路利春，周明霞，李小龍，孫海龍，張沖，鄭向光，龐日軒，王龍龍，李冰，許石，鄭偉

(1.陜西地礦第二綜合物探大隊(duì)有限公司重力探測(cè)綜合研究中心，西安 7100162.新疆地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第九地質(zhì)大隊(duì)，烏魯木齊 830009；3.西安煤航遙感信息有限公司，西安 710199；4.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球深部探測(cè)中心，北京 100037；5.陜西地礦物化探隊(duì)有限公司，西安 710043)

0 引言

重力勘探作為地球物理勘探方法中的一個(gè)重要分支學(xué)科，隨著新中國(guó)的成立，得到了快速發(fā)展。21世紀(jì)初，隨著對(duì)礦產(chǎn)石油等資源需求的增加，以及礦產(chǎn)資源勘探難度的不斷加大，對(duì)重力勘探儀器以及數(shù)據(jù)采集精度也有了更高要求。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)的發(fā)展及廣泛應(yīng)用，先后出現(xiàn)了很多高精度重力儀器[1- 5]。

中國(guó)地形起伏比較大，地質(zhì)地貌形態(tài)復(fù)雜多樣，西部地區(qū)資源豐富，但多為中、高山區(qū)，地形高差比較大，地面高精度重力勘探過程中交通相對(duì)不便，而CG-5重力儀對(duì)于運(yùn)輸過程中的要求較高，才能保證高精度數(shù)據(jù)質(zhì)量。高精度相對(duì)重力勘探技術(shù)采集和研究微伽級(jí)重力異常，通過先進(jìn)的儀器設(shè)備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、圖象處理等技術(shù)，充分發(fā)揮高精度重力勘探在解決細(xì)小地質(zhì)異常體領(lǐng)域里的優(yōu)勢(shì)。加拿大Scintrex(先得利)公司生產(chǎn)的高精度移動(dòng)重力儀CG-5取代了以前的LaCoste(G/D)型傳統(tǒng)重力儀，從而進(jìn)行快速移動(dòng)重力測(cè)量成為該領(lǐng)域一次劃時(shí)代的革新，使野外重力測(cè)量變得更加準(zhǔn)確、方便和快捷。

CG-5重力儀具有的先進(jìn)性能，具備了較高精度和使用上的巨大便利性，且應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，主要包括：區(qū)域重力研究及重力填圖，油氣及礦藏勘探，火山學(xué)及地?zé)嵫芯?，土木工程勘察，地下水和環(huán)境研究，考古綜合地球物理研究，煤田采空區(qū)及城市塌陷區(qū)等地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查領(lǐng)域。高精度數(shù)據(jù)質(zhì)量都基于儀器性能良好、使用正常的情況下所采集的數(shù)據(jù)，但電子設(shè)備在各種惡劣的交通、地形、氣候氣象等不同情況環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)一些問題，正確處理這些問題才能保質(zhì)保量的完成高精度數(shù)據(jù)采集。

1 CG-5重力儀簡(jiǎn)介

Scintrex公司是世界上地球物理儀器領(lǐng)域的一面旗幟。從1999年開始，Scintrex先后兼并了以生產(chǎn)絕對(duì)重力儀著稱的Micro-g公司，以生產(chǎn)零長(zhǎng)彈簧著稱的LaCoste & Romberg公司，2003年三家公司合并成立為L(zhǎng)aCoste & Romberg-Scintrex集團(tuán)(LRS)，產(chǎn)品包括相對(duì)重力儀(g-Phone型臺(tái)站式和CG-5流動(dòng)式)、絕對(duì)重力儀、井中重力儀、航空重力儀、海洋重力儀等。近年來(lái)，該產(chǎn)品成為國(guó)際國(guó)內(nèi)區(qū)域重力調(diào)查、礦藏及油氣勘探的主流手段，占全球市場(chǎng)份額的90%以上。20世紀(jì)60年代至90年代初，CG-2、美國(guó)Worden及北京地質(zhì)儀器廠ZSM重力儀曾作為主流重力勘查儀器，在石油普查、固體礦勘普查和1∶100萬(wàn)、1∶25萬(wàn)區(qū)域重力調(diào)查中發(fā)揮了舉足輕重的作用。隨著時(shí)代的發(fā)展，技術(shù)手段革新，這些儀器由于各方面的存在的不足逐漸退出重力勘探領(lǐng)域的舞臺(tái)。CG-5重力儀是Scintrex公司生產(chǎn)的一種全自動(dòng)重力儀，使用無(wú)靜電熔凝石英彈簧，其精度優(yōu)于±5×10-8m/s2，讀數(shù)分辨率±1.0×10-8m/s2，廠家提供的靜態(tài)漂移率<1.0×10-8(m·s-2)/d，測(cè)量范圍8000×10-5m/s2(全量程反饋)，具有自動(dòng)讀數(shù)功能，可選擇潮汐、傾斜、溫度、濾波等修正項(xiàng)[6- 8]。CG-5重力儀以其優(yōu)異的性能和良好的操作性，在我國(guó)得到了廣泛認(rèn)可和使用，目前國(guó)內(nèi)擁有量已超過500臺(tái)。

