ZSM-6高精度數(shù)字重力儀原理與應(yīng)用試驗

陶照明，梁連仲，秦 佩，王 斌，薛振海，許德樹

(1. 北京奧地探測儀器有限公司，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量技術(shù)和裝備是地球物理勘查和地球重力場信息觀測的基本手段。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，重力加速度會有細微變化，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。

重力儀分為絕對重力儀和相對重力儀兩大類。通過觀測物體的運動狀態(tài)(時間與路徑)，用以測定重力的全值，稱為絕對重力儀；采用靜力法觀測物體在重力作用下靜力平衡位置的變化，以測量兩點間的重力差，稱為相對重力儀。

國內(nèi)在20世紀80年代初引進的地面重力測量裝備絕大部分都是相對重力儀。其中，沃爾登型(Worlden)重力儀[3]是美國沃爾登公司于20世紀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重力儀目前在我國具有較高的市場占有率。

重力測量是現(xiàn)代國防、資源勘探、空間科學(xué)、海洋科學(xué)、大地測量學(xué)、地球物理學(xué)、地球動力學(xué)等研究的重要方法之一，是關(guān)系國計民生的軍民兩用前沿技術(shù)。在“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目“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，填補了國內(nèi)在該領(lǐng)域的空白，打破了該類科學(xué)儀器長期依賴進口的局面，全面提升了我國重力儀研制與生產(chǎn)的綜合實力。

隨著近期國產(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、地震預(yù)報觀測、國防建設(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)、控溫測溫分系統(tǒng)、傾角測量分系統(tǒng)、控制與數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)和定位授時分系統(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)、電容測微傳感器及相應(yīng)信號調(diào)理電路組成，其功能是把重力的相對變化轉(zhuǎn)換為電信號。

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

電容測微傳感器亦稱為差動式電容傳感器。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)生的微弱信號有效地檢出，實現(xiàn)微弱重力變化的高精度檢測，原理框圖詳見圖1。

圖1 信號轉(zhuǎn)換原理圖

1.3 控溫測溫分系統(tǒng)

該系統(tǒng)可實現(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，并能檢測出微小的溫度變化，為測量結(jié)果的溫度改正提供相應(yīng)的溫度參數(shù)。

理論和實踐證明，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)境溫度變化對重力儀讀數(shù)的影響約為125 mGal/℃。為消除溫度變化對重力儀讀數(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內(nèi)，恒溫倉采用恒溫控制設(shè)計[7-8]。將石英彈性系統(tǒng)、電容測微傳感器等靈敏電子部件安裝在一個高穩(wěn)定的雙層恒溫倉內(nèi)，設(shè)計的雙層恒溫電路[6]由外控溫電路、PID調(diào)節(jié)內(nèi)控溫電路兩部分組成。通過雙層控溫電路調(diào)節(jié)，恒溫系統(tǒng)的控溫精度達到0.003 ℃。

測溫電路由精密溫度差動電橋、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。測溫電路能夠檢測出內(nèi)層恒溫倉中微小的溫度變化，測溫精度達到1×10-5℃(分辨率為1×10-6℃)，通過軟件算法進行自動溫度補償[8]，可消除溫度對重力儀讀數(shù)的影響。

為了達到1×10-5℃的測溫精度，需要從幾個方面考慮：①定制超高精密電阻和溫度傳感器組成差動電橋，超高精密電阻溫度系數(shù)低至5×10-8/℃，保證測溫電橋穩(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，數(shù)據(jù)采集選用24位(外加5個附加位) A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器；③為了降低測溫噪聲，設(shè)計截止頻率1 Hz的低通濾波器。

1.4 傾角測量分系統(tǒng)

傾角測量分系統(tǒng)是數(shù)字重力儀的一個重要組成部分，主要功能是精確測量重力傳感器的傾斜角度，指示和通過調(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)時儀器架設(shè)在三角架上，通過人工概略整平后，精確測定重力傳感器相對水平面的傾角，為傾斜改正提供精確的傾角分量參數(shù)，傾角測量的分辨率為1″。

傾角測量系統(tǒng)主要由x、y傾角傳感器、激勵源電路、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通過嵌入式計算機(國產(chǎn)龍芯系列)及相應(yīng)控制軟件，實現(xiàn)重力儀操作的人機對話及測量過程的全自動控制；②實現(xiàn)重力傳感器以及各種測量信號(重力、溫度、傾角等)的噪聲濾波及測量數(shù)據(jù)的全自動采集；③實現(xiàn)BDS/GPS授時信號(UTC時)的接收及計算機實時鐘的校準(zhǔn)，為固體潮改正提供經(jīng)緯度和時間參數(shù)；④實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的數(shù)字濾波(地震濾波、FIR濾波等)，測量數(shù)據(jù)的漂移改正、傾斜改正、溫度改正、固體潮改正等各項計算，測量數(shù)據(jù)的精度評估等。

1.6 定位授時分系統(tǒng)

實現(xiàn)測站位置的概略定位，為固體潮改正提供測站位置參數(shù)；為計算機實時鐘的時間校準(zhǔn)提供標(biāo)準(zhǔn)的UTC時間。

2 重力儀原理

2.1 概述

用于重力勘探工作的重力儀，測出某兩點之間的相對重力差，由于重力差比重力全值小幾個數(shù)量級，因此其相對精度要求比絕對重力儀高得多。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，運用零點讀數(shù)法測量重力加速度的相對重力值[11]，在儀器設(shè)計、新材料選取、新元器件運用、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)彈力以及一個相對較小的靜電力相對平衡。重力改變時，通過一個電容測微傳感器來檢測重荷的位置位移，反饋電路將反饋電壓施加在電容測微傳感器的極板上， 極板產(chǎn)生的靜電力使重荷(動極板)返回零點位置。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，見圖2。

