吳治國(guó)，劉洪波，臧 凱,3，張 寧，胡 蕾，王玉敏

（1. 山東省物化探勘查院，濟(jì)南 250013；2. 山東省地質(zhì)勘查工程技術(shù)研究中心，濟(jì)南 250013；3. 山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590）

0 引言

地球重力場(chǎng)是地球重要的基本物理場(chǎng)之一，地球重力場(chǎng)測(cè)量對(duì)推動(dòng)地球物理學(xué)、地球動(dòng)力學(xué)、大地測(cè)量學(xué)、海洋測(cè)量學(xué)、空間科學(xué)等學(xué)科的發(fā)展具有重要作用[1-4]。海底重力數(shù)據(jù)對(duì)建立全球重力場(chǎng)模型至關(guān)重要，進(jìn)行海洋基礎(chǔ)地質(zhì)研究、礦產(chǎn)資源勘查、重大工程建設(shè)選址、大地水準(zhǔn)面精化等應(yīng)用，具有不可比擬的精度優(yōu)勢(shì)。

山東省物化探勘查院引進(jìn)全球最先進(jìn)的海底重力儀(簡(jiǎn)稱“INO”)，在山東省周邊海域開(kāi)展了淺海區(qū)海底重力測(cè)量工作，完成1∶5萬(wàn)～1∶25萬(wàn)淺海海底重力測(cè)量面積近15 000 km2，覆蓋海岸線長(zhǎng)約630 km，自海岸線向海域延伸約20 km (其中渤海海峽向海域延伸約70 km)。利用已形成的重力資料，研究了各類關(guān)聯(lián)因素對(duì)海底重力測(cè)量精度的影響；同時(shí)針對(duì)海底重力測(cè)量工作的特殊性，提出了合理的質(zhì)量檢查精度評(píng)價(jià)方法。

1 海底重力測(cè)量精度的影響因素

主要研究了水深、海底底質(zhì)、海況、平面定位精度、高程測(cè)量精度、近區(qū)地形改正等因素對(duì)海底重力測(cè)量精度的影響。通過(guò)總結(jié)不同比例尺、不同海域?qū)嵾_(dá)布格重力異常精度，明確了海底重力測(cè)量不同因素的影響。

1.1 水深

本次研究區(qū)為渤海海域，為陸架淺海盆地，整個(gè)海底從遼東灣、渤海灣和萊州灣3個(gè)海灣向渤海中央淺海盆地及東部渤海海峽傾斜，坡度平緩，平均坡度0.130‰。渤海平均水深約18 m，最深處位于渤海海峽北部的老鐵山水道，最深水深84 m[5]。研究區(qū)實(shí)測(cè)水深最大達(dá)88 m。

淺海區(qū)海底重力測(cè)量與陸域、船載重力測(cè)量系統(tǒng)相比，存在水體波動(dòng)對(duì)海底重力儀讀數(shù)的影響。以10 m水深為間隔，統(tǒng)計(jì)0～80 m水深范圍質(zhì)量檢查點(diǎn)，以布格重力異常值為評(píng)價(jià)指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)了各水深段重力觀測(cè)均方誤差和最大偏差值（表1），重力觀測(cè)均方誤差與水深關(guān)系曲線如圖1所示。

