中国已开展相对重力测量多年，在勘探、地震、测绘等行业取得了大量成果（王西文，1997；周江存等，2009；Zhu Yiqing et al，2010）。LaCoste & Romberg G型重力仪（下文简称LCR-G型重力仪）已停产，逐渐被CG-5型重力仪和Burris型重力仪代替。与LCR-G型重力仪一样，使用金属零长弹簧的Burris型重力仪因其较小的零漂特性，近年来得到广泛应用（付广裕等，2013；梁伟锋等，2013），性能逐渐被认知（张锐等，2011；何志堂等, 2012a, 2012b）。中国地震局第二监测中心于2014年7月和2015年1月分别购进一台Burris型相对重力仪，仪器序列号为B95、B101。经测试，2台重力仪均符合地震重力仪器入网要求，并于重力仪测试当年加入中国地震局相对重力观测台网，进行地震重力测量工作。

自2010年“中国大陆构造环境监测网络”首期观测以来，中国地震局第二监测中心使用Burris型重力仪进行大范围流动重力测量，积累了大量数据。为深入了解Burris型重力仪特性，本文使用B95研究仪器在长时间断电后再次供电的升温过程，认识其读数变化的基本特点，并使用2014年7月—2016年12月B95和B101实测重力数据，分析Burris型重力仪特性。

本文所使用数据均为Burris型重力仪实测数据，重力仪通电升温过程中的读数及静态观测数据，均在中国地震局第二监测中心尺长检定室固定位置上自动记录得到，其他实测数据均在野外固定点位取得，所有数据仅做重力固体潮改正。

虽然对于温度对金属弹簧影响有较为清晰的认识，但对相对重力仪读数影响缺少认识。为了获取随着内部金属弹簧温度升高，Burris型重力仪读数的变化特点，笔者使用长时间冷却后的仪器进行自动读数，分析了该型仪器的特点。

2016年10月初野外测量工作完成后，B101仪器用于其他测量工作，仅对B95仪器（仪器置于地下室）实施断电冷却，并于11月11日9:25对其通电，为保护仪器进行100 min静置加热，11:05开始电子读数，电子读数器提示仪器温度不足，至11:30提示消失，此后至11月23日进行静置测量。B95仪器通电后，于11月11日11:35、12:32进行测程调节。对静态测量数据进行潮汐改正，绘制升温过程中相对重力变化曲线，见图 1。

图 1(Fig. 1)

图 1 B95重力仪升温过程中仪器读数变化曲线 （a）2016年11月11日11:00——23日14:42；（b）2011年11月11日11:00——13:00；（c）2016年11月11日11: 00——17日14:00 Fig.1 Reading change of gravimeter B95 during heating

开始电子读数后，仪器读数处于快速下降阶段，且变化幅度逐渐变小，最大下降幅度为5 min变化7.7×10^-5 m/s²。至11:35第1次调节测程时刻，下降幅度为每分钟0.26×10^-5 m/s²，恢复正常读数后下降幅度再次变大。12:39再次调整测程，于12:45恢复正确读数，之后仪器读数（每分钟采样）处于相对快速的上升过程，大约在11月13日22时以后处于基本稳定状态。由此可见，B95仪器在长时间冷却后，从开始通电加热至读数稳定需要90 h（图 1）。

测量过程中电子读数器的温度提示表明，重力仪从开始供电加热到恒温需要125 min。采用B95仪器11月11日11:05至11:35和12:45至静态测量结束时去除固体潮的静态数据，计算得到重力值变化率。由图 1可知：在11:05—11:20及11:21—11:32时段内，重力变化率分别为-86.4×10^-5 m/（s²·h）、-45.6×10^-5 m/（s²·h），11:35—12:30时段因调节测程读数异常，12:45以后重力仪恢复正常读数。2016年11月10日12:45—22日B95仪器重力变化率曲线见图 2，可知：在通电加热100 min至仪器读数稳定前，读数呈非线性变化，历经减小再增大的过程；读数在变化过程中，绝对变化率逐渐变小，至11月14日2时，之后绝对变化率小于5×10^-8 m/（s²·h），表明仪器断电再次充电后的65 h内零漂率仍然偏大，至11月15日，即在供电加热110 h后，绝对变化率才满足地震观测仪器进网要求的3×10^-8 m/（s²·h）（中国地震局，2007）。

图 2(Fig. 2)

图 2 2016年11月10日12:45至22日重力变化率曲线 Fig.2 Gravity change rate between 12:45, November 11 and November 22

B95仪器再次通电后升温过程中仪器读数变化表明，当供电125 min仪器显示达到恒温状态时，弹簧的弹性系数远未达到稳定状态。LCR-G型重力仪实验表明，温度对金属弹簧的弹性系数影响较大，温度变化小于0.01℃才能使弹性系数变化引起的重力读数变化小于1×10^-8 m/s²（王谦身等，2003）。对LCR-G型重力仪稳定性研究（余剑和，1999）表明，断电仪器再次供电60 h后，野外测量得到的段差自差和互差结果不稳定，供电90 h后段差数据才显示出较好的稳定性。基于此次B95仪器静态测量结果，结合LCR-G型重力仪研究结果，认为Burris型仪器在温度和弹性滞后效应的共同影响下，在野外测量工作中，同样需要不少于110 h的稳定时间。

