陶照明，梁連仲，秦 佩，王 斌，薛振海，許德樹(shù)

(1. 北京奧地探測(cè)儀器有限公司，北京 100016；2.北京勘察技術(shù)工程有限公司，北京 100085)

0 引言

高精度地面微重力測(cè)量技術(shù)和裝備是地球物理勘查和地球重力場(chǎng)信息觀測(cè)的基本手段。受地球引力影響，地面上的物體具有重力加速度[1-2]，在地球緯度、地層中礦藏變化等因素影響下，重力加速度會(huì)有細(xì)微變化，這種變化是發(fā)現(xiàn)石油、天然氣、金屬礦產(chǎn)等資源能源的重要依據(jù)之一。

重力儀分為絕對(duì)重力儀和相對(duì)重力儀兩大類。通過(guò)觀測(cè)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，稱為絕對(duì)重力儀；采用靜力法觀測(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，稱為相對(duì)重力儀。

國(guó)內(nèi)在20世紀(jì)80年代初引進(jìn)的地面重力測(cè)量裝備絕大部分都是相對(duì)重力儀。其中，沃爾登型(Worlden)重力儀[3]是美國(guó)沃爾登公司于20世紀(jì)70年代生產(chǎn)的，該重力儀屬石英彈簧重力儀；CG-5數(shù)字重力儀是加拿大Scintrex公司生產(chǎn)的，也屬于石英彈簧重力儀，CG-5重力儀目前在我國(guó)具有較高的市場(chǎng)占有率。

重力測(cè)量是現(xiàn)代國(guó)防、資源勘探、空間科學(xué)、海洋科學(xué)、大地測(cè)量學(xué)、地球物理學(xué)、地球動(dòng)力學(xué)等研究的重要方法之一，是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的軍民兩用前沿技術(shù)。在“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“地面地球物理勘探關(guān)鍵技術(shù)與裝備”支持下，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高度智能的“ZSM-6高精度數(shù)字重力儀”研制成功，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的空白，打破了該類科學(xué)儀器長(zhǎng)期依賴進(jìn)口的局面，全面提升了我國(guó)重力儀研制與生產(chǎn)的綜合實(shí)力。

隨著近期國(guó)產(chǎn)ZSM-6數(shù)字重力儀的應(yīng)用推廣，其在礦產(chǎn)資源勘查、地質(zhì)災(zāi)害觀測(cè)、地震預(yù)報(bào)觀測(cè)、國(guó)防建設(shè)等領(lǐng)域均有應(yīng)用。

1 系統(tǒng)組成

數(shù)字重力儀主要由重力傳感器分系統(tǒng)、控溫測(cè)溫分系統(tǒng)、傾角測(cè)量分系統(tǒng)、控制與數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)和定位授時(shí)分系統(tǒng)等5部分構(gòu)成。

1.1 主要技術(shù)指標(biāo)(表1)

表1 ZSM-6數(shù)字重力儀主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 重力傳感器分系統(tǒng)

重力傳感器分系統(tǒng)由石英彈簧系統(tǒng)、電容測(cè)微傳感器及相應(yīng)信號(hào)調(diào)理電路組成，其功能是把重力的相對(duì)變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

熔融石英重力傳感器密封于真空倉(cāng)內(nèi)，消除大氣擾動(dòng)及氣壓變化對(duì)石英彈性系統(tǒng)的影響。

電容測(cè)微傳感器亦稱為差動(dòng)式電容傳感器。電容傳感器的電容值變化很微小，不能直接顯示記錄，必須將電容變化轉(zhuǎn)換為電流、電壓的變化。設(shè)計(jì)中引入鎖相放大器、相敏檢波器等工作電路，能夠?qū)⒆饔糜谑椈上到y(tǒng)的重力變化所產(chǎn)生的微弱信號(hào)有效地檢出，實(shí)現(xiàn)微弱重力變化的高精度檢測(cè)，原理框圖詳見(jiàn)圖1。

圖1 信號(hào)轉(zhuǎn)換原理圖

1.3 控溫測(cè)溫分系統(tǒng)

該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)熔融石英重力傳感器的恒溫控制(精度0.003 ℃)及高精度測(cè)量(0.000 01 ℃)，為熔融石英重力傳感器提供恒定的工作溫度，并能檢測(cè)出微小的溫度變化，為測(cè)量結(jié)果的溫度改正提供相應(yīng)的溫度參數(shù)。