表1 各水深段重力觀測(cè)均方誤差和最大偏差值統(tǒng)計(jì)表

圖1 重力觀測(cè)均方誤差、最大偏差與水深關(guān)系圖

對(duì)不同水深下的重力測(cè)量精度進(jìn)行研究表明，0～10 m超淺水域測(cè)點(diǎn)重力觀測(cè)均方誤差為±0.035×10?5m/s2，最大差值為±0.158×10?5m/s2，明顯大于其他水深。說(shuō)明超淺水域表層浪涌縱向波動(dòng)傳遞至海底，對(duì)重力儀影響較大。實(shí)際觀測(cè)時(shí)，印證了該深度水域讀數(shù)精度評(píng)價(jià)指標(biāo)“SD值”（實(shí)時(shí)讀數(shù)精度標(biāo)準(zhǔn)差）較大，海底重力儀讀數(shù)時(shí)間比深水海域明顯要長(zhǎng)，重力儀讀數(shù)精度較差。隨水深增加，浪涌產(chǎn)生的波動(dòng)能量迅速衰減，對(duì)重力儀讀數(shù)影響減弱；當(dāng)水深增加至40～50 m時(shí)，測(cè)點(diǎn)重力觀測(cè)均方誤差降至最低±0.009×10?5m/s2；水深大于 50 m，測(cè)點(diǎn)重力觀測(cè)均方誤差和最大差值又有變大趨勢(shì)，這是由于淺海區(qū)50 m以深海域多為水道，水道內(nèi)海流較大，對(duì)儀器沖擊力較大，影響重力儀觀測(cè)精度。繪制了質(zhì)量檢查點(diǎn)在水深平面圖上的分布（圖2），紅點(diǎn)越大，表明差值越大，該圖能較為直觀地反映出水深與測(cè)點(diǎn)重力觀測(cè)精度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

總之，超淺水域水體波動(dòng)對(duì)海底重力儀讀數(shù)影響較大，致使海底重力儀讀數(shù)穩(wěn)定性差，從而影響海底重力儀的觀測(cè)精度；隨著深度增大，表層水體波動(dòng)對(duì)儀器干擾減弱，局部深水區(qū)存在水道，海流較大，沖擊干擾儀器讀數(shù)。

1.2 海底底質(zhì)

渤黃海研究區(qū)沉積物類型主要有粉砂、粘土質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)砂、粉砂質(zhì)黏土和細(xì)砂[6]。為了減弱海流對(duì)重力儀沖擊造成的影響，將所使用的海底重力儀吊籠增加配重，對(duì)于不同海底底質(zhì)，在配重作用下，海底重力儀下陷時(shí)間不同，接觸海底穩(wěn)定性有所差異，影響海底重力儀的測(cè)量精度。統(tǒng)計(jì)了不同海底底質(zhì)類型，測(cè)點(diǎn)重力觀測(cè)均方誤差和最大差值見(jiàn)表2，質(zhì)量檢查點(diǎn)差值分布如圖3所示。

圖2 質(zhì)檢布格異常差值與水深關(guān)系分布圖

表2 不同海底環(huán)境下重力儀測(cè)量精度統(tǒng)計(jì)表

由表2和圖3可以看出，海底重力儀的讀數(shù)精度與海底底質(zhì)關(guān)系密切。粉砂質(zhì)砂、粘土質(zhì)粉砂和砂質(zhì)粉砂底質(zhì)，重力測(cè)量精度最差；粉砂和細(xì)砂底質(zhì)，重力測(cè)量精度相對(duì)高些；而粉砂質(zhì)黏土底質(zhì)穩(wěn)定，重力測(cè)量精度最高。海底底質(zhì)變化的區(qū)域，底質(zhì)不穩(wěn)定，致使海底重力儀一直處于沉降狀態(tài)，且沉降時(shí)間較長(zhǎng)，重力儀的彈簧系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間處于搖擺狀態(tài)，讀數(shù)難度較大，影響重力儀觀測(cè)精度。

總之，彈簧系統(tǒng)觀測(cè)精度與重力儀穩(wěn)定性直接相關(guān)，重力儀重量不變，海底底質(zhì)的硬度直接影響重力儀的穩(wěn)定性。當(dāng)海底底質(zhì)較硬時(shí)，重力儀觀測(cè)精度較高；反之，觀測(cè)精度低。由砂至黏土測(cè)點(diǎn)重力觀測(cè)均方誤差明顯升高。

1.3 海況

1.3.1 風(fēng)力

渤海海域冬、夏季風(fēng)交替顯著，10月至翌年3月盛行偏北季風(fēng)，渤海年平均出現(xiàn)≥8級(jí)以上海風(fēng)天數(shù)為70 d以上，主要集中在渤海海峽至龍口一帶[7]。風(fēng)力對(duì)海底重力測(cè)量不產(chǎn)生直接影響，而由海風(fēng)形成的浪涌會(huì)對(duì)海底重力測(cè)量產(chǎn)生影響，且不同風(fēng)力產(chǎn)生的浪涌大小不同。

