ZSM型重力儀儀器性能試驗精度分析研究

摘" 要：在野外項目開展之前，必須對儀器的性能進行全面測試。這些儀器需要進行性能試驗，包括靜態(tài)試驗、動態(tài)試驗、多臺儀器一致性試驗，以檢驗儀器彈性系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以確保野外項目開展過程的順利進行。該文主要針對ZSM型重力儀的性能測試情況進行分析，使用一代ZSM-6和二代ZSM-6型相對重力儀，在相同的時間段和地點進行靜態(tài)、動態(tài)和一致性試驗，并對觀測數(shù)據(jù)進行精確的處理和計算。通過繪制曲線圖深入分析儀器性能，確定試驗精度是否符合規(guī)范和設計要求，以驗證是否適合混合投入野外施工使用。

關鍵詞：ZSM型重力儀;靜態(tài)試驗;動態(tài)試驗;一致性試驗;精度分析

中圖分類號：P716+.81" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）26-0072-04

Abstract： Before the field project is carried out， the performance of the instrument must be fully tested. These instruments require performance testing， including static testing， dynamic testing， and consistency testing of multiple instruments， so as to verify the stability of the instrument's elastic system and ensure the smooth progress of the field project. This paper mainly analyzes the performance test of ZSM gravimeter. Using the first generation ZSM-6 and the second generation ZSM- 6 relative gravimeter， the static， dynamic and consistency tests are carried out at the same time and place， and the observed data are processed and calculated accurately. By drawing a curve to deeply analyze the performance of the instrument， determine whether the test accuracy meets the specifications and design requirements， in order to verify whether it is suitable for mixed construction in the field.

Keywords： ZSM gravimeter; static test; dynamic test; consistency test; accuracy analysis

國內外重力勘探技術在持續(xù)地發(fā)展與創(chuàng)新，野外測量工作所使用的相對重力儀也在不斷地改進，使得測量精度明顯提高。1985年開始LCR-G型[1]金屬零長彈簧重力儀投入使用以來，逐漸有Burris、CG-5型新型儀器產出[2-3]。2015年12月，北京地質儀器廠首次研發(fā)并自主生產的ZSM-6型機械調零式石英彈簧重力儀通過驗收并投入使用[4]，近期我國引進了新一代相對重力儀CG-6型重力儀，改進了CG-5的無靜電整體熔凝石英彈簧傳感器，操作鍵減至5個，操作更為方便[5]。北京奧地探測有限公司通過對一代ZSM-6型重力儀不斷升級研發(fā)，目前已經(jīng)開始投入應用二代ZSM-6型重力儀， 國產ZSM-6型數(shù)字重力儀在礦產資源勘查、地質災害觀測等領域得到廣泛應用[6]。目前，LCR-G、CG-5、CG-6、ZSM-6型重力儀是用于重力勘探常用的儀器，這些儀器在重力測量開工前與收工后都要進行儀器性能試驗，包括靜態(tài)試驗、動態(tài)試驗、多臺儀器一致性試驗，目的是檢驗儀器彈性系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1]。結合正在使用的4臺ZSM-6型重力儀在相同地點觀測的試驗數(shù)據(jù)，進行處理計算，以確定試驗精度是否滿足規(guī)范和設計要求，驗證其是否能夠混合投入到野外施工中使用。

1" 儀器及數(shù)據(jù)采集

1.1" 儀器介紹

ZSM-6型數(shù)字重力儀采用了全新的熔融石英彈性技術、恒溫控制及高精度測溫技術、傾角精確測量技術和真空密封技術等諸多先進技術[7]，該儀器實現(xiàn)了一鍵式操作，能夠自動采集和記錄重力數(shù)據(jù)，自動顯示和輸出測量結果，同時支持漂移改正、儀器傾斜改正、溫度改正和固體潮改正的智能化處理。一代ZSM-6型儀器讀數(shù)分辨率為0.001 mGal，最小讀數(shù)范圍為7 000 mGal，重量為10 kg。二代ZSM-6型儀器讀數(shù)分辨率為0.000 1 mGal，最小讀數(shù)范圍為8 000 mGal，重量為7.8 kg，重量較輕方便攜帶，適用于復雜地形條件下的丘陵和山地等作業(yè)環(huán)境[7]。