CG-5重力儀具有很多優(yōu)點(diǎn)：①使用三重恒溫裝置，線性溫漂可自動(dòng)校正，保證儀器良好的漂移線性度；②儀器內(nèi)部基于軟件可實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)校正和自動(dòng)讀數(shù)等功能；③使用大容量、小體積鋰電池，大幅延長(zhǎng)了野外工作時(shí)間；④采用整體熔凝抗靜電石英傳感器，骨架和活動(dòng)部件之間沒有連接點(diǎn)，因此幾乎沒有原零長(zhǎng)彈簧重力儀存在的掉格現(xiàn)象，亦減小了粘擺問題的發(fā)生概率[9-12]；⑤獨(dú)特設(shè)計(jì)使儀器的穩(wěn)定性、重復(fù)性、抗沖擊能力比零長(zhǎng)彈簧重力儀得到大幅提高，測(cè)量及搬運(yùn)時(shí)不再需要開擺、鎖擺；⑥采用內(nèi)置的傾斜傳感器，在不平穩(wěn)的地方測(cè)量時(shí)，可自動(dòng)去除因儀器的晃動(dòng)而帶來(lái)的誤差；⑦全自動(dòng)電子讀數(shù)，采樣率可設(shè)，野外測(cè)試時(shí)間大大縮短，僅需1～2 min即可完成單點(diǎn)測(cè)量；⑧基本上不受磁場(chǎng)、環(huán)境溫度、大氣壓力影響，可進(jìn)行實(shí)時(shí)潮汐修正，可用于低至-40℃的高寒地區(qū)(如西藏新疆高海拔地區(qū))；⑨智能自動(dòng)去噪信號(hào)處理能去除由于局部受到?jīng)_擊和振動(dòng)所引起的測(cè)量誤差；⑩卓越的地震濾波功能，能去除較大的微地震噪聲。

2 CG-5重力儀工作原理及試驗(yàn)

目前CG-5重力儀器系統(tǒng)軟件已經(jīng)升級(jí)為V4.1，改進(jìn)方面有以下五個(gè)：①改進(jìn)了潮汐改正的時(shí)間；②完善了遙測(cè)控制功能；③完善了軟件控制電源的功能；④對(duì)于一些操作造成的死機(jī)進(jìn)行了改善。⑤解決了零點(diǎn)的跳躍問題。

2.1 工作原理

依據(jù)測(cè)量物理量的不同，重力測(cè)量分為動(dòng)力法和靜力法兩大類，動(dòng)力法觀測(cè)的是物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(時(shí)間與路徑)，用以測(cè)定重力的全值，即絕對(duì)重力值(早期的擺儀也可用于相對(duì)測(cè)量)；靜力法則是觀測(cè)物體在重力作用下靜力平衡位置的變化。以測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間的重力差，稱相對(duì)重力測(cè)定。CG- 5重力儀器不同于其他重力儀，重荷是懸掛在一石英彈簧上，當(dāng)重力變化時(shí)，重荷的位置上下移動(dòng)，因此，屬于線位移系統(tǒng)(圖1、圖2)。

1.可變電容器；2.彈簧；3.溫度傳感器；4.控制電路；5.數(shù)模轉(zhuǎn)換器；6.數(shù)據(jù)接收；7.反饋電壓；8.傾斜靈敏元件；9.真空容器；10.重荷圖1 CG-5重力儀器外形及工作原理圖

圖2 靈敏系統(tǒng)工作原理圖

作用在重荷M上的重力是靠彈簧的彈力及較小的靜電恢復(fù)力來(lái)平衡的。重力的變化通過電容位移轉(zhuǎn)換器感應(yīng)到，重力變化時(shí)重荷位置會(huì)上下移動(dòng)，則電容量發(fā)生變化，在控制電路中就有電流通過，由此得到的直流電壓經(jīng)反饋回路加到電容板極板上，當(dāng)在重荷M上產(chǎn)生一靜電力使其回到初始位置，這一反饋電壓與重力變化的大小有關(guān)。反饋電壓經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并送到儀器的數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)，進(jìn)行處理、存儲(chǔ)與顯示。