統(tǒng)計(jì)了6級(jí)以下風(fēng)力條件下重力質(zhì)量檢查32點(diǎn)，重力觀測(cè)均方誤差±0.024×10?5m/s2；6 級(jí)以上風(fēng)力質(zhì)量檢查 15 點(diǎn)，重力觀測(cè)均方誤差±0.015×10?5m/s2。

以上統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，風(fēng)力因素與海底重力測(cè)量精度不具有明顯相關(guān)性，與船載重力測(cè)量方法相比，海底重力測(cè)量精度受風(fēng)力影響較小。在超淺水域，對(duì)海底重力測(cè)量精度會(huì)產(chǎn)生一定的影響。在深水區(qū)僅會(huì)影響工作的安全性和效率。值得注意的是，不排除統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)較少的偶然性，且為安全考慮，野外工作最大風(fēng)力不超過(guò)7級(jí)。

1.3.2 海浪、海流

由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性，海底重力測(cè)量過(guò)程中的海浪、海流會(huì)直接影響重力觀測(cè)精度。海底重力測(cè)量與陸地重力相同，一般通過(guò)實(shí)時(shí)觀察重力儀顯示的“SD值”來(lái)評(píng)價(jià)環(huán)境的影響。研究分析了每個(gè)重力測(cè)點(diǎn)開(kāi)展工作時(shí)的海浪、海流等海況信息，并根據(jù)重力儀顯示的“SD值”評(píng)價(jià)不同海況條件對(duì)重力測(cè)量的影響。

圖3 質(zhì)檢點(diǎn)布格異常差在不同海底底質(zhì)分布圖

當(dāng)工作船拋錨固定后，在海風(fēng)、海浪的疊加作用下，致使船體晃動(dòng)。在海水深度小于5 m時(shí)，工作船的晃動(dòng)會(huì)直接干擾重力儀讀數(shù)；在海水深度大于5 m時(shí)，工作船的晃動(dòng)對(duì)重力儀的直接作用力變小，但海浪會(huì)使通信和承重鋼纜受力，傳導(dǎo)至重力儀，對(duì)其產(chǎn)生干擾。另外，海流會(huì)直接沖擊重力儀，較大海流甚至?xí)?dǎo)致海底重力儀產(chǎn)生晃動(dòng)。當(dāng)海底重力儀入水至海底的過(guò)程中，海流會(huì)使重力儀傾斜，實(shí)時(shí)檢測(cè)儀器傾角，傾角越大，說(shuō)明海流越大。海底重力儀下降過(guò)程中，海流對(duì)其沖擊力不同，本次將儀器觸底瞬間傾角大小(此時(shí)基本反映了海底底層流速對(duì)其的沖擊力)進(jìn)行分析研究。

海浪、海流(以傾角大小表示)對(duì)“SD值”影響的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如表3、表4所示。海浪等級(jí)分為小、中、大3個(gè)等級(jí)，“SD值”主要集中在0＜SD≤0.4格范圍內(nèi)，且隨著海浪強(qiáng)度的增大，“SD值”趨于變小。分析原因?yàn)檫h(yuǎn)離海岸帶時(shí)海浪相對(duì)變大，海水深度則普遍大于10 m，表層的海浪對(duì)海底重力儀影響變?nèi)?，因此，?duì)“SD值”影響也不大。

表3 海浪與“SD值”關(guān)系表

表4中，在海底重力儀傾角介于0°～3°的海流條件下，“SD值”主要在0～0.4格范圍內(nèi)，傾角在(3°，12°]時(shí)，“SD 值”在（0，0.1]格范圍內(nèi)測(cè)點(diǎn)頻率減少，“SD值”在（0.1，0.5]格范圍內(nèi)頻率普遍增加。

