冷原子重力仪研制与并网测试及川滇实验场监测试验

引用本文

陈泺侃, 李琛阳, 郑国磊, 等. 冷原子重力仪研制与并网测试及川滇实验场监测试验[J]. 地震地磁观测与研究, 2023, 44(S1): 53-56. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2023.S1.016.

CHEN Luokan, LI Chenyang, ZHENG Guolei, et al. Development of cold atom gravimeter and preliminary results of a test at Anhui and the first deployment in the Chuandian area[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research, 2023, 44(S1): 53-56. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2023.S1.016.

基金项目

科技创新2030：高精度小型化原子干涉重力仪和重力梯度仪的研制课题；蒙城地球物理国家野外科学观测研究站开放基金

通讯作者

黄金水（1965—），男，博士，教授，主要从事重力与地球动力学研究工作。E-mail：jshhuang@ustc.edu.cn

作者简介

陈泺侃（1987—），男，博士，副研究员，主要从事基于冷原子干涉的量子精密测量方面的研究。E-mail：lkchen@ustc.edu.cn

Contents Abstract Full text Figures/Tables PDF

冷原子重力仪研制与并网测试及川滇实验场监测试验

陈泺侃 ^1),3) 李琛阳 ¹⁾ 郑国磊 ²⁾ 杨璇 ³⁾ 陈帅 ^1),3) 姚华建 ^2),3) 黄金水 ^2),3)

1) 中国安徽 230026 中国科学技术大学物理学院合肥微尺度物质科学国家研究中心;
2) 中国合肥 230026 中国科学技术大学地球和空间科学学院;
3) 中国安徽 230088 合肥国家实验室

基金项目：科技创新2030：高精度小型化原子干涉重力仪和重力梯度仪的研制课题；蒙城地球物理国家野外科学观测研究站开放基金

作者简介：陈泺侃（1987—），男，博士，副研究员，主要从事基于冷原子干涉的量子精密测量方面的研究。E-mail：lkchen@ustc.edu.cn.

通讯作者：黄金水（1965—），男，博士，教授，主要从事重力与地球动力学研究工作。E-mail：jshhuang@ustc.edu.cn.

关键词：冷原子重力仪绝对重力测量川滇实验场安徽重力网地震监测

Development of cold atom gravimeter and preliminary results of a test at Anhui and the first deployment in the Chuandian area

CHEN Luokan ^1),3) LI Chenyang ¹⁾ ZHENG Guolei ²⁾ YANG Xuan ³⁾ CHEN Shuai ^1),3) YAO Huajian ^2),3) HUANG Jinshui ^2),3)

1) Hefei National Research Center for Physical Sciences at the Microscale and School of Physical Sciences, University of Science and Technology of China, Anhui Province 230026, China;
2) School of Earth and Space Sciences, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China;
3) Hefei National Laboratory, Anhui Province 230088, China

Key words: cold atom gravimeter absolute gravimetry Chuandian experiment field Anhui gravity network earthquake monitoring

1 研究背景

大地震往往会带来巨大的人员和财产损失。通过多年的观测、实验和理论研究，科学家们对地震的孕育环境、成核和破裂过程、断层介质性质及其变化等的认识取得显著进步（如Kato and Ben-Zion, 2021）。然而，有时在即使知道哪里会发生大地震的情况下，科学家们仍然无法知道地震到底什么时候会发生（如Hall，2023）。问题的关键是我们还没有发现可靠的地震发生的前兆特征。利用Grace卫星重力观测，通过对Tohoku-Oki地震前后的重力信号分析，Panet等（2018）发现，重力变化很好地展示了本次地震横跨整个断层的形变从深部向浅部迁移的过程。观测显示，重力场在几个月前就开始变化，这种变化与孕震过程基本一致。该研究显示出重力场中可能包含着与地震孕震过程中的物质迁移密切相关的地震短临前兆信号。但是，Tohoku-Oki地震出现的这种重力前兆信号，是否是一种普遍现象，是否会在今后的其他大地震中出现，是一个值得深入研究和探讨的问题。

地震孕震过程的信号捕捉、异常提取是地震短临预报的瓶颈和关键问题。重力前兆信号的获取需要高精度、高时空分辨率的观测台网，这仍然是目前面临的重要挑战。同时，为获取高精度重力观测值，高精度的观测仪器也是突破瓶颈的关键。原子干涉仪历经数十年的发展，已然成为了量子精密测量领域中极为重要的一种工具并被广泛应用于重力加速度、转动量、磁场等惯性量的测量以及基础物理定律的检验。原子干涉重力仪作为原子干涉仪应用的一个重要分支，已凭借其出色的灵敏度、精度和长时稳定度受到了人们的广泛关注。近些年来，为了满足实际应用需求，可移动原子干涉重力仪开始陆续出现，并在外场应用方面开展了一系列工作。本文主要介绍中国科学技术大学团队研制的小型化原子干涉重力仪A-Grav的研制进展和应用开展情况，包括在安徽开展并网测试、在川滇地震实验场开展监测试验的初步情况。

