2017, Vol. 42引用本文 |
| 灵山重力标定基线场的升级改造与复测 |  [PDF全文] |
2. 国家测绘地理信息局第一大地测量队，陕西 西安，710054
2. The First Institute of Geodetic Surveying, NASG, Xi'an 710054, China
为了提高流动重力资料的精度，要求使用高精度的重力基线场[1-3]。重力标定场是统一我国重力测量尺度的必要基础设施，是精确标定各类重力仪不可缺少的基础设施。国家重力基本网是在全国范围内提供重力测量的基准和最高一级控制[4]。2000国家重力基本网的灵山重力标定场始建于1990年，为测绘、资源勘探、地震预报、空间技术和国防建设等领域中重力仪的标定提供高精度的基础设施[5, 6]，在我国的基础测绘、资源勘探、地震监测预报、空间技术研究和国防建设等领域发挥了重要作用，但经过二十余年的使用，已有部分重力测点出现毁坏或破损，加之标定场周边交通设施、民用建筑的建设使标定场的标准重力值出现不同程度的改变，所以对灵山重力标定场进行升级改造有着非常重要的现实意义。
2014年，国家重大科技基础设施中国大陆构造环境监测网络(以下简称陆态网络)项目完成了灵山重力标定场的升级改造工作，新建4个绝对重力点，并对全部重力点位进行了一期复测。本文对测量数据结果进行了分析。
1 灵山区域地质与基线场简介灵山重力标定场位于东经115.5°~116°、北纬39°~39.9°之间[5]，场地跨越北京市军响、斋堂、清水和齐家庄4个乡，交通便利，G109公路横穿而过，重力标定测点与国家Ⅰ等水准路线“盆张-张下”重叠，便于获取同点位高精度水准观测数据，如图 1所示。
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| 图 1 灵山重力标定基线场重力测量点位 Figure 1 Stations of Gravity Measurement in Lingshan Gravity Calibration Baseline Field |
陆态网络项目2014年按照《地壳运动监测技术规程》[2]要求，完成了4个绝对重力点的站址堪选、坑位开挖、底座浇筑、建模浇筑、点之记绘制等工作，保证了绝对重力点标墩稳固，符合《国家重力控制测量规范》[1]的相关要求。
改造后的灵山重力标定场由4个绝对重力点和26个相对重力点组成，如图 1所示，除P11外全为基岩型测点，测点布设沿G109公路呈总体近东西走向。场区地质条件稳定，历史上从未有过5级以上地震，现今地震活动性也很弱。地质构造大体分为两段：第一段为A1-双塘涧，该段位于百花山复式向斜部，向斜部由中生代侏罗纪地层组成，测线所经处露头清晰，岩石完整，尚未发现断层；第二段为双塘涧-P26，该段同样穿过中生代侏罗纪地层，仅在小龙门西北约500 m处有层内断层，但规模甚小，影响不大。在两段之间的双塘涧-小龙门间存在北东向断层，测线穿过该断层，断层走向北东60°，倾向北西，倾角60°~65°，断层活动性质为逆断层，是伴随中生代百花山复式向斜同期变形的产物，至于该断层的新活动，在该点尚未发现直接的证据[7]。
2 基线场复测与结果分析2014年，中国地震局地壳运动监测工程研究中心和国家测绘地理信息局第一大地测量队利用6台相对重力仪对灵山重力标定基线场全部29个测点(P11被破坏)进行了重力联测，并对联测数据进行了处理分析。
2.1 重力测量1) 仪器与检验。测量仪器为2台LCR-G型重力仪和4台Burris型重力仪，6台重力仪格值的一次项系数均采用国家长基线上标定的结果，联测仪器及比例因子成果如表 1所示。
| 表 1 重力仪及比例因子标定结果 Table 1 Graimeters and Scale Factor Calibration Results |
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LCR-G型相对重力仪器日常检验:每月进行光学位移灵敏度的测定与调整，光学正确读数线的检验与调整，光学纵、横水准器的检验与调整，光学位移线性度的检验。在基线场测量工作中，每天第一条测线开始前，进行了光学灵敏度和纵、横气泡3项检验。
Burris型相对重力仪器日常检验：每月进行纵、横气泡的检验与调整，仪器读数线调整，检流计比例因子调整，反馈因子调整。在基线场测量工作中，每天第一条测线开始前，进行纵、横气泡的检验与调整。
