海洋技术▏DGS AT1M-3海洋重力仪的应用及精度评估
一、引言
占地球表面积71％的海洋，其下埋藏着丰富的油气资源，在海洋油气地球物理勘探技术中，目前除成熟的海洋地震勘探技术外，海洋重力勘探技术正逐步成为重要的勘探手段。高精度海洋重力观测信息是研究确定海域地质构造和矿产资源分布规律，查明地质体储存状态必不可少的基础资料。21世纪以来，我国的海洋重力勘探得到了很大的发展，不再局限于浅海大陆架等地区，也准备向深海领域进军。
随着海洋矿产资源开发需求的增加，海面船载重力测量技术得到更多关注和投入，海洋重力仪持续得到改进和完善，海面船载海洋重力测量是海洋重力场测定最主要的技术手段之一，海洋重力仪是测量重力加速度或重力缓慢变化的仪器。DGS AT1M-3海洋重力仪是美国DGS公司新型全反馈磁阻尼动态重力仪，采用最新电子工业技术成果，兼具了直线弹簧重力仪不受交叉耦合影响的动态特性优点，及零长弹簧摆杆重力仪灵敏度高、零点漂移小的静态特性优点。采用模块化设计，结构简洁且操作简单，便于维护、方便运输及安装。
本文以我国“向阳红10”科考船船载DGS AT1M-3海洋重力仪为例，通过对采集的海洋重力数据进行后处理，计算主测线与联络测线相交点的测量差值的均方根，算出自由空间重力异常，并与Sandwellv23测高卫星重力异常进行比对分析。依据测量差值的均方根和重力异常比对分析对海洋重力仪的测量结果进行精度评估。
二、海洋重力仪概述及应用
⒈海洋重力仪
海洋重力仪与陆地或航空重力仪不同。海洋重力仪是在航行的载体上工作，经常会受到海浪引起的垂直和水平加速度的扰动。由于海洋重力测量值为当地重力与重力基准点的相对重力变化，其变化幅度并不大，而海洋运动造成的垂直方向上加速度可能会非常大，这就造成扰动加速度的幅度远远大于所要测量的重力加速度变化值，因此，海洋重力仪传感器必须具有良好的抗扰动能力。
在海洋上进行重力观测时，影响仪器观测的因素除仪器自身因素(如材料的老化、零点漂移)外，还有陀螺平台和船只的因素(如CC效应等)以及EÖTVÖS效应、导航定位系统精度、水深测量精度等纯外界的因素。在这众多的因素中，有一些对结果的影响远远超过仪器本身的测量精度。如果不考虑这些方面的影响，不在进行海洋重力测量时提供消除这些不利因素的条件，无法实现高精度的测量。在《海洋重力测量规范》中规定“测点的误差一般近海不大于﹢3mGal，远海不大于﹢5mGal”。
海洋重力仪大多是标量重力仪及测量垂直方向的重力大小，根据重力仪的观测方式，主要分为3类：走航式重力仪、海底重力仪和拖曳式海洋重力仪。走航式重力仪是最常见的，是目前应用最广泛的海洋重力仪，DGS AT1M-3属于走航式重力仪。
走航式重力仪安置在船上，跟随测量船进行连续测量，但是会受到测量船加速度的影响，需要对测量船的加速度进行校正。走航式重力仪的精度较低，一般为1～5mGal，主要应用在区域地质调查、研究地壳深部结构及寻找油气藏等方面。
⒉海上应用
“向阳红10”科考船从中国三亚出发执行中国大洋40航次西南印度洋合同区多金属硫化物资源勘探任务，经中国南海、巽他海峡进入印度洋，经90°海岭到达西南印度洋硫化物探勘合同区，沿着西南印度洋洋中脊进行了走航式船载重力测量。重力测线见图1(其中红线代表重力测线)。
图1 西南印度洋工作区重力测线分布示意图
大洋40航次使用DGS AT1M-3海洋重力仪进行地球重力场观测，其测量精度为１mGal，静态灵敏度0.01mGal，测量范围12000mGal(全球范围)，线性漂移小于3.0mGal/月，其陀螺稳定平台最大工作角度为±25°。该仪器主要由测量传感器、陀螺稳定平台、系统软件等几部分组成，其中负责敏感重力加速度变化的测量传感器是核心元件，它采用周期无限长的零长弹簧原理，在理论上对应无限大的灵敏度。陀螺平台由两个光纤陀螺和加速度计组成，为海上的测量提供水平基准面。
