海底重力測量精度的影響因素及評價方法

吳治國，劉洪波，臧 凱,3，張 寧，胡 蕾，王玉敏

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

0 引言

地球重力場是地球重要的基本物理場之一，地球重力場測量對推動地球物理學、地球動力學、大地測量學、海洋測量學、空間科學等學科的發(fā)展具有重要作用[1-4]。海底重力數(shù)據(jù)對建立全球重力場模型至關(guān)重要，進行海洋基礎地質(zhì)研究、礦產(chǎn)資源勘查、重大工程建設選址、大地水準面精化等應用，具有不可比擬的精度優(yōu)勢。

山東省物化探勘查院引進全球最先進的海底重力儀(簡稱“INO”)，在山東省周邊海域開展了淺海區(qū)海底重力測量工作，完成1∶5萬～1∶25萬淺海海底重力測量面積近15 000 km2，覆蓋海岸線長約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)因素對海底重力測量精度的影響；同時針對海底重力測量工作的特殊性，提出了合理的質(zhì)量檢查精度評價方法。

1 海底重力測量精度的影響因素

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

1.1 水深

本次研究區(qū)為渤海海域，為陸架淺海盆地，整個海底從遼東灣、渤海灣和萊州灣3個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)實測水深最大達88 m。

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

表1 各水深段重力觀測均方誤差和最大偏差值統(tǒng)計表

圖1 重力觀測均方誤差、最大偏差與水深關(guān)系圖

對不同水深下的重力測量精度進行研究表明，0～10 m超淺水域測點重力觀測均方誤差為±0.035×10?5m/s2，最大差值為±0.158×10?5m/s2，明顯大于其他水深。說明超淺水域表層浪涌縱向波動傳遞至海底，對重力儀影響較大。實際觀測時，印證了該深度水域讀數(shù)精度評價指標“SD值”（實時讀數(shù)精度標準差）較大，海底重力儀讀數(shù)時間比深水海域明顯要長，重力儀讀數(shù)精度較差。隨水深增加，浪涌產(chǎn)生的波動能量迅速衰減，對重力儀讀數(shù)影響減弱；當水深增加至40～50 m時，測點重力觀測均方誤差降至最低±0.009×10?5m/s2；水深大于 50 m，測點重力觀測均方誤差和最大差值又有變大趨勢，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，對儀器沖擊力較大，影響重力儀觀測精度。繪制了質(zhì)量檢查點在水深平面圖上的分布（圖2），紅點越大，表明差值越大，該圖能較為直觀地反映出水深與測點重力觀測精度的對應關(guān)系。

總之，超淺水域水體波動對海底重力儀讀數(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精度；隨著深度增大，表層水體波動對儀器干擾減弱，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)黏土和細砂[6]。為了減弱海流對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，對于不同海底底質(zhì)，在配重作用下，海底重力儀下陷時間不同，接觸海底穩(wěn)定性有所差異，影響海底重力儀的測量精度。統(tǒng)計了不同海底底質(zhì)類型，測點重力觀測均方誤差和最大差值見表2，質(zhì)量檢查點差值分布如圖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)境下重力儀測量精度統(tǒng)計表

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)，重力測量精度最差；粉砂和細砂底質(zhì)，重力測量精度相對高些；而粉砂質(zhì)黏土底質(zhì)穩(wěn)定，重力測量精度最高。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)，且沉降時間較長，重力儀的彈簧系統(tǒng)長時間處于搖擺狀態(tài)，讀數(shù)難度較大，影響重力儀觀測精度。

總之，彈簧系統(tǒng)觀測精度與重力儀穩(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。當海底底質(zhì)較硬時，重力儀觀測精度較高；反之，觀測精度低。由砂至黏土測點重力觀測均方誤差明顯升高。

1.3 海況

1.3.1 風力

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

統(tǒng)計了6級以下風力條件下重力質(zhì)量檢查32點，重力觀測均方誤差±0.024×10?5m/s2；6 級以上風力質(zhì)量檢查 15 點，重力觀測均方誤差±0.015×10?5m/s2。

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

1.3.2 海浪、海流

由于海洋環(huán)境的復雜性，海底重力測量過程中的海浪、海流會直接影響重力觀測精度。海底重力測量與陸地重力相同，一般通過實時觀察重力儀顯示的“SD值”來評價環(huán)境的影響。研究分析了每個重力測點開展工作時的海浪、海流等海況信息，并根據(jù)重力儀顯示的“SD值”評價不同海況條件對重力測量的影響。