稳定的重力仪读数主要受零漂率影响，而重力仪零漂根据测量方法不同可以分为静态零漂、动态零漂及混合零漂。在实际测量工作中，一个测点一天内观测次数较少，无法分析仪器动态零漂。本文仅分析Burris型重力仪的静态零漂和混合零漂。

2台Burris型重力仪交付使用后，分别在同一地点进行多次静态测量，使用tsoft软件去除固体潮后的相对重力变化数据见图 3。其中，B95仪器历经4次静态测量，测量时间为2014年7月、2014年8月、2014年12月和2016年11月；B101仪器历经3次静态测量，测量时间为2015年1月、2015年3月和2016年11月。2台仪器第1次静态测量数据均为仪器验收测试数据，发现通电几天后的静态零漂比后期大。由图 3(a)可见，B95仪器2015年1月至2016年11月的相对重力出现由负变正的明显变化过程；B101仪器仅在2015年1月13日前（验收测试阶段）相对重力变化值为负，1月16日后测值转为正，显示了相对重力由负到正的快速变化过程。

图 3(Fig. 3)

图 3 B95、B101型重力仪器静态测试及静态变化率曲线 Fig.3 Static curve and zero drift rate of the static test of gravimeter B95 and B101

根据静态重力测量数据，分别计算B95和B101仪器2014年7月和2015年1月至今在不同时间的静态零漂率，见图 3(b)，可见：B95仪器静态零漂呈逐渐增大趋势，表明该型仪器的静态零漂在不同时间有不同表现，甚至存在零漂值由负向正的变化；B101仪器除在验收测试时零漂率为负之外，此后2次静态测试均显示零漂率为正。B95与B101仪器后期静态零漂率相近，与生产商标称的每月500×10^-8 m/s² [即16.7×10^-8 m/(s²·d)]的变化量相近。部分Burris型重力仪在交付使用前可能存在长期静置现象，而重力仪静置时间长会影响其零漂特性。B101可能存在这种情况，仪器静态零漂率达到稳定状态。沈晶等（1992）、李青（2000）对LCR-G型重力仪的研究发现，不同重力仪零漂不同，数值有负有正，也存在正负之间的转换，Burris型重力仪零漂特性与之类似。

利用B95和B101仪器在西安沣峪口短基线场多次标定一次项系数时的测量数据及在川滇青藏蒙及东北等地流动重力点的测量数据，去除固体潮，绘制2台重力仪平均混合零漂率曲线，见图 4。以实际测量过程中不同测点（记为测点A、B、C、D）为例，绘制B95和B101型重力仪同测点混合零漂图，见图 5。为保证数据能够真实反映重力仪实际读数，流动重力点的数据只使用每日首次测量读数，基线场所测重力数据均为实际读数，不存在人为校正，因每日数据变化较小，仅选用一个读数。

图 4(Fig. 4)

图 4 B95和B101仪器平均混合零漂率 Fig.4 Compositive zero drift rate of gravimeter B95 and B101

图 5(Fig. 5)

图 5 B95和B101型重力仪不同测点混合零漂 Fig.5 Compositive zero drift of gravimeter B95 and B101 at different site

由图 5(a)可见：①2015年3月前B95仪器混合零漂率为负值，且与静态零漂一致性较好；2015年3月至4月基线场数据显示混合零漂率转为正值，且零漂率较小；②2015年6月—2016年1月在同一个测点的重力值均出现较为明显的异常变化，此后小幅下降；2015年6月前及2016年1月后同一测点上的重力读数显示出的混合零漂率与2016年11月的静态零漂接近。在该类型仪器的实际使用中发现：①调整仪器频率会明显改变其读数；②重力仪读数会出现掉格现象，且有不同程度的恢复（李青，2000），如：B95仪器2015年3月读数突变，2016年3月有小幅恢复，2015年6月至2015年12月的读数变化可能由重力仪掉格所致。

由图 5(b)可见：①与B95仪器不同，B101仪器混合零漂与静态零漂率较为一致，未出现由负变正的过程；②同一测点的重力读数基本呈现线性变化，未出现明显异常变化。

将图 4与图 3(b)所示的同时段静态零漂率曲线进行对比，可知B95仪器混合零漂率与静态零漂率均逐渐增大，最后一时间段的混合零漂率小于静态零漂率。图 5(b)显示的B101仪器的混合零漂率变化相对简单，未出现负零漂率，而图 3(b)和图 4显示的仪器静态零漂率与平均混合零漂率较为一致。