2.2 外業(yè)工作之前儀器準(zhǔn)備

重力測(cè)量項(xiàng)目確定出隊(duì)時(shí)間以后，儀器準(zhǔn)備階段，若儀器一直處于通電狀態(tài)，則進(jìn)行基本的儀器校驗(yàn)，連續(xù)24 h靜態(tài)實(shí)驗(yàn)、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求后，方可進(jìn)行重力勘探測(cè)量工作；若儀器一直處于斷電狀態(tài)，則儀器需要通電48 h以上，其中預(yù)熱4 h儀器才能達(dá)到運(yùn)行溫度，通電48 h后儀器才能基本穩(wěn)定，以實(shí)際經(jīng)驗(yàn)最好通電一周以上，再進(jìn)行上述基本儀器校驗(yàn)。

3 常見問題及解決方案

3.1 儀器使用注意事項(xiàng)

(1)應(yīng)安排熟悉流程的人員進(jìn)行儀器調(diào)節(jié)、校驗(yàn)、儀器管理、充電等管理操作，每天每臺(tái)儀器必須帶一塊備用電池，防止出現(xiàn)意外情況。在充電時(shí)，必須使用穩(wěn)壓器穩(wěn)定電壓。

(2)電源的范圍為100～240 V，若野外有變化時(shí)，輕易不要更換電池或使用外接電源，電池電量6.6 Ah，在25 ℃時(shí)可工作15 h左右，建議充電時(shí)空氣溫度在0～45 ℃。

(3)長(zhǎng)途或短途運(yùn)輸時(shí)，必須避免儀器碰撞，千萬(wàn)不要水平擺動(dòng)，擺動(dòng)過大會(huì)使儀器產(chǎn)生“recover problem”，在攜帶儀器乘坐飛機(jī)或汽車時(shí)，管理員應(yīng)把重力儀抱在懷中，防止失重、超重及其他慣性運(yùn)動(dòng)。

(4)CG-5漂移改正的起始時(shí)間不能手動(dòng)更改，清除內(nèi)存后自動(dòng)更改漂移起始時(shí)間。

(5)在實(shí)際工作中不要開啟固體潮改正系統(tǒng)，測(cè)得數(shù)據(jù)必須重新用軟件進(jìn)行固體潮改正。

(6)野外工作中遇到潮濕地帶或草木生長(zhǎng)旺盛的場(chǎng)地，操作人員盡量配備小鏟子等工具，對(duì)測(cè)點(diǎn)平整后再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

(7)非專業(yè)人員不要輕易改變出廠的標(biāo)定參數(shù)，若變化大，要在絕對(duì)安靜的環(huán)境，數(shù)據(jù)噪音最好小于20 dB。

(8)在非測(cè)量工作狀態(tài)下，不要把儀器直接放置于地面之上，必須放置于腳架上充電或者檢查，CG-5外表靜電較大，使用者保持雙手皮膚干燥，有些地區(qū)不許消除地電(根據(jù)實(shí)際條件方法各異)。

(9)CG-5重力儀的內(nèi)存系統(tǒng)在存儲(chǔ)量達(dá)5%左右時(shí)，可能出現(xiàn)無(wú)法傳輸數(shù)據(jù)或死機(jī)的情況，應(yīng)隨時(shí)傳輸并保存數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)丟失。

3.2 出現(xiàn)的主要問題及解決方式

每次重力測(cè)量項(xiàng)目中重力儀器都可能出現(xiàn)相應(yīng)的問題。現(xiàn)將CG-5重力在實(shí)際工作中遇到的問題及解決方案從以下五個(gè)方面總結(jié)歸納。

3.2.1 施工前儀器試驗(yàn)問題

CG-5重力儀經(jīng)過長(zhǎng)期運(yùn)輸后，必須在工作區(qū)重新選定儀器試驗(yàn)場(chǎng)所進(jìn)行儀器性能試驗(yàn)測(cè)定。儀器性能試驗(yàn)精度無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)或規(guī)范要求，問題分析及處理有以下幾個(gè)方面。

靜態(tài)觀測(cè)試驗(yàn)不合格有以下幾個(gè)方面：①儀器在運(yùn)輸過程中，無(wú)法及時(shí)充電，電池電量耗盡斷電所致，及時(shí)充電48 h以上；②儀器長(zhǎng)途運(yùn)輸受到影響(振動(dòng)或碰撞)，靜置24～48 h，待其穩(wěn)定；③試驗(yàn)地點(diǎn)受干擾太大，重新選定實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)。