理論和實(shí)踐證明，采用石英彈簧為主要敏感元件構(gòu)成的數(shù)字重力儀，環(huán)境溫度變化對(duì)重力儀讀數(shù)的影響約為125 mGal/℃。為消除溫度變化對(duì)重力儀讀數(shù)的影響[9]，使其滿足在各種不同環(huán)境溫度條件下的作業(yè)需求，重力傳感器必須置于恒溫倉(cāng)內(nèi)，恒溫倉(cāng)采用恒溫控制設(shè)計(jì)[7-8]。將石英彈性系統(tǒng)、電容測(cè)微傳感器等靈敏電子部件安裝在一個(gè)高穩(wěn)定的雙層恒溫倉(cāng)內(nèi)，設(shè)計(jì)的雙層恒溫電路[6]由外控溫電路、PID調(diào)節(jié)內(nèi)控溫電路兩部分組成。通過(guò)雙層控溫電路調(diào)節(jié)，恒溫系統(tǒng)的控溫精度達(dá)到0.003 ℃。

測(cè)溫電路由精密溫度差動(dòng)電橋、放大電路、低通濾波電路以及A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器等電路組成。測(cè)溫電路能夠檢測(cè)出內(nèi)層恒溫倉(cāng)中微小的溫度變化，測(cè)溫精度達(dá)到1×10-5℃(分辨率為1×10-6℃)，通過(guò)軟件算法進(jìn)行自動(dòng)溫度補(bǔ)償[8]，可消除溫度對(duì)重力儀讀數(shù)的影響。

為了達(dá)到1×10-5℃的測(cè)溫精度，需要從幾個(gè)方面考慮：①定制超高精密電阻和溫度傳感器組成差動(dòng)電橋，超高精密電阻溫度系數(shù)低至5×10-8/℃，保證測(cè)溫電橋穩(wěn)定可靠；②選用超低噪聲儀表放大器，完全適用放大微小信號(hào)，數(shù)據(jù)采集選用24位(外加5個(gè)附加位) A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器；③為了降低測(cè)溫噪聲，設(shè)計(jì)截止頻率1 Hz的低通濾波器。

1.4 傾角測(cè)量分系統(tǒng)

傾角測(cè)量分系統(tǒng)是數(shù)字重力儀的一個(gè)重要組成部分，主要功能是精確測(cè)量重力傳感器的傾斜角度，指示和通過(guò)調(diào)整使得重力傳感器處于水平位置(石英彈簧軸重合于鉛垂線)。

重力儀作業(yè)時(shí)儀器架設(shè)在三角架上，通過(guò)人工概略整平后，精確測(cè)定重力傳感器相對(duì)水平面的傾角，為傾斜改正提供精確的傾角分量參數(shù)，傾角測(cè)量的分辨率為1″。

傾角測(cè)量系統(tǒng)主要由x、y傾角傳感器、激勵(lì)源電路、基準(zhǔn)電壓源、儀表放大電路、相敏檢波電路、低通濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換器等部分組成[15-16]。

1.5 控制與數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)

①通過(guò)嵌入式計(jì)算機(jī)(國(guó)產(chǎn)龍芯系列)及相應(yīng)控制軟件，實(shí)現(xiàn)重力儀操作的人機(jī)對(duì)話及測(cè)量過(guò)程的全自動(dòng)控制；②實(shí)現(xiàn)重力傳感器以及各種測(cè)量信號(hào)(重力、溫度、傾角等)的噪聲濾波及測(cè)量數(shù)據(jù)的全自動(dòng)采集；③實(shí)現(xiàn)BDS/GPS授時(shí)信號(hào)(UTC時(shí))的接收及計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)鐘的校準(zhǔn)，為固體潮改正提供經(jīng)緯度和時(shí)間參數(shù)；④實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的數(shù)字濾波(地震濾波、FIR濾波等)，測(cè)量數(shù)據(jù)的漂移改正、傾斜改正、溫度改正、固體潮改正等各項(xiàng)計(jì)算，測(cè)量數(shù)據(jù)的精度評(píng)估等。

1.6 定位授時(shí)分系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)測(cè)站位置的概略定位，為固體潮改正提供測(cè)站位置參數(shù)；為計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)鐘的時(shí)間校準(zhǔn)提供標(biāo)準(zhǔn)的UTC時(shí)間。

2 重力儀原理

2.1 概述

用于重力勘探工作的重力儀，測(cè)出某兩點(diǎn)之間的相對(duì)重力差，由于重力差比重力全值小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此其相對(duì)精度要求比絕對(duì)重力儀高得多。為能正確反映極微小的重力變化，ZSM-6數(shù)字重力儀根據(jù)靜力學(xué)原理，運(yùn)用零點(diǎn)讀數(shù)法測(cè)量重力加速度的相對(duì)重力值[11]，在儀器設(shè)計(jì)、新材料選取、新元器件運(yùn)用、噪聲干擾消除[10]等方面采用了全新技術(shù)。