圖2 重力傳感器原理圖

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

(1)

式中：m為動極板的總質(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 電容測微傳感器

在實際測量工作中，重力加速度會有細微變化，對儀器精度和測量環(huán)境有著非常高的要求，當(dāng)重力儀的分辨率達到0.001 mGal時，電容測微傳感器的測距分辨率優(yōu)于0.02 nm。

根據(jù)計算，電容測微傳感器的位移分辨率是0.02 nm/μGal。

電容端的輸出電壓計算公式為

(2)

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

2.2.3 信號檢測與反饋

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電路，包括電容差動式交流電橋、放大電路、多階低通濾波電路、積分電路和弱信號相關(guān)檢測電路、靜電反饋電路，構(gòu)成完整的信號檢測與反饋電路系統(tǒng)。信號檢測與反饋分系統(tǒng)的整體電路設(shè)計框圖詳見圖3。

圖3 信號檢測與反饋整體電路設(shè)計框圖

通過電荷放大器電路、寬帶放大器電路、低通濾波器電路、相敏檢波電路、積分器電路等實現(xiàn)重荷位移信號的預(yù)處理。通過跟隨器、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(動極板)返回零點位置。通過高穩(wěn)定、高靈敏度的電容測微傳感器實現(xiàn)重荷(動極板)位移的精密檢測(機械位移0.02 nm/μGal)，從而實現(xiàn)對輸出電壓的精確測量。

3 應(yīng)用試驗

重力試驗環(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)用試驗通過選擇兩類環(huán)境開展重力生產(chǎn)試驗工作。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)用試驗實例1

通過北京城區(qū)開展生產(chǎn)性試驗，檢驗儀器在城市地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用。測試ZSM-6數(shù)字重力儀產(chǎn)品化、實用化水平，評價儀器的野外試生產(chǎn)各項精度指標(biāo)。

試驗地點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，重力變化幅度達到42 mGal，是開展重力生產(chǎn)試驗的理想場所。

布設(shè)走向北西的重力剖面，長度21 km，走向N125.3E。剖面端點坐標(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

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

野外施工投入三個重力測量臺班，一個測地臺班，每個臺班2人。其中三個重力測量除二個重力試生產(chǎn)臺班外，還包括一個CG-5對比臺班。

野外施工過程中，先由測量臺班使用手持GPS引導(dǎo)隊伍進入測線，然后使用RTK型GPS開展三維高精度坐標(biāo)觀測，設(shè)置固定標(biāo)志。重力操作員跟隨RTK，在有固定標(biāo)志位置開展重力試驗觀測，按三臺儀器近距離擺設(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)量的評價標(biāo)準(zhǔn)合理、客觀，同一測點多次讀數(shù)的重復(fù)性變化范圍小于20 μGal。

測點重力觀測采用起閉于基點的單次觀測法，測點觀測前應(yīng)在基點上進行基—輔—基觀測，以檢查儀器是否正常?；c與輔基點間距離應(yīng)保證基點上2次讀數(shù)時間間隔不小于5 min?；c3次讀數(shù)，輔基2次讀數(shù)，最大與最小讀數(shù)之差<0.020 mGal；然后進行測點觀測，每個測點讀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。一般情況下重力觀測閉合時間不大于12 h。

3.1.2 試驗成果分析

在北京市通州城市副中心開展了重力測量剖面試驗，通州城市副中心重力測量剖面圖詳見圖4。

通過水平一次導(dǎo)數(shù)計算，發(fā)現(xiàn)5條斷層中的4條分別對應(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。通過正反演擬合計算，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)用試驗實例2

本次試驗地點選擇在內(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″。屬于中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心2016年實施的“全國重要礦集區(qū)”之一。試驗重力儀在野外礦產(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巖、輝綠巖，火山巖見有流紋巖、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)。鉛鋅礦化點位于磁異常邊部，需要適當(dāng)加密關(guān)注該礦化點是否是有規(guī)模的重力異常，甚至找到工業(yè)礦產(chǎn)。

1. 3741混合零點改正后重力值；2. CG5-779混合零點改正后重力值；3. 4549混合零點改正后重力值；4. RTK GPS測量高程；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，長度21 km。剖面端點坐標(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次級異常(圖5)。

圖5 地形圖上的重力測量觀測成果

三條測線最醒目的異常是中央偏北部與設(shè)計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，達到1000 m。地質(zhì)填圖見有中二疊世輝長巖，能同時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1∶10000比例尺的重力測量，發(fā)現(xiàn)了強度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)達到20 μGal，下一步通過國家重點研發(fā)計劃的大力支持，對石英重力傳感器的材料和限位等關(guān)鍵技術(shù)進一步研究，改進制作工藝和測試工藝，采用真空室多層恒溫控制設(shè)計，進一步提高恒溫測溫精度，增進溫度補償效果，使得測量精度提高到5～10 μGal，測程范圍增大到8000 mGal。未來將加速重力儀的市場推廣，以滿足基礎(chǔ)重力圖測量、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，促進國產(chǎn)高精度數(shù)字重力儀設(shè)備的產(chǎn)業(yè)升級發(fā)展，打破國內(nèi)市場被國外產(chǎn)品壟斷的局面，為相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究和國防安全等提供有效地支撐。