動(dòng)態(tài)儀器試驗(yàn)不合格有：①可能為試驗(yàn)過程中對(duì)儀器有碰撞造成的，則必須靜置儀器等其穩(wěn)定后重新開始試驗(yàn)；②可能在讀數(shù)過程中儀器并未穩(wěn)定記錄了試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

多臺(tái)儀器一致性試驗(yàn)不合格原因：①在每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，單臺(tái)儀器沒有同點(diǎn)位(水平面不一樣)，重新試驗(yàn)；②起始基準(zhǔn)點(diǎn)單臺(tái)儀器沒有在同一位置導(dǎo)致起算值有誤差，重新試驗(yàn)；③比例因子計(jì)算錯(cuò)誤或國(guó)家重力基本點(diǎn)值收集資料應(yīng)用有誤(非同一時(shí)間、同一標(biāo)定場(chǎng)標(biāo)定的比例因子)，檢查并重新計(jì)算。

3.2.2 電源造成的問題

電源造成的問題有：①電源接觸不良、電池安裝位置有誤或電量耗盡造成的重力儀無(wú)法啟動(dòng)，重新更換安裝電池或及時(shí)充電即可解決；②電池與儀器接觸芯片損壞，必須返廠維修；③不能正常顯示電池狀態(tài)及正常充放電，電池比正常情況下充電快，而使用容量卻減少(如開機(jī)顯示100%電量，短時(shí)間或瞬間電量降為零)；④電池校準(zhǔn)丟失或電池未充電或電池充電損壞，使用充電器重新校準(zhǔn)或充電更換電池；⑤顯示屏不能正常顯示電池工作狀態(tài)，需要重新設(shè)置內(nèi)部電池充電器，拿掉一個(gè)電池或斷開外接電源電纜幾秒鐘來(lái)重新設(shè)置電池控制器。

3.2.3 溫度控制系統(tǒng)的問題

CG-5重力儀的溫控系統(tǒng)對(duì)重力觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響也是非常大的，主要包括：①儀器顯示器顯示變化緩慢，環(huán)境溫度過度，顯示器無(wú)法正常工作，在Options界面下或通過先后啟動(dòng)DISPLAY鍵和F1鍵，打開屏幕加熱器；②儀器面板溫度升高或降低，應(yīng)立即停止工作，檢查恒溫裝置是否正常，待儀器溫度正常后，返回至前兩個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量，并計(jì)算差值，若正常繼續(xù)工作，若不正常則全天返工重測(cè)；③在極端溫度環(huán)境中停止工作(極冷或極熱)，低于-20℃或高于40℃，并采取措施保護(hù)儀器，使其溫控系統(tǒng)不受破壞。

3.2.4 數(shù)據(jù)采集過程中的問題

數(shù)據(jù)采集過程中，重力儀若出現(xiàn)多元化的問題，主要有以下幾個(gè)方面：①讀數(shù)超出儀器測(cè)程范圍或讀數(shù)接近GCAL1值以及ERR/SD過低，問題是傳感器被鎖定，處理方法用手指輕輕敲(不是拍打)幾下儀器面板上Autograv字樣的位置，進(jìn)行一次新的讀數(shù)，直至傳感器解鎖，讀數(shù)正常，儀器讀數(shù)不會(huì)測(cè)出錯(cuò)誤結(jié)果為止；②讀數(shù)期間，出現(xiàn)屏幕全亮或全暗，背光調(diào)整過度或不充分(尤其強(qiáng)光下或夜間讀數(shù))，首先切換DISPLAY鍵，再切換F2鍵即可；③出現(xiàn)藍(lán)屏或屏幕出現(xiàn)波浪式或電磁波式線條，此情況是系統(tǒng)死機(jī)癥狀，同時(shí)啟動(dòng)開關(guān)鍵和F1鍵，與此同時(shí)，啟動(dòng)setup鍵，熱啟動(dòng)系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)將被刪除；④屏幕或鍵盤頁(yè)面無(wú)法更新、無(wú)法工作、功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)亦是死機(jī)狀態(tài)，處理方式也熱啟動(dòng)；⑤野外出現(xiàn)事故對(duì)儀器造成撞擊或磕碰，應(yīng)立即停止工作，返回駐地，待儀器穩(wěn)定后進(jìn)行晚基點(diǎn)校驗(yàn)。若當(dāng)日零點(diǎn)掉格符合要求，則第二個(gè)工作日去檢查至少不同測(cè)線位置的三個(gè)測(cè)點(diǎn)，檢查精度合格，保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，即初步確定前一日數(shù)據(jù)為可使用資料；若當(dāng)日零點(diǎn)掉格不符合3倍觀測(cè)颶風(fēng)誤差的要求，則全天工作報(bào)廢，重新測(cè)量；⑥外業(yè)工作過程中，儀器始終無(wú)法在一個(gè)測(cè)點(diǎn)讀數(shù)合格，重新選定測(cè)點(diǎn)，繼續(xù)測(cè)量，仍然不能獲得合格讀數(shù)，推測(cè)周圍有影響較大的人為震動(dòng)或地球發(fā)生了地震，此情況下停止當(dāng)日工作，第二個(gè)工作日檢查當(dāng)天工作測(cè)點(diǎn)不得少于10%，若有一個(gè)測(cè)點(diǎn)讀數(shù)不合格，則全部物理測(cè)點(diǎn)作廢，返工重新測(cè)量；⑦若工作中某一日，早晚基點(diǎn)儀器校驗(yàn)不合格，當(dāng)日工作報(bào)廢，重新進(jìn)行儀器試驗(yàn)，并計(jì)算數(shù)據(jù)，對(duì)儀器進(jìn)行零點(diǎn)漂移改正，待儀器正常穩(wěn)定后，方可投入生產(chǎn)使用；⑧數(shù)據(jù)采集中，遇到開機(jī)顯示屏出現(xiàn)沙漏形狀旋轉(zhuǎn)，無(wú)法工作的同時(shí)也無(wú)法開機(jī)與關(guān)機(jī)，先嘗試熱啟動(dòng)，再冷啟動(dòng)，仍然無(wú)法工作時(shí)，進(jìn)行超級(jí)冷啟動(dòng)(筆者不建議使用)。