2 冷原子重力仪研制进展

中国科学技术大学冷原子重力仪研制团队从2015年开始原理研究和样机研制，到2021年基本完成定点高精度小型化原子干涉重力仪的定型。目前A-Grav达到如下关键技术指标：

灵敏度：约30 μGal/$\sqrt{\mathrm{Hz}}$（安静环境）	干涉时间：T = 80 ms
长期稳定度：优于1 μGal	工作频率：3 Hz
分辨力：优于1 μGal	重力探头：0.3×0.3×0.66 m³（约40 kg）
测量精度：约2 μGal	控制机箱：0.6×0.7×0.7 m³（约80 kg）
不确定度：小于10 μGal	系统功耗：约200 W
重复性：5—10 μGal

团队对A-Grav开展了一系列的应用演示验证，包括固定台站绝对重力连续观测试验、国内绝对重力观测比对试验、野外流动绝对重力测量。2020年6月在云南昭通某地震观测山洞内进行2个多月的无人值守连续绝对重力测量，重力测量值与潮汐的残差统计分析显示组间标准差（测量精度）优于2 µGal。2021年10月—2022年2月，在湖北地震局九峰野外科学观测站进行了连续5个月的观测，观测数据处理结果显示，扣除潮汐后全时段平均组间标准差优于5 µGal。2021年A-Grav通过了中国地震局“地震监测专业设备-绝对重力仪定型测试”。A-Grav各项性能指标达到或超过商用重力仪标准，测试对比结果见表 1。这表明原子干涉重力仪A-Grav已可满足实际应用工作的需求，如测定绝对重力基准值、开展连续无偏移重力监测。

表 1 A-Grav性能与商用重力仪的对比 Table 1 Key specification of A-Grav and other gravimeters

3 安徽重力网并网测试与川滇实验场监测试验初步结果 3.1 安徽重力网并网测试结果

联合安徽省地震局，在中国大陆综合地球物理场观测安徽测网进行了绝对和相对重力联合观测。绝对重力测量只选择了其中的6个点。绝对重力测量的精度、和淮北点的段差、相对重力测量得到的和淮北点的段差、以及绝对测量和相对测量段差之间的互差见表 2。

表 2 A-Grav在安徽地区并网测试结果 Table 2 Results of A-Grav and relative gravity measurements in the Anhui gravity network

3.2 川滇实验场监测试验初步结果

川滇地区是地震多发地区，为获取可能的地震孕震信号，计划在该区布设绝对重力观测网，以期揭示该区中长期重力变化。首期选择甘孜、攀枝花、红河3个观测点进行长期连续绝对重力观测。3个测点分布见图 1，其跨越川滇多个断裂带。至2023年7月初的连续绝对重力观测结果如图 2。

图 1 绝对重力测点位置分布示意图 Fig.1 Locations of the three stations deployed A-Grav

图 2 红河(a, c)和甘孜(b, d)测点的重力变化 (a)和(b)是扣除平均值后的观测值和固体潮值；(c)和(d)是非潮汐重力变化值 Fig.2 Gravity variations atstations Honghe (a, c) and Ganzi (c, d)

图 2显示，6月27日红河测点有几微伽的重力减小，7月3日和5日，甘孜测点重力变化幅值略微增大。最近附近没有大地震发生，有关变化原因仍在进一步探索与研究中。

4 结束语

中国科学技术大学团队研制的小型化原子干涉重力仪A-Grav已达到商用标准和地震局入网要求。初步观测试验显示其观测结果可以反应出微伽级的重力变化。在安徽重力监测网开展的流动绝对重力观测并网测试显示，A-Grav可以开展流动绝对重力入网观测；在川滇实验场部署的A-Grav首期长期连续观测，显示出探测微伽级变化的能力。后续将加强数据处理分析，探索重力变化的机制原因，以期为解决地震孕震过程的信号捕捉、异常提取等地震短临预报的瓶颈问题提供解决方案。

特别感谢安徽省地震局、中国地震局地球物理研究所、湖北地震局、四川省地震局为观测工作开展提供的支持。

参考文献

Aitaro Kato, Yehuda Ben-Zion. The generation of large earthquakes[J]. Nature Reviews Earth and Environment, 2021, 2(2): 26-39.

Isabelle Panet, Sylvain Bonvalot, Clément Narteau, et al. Migrating pattern of deformation prior to the Tohoku-Oki earthquake revealed by GRACE data[J]. Nature Geoscience, 2018, 11: 367-373.

Shannon Hall. What Turkey's earthquake tells us about the science of seismic forecasting[J]. Nature, 2023, 615: 388-389. DOI:10.1038/d41586-023-00685-y