仪器的稳定性从根本上表明了仪器所能达到的测量精度。利用连续几天内多次重复观测的基线场数据分析B95、B101型重力仪器重复测量下的稳定性。在基线场观测点上，每次至少连续观测3天，每天在固定点上至少进行4次观测。对基线场的多次重复观测数据仅进行固体潮汐改正，改正后的仪器读数变化结果见图 6，其中：(a)—(d)图为B95仪器观测数据，且(a)图为不同点观测数据；(e)—(g)图为B101观测数据；菱形标记数据视为突跳。在基线场测量中，若某次观测结果明显偏离另外多个读数则视为突跳，如图 6(c)、图 6(d)中2015年7月9日被菱形框包围的数值视为突跳，或者平差后段差前后2次成果出现较大变化则视后面段差数据为突跳，如图 6(d)中2016年3月16日被菱形框包围的的数值突跳。

图 6(Fig. 6)

图 6 B95、B101型重力仪器固定点位重复观测数据 Fig.6 Repeat observation readings at sites for gravimeter B95 and B101

由图 6可知：①B95仪器在2015年7月和2016年3月的2次3天测量中，测量的第2天和第3天均出现较明显突跳，比2014年7月和2015年1月数据质量差，而在2014年7月和2015年1月的2次测量中，第1—2天数据变化与第2—3天不同，2015年7月扣除有明显突跳的2个数据，3天数据呈现波动性；②B101仪器2015年1月的数据与B95仪器2014年7月的数据变化趋势类似，但2015年7月和2016年3月则表现为较为明显的线性变化趋势；③B101仪器3次测量均不存在明显突跳，稳定性好于B95仪器，且B101仪器在2015年7月的测量中可能表现出该型仪器的理想状态，即动态测量数据变化基本呈线性，且动态零漂和混合零漂基本一致。

根据图 6所示相对重力变化数据，去除明显突跳数据，计算每天测量数据的标准差，见图 7，其中(a)—(d)图为B95观测数据，(e)—(f)图为B101观测数据。由图 7可知：①B101仪器在2014年7月至2016年3月的观测中稳定性明显优于B95仪器。笔者曾参与2015年和2016年“中国综合地球物理场——大华北地区项目”的野外观测，发现B101仪器自差较小且稳定，数据突跳现象少，与仪器在基线场中的观测表现一致；②B95仪器在2014年7月至2015年1月的观测中，稳定性明显优于2015年7月至2016年3月，说明随着使用时间的延长，仪器稳定性变差，而B101仪器在2016年3月的连续3天测量数据，标准差逐渐变小。

图 7(Fig. 7)

图 7 B95、B101型重力仪器重复观测数据标准差 Fig.7 Standard error of repeat observation for gravimeter B95 and B101

（1）分析B95仪器在通电升温过程中的读数，发现：Burris型仪器在长时间断电后供电，大约需要125 min达到恒温点，而仪器静态零漂率满足地震重力测量要求用时约90 h；供电后，重力仪读数先大幅变小后小幅增大，且绝对变化量逐渐变小。由此表明，仪器在长时间断电后，应通电加热3天后再进行野外测量作业。受野外作业影响，Burris型重力仪目前无法进行更多升温实验来验证本结论，但本次实验干扰较少，认为结论具有代表性。

（2）B95仪器的静态数据显示，其零漂率存在由负变正的过程，即同一个测点的重力仪读数在去除固体潮后先变小后变大，且其负零漂率维持时间较长。B101仪器同样存在零漂率由负变正的过程，但负零漂率维持时间短。目前，2台仪器静态零漂率与生产商所标称的零漂率接近，表明达到理想工作状态。

（3）野外测量数据表明，B101仪器混合零漂值变化较为单一，呈逐渐增大趋势，与静态零漂变化基本一致，而B95仪器混合零漂值明显小于静态零漂值。

（4）多次为期3天的基线场测量数据显示，B101仪器自2015年1月起均未出现突跳数据，B95仪器在2014年7月和2015年1月未出现突跳数据，而2015年7月和2016年3月出现较为明显的突跳，且2016年3月的数据突跳幅度变大，显示随着使用年限的变长，仪器稳定性变差。在扣除明显的数据突跳后，B101仪器重复测量的标准差约为10×10^-8 m/s²，重复稳定性较好，而B95仪器后期的标准差较大，表明不同仪器稳定性可能差别较大。多次基线场测量结果显示，第1—2天仪器处于静置向动态测量的转变过程，混合零漂处于不稳定状态，因此，分析仪器短时间的动态变化趋势，应该延长每次基线场测量天数。

上述研究表明，经历长时间断电的Burris型仪器通电后可能需要4天时间才能基本稳定，而其性能稳定需要更长时间。因此，重力仪验收采集的数据无法反映其稳定后的性能，仪器验收时间应该尽量延长或在通电一段时间待其稳定后再进行验收测试；在野外实际测量过程中，为避免仪器零漂发生剧烈变化，应尽量防止仪器发生断电现象。