2.2 熔融石英重力傳感器

熔融石英重力傳感器由熔融石英彈性系統(tǒng)和電容測(cè)微傳感器組成，是數(shù)字重力儀的核心部件。

2.2.1 熔融石英彈性系統(tǒng)

作用在重荷上的重力與(彈簧的)彈力以及一個(gè)相對(duì)較小的靜電力相對(duì)平衡。重力改變時(shí)，通過(guò)一個(gè)電容測(cè)微傳感器來(lái)檢測(cè)重荷的位置位移，反饋電路將反饋電壓施加在電容測(cè)微傳感器的極板上， 極板產(chǎn)生的靜電力使重荷(動(dòng)極板)返回零點(diǎn)位置。石英彈性系統(tǒng)由核心部件一根石英彈簧和相關(guān)輔助部件組成，見(jiàn)圖2。

圖2 重力傳感器原理圖

在零點(diǎn)位置上，當(dāng)彈力矩、重力矩、靜電力矩達(dá)到平衡時(shí)，動(dòng)極板靜止不動(dòng)，總力矩等于零。由此可以推出如下公式：

(1)

式中：m為動(dòng)極板的總質(zhì)量；a1為重力臂，即重心與擺軸的距離；a3為靜電力臂，即重荷中心與擺軸的距離；ε0為真空中的介電常數(shù)，ε0=8.85×10-12F/m；U為加在電容器兩個(gè)極板上的反饋電壓；S為電容器極板的表面積；D為電容器極板的間距。

從式(1)可以看出，重力的變化與反饋電壓的二次方成正比。

2.2.2 電容測(cè)微傳感器

在實(shí)際測(cè)量工作中，重力加速度會(huì)有細(xì)微變化，對(duì)儀器精度和測(cè)量環(huán)境有著非常高的要求，當(dāng)重力儀的分辨率達(dá)到0.001 mGal時(shí)，電容測(cè)微傳感器的測(cè)距分辨率優(yōu)于0.02 nm。

根據(jù)計(jì)算，電容測(cè)微傳感器的位移分辨率是0.02 nm/μGal。

電容端的輸出電壓計(jì)算公式為

(2)

由式(2)可見(jiàn)，輸出電壓U0與被測(cè)位移Δd之間呈良好的線性特性。U0經(jīng)放大檢波后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后送到儀器的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理、顯示和存儲(chǔ)。

2.2.3 信號(hào)檢測(cè)與反饋

由相敏檢波器和低通濾波器組成的基于鎖相放大原理研制的檢測(cè)電路，包括電容差動(dòng)式交流電橋、放大電路、多階低通濾波電路、積分電路和弱信號(hào)相關(guān)檢測(cè)電路、靜電反饋電路，構(gòu)成完整的信號(hào)檢測(cè)與反饋電路系統(tǒng)。信號(hào)檢測(cè)與反饋分系統(tǒng)的整體電路設(shè)計(jì)框圖詳見(jiàn)圖3。

圖3 信號(hào)檢測(cè)與反饋整體電路設(shè)計(jì)框圖

通過(guò)電荷放大器電路、寬帶放大器電路、低通濾波器電路、相敏檢波電路、積分器電路等實(shí)現(xiàn)重荷位移信號(hào)的預(yù)處理。通過(guò)跟隨器、反向放大器、耦合電路等組成的反饋電路產(chǎn)生反饋電壓，反饋電壓施加到電容極板上產(chǎn)生靜電力，使重荷(動(dòng)極板)返回零點(diǎn)位置。通過(guò)高穩(wěn)定、高靈敏度的電容測(cè)微傳感器實(shí)現(xiàn)重荷(動(dòng)極板)位移的精密檢測(cè)(機(jī)械位移0.02 nm/μGal)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的精確測(cè)量。

3 應(yīng)用試驗(yàn)

重力試驗(yàn)環(huán)境主要考慮礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查、區(qū)域重力調(diào)查、油氣重力調(diào)查和城市地質(zhì)調(diào)查等各類不同的重力勘探應(yīng)用環(huán)境。本次應(yīng)用試驗(yàn)通過(guò)選擇兩類環(huán)境開(kāi)展重力生產(chǎn)試驗(yàn)工作。模擬礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查、城市地質(zhì)調(diào)查的應(yīng)用，而區(qū)域重力調(diào)查的工作環(huán)境類似于內(nèi)蒙毛登礦集區(qū)的礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查環(huán)境。