1.2" 數(shù)據(jù)采集

1.2.1" 靜態(tài)試驗

靜態(tài)試驗的目的是將重力儀放于靜置狀態(tài)下，了解儀器靜態(tài)零點漂移是否呈線性變化，受氣溫變化的影響大小或在抽氣 （為保持儀器的真空度）前后讀數(shù)的變化和穩(wěn)定性等。此次靜態(tài)試驗場地選擇環(huán)境溫度變化小且無震動、安靜、通風的樓房一層的室內進行，一般每隔20～30 min觀測一次同時記錄室內溫度，為了更精細地獲取儀器的靜態(tài)曲線，本次試驗設置每隔8 min觀測一次，連續(xù)進行24 h以上的觀測。試驗完畢后首先進行固體潮改正而后進行數(shù)據(jù)處理，計算出靜態(tài)掉格率并更改零漂系數(shù)繪制靜態(tài)零點位移曲線圖。

1.2.2" 動態(tài)試驗

通過動態(tài)試驗可以了解儀器動態(tài)混合零點漂移的速率，動態(tài)觀測下達到的可能精度及最佳工作時間范圍和確定最大線性零點漂移時間間隔[1]。動態(tài)試驗是選擇野外工作區(qū)周圍環(huán)境相對穩(wěn)定且接近野外施工條件下進行，選取具有一定重力差的2個點 （或多個點），采用與施工相同的運輸方式，以多次重復觀測的方法進行，2個點間重力差大于3×10-5 m/s2，兩點間單程觀測時間間隔約10～15 min，同時記錄氣溫。試驗時間應超出開工前和收工后各1 h，并不少于12 h，觀測結果經(jīng)重力固體潮改正后計算出動態(tài)試驗的觀測精度并繪制重力儀動態(tài)混合零點漂移曲線。動態(tài)精度的均方誤差不能大于要求的觀測精度的1/2，否則認為儀器性能不滿足施工要求。有了最大線性時間間隔，結合工區(qū)內的交通條件及工作效率等，可以確定工區(qū)內較合理的基點網(wǎng)布置密度。

1.2.3" 一致性試驗

當需要2臺以上的儀器在工區(qū)工作時，應做此試驗。它可以與動態(tài)觀測的試驗結合進行，也可另選一些重力變化大的點用往返重復觀測的方式進行，試驗后計算均方誤差，計算應分別對各臺儀器進行，超出精度要求的儀器不能參加重力測量。為了更好地分析判別多臺儀器間數(shù)據(jù)成果的一致性好壞[1]，此次一致性試驗在野外工作區(qū)選取有一定高差的平坦公路上的16個點進行了雙程往返測量，相鄰兩點間重力值變化不小于3×10-5 m/s2，采用減震效果較好的汽車進行運輸[8]，觀測結束后經(jīng)固體潮改正，通過測量計算出30個獨立增量并算出每臺儀器的一致性精度及所有儀器的一致性總精度，繪制出儀器一致性曲線圖，每臺儀器間一致性均方誤差應低于設計的測點重力觀測的均方誤差（εg）。

2" 數(shù)據(jù)分析討論

2.1" 靜態(tài)試驗

首先對ZSM-6型重力儀靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)進行重力固體潮改正，并在刪除異常點后，繪制靜態(tài)零點位移曲線圖（圖1）。

通過對4臺儀器的靜態(tài)掉格率計算來看，試驗中的2種ZSM-6型重力儀的掉格率最大為±0.003×10-5 m/s2/h，規(guī)范要求應小于設計的測點觀測均方誤差[9]，因此試驗精度完全符合規(guī)范要求，通過圖1中4臺重力儀靜態(tài)試驗曲線圖可以看出重力儀的零漂線性比較好。