由于配备了加速度计，系统软件可以根据水平加速度实时进行CC效应改正，并自动完成信号的采集、存储、滤波、输出和显示等功能。在工作区进行测线作业时，DGS AT1M-3海洋重力仪的横纵加速度均在±0.2Gal范围内，弹簧张力改正值变化正常，数据无不规则突跳，表明测量现场的仪器工作正常，符合规范要求。
三、精度评估
为进一步确定所采集的重力数据质量，对重力数据进行了处理，处理流程如下。
⑴根据测线布置和实际航行情况，分割出航向变化较小、航速均匀的符合重力测量要求的航迹线作为重力测线；
⑵计算EÖTVÖS改正值。利用航线拟合的方法，计算出更贴近实际情况的航向航速值，并利用公式EÖTVÖS＝7.5·V·sin(AZ)·cos(B)＋0.0041·V2计算EÖTVÖS改正值，式中AZ为航向、B为纬度、航速V以节为单位；
⑶根据码头的重力仪的格值，将测量所得的读数换算成以毫伽为单位的重力值；
⑷对重力值进行吃水改正，并利用⑵中计算所得的EÖTVÖS改正值进行改正，得到绝对重力值；
⑸计算空间重力异常。空间改正是在不考虑重力测点与大地水准面间岩层引力的情况下，将高度为H的重力测点归算到大地水准面上相应点所作的改正。空间重力异常是原始观测重力值经空间改正归算到大地水准面后与正常重力值之差。利用所测的绝对重力值减去正常重力值，就得到自由空间重力异常值。正常重力计算公式为：
γ＝978032.7 (1＋0.0053024sin2B－0.0000058sin22B)
式中，B为纬度。
⑹重力数据质量评估。
①重力测线分割评价
EÖTVÖS改正过程中，利用分割后的测线GNSS的经度、纬度定位数据计算船在测量过程中的航向和航速信息，根据计算结果分析测线数据中是否存在大的转弯角度、船速急停和紧急加速的航行状态，判断测线分割的有效性和正确性。
②重力异常质量评价
(a)内符合精度评价
重力异常的内符合精度评价一般采用测量过程中的主测线和联络测线相交点处的重力异常差值的均方根作为评价依据。利用测线之间的交点进行质量评估，统计得到，整个航次共产生228个交点。调差前的交点统计结果见图2(a)，均方根为9.986266mGal；调差后的交点统计结果见图2(b)，均方根为2.815405mGal。
(a)调差前交点统计结果
(b)调差后交点统计结果
图2 调差交点统计结果示意图
根据《海洋调查规范第8部分：海洋地质地球物理调查》GB/TI2763.8－2007要求，可去除3％交点后进行统计。这里去除了7个(228×3％)误差最大的交点后再进行统计，调差前的均方根为9.0326mGal，见图3(a)，调差后的均方根为2.0534mGal，见图3(b)。在进行调差的情况下，交点差均方根完全符合海洋调查规程均方根小于±4.0mGal的要求。
图3 去除3％交点后ꎬ调差交点统计结果示意图
针对交点差较大的点进行分析，表1列出了调差前交点差大于30mGal的点。可以看出，经调差处理后，大的误差几乎都能有效地降低。调差后的交点差多数都小于10mGal，大于10mGal的点只有5个，见表2。
表1 调差前交点差大于30mGal的点
表2 调差后交点差大于10mGal的点
(b)外符合精度评价
