG-5重力仪动态零漂率曲线 Fig. 3 Dynamic zero drift curve of the CG-5 gravimeter |
从图 3可以看出，每台重力仪的动态零漂率特征并不一样，同一台重力仪每天的动态零漂率也不同。从动态零漂率绝对值上看，重力仪A、C和D的动态零漂率变化较小，重力仪B的动态零漂率变化较大。从表 3可以看出：1)在进行数据统计的50 d里，正向和负向动态零漂率最大的为B仪器；2)平均动态漂移率最小的为D仪器，最大的为B仪器。
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表 3 CG-5重力仪动态零漂稳定性分析 Tab. 3 Dynamic zero drift stability analysis of the CG-5 gravimeter |
CG-5重力仪的动态零漂曲线并不像静态零漂曲线那样有着明显的正向(或负向)漂移，同一台仪器其动态零点漂移的方向也存在着差别，有时正向漂移，有时负向漂移。从理论上讲，动态零漂曲线是以该仪器的静态零漂曲线为基础的，其动态零漂曲线的方向也应该与静态零漂曲线的方向一致，但实际情况并非如此。故运用平均动态零漂率能更好地描述仪器在较长一段时间内的动态零漂稳定性特征。
3 CG-5重力仪零漂稳定性评估通过对4台购于不同时期的CG-5重力仪进行静态零漂试验和动态零漂试验，运用静态零漂曲线拟合成直线的相关系数，以及平均动态零漂率来评估CG-5重力仪的零漂稳定性，结果表明D和C仪器具有较高的零漂稳定性，A仪器次之，B仪器的零漂稳定性较差(见表 4)。
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表 4 CG-5重力仪零漂稳定性评估 Tab. 4 Elevation on zero drift stability analysis of the CG-5 gravimeter |
在野外工区设计一条重力测量剖面(6个测点)，每台重力仪在每个测点上每10 min观测一组数据，每个测点观测3组数据(30 min)，每组试验数据经固体潮改正和基点改正后，计算出个每个测点每组观测数据的平均值，如表 5所示。
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表 5 CG-5重力仪零漂试验数据(单位:mGal) Tab. 5 Zero drift test data of the CG-5 gravimeter(unit:mGal) |
从表 5可以看出：1)每台重力仪在各个测点的3组读数间存在着明显的差别，其中B重力仪在5号点的自差最大(0.057 mGal)，D重力仪在4号点的自差最小(0.002 mGal)；2)D重力仪在6个测点上的平均自差最小(0.007 mGal)，B重力仪平均自差最大(0.020 mGal)。这种自差现象体现了CG-5重力仪零漂曲线(静态和动态)并不是呈严格线性的，经基点零漂改正后重力观测数据还存在着残差，自差结果的大小反映了重力仪的零漂稳定性。
4 结语CG-5重力仪具有测量精度高、测量范围大、操作简单和稳定性强等优点，但随着CG-5重力仪使用年限以及使用频率的增加，各元器件性能的老化，致使其零漂稳定性也逐渐降低。通过对4台购于不同时期的CG-5重力仪进行零漂稳定性试验，提出运用重力仪静态零漂曲线拟合直线的相关系数和平均动态零漂率来评估CG-5重力仪的零漂稳定性，并通过野外试验证明了该方法的有效性。
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