2) 联测方案。本次测量要求所有仪器在各测点间段差互差优于±40×10-8m·s-2；每个测点上的每次观测读取3次合格读数，每次读数需重新转动度盘，每次读数前需按同一方向逼近；采用往返重复观测法(A→B→C→…→C→B→A)完成了29个测段的2个测回观测，29个测段构成1个闭合环，每个测段均由6台重力仪在当天完成全部12个独立观测。
2.2 数据处理联测数据处理包括读数转换、格值改正、固体潮改正、气压改正、仪器高改正和零漂改正。
1) 重力仪读数转换。根据仪器厂家给定的格值表，将仪器读数R(3个读数的平均值)换算成相应的毫伽值。换算公式为：
| $ g = {F_1} + (R-{R_1}) \times {d_{{f_1}}} $ | (1) |
式中，R为仪器读数；g为相应于仪器读数R的毫伽值；对于R1，LCR-G重力仪为R/100后的整数的100倍，Burris重力仪为R/50后的整数的50倍；F1为仪器出厂格值表中与R1相应的毫伽值；df1为出厂格值表中与F1相应的格值间隔因子。
2) 固体潮改正公式为：
| $ \delta t = \delta {t_h} \times G(t)-\delta {f_c} $ | (2) |
式中，δt为固体潮改正值，单位:10-8m·s-2；δth为重力潮汐因子，采用区域实测平均值，或δth=1.16；δfc表示永久性潮汐对重力的直接影响，δfc=-4.83+15.73sin2ψ-1.59sin4ψ，ψ为测点地心纬度; G(t)为固体潮理论值，G(t)=A-B-C, 其中,
| $ \left\{ \begin{array}{l} A =-165.17F(\varphi ){(C/R)^3}({\cos ^2}Z-1/3)\\ B = 1.37{F^2}(\varphi ){(C/R)^4}\cos Z(5{\cos ^2}Z-3)\\ C = 76.08F(\varphi ){({C_S}/{R_S})^3}({\cos ^2}{Z_S} - 1/3)\\ F(\varphi ) = 0.998\;327 + 0.001\;67\cos 2\varphi \end{array} \right. $ | (3) |
其中，R为地心与月心之间的距离；1/C为1/R的平均值；RS为地心与日心之间的距离；1/CS为1/RS的平均值；Z为月亮相对测点的天顶距；ZS为太阳相对测点的天顶距；φ为地理纬度。
3) 气压改正公式为：
| $ \delta g = 0.3(p-{p_n}) $ | (4) |
式中，p为测点实测气压值，单位为hPa；pn为标准气压值；δg的单位为10-8m·s-2。
4) 仪器高改正公式为：
| $ {G_p} = {G_0} + \delta {g_h} \times h $ | (5) |
式中，Gp为墩面重力值；G0为仪器表面高度处的观测重力值；δgh为测点实测重力垂直梯度或理论值；h为仪器高度。
5) 零漂改正。两点间往返观测采用线性零漂方式改正。
2.3 结果与分析对原始重力观测数据进行固体潮、气压、仪器高等预处理，检核野外数据的可靠性，转换成各测点间重力段差值后与灵山重力标定基线场1990年建场时测定的初值、2000年复测结果[5]进行比较，结果如表 2所示。
| 表 2 灵山重力标定基线场相邻测点间段差值比较/10-8m·s-2 Table 2 Comparison of Gravity Difference at Adjacent Points of Lingshan Gravity Calibration Baseline Field/10-8m·s-2 |
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由表 2可知，改造后的灵山重力标定基线场最大重力段差值为246 956.8×10-8 m·s-2。通过比较各测段6台重力仪观测互差最大值，可知每测段重力段差仪器最大互差最小值为9.5×10-8 m·s-2(A1-P01测段)，最大值为35.9×10-8 m·s-2(P20-P21测段).相对重力联测段差成果质量统计如表 3所示，所有测段均优于40×10-8 m·s-2，全部符合陆态网络设计指标[2]。
| 表 3 相对重力联测段差成果质量统计 Table 3 Statistics of the Relative Gravity Measure Quality |