圖3 質(zhì)檢點布格異常差在不同海底底質(zhì)分布圖

當工作船拋錨固定后，在海風、海浪的疊加作用下，致使船體晃動。在海水深度小于5 m時，工作船的晃動會直接干擾重力儀讀數(shù)；在海水深度大于5 m時，工作船的晃動對重力儀的直接作用力變小，但海浪會使通信和承重鋼纜受力，傳導至重力儀，對其產(chǎn)生干擾。另外，海流會直接沖擊重力儀，較大海流甚至會導致海底重力儀產(chǎn)生晃動。當海底重力儀入水至海底的過程中，海流會使重力儀傾斜，實時檢測儀器傾角，傾角越大，說明海流越大。海底重力儀下降過程中，海流對其沖擊力不同，本次將儀器觸底瞬間傾角大小(此時基本反映了海底底層流速對其的沖擊力)進行分析研究。

海浪、海流(以傾角大小表示)對“SD值”影響的統(tǒng)計結(jié)果，如表3、表4所示。海浪等級分為小、中、大3個等級，“SD值”主要集中在0＜SD≤0.4格范圍內(nèi)，且隨著海浪強度的增大，“SD值”趨于變小。分析原因為遠離海岸帶時海浪相對變大，海水深度則普遍大于10 m，表層的海浪對海底重力儀影響變?nèi)?，因此，對“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，“SD 值”在（0，0.1]格范圍內(nèi)測點頻率減少，“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)計表，表中“SD平均值”與“SD值”標準偏差中的變化，說明海流對“SD值”影響明顯，且“SD值”與海流強度表現(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，開展海底重力測量工作前，需考慮海流對重力精度的影響，在海流較大時，可通過增加單點觀測時間或提高觀測次數(shù)以減弱海流干擾，提高觀測精度。

1.4 平面定位精度

平面定位精度主要包括控制測量精度、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)計了多個渤黃海研究區(qū)的平面定位實達精度，由于海流對儀器沖擊會造成偏移，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。當不使用水下定位系統(tǒng)時，海底測點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)計表

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

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。通過圖4可以看出，平面定位精度對海底重力測量精度影響相對較小，但會影響平面成圖和推斷成果的位置準確性。

圖4 平面定位精度與海底重力測量精度相關(guān)曲線圖

1.5 高程測量精度

高程測量精度作為布格改正計算的重要參數(shù)，直接影響布格改正精度。高程測量精度主要包括控制測量精度、壓力傳感器測深精度、潮位改正精度、瞬時潮高均方誤差。表7統(tǒng)計了多個渤黃海研究區(qū)的高程實達精度，可以看出，瞬時潮高均方誤差對高程精度影響占比最大。而瞬時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、驗潮儀布設等因素影響，綜合評判各因素綜合影響，確定最弱潮位控制區(qū)，計算該區(qū)潮位改正誤差，作為瞬時潮高均方誤差，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量精度。

布格重力異常均方誤差由測點重力值均方誤差、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79%～92%，說明高程精度對海底重力測量精度影響最大，開展海底重力測量工作時，應依據(jù)潮汐和潮流類型及其分布規(guī)律，合理地布設驗潮儀以及選擇推算方法，提高瞬時潮高均方誤差，進而提高布格重力異常精度。

1.6 近區(qū)地形改正

海底重力測量時，地形起伏較大的區(qū)域，應進行近區(qū)地形改正，但采用目前技術(shù)進行海底近區(qū)地形改正難度較大，一方面水深較深海域，海底重力測點難以準確定位；另一方面能夠用于近區(qū)地形改正的大比例尺精細化海底地形圖較為稀缺。

表7 研究區(qū)高程精度及重力測量精度統(tǒng)計表

該研究區(qū)地處渤海海域，渤海的整體海底地勢由遼東灣、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，計算不同坡角下的海底重力測量近區(qū)地形改正理論值（圖5），以探討海底重力測量近區(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°計算，近區(qū)地形改正值為 0.002×10?5m/s2，對海底重力測量精度影響極小，可不進行近區(qū)地形改正。