3.2.5 數(shù)據(jù)傳輸、處理問題

野外數(shù)據(jù)采集工作結(jié)束后(建議每個(gè)行次必須傳輸保存數(shù)據(jù))無(wú)法傳輸數(shù)據(jù)，電腦系統(tǒng)沒有顯示任何錯(cuò)誤的情況下，有以下三個(gè)方面問題：①儀器和計(jì)算機(jī)間未連接RS-232或USB數(shù)據(jù)線；②文件傳輸程序未能正確安裝。重新檢查USB接口且重新連接數(shù)據(jù)線或檢查SCTUTIL(數(shù)據(jù)傳輸軟件)程序是否安裝正確。檢查后仍然無(wú)法傳輸，通過電腦設(shè)備管理器，對(duì)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行更新安裝；③傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，先鏈接儀器端的USB接口，然后開機(jī)再連接電腦端的USB接口；④當(dāng)電腦系統(tǒng)顯示數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤的情況出現(xiàn)時(shí)，在排除殺毒軟件的影響后，初步推斷為CG-5儀器本身內(nèi)存系統(tǒng)問題，此情況下數(shù)據(jù)必將丟失，必須進(jìn)行冷啟動(dòng)重新設(shè)置儀器，清空存儲(chǔ)卡數(shù)據(jù)。具體方法：第一步同時(shí)按下setup/4鍵和開關(guān)鍵啟動(dòng)儀器，系統(tǒng)將提示是否恢復(fù)為儀器缺省設(shè)置，第二步按9鍵進(jìn)行冷啟動(dòng)。

為此，筆者對(duì)重力儀器操作人員有幾點(diǎn)建議。首先再好的儀器也需要工作人員愛護(hù)與維護(hù)；其次，儀器管理單位應(yīng)由專業(yè)技術(shù)人員統(tǒng)一管理使用，定期去廠家或代理商維護(hù)與維修；CG-5在中國(guó)大陸地區(qū)的使用壽命在10年左右，達(dá)到使用時(shí)限經(jīng)維修后仍無(wú)法達(dá)到數(shù)據(jù)采集精度要求的，應(yīng)聯(lián)系廠家置換或購(gòu)買新設(shè)備。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

作者長(zhǎng)達(dá)十幾年對(duì)CG-5高精度重力儀器使用與研究，積累了豐富的工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)各個(gè)地區(qū)，不同環(huán)境下儀器可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行歸納[13- 15]，總結(jié)了儀器使用過程中的注意事項(xiàng)以及工作過程中對(duì)儀器問題的解決辦法，讓物探工作者能夠及時(shí)自己處理儀器問題，將大大減少工作過程中儀器問題對(duì)工作造成的影響，在提高工作效率與工作進(jìn)程的前提下獲得更高質(zhì)量的重力數(shù)據(jù)。同時(shí)，讓地質(zhì)勘探工作者能夠更好投入到祖國(guó)的物探事業(yè)中。