2.2" 動態(tài)試驗

首先對ZSM-6型重力儀儀器動態(tài)觀測數(shù)據(jù)進行重力固體潮改正，刪除異常點后，繪制出動態(tài)零點位移曲線圖（圖2）。

通過對4臺儀器的動態(tài)精度計算來看，試驗中的2種ZSM-6型重力儀的動態(tài)精度最大為±0.009×10-5 m/s2，本區(qū)域重力調查設計的測點觀測均方誤差為0.140×10-5 m/s2，設計的基點聯(lián)測均方誤差為±0.050×10-5 m/s2，規(guī)范要求動態(tài)觀測精度應低于設計的基點聯(lián)測均方誤差或重力觀測點均方誤差的1/2[9]?？梢钥闯鰟討B(tài)試驗觀測精度完全優(yōu)于設計要求，且二代ZSM-6型重力儀A1、A2精度高于一代ZSM-6型重力儀B1、B2。通過圖2中4臺重力儀動態(tài)試驗曲線圖可以看出重力儀的動態(tài)零點位移曲線圖較平穩(wěn)。在試驗過程中二代ZSM-6型重力儀A1、A2讀數(shù)穩(wěn)定，測量精度較高，相對于一代ZSM-6型重力儀B1、B2在讀數(shù)時有時需要靜置1～2 min才可以達到較高的精度。

2.3" 一致性試驗

首先，對ZSM-6型重力儀儀器一致性觀測數(shù)據(jù)進行重力固體潮改正，在刪除異常點后，繪制出4臺ZSM-6型重力儀一致性曲線圖（圖3）。

通過對4臺儀器的一致性觀測總精度計算來看，試驗中的2種ZSM-6型重力儀的一致性觀測總精度為±0.015×10-5 m/s2。規(guī)范要求一致性觀測精度應小于重力測點觀測均方誤差[9]，本區(qū)域重力調查設計的測點觀測均方誤差為0.140×10-5 m/s2，可以看出一致性試驗精度完全優(yōu)于設計要求。由圖3中4臺重力儀一致性試驗曲線圖可以看出重力儀的一致性曲線圖相互穩(wěn)合較好，因此，一代ZSM-6型和二代ZSM-6型相對重力儀在項目野外施工中可以同時混合使用，不會影響數(shù)據(jù)質量問題發(fā)生。

3" 結論

1）重力儀的觀測精度不僅與儀器本身的性能、儀器使用年限有關，還與觀測點周圍環(huán)境有關。

2）二代ZSM-6型重力儀A1、A2與一代ZSM-6型重力儀B1、B2相比較讀數(shù)穩(wěn)定，不需要靜置太長時間且測量精度較高，可以提高野外工作效率。

3）ZSM-6型重力儀要時刻關注每天的掉格情況，發(fā)現(xiàn)掉格大時應及時找出原因并做靜態(tài)試驗，在必要時進行零漂改正，確保野外測量數(shù)據(jù)質量合格。

4）一代ZSM-6型和二代ZSM-6型重力儀的靜態(tài)曲線展現(xiàn)出較好的線性關系，動態(tài)精度最大為±0.009×10-5 m/s2，動態(tài)零點位移曲線圖較平穩(wěn)，一致性精度為±0.015×10-5 m/s2，一致性曲線圖相互穩(wěn)合較好，因此，一代ZSM-6型和二代ZSM-6型重力儀在項目野外施工中可以同時混合使用。

5）在野外觀測中想要取得高質量的數(shù)據(jù)要盡量避免儀器的磕碰，做好儀器的保護工作，減少儀器的顛簸，選擇減震效果較好的車輛運輸重力儀。

參考文獻：

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[9] 區(qū)域重力調查規(guī)范：DZ/T 0082—2021[S].2021.

基金項目：中國地質調查局“武威-銀川地區(qū)區(qū)域地球物理調查項目”（DD20230255）

第一作者簡介：常金鑫（1992-），男，助理工程師。研究方向為重力勘探。

*通信作者：彭伍胥（1993-），男，工程師。研究方向為地球物理調查。