2 海底重力測量質(zhì)量檢查方法研究

海底重力測量質(zhì)量檢查工作應按“一同三不同”(同點位、不同閉合單元、不同儀器、不同操作員)方式進行，但海底重力測量質(zhì)量檢查與陸地有所不同，受當前技術(shù)所限，海底無法建立標志物，且工作船拋錨后受海流影響會產(chǎn)生移動，經(jīng)試驗，檢查點與原測量點距離控制在15 m之內(nèi)已屬不易。因此，在質(zhì)量檢查時，海底重力儀無法準確到達原觀測點位。且海面受潮汐影響不斷地漲落，隨時間變化，每個測點的原始觀測點潮高、水深觀測值和檢查點也隨之不同，因此，其“同點位”應包括定位誤差的同點位。

考慮海底重力測點觀測誤差影響因素，提出了3種質(zhì)量檢查方法，即相對重力值法(δ相對)、布格重力異常值法 (δ布格)、重力異常插值法 (δ插值)，評估3種質(zhì)量檢查方法的優(yōu)缺點。相對重力值法(δ相對)是通過零點位移改正后計算的相對重力值進行質(zhì)量檢查，陸域重力采用該方法。海底重力質(zhì)量檢查點與原始測量點位不一致會引起高程的變化，不同閉合單元測點的水深不同，由于重力值未經(jīng)過高度、中間層等各項改正，從而影響到測點重力觀測均方誤差準確性。布格重力異常值法(δ布格)是經(jīng)過零點位移改正和布格改正后計算的布格重力異常值進行質(zhì)量檢查。由于進行了高度改正、中間層改正，該方法從理論上消除了質(zhì)量檢查點與原始測量點位的高程和水深變化的影響。但在海底重力測量中，布格改正精度會受海底高程精度的影響。重力異常插值法(δ插值)是利用原觀測點周邊的布格重力異常值，根據(jù)質(zhì)量檢查點與原觀測點坐標相對位置關(guān)系，以距離為權(quán)重，通過3個以上重力測點計算該質(zhì)檢點坐標位置的布格重力異常值，將原實際觀測值和計算值進行對比。從理論上看，該方法的質(zhì)量檢查點與原始觀測點平面坐標重合，但由于海底重力測量平面定位具有一定誤差，其計算重力異常值引入了平面定位誤差。

用相對重力值法(δ相對)、布格重力異常值法(δ布格)、重力異常插值法 (δ插值)分別計算了 40個質(zhì)量檢查點與原始觀測差值。采用3種方法測量的重力觀測誤差分別為±0.033×10?5m/s2、±0.027×10?5m/s2、±0.036×10?5m/s2。3 種質(zhì)量檢查方法觀測與原始觀測差值曲線見圖6，3種評價方法計算的重力測量精度差異不大，且具有明顯的同步性。用重力異常插值法進行質(zhì)量檢查時均方誤差最大，其受重力場特征影響亦最為明顯，尤其是在重力場梯級帶上，用該方法進行質(zhì)量檢查時具有跳躍、離散的特點。通過3種質(zhì)量檢查方法對比，無論從理論上還是試驗效果上，采用布格重力異常值法更合理，既包括了重力觀測精度，又包括了定位精度、驗潮及水深測量精度的一部分。

圖6 3種質(zhì)量檢查方法差值曲線圖

3 結(jié)語

通過總結(jié)不同比例尺、不同海域?qū)嵾_布格重力異常精度，明確了海底重力測量過程中不同因素的影響。①在超淺水域，環(huán)境干擾對海底重力測量精度影響較大；水深較大且存在水道區(qū)域，海流沖擊對海底重力測量影響亦較大。②海底底質(zhì)較硬區(qū)域，海底重力測量精度較高且效率較快。③安全作業(yè)范圍內(nèi)的風力，基本不影響海底重力測量精度；海浪、海流會在一定程度上影響觀測精度，但只要多次重復觀測能滿足要求即可開展海底重力測量工作。④滿足規(guī)范要求的平面定位精度對海底重力測量精度影響相對較小，但會影響平面成圖和推斷成果位置的準確性。⑤高程是海底重力測量精度影響最大的因素，最大程度提高高程測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)地形改正對重力精度影響可忽略不計。

評估了相對重力值法、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量質(zhì)量檢查方法更合理，既包括了重力觀測精度，又包括了定位精度、驗潮及水深測量精度的一部分。