利用已有历史资料或通过其他手段测量的资料与航次测量数据进行比对分析，从而评价重力数据质量。本文将处理好的重力空间异常数据导入商业地球物理处理软件Geosoft中进行分析，图4中dgs＿faa列代表DGS重力数据，并利用Sandwellv23测高重力异常进行比对。利用下载的Sandwell网格数据Free-airgrevity(mGal)，Sandwellv23 grd在测点位置进行插值、采样，获取对应的测量卫星重力异常，图4中Sandwell列代表Sandwellv23卫星测高重力数据。将DGS测量结果与Sandwell结果做差比对，diff列为相应的差值。由于大洋40航次返回国内一个新码头，没有已知的重力基点值，已安排中国科学院大地测量地球物理研究所相关人员后期进行测量、补充。因此利用一个假设的数值为基点处的基点值，将造成一个常数差值。根据diff，利用平均值计算，获得该差值为－656.32mGal，并对其进行去趋势，获得数据列remove-mean。蓝色曲线为去均值后的差值remove-mean。图４中红色曲线和绿色曲线分别为DGS与Sandwell重力异常的比对曲线；可以看出，DGS测量异常与Sandwell卫星测高异常在整体变化趋势上基本一致，由此可说明DGS AT1M-3海洋重力仪的可靠性和稳定性，以及船载重力测量数据的准确性。除此之外，船载重力异常包含了丰富的高频信息，能反应更多的细节特征，相对测高卫星有着更高分辨率。
图4 DGS AT1M-3测量结果与Sandwell测高卫星结果比对图和去除突跳点后的比对示意图
以西南印度洋断桥热液区为例，见图5，可分割的有效重力测线主要在断桥热液区(50.5°E，37.6°S)周边，沿洋中脊分布。从图中５可知自由空间重力异常与地形成正相关关系，断桥热液区界于西北部高自由空间重力异常(＞70mGal)和东部低自由空间重力异常(＜20mGal)中间的相对平坦区域，其自由空间重力异常均值在50mGal左右。若能将图５结合水深数据、热液活动区位置和其他地球物理资料加以分析，则能更好的揭示洋中脊物源供给关系和能量关系，通过正反演计算则可更好的利用重力数据。
图5 西南印度洋断桥热液区有效重力测线自由空间重力异常平面示意图
四、结束语
海洋重力仪在进行海上作业测量时，需要对仪器和测量数据进行检测和精度评估，以便对海洋重力仪工作性能的把握和重力数据质量控制。本文利用分割后的有效重力测线，通过重力异常质量的内符合精度评价，DGS AT1M-3海洋重力仪测量精度符合海洋调查规程均方根小于±4.0mGal的要求；通过与Sandwellv23测高卫星重力异常进行比对分析，对重力异常质量进行外符合精度评价，可以看出，DGS测量异常与Sandwell卫星测高异常在整体变化趋势上基本一致。由此可说明DGS AT1M-3海洋重力仪的可靠性和稳定性，以及船载重力测量数据的准确性。除此之外，DGS船载重力异常包含了丰富的高频信息，能反应更多的细节特征，相对测高卫星有着更高分辨率。通过评估，可知该海洋重力仪在动态环境下的工作性能较好，测量精度较高，为今后的海洋矿产资源勘探提供新的测量工具。
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【作者简介】文/张登 袁园 陶春辉 张涛 金颖，分别来自自然资源部第二海洋研究所、卫星海洋环境动力学国家重点实验室和自然资源部海底科学重点实验室；第一作者张登，1989年出生，男，安徽宿州人，工程师，硕士，主要从事海洋测绘及海洋调查技术研究；本文为基金项目，自然资源部海洋调查评价与检测预警项目(2200209)、国家重点研发计划课题(2018YFC0309901；2016YFC1401210)；文章来自《海洋测绘》（2020年第3期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台编辑整理。