3.1 應(yīng)用試驗(yàn)實(shí)例1

通過(guò)北京城區(qū)開(kāi)展生產(chǎn)性試驗(yàn)，檢驗(yàn)儀器在城市地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用。測(cè)試ZSM-6數(shù)字重力儀產(chǎn)品化、實(shí)用化水平，評(píng)價(jià)儀器的野外試生產(chǎn)各項(xiàng)精度指標(biāo)。

試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在北京通州地區(qū)，橫跨燕郊斷裂、姚辛莊斷裂、夏店斷裂和西集斷裂，試驗(yàn)重力儀在城市地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用。通州城市副中心剖面主要位于通州以東，地表為第四系覆蓋，大興隆起地區(qū)第四系直接覆蓋于古生界、元古界、太古界之上；夏店馬坊斷裂以東，沉積巨厚，第三系廣泛發(fā)育，甚至下伏有中生界，重力變化幅度達(dá)到42 mGal，是開(kāi)展重力生產(chǎn)試驗(yàn)的理想場(chǎng)所。

布設(shè)走向北西的重力剖面，長(zhǎng)度21 km，走向N125.3E。剖面端點(diǎn)坐標(biāo)(476583，4418839)～(493806，4406654)，橫跨大興隆起與大廠凹陷。其中剖面西段位于正在新建的北京城市副中心。

3.1.1 工作方法

參加試驗(yàn)的有兩臺(tái)ZSM-6數(shù)字重力儀，另有一臺(tái)CG-5型全自動(dòng)重力儀用于比對(duì)。加拿大Scintrex公司生產(chǎn)的CG-5全自動(dòng)重力儀在國(guó)內(nèi)地礦、石油勘探等行業(yè)擁有較多用戶，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)也代表了國(guó)際同類儀器的最高水平。

野外施工投入三個(gè)重力測(cè)量臺(tái)班，一個(gè)測(cè)地臺(tái)班，每個(gè)臺(tái)班2人。其中三個(gè)重力測(cè)量除二個(gè)重力試生產(chǎn)臺(tái)班外，還包括一個(gè)CG-5對(duì)比臺(tái)班。

野外施工過(guò)程中，先由測(cè)量臺(tái)班使用手持GPS引導(dǎo)隊(duì)伍進(jìn)入測(cè)線，然后使用RTK型GPS開(kāi)展三維高精度坐標(biāo)觀測(cè)，設(shè)置固定標(biāo)志。重力操作員跟隨RTK，在有固定標(biāo)志位置開(kāi)展重力試驗(yàn)觀測(cè)，按三臺(tái)儀器近距離擺設(shè)，同步調(diào)平、同步讀數(shù)存取數(shù)據(jù)的工作方式開(kāi)展工作。要求儀器操作人員要確保數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)合理、客觀，同一測(cè)點(diǎn)多次讀數(shù)的重復(fù)性變化范圍小于20 μGal。

測(cè)點(diǎn)重力觀測(cè)采用起閉于基點(diǎn)的單次觀測(cè)法，測(cè)點(diǎn)觀測(cè)前應(yīng)在基點(diǎn)上進(jìn)行基—輔—基觀測(cè)，以檢查儀器是否正常?；c(diǎn)與輔基點(diǎn)間距離應(yīng)保證基點(diǎn)上2次讀數(shù)時(shí)間間隔不小于5 min?；c(diǎn)3次讀數(shù)，輔基2次讀數(shù)，最大與最小讀數(shù)之差<0.020 mGal；然后進(jìn)行測(cè)點(diǎn)觀測(cè)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)讀2次數(shù)，2次讀數(shù)之間差值小于0.020 mGal。平均數(shù)采用四舍五入法記錄，最后閉合于重力基點(diǎn)。一般情況下重力觀測(cè)閉合時(shí)間不大于12 h。

3.1.2 試驗(yàn)成果分析

在北京市通州城市副中心開(kāi)展了重力測(cè)量剖面試驗(yàn)，通州城市副中心重力測(cè)量剖面圖詳見(jiàn)圖4。

通過(guò)水平一次導(dǎo)數(shù)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)5條斷層中的4條分別對(duì)應(yīng)于燕郊斷裂、姚辛莊斷裂、夏店斷裂和西集斷裂，還有一條斷裂位于大廠凹陷一側(cè)，尚未有命名，是與夏店斷裂、西集斷裂平行的一條斷裂。通過(guò)正反演擬合計(jì)算，推斷了斷裂構(gòu)造的空間展布位置，為本區(qū)的斷裂構(gòu)造研究提供了重要依據(jù)。