表5為重力儀傾角與“SD值”關(guān)系統(tǒng)計(jì)表，表中“SD平均值”與“SD值”標(biāo)準(zhǔn)偏差中的變化，說(shuō)明海流對(duì)“SD值”影響明顯，且“SD值”與海流強(qiáng)度表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系，而“SD值”是重力儀彈簧系統(tǒng)受干擾程度的直接表現(xiàn)，反映了重力儀的讀數(shù)精度。因此，開(kāi)展海底重力測(cè)量工作前，需考慮海流對(duì)重力精度的影響，在海流較大時(shí)，可通過(guò)增加單點(diǎn)觀測(cè)時(shí)間或提高觀測(cè)次數(shù)以減弱海流干擾，提高觀測(cè)精度。

1.4 平面定位精度

平面定位精度主要包括控制測(cè)量精度、GNSS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)定位精度、水下定位系統(tǒng)精度。表6統(tǒng)計(jì)了多個(gè)渤黃海研究區(qū)的平面定位實(shí)達(dá)精度，由于海流對(duì)儀器沖擊會(huì)造成偏移，從表6中可以看出在研究區(qū)深水海域，采用水下定位系統(tǒng)能較大程度提高平面定位精度。當(dāng)不使用水下定位系統(tǒng)時(shí)，海底測(cè)點(diǎn)平面定位均方誤差與正常重力值正相關(guān)，平面定位誤差最大為±5.85 m，影響正常重力值為±0.008×10?5m/s2，對(duì)布格重力異常精度影響較小。

表4 重力儀傾角與“SD值”關(guān)系表

表5 重力儀傾角與“SD值”關(guān)系統(tǒng)計(jì)表

表6 研究區(qū)平面定位精度及重力測(cè)量精度關(guān)系統(tǒng)計(jì)表

海底平面定位精度與水深正相關(guān)，水深越大，海底平面定位精度越差，在深水海域需采用水下定位系統(tǒng)提高平面定位精度，以滿足規(guī)范要求。通過(guò)圖4可以看出，平面定位精度對(duì)海底重力測(cè)量精度影響相對(duì)較小，但會(huì)影響平面成圖和推斷成果的位置準(zhǔn)確性。

圖4 平面定位精度與海底重力測(cè)量精度相關(guān)曲線圖

1.5 高程測(cè)量精度

高程測(cè)量精度作為布格改正計(jì)算的重要參數(shù)，直接影響布格改正精度。高程測(cè)量精度主要包括控制測(cè)量精度、壓力傳感器測(cè)深精度、潮位改正精度、瞬時(shí)潮高均方誤差。表7統(tǒng)計(jì)了多個(gè)渤黃海研究區(qū)的高程實(shí)達(dá)精度，可以看出，瞬時(shí)潮高均方誤差對(duì)高程精度影響占比最大。而瞬時(shí)潮高均方誤差主要與潮位改正算法有關(guān)，該算法受潮汐和潮流類型及其分布規(guī)律、驗(yàn)潮儀布設(shè)等因素影響，綜合評(píng)判各因素綜合影響，確定最弱潮位控制區(qū)，計(jì)算該區(qū)潮位改正誤差，作為瞬時(shí)潮高均方誤差，該誤差與布格改正均方誤差成倍數(shù)關(guān)系，最大程度影響重力測(cè)量精度。

布格重力異常均方誤差由測(cè)點(diǎn)重力值均方誤差、地形改正均方誤差、正常重力值改正均方誤差、布格改正均方誤差組成，前三者的影響均有限。由布格改正均方誤差占布格異?？傉`差的比例看，除萊州灣海域占比為57.1%外，其他海域占比達(dá)79%～92%，說(shuō)明高程精度對(duì)海底重力測(cè)量精度影響最大，開(kāi)展海底重力測(cè)量工作時(shí)，應(yīng)依據(jù)潮汐和潮流類型及其分布規(guī)律，合理地布設(shè)驗(yàn)潮儀以及選擇推算方法，提高瞬時(shí)潮高均方誤差，進(jìn)而提高布格重力異常精度。