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将本次复测重力段差和1990年建场值、2000年复测值进行对比，基线场相邻测点间段差变化如图 2所示。
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| 图 2 灵山重力标定基线场相邻测段重力差变化 Figure 2 Change of Gravity Defference on Adjacent Sections of Lingshan Gravity Calibration Baseline Field |
为便于3次联测结果统一比较，图 2对部分测段间重力段差做了累加处理。上文所述A1、A2、A3、A4为2014年新建测点，故P08-P09、P19-P20、P22-P25测段为跨新建点的累积段差；由文献[5]知，P2、P6测点2000年前被破坏，本期联测测点为重建点位，故比较跨点段差P01-P03、P05-P07的变化量；P11测点本期联测时发现被破坏，故测段P10-P12与1990、2000年两期测量值进行比较时，后者进行了重力段差值累加；2000年联测时漏测、错测P23、P24两测点〔5〕，且此次改造工作中发现P24测点已被破坏，本期测点P24为改造修复之后的P24测点, 故3期结果统一累加测段为P22-P25进行统一比较。
图 2显示，1990年至今，除P02、P06、P11、P23、P24测点外，其余21个测点相关的测段段差变化量均小于40×10-8 m·s-2，1990-2000年，大部分测段段差变化均小于10×10-8 m·s-2，而2000年以来，重力段差变化量小于10×10-8 m·s-2的为70%，仅有5%测段重力段差变化量超过25×10-8 m·s-2，这些变化一般都反映了测站附近地形、地物的变化[7]。经历24年之久的时间跨度后，测段重力段差值变化量显示了各期观测值的可靠性，同时也证明了灵山重力标定基线场的稳定性。
对图 2无法反映的测点，通过分析表 2可知，重建测点P02、P06、P24和新建测点A1、A2、A3、A4可作为测线间插点使用，其稳定性尚需通过以后测量数据比较来分析；因2000年复测时漏测P23，故本期观测结果的P22-P23测段只能与1990年建场观测值进行比较，由表 2知，该变化量为14.3×10-8 m·s-2，说明该点也较为稳定。
3 结束语1) 陆态网络对灵山重力标定基线场的改造和复测工作达到了工程设计指标，符合《地壳运动监测技术规程》和《国家重力控制测量规范》的相关要求[1, 2]。改造后的灵山重力标定基线场最大重力段差值为246 956.8×10-8 m·s-2。
2) 重建测点P02、P06、P24和新建测点A1、A2、A3、A4是否稳定，尚需通过以后复测数据来比较分析。
3) 灵山重力标定基线场自1990年建场以来，历经24年时间跨度后，灵山重力标定基线场仍较为稳定，一般重力测量的重力仪标定可以根据测程范围选择灵山重力标定基线场进行标定。
4) 灵山重力标定基线场利用高差形成重力差，测点沿G109公路布设。近年来，随着地形、地物的变迁，会导致测点重力值发生改变，故作为重力标定基线场，应每隔若干年进行一次复测。
| [1] |
中华人民共和国国家质量监督检验疫总局, 中国国家标准化管理委员会. GB/T 20256-2006, 国家重力控制测量规范[S]. 北京: 中国标准出版社, 2006 |
| [2] | 地壳运动监测工程研究中心. 地壳运动监测技术规程[M]. 北京: 中国环境出版社, 2014 |
| [3] | 杨沾吉. 泰安重力基线场的建立[J]. 地壳形变与地震, 1989, 9(4): 67–71 |
| [4] | 宁津生, 李建成, 罗志才, 等. 我国地球重力场研究的进展[J]. 东北测绘, 2002, 25(4): 6–9 |
| [5] | 刘冬至, 王晓权, 邢灿飞, 等. 《2000国家重力基本网》短基线的检定与分析[J]. 大地测量与地球动力学, 2002, 22(4): 61–65 |
| [6] | 王林松, 陈超, 杜劲松, 等. A10-022绝对重力仪在庐山短基线的测量试验与分析[J]. 测绘学报, 2012, 41(3): 347–352 |
| [7] | 刘绍府, 刘冬至, 刘贵安. 近地形对测点上重力分布的影响[J]. 地壳形变与地震, 1984, 4(3): 295–300 |