3.2 應(yīng)用試驗(yàn)實(shí)例2

本次試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟西烏珠穆沁旗境內(nèi)毛登礦集區(qū)。地理坐標(biāo)：東經(jīng)116°30′00″～116°45′00″，北緯44°10′00″～ 44°20′00″。屬于中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心2016年實(shí)施的“全國(guó)重要礦集區(qū)”之一。試驗(yàn)重力儀在野外礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用。

地表有第四系淺覆蓋，下伏二疊系大石寨組地層。大石寨組上段地層包括：凝灰質(zhì)砂巖、粉砂巖、泥巖、硅質(zhì)巖及結(jié)晶灰?guī)r、內(nèi)碎屑灰?guī)r、含泥質(zhì)條帶生物碎屑灰?guī)r。大石寨組下段：凝灰?guī)r、安山巖、流紋巖、火山角礫巖夾少量結(jié)晶灰?guī)r、硅質(zhì)泥巖，火山熔巖見(jiàn)突起構(gòu)造、皮殼構(gòu)造、龜裂紋，球泡構(gòu)造，區(qū)內(nèi)出露巖體有中粒輝長(zhǎng)巖、輝綠巖，火山巖見(jiàn)有流紋巖、安山巖及玄武安山巖等。推斷航磁異常主要與基性侵入巖如輝長(zhǎng)巖輝綠巖有關(guān)，也有可能與大石寨組內(nèi)的中基性火山噴出巖有關(guān)。鉛鋅礦化點(diǎn)位于磁異常邊部，需要適當(dāng)加密關(guān)注該礦化點(diǎn)是否是有規(guī)模的重力異常，甚至找到工業(yè)礦產(chǎn)。

1. 3741混合零點(diǎn)改正后重力值；2. CG5-779混合零點(diǎn)改正后重力值；3. 4549混合零點(diǎn)改正后重力值；4. RTK GPS測(cè)量高程；5. 3741布格重力異常值；6. CG5-779布格重力異常值；7. 4549布格重力異常值。

布設(shè)走向南北的重力剖面，長(zhǎng)度21 km。剖面端點(diǎn)坐標(biāo)分別是(476583，4418839)～(493806，4406654)，剖面橫寬走向東西的航磁主異常和一個(gè)次級(jí)異常(圖5)。

圖5 地形圖上的重力測(cè)量觀測(cè)成果

三條測(cè)線最醒目的異常是中央偏北部與設(shè)計(jì)航磁圖磁力高吻合處有同源重力高異常存在(G1)，140線異常寬度500 m，向東異常寬度變大，達(dá)到1000 m。地質(zhì)填圖見(jiàn)有中二疊世輝長(zhǎng)巖，能同時(shí)引起重力高與磁力高。

在內(nèi)蒙毛登礦集區(qū)基巖覆蓋區(qū)，通過(guò)1∶10000比例尺的重力測(cè)量，發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)度1.2 mGal半寬度為300 m的局部重力高，該異常附近位于成礦有利地區(qū)的地質(zhì)盲區(qū)，對(duì)這一異常成因的研究，可能有助于該地區(qū)的找礦突破。

4 結(jié)論與展望

高精度的重力測(cè)量數(shù)據(jù)是許多科研領(lǐng)域和工程技術(shù)領(lǐng)域的必要研究手段和研究依據(jù)。目前ZSM-6高精度數(shù)字重力儀相關(guān)精度指標(biāo)達(dá)到20 μGal，下一步通過(guò)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的大力支持，對(duì)石英重力傳感器的材料和限位等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)一步研究，改進(jìn)制作工藝和測(cè)試工藝，采用真空室多層恒溫控制設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高恒溫測(cè)溫精度，增進(jìn)溫度補(bǔ)償效果，使得測(cè)量精度提高到5～10 μGal，測(cè)程范圍增大到8000 mGal。未來(lái)將加速重力儀的市場(chǎng)推廣，以滿足基礎(chǔ)重力圖測(cè)量、油氣礦產(chǎn)勘探、地球物理研究等應(yīng)用領(lǐng)域的迫切需求，促進(jìn)國(guó)產(chǎn)高精度數(shù)字重力儀設(shè)備的產(chǎn)業(yè)升級(jí)發(fā)展，打破國(guó)內(nèi)市場(chǎng)被國(guó)外產(chǎn)品壟斷的局面，為相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究和國(guó)防安全等提供有效地支撐。