1.6 近區(qū)地形改正

海底重力測(cè)量時(shí)，地形起伏較大的區(qū)域，應(yīng)進(jìn)行近區(qū)地形改正，但采用目前技術(shù)進(jìn)行海底近區(qū)地形改正難度較大，一方面水深較深海域，海底重力測(cè)點(diǎn)難以準(zhǔn)確定位；另一方面能夠用于近區(qū)地形改正的大比例尺精細(xì)化海底地形圖較為稀缺。

表7 研究區(qū)高程精度及重力測(cè)量精度統(tǒng)計(jì)表

該研究區(qū)地處渤海海域，渤海的整體海底地勢(shì)由遼東灣、渤海灣、萊州灣向渤海海峽傾斜，萊州灣內(nèi)海底地形極為平緩，而渤海海峽受到峽內(nèi)眾多島嶼及水道的影響，表現(xiàn)為溝脊相間的海底地形。因此，本次研究以海底斜面地形為例，建立海底斜面地形模型，計(jì)算不同坡角下的海底重力測(cè)量近區(qū)地形改正理論值（圖5），以探討海底重力測(cè)量近區(qū)地形改正的必要性。受目前海底地形圖主流比例尺大小所限，近區(qū)地形改正半徑設(shè)定為0～100 m。

圖5 坡度與近區(qū)地形改正值曲線圖

山東周邊海域中，渤海平均坡降0.13‰，黃海平均坡降0.39‰，水道區(qū)域坡降可達(dá)10‰～35‰（約0.6°～2.0°）。渤黃海域，以水道區(qū)域最大坡度角 2.0°計(jì)算，近區(qū)地形改正值為 0.002×10?5m/s2，對(duì)海底重力測(cè)量精度影響極小，可不進(jìn)行近區(qū)地形改正。

2 海底重力測(cè)量質(zhì)量檢查方法研究

海底重力測(cè)量質(zhì)量檢查工作應(yīng)按“一同三不同”(同點(diǎn)位、不同閉合單元、不同儀器、不同操作員)方式進(jìn)行，但海底重力測(cè)量質(zhì)量檢查與陸地有所不同，受當(dāng)前技術(shù)所限，海底無(wú)法建立標(biāo)志物，且工作船拋錨后受海流影響會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)，經(jīng)試驗(yàn)，檢查點(diǎn)與原測(cè)量點(diǎn)距離控制在15 m之內(nèi)已屬不易。因此，在質(zhì)量檢查時(shí)，海底重力儀無(wú)法準(zhǔn)確到達(dá)原觀測(cè)點(diǎn)位。且海面受潮汐影響不斷地漲落，隨時(shí)間變化，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的原始觀測(cè)點(diǎn)潮高、水深觀測(cè)值和檢查點(diǎn)也隨之不同，因此，其“同點(diǎn)位”應(yīng)包括定位誤差的同點(diǎn)位。

考慮海底重力測(cè)點(diǎn)觀測(cè)誤差影響因素，提出了3種質(zhì)量檢查方法，即相對(duì)重力值法(δ相對(duì))、布格重力異常值法 (δ布格)、重力異常插值法 (δ插值)，評(píng)估3種質(zhì)量檢查方法的優(yōu)缺點(diǎn)。相對(duì)重力值法(δ相對(duì))是通過(guò)零點(diǎn)位移改正后計(jì)算的相對(duì)重力值進(jìn)行質(zhì)量檢查，陸域重力采用該方法。海底重力質(zhì)量檢查點(diǎn)與原始測(cè)量點(diǎn)位不一致會(huì)引起高程的變化，不同閉合單元測(cè)點(diǎn)的水深不同，由于重力值未經(jīng)過(guò)高度、中間層等各項(xiàng)改正，從而影響到測(cè)點(diǎn)重力觀測(cè)均方誤差準(zhǔn)確性。布格重力異常值法(δ布格)是經(jīng)過(guò)零點(diǎn)位移改正和布格改正后計(jì)算的布格重力異常值進(jìn)行質(zhì)量檢查。由于進(jìn)行了高度改正、中間層改正，該方法從理論上消除了質(zhì)量檢查點(diǎn)與原始測(cè)量點(diǎn)位的高程和水深變化的影響。但在海底重力測(cè)量中，布格改正精度會(huì)受海底高程精度的影響。重力異常插值法(δ插值)是利用原觀測(cè)點(diǎn)周邊的布格重力異常值，根據(jù)質(zhì)量檢查點(diǎn)與原觀測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)相對(duì)位置關(guān)系，以距離為權(quán)重，通過(guò)3個(gè)以上重力測(cè)點(diǎn)計(jì)算該質(zhì)檢點(diǎn)坐標(biāo)位置的布格重力異常值，將原實(shí)際觀測(cè)值和計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比。從理論上看，該方法的質(zhì)量檢查點(diǎn)與原始觀測(cè)點(diǎn)平面坐標(biāo)重合，但由于海底重力測(cè)量平面定位具有一定誤差，其計(jì)算重力異常值引入了平面定位誤差。

用相對(duì)重力值法(δ相對(duì))、布格重力異常值法(δ布格)、重力異常插值法 (δ插值)分別計(jì)算了 40個(gè)質(zhì)量檢查點(diǎn)與原始觀測(cè)差值。采用3種方法測(cè)量的重力觀測(cè)誤差分別為±0.033×10?5m/s2、±0.027×10?5m/s2、±0.036×10?5m/s2。3 種質(zhì)量檢查方法觀測(cè)與原始觀測(cè)差值曲線見(jiàn)圖6，3種評(píng)價(jià)方法計(jì)算的重力測(cè)量精度差異不大，且具有明顯的同步性。用重力異常插值法進(jìn)行質(zhì)量檢查時(shí)均方誤差最大，其受重力場(chǎng)特征影響亦最為明顯，尤其是在重力場(chǎng)梯級(jí)帶上，用該方法進(jìn)行質(zhì)量檢查時(shí)具有跳躍、離散的特點(diǎn)。通過(guò)3種質(zhì)量檢查方法對(duì)比，無(wú)論從理論上還是試驗(yàn)效果上，采用布格重力異常值法更合理，既包括了重力觀測(cè)精度，又包括了定位精度、驗(yàn)潮及水深測(cè)量精度的一部分。

圖6 3種質(zhì)量檢查方法差值曲線圖

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)總結(jié)不同比例尺、不同海域?qū)嵾_(dá)布格重力異常精度，明確了海底重力測(cè)量過(guò)程中不同因素的影響。①在超淺水域，環(huán)境干擾對(duì)海底重力測(cè)量精度影響較大；水深較大且存在水道區(qū)域，海流沖擊對(duì)海底重力測(cè)量影響亦較大。②海底底質(zhì)較硬區(qū)域，海底重力測(cè)量精度較高且效率較快。③安全作業(yè)范圍內(nèi)的風(fēng)力，基本不影響海底重力測(cè)量精度；海浪、海流會(huì)在一定程度上影響觀測(cè)精度，但只要多次重復(fù)觀測(cè)能滿足要求即可開(kāi)展海底重力測(cè)量工作。④滿足規(guī)范要求的平面定位精度對(duì)海底重力測(cè)量精度影響相對(duì)較小，但會(huì)影響平面成圖和推斷成果位置的準(zhǔn)確性。⑤高程是海底重力測(cè)量精度影響最大的因素，最大程度提高高程測(cè)量精度是提高重力精度的關(guān)鍵，需依賴可靠的潮位改正算法和高精度的水深測(cè)量系統(tǒng)。⑥在渤黃海淺海區(qū)，海底地形較為平緩，近區(qū)地形改正對(duì)重力精度影響可忽略不計(jì)。

評(píng)估了相對(duì)重力值法、布格重力異常值法、重力異常插值法3種質(zhì)量檢查方法，采用布格重力異常值法作為海底重力測(cè)量質(zhì)量檢查方法更合理，既包括了重力觀測(cè)精度，又包括了定位精度、驗(yàn)潮及水深測(cè)量精度的一部分。