“重力学/重力勘探”课程引入绝对重力观测实验的探索

摘要：本文以课程实验中引入绝对重力观测为切入点，概述了绝对重力仪观测技术以及我国目前的应用现状，重点阐述了绝对重力观测实验的重要性及课程设计方案。课程的开设将对培养具备一定的重力学理论与绝对重力观测相关知识的综合型人才具有重要意义。

关键词：重力学/重力勘探；绝对重力；课程实验

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）53-0281-02

“重力学/重力勘探”课程是中国地质大学（武汉）为地球物理学（理科）及勘查技术与工程（工科）专业本科生开设的专业骨干课，目的是使学生系统地了解地球重力场的空间分布特征与规律。通过重力测量技术和观测数据解译技术以及相关的理论等方面的讲授，为进一步从事地球物理基础研究和应用研究打下基础[1]。重力学（重力勘探）是地球物理学（地球物理勘探）的一个分支[2]，由于专业的实践性和应用性都很强，因此开展相配套的重力观测课程实验是本专业教学内容中不可缺少的组成部分[3]。在以往的课程实验或野外教学实习过程中，由于观测仪器种类的限制，主要进行相对重力（以CG-5及LaCoste&Romberg相对重力仪为主）测量方法技术的基本训练，缺乏对地球表面的重力加速度（g，常用值9.81m/s2）的精密测量。随着近年来高精度绝对重力仪在计量、测绘、地质、地震与资源勘探等领域的广泛应用，在“重力学/重力勘探”课程中有必要引入绝对重力观测教学实验，掌握绝对重力仪基本测量理论与方法，结合目前我国绝对重力研究领域的发展现状，加深对地球重力场探测及其相关地学应用的理解。

一、绝对重力仪及观测方法

当前国际上研制的测定绝对重力值的仪器，其原理都是根据自由落体定律，具体又可分为自由下落法和对称自由运动法（又称上抛法）。高精度绝对重力测量的基本原理是采用稳频激光干涉测量技术，精密测量真空环境下的自由落体运动的位移和时间，通过拟合自由落体运动参数得到绝对重力值。自1995年以来，国家测绘局、中国地震局、中科院测地所等国内单位先后引进了FG-5（目前该类型仪器数量为5台）及A-10（国家测绘局与中国地震局各一台）。随着国内各行业对绝对重力仪的需求日益增加，教育部高校系统也相继引进了A-10绝对重力仪（武汉大学的A-10/018型以及我校的A-10/022型），虽然数量相比其他科研单位较少，但也提供了庞大学生群体对绝对重力仪的认知与接触的宝贵机会。因此，在高校重力学相关课程中引入绝对重力观测实验显得尤为重要，不仅扩宽了学生的实践环节，还能充分利用实验室的资源进行拓展性实验。

二、我国绝对重力观测技术应用现状

绝对重力测量是我国完成新一代重力基准网建设的主要技术力量，通过使用高精度绝对重力仪，使我国重力基准网的精度相比之前提高了一个数量级，极大改善了我国目前重力基点观测的密度和覆盖率。此外，根据地震前后绝对重力变化的原因，不少学者分别在震前的质量迁移与地表形变引起重力变化，以及同震位错导致的重力变化这两个方面对绝对重力变化与地震的关系进行了分析和讨论。一些便携的流动式绝对重力仪（如A-10）也得到了较好的应用，但目前仅处于起步阶段。例如：利用通过长期室内与室外的观测试验证实了A-10在现代重力网中高精度重力观测的适用性，并讨论了影响观测精度的各种因素等[4]。作为一种新型的绝对重力仪，A-10具有高精度、高一致性、便捷式和现场易测等优点，并且仅需12V直流电源（或汽车的电池）供电即可工作，方便快捷。这些优点使得A-10绝对重力仪适用于野外流动测量，也提供了将此类仪器引入课程实验教学的可能性，进而让学生在实际操作环节快速采集数据并进行现场及后期分析。

三、绝对重力观测实验的课程设计

课程实验针对A-10绝对重力的技术特点，在详细地剖析A-10各环节工作原理和测量过程的基础上，着重对采集参数设置、数据处理步骤、结果计算、精度评价方面进行实验教学，并分析测量过程中的各种外界影响因素。通过各种环境下的实验及观测资料积累，给出合理的观测参数设置方法。在此基础上，通过分析课程各组的观测资料，结合实验室长期积累的测量结果的比对，科学地评价A-10仪器的一致性、稳定性和可靠性，并归纳出观测质量实时监控技术以及应对各种异常的措施。通过总结，提出一套适应于野外流动观测条件下A-10绝对重力仪观测的实用技术，为高效利用这种设备开展工作提供较为全面的参考。以上绝对重力观测实验内容按4个学时设置，主要涵盖了4个方面的内容。

1.仪器组间结构及工作原理介绍。认知A-10绝对重力仪的仪器组件，主要单元包括上部单元（落体单元DROPPER）、底部单元（干涉仪基座IB）和系统控制器，其附属设备包括通讯电缆、笔记本计算机、地形底盘（三脚架）等。上部单元包括落体容器、落体控制器、温度控制装置等。底部单元包括激光器、超级弹簧、干涉仪、水平仪、温度控制装置等。结合理论教学内容，熟悉A-10绝对重力仪的基本工作原理，例如：让一个下落装置在落体单元的真空室内中做自由落体运动，下落的距离约为7cm，利用激光干涉技术和铷原子钟来精确地确定此装置下落的位置和时间，再根据测量到的多组时间-距离对数据，用最小二乘方法统计出下落装置的重力加速度。下落装置为一个反射棱镜，干涉仪由具有稳定的偏振氦氖激光器组成，用于确定棱镜下落距离，铷原子钟产生的时间基准提供精确的时间刻度。

2.观测参数设计与实施。A-10绝对重力仪测量参数主要包括四项内容，即观测组数、每组落体下落次数、每个落体下落时间间隔以及红、蓝激光组间时间间隔（相邻组停息时间）。理论上，同一测点上采集的数据越多，统计结果越接近真实值。这将要求观测组数多，每组落体下落次数多，相应观测时间也要长。然而，在野外流动观测时，不具备实验室的持续供电条件，一般采用蓄电池供电，而蓄电池供电时间是有限的，一般装备适于野外工作蓄电池组仅能维持8小时左右。因此，在保证课程实验任务所要求的精度前提下，选取适当的观测组数和每组下落次数是必要的。如何选择合理的观测参数组合，需要通过各种观测条件下的实验来获取实际资料，经过对比和总结才能给出相应的准则。

3.观测数据整理、校正与计算。由于测量过程中难免会出现复杂的微震以及周边人员走动等随机性影响因素，这些因素会给重力测量带来很大的误差，因此需要结合A-10采集软件（g8）对观测数据进行整理，剔除观测数据与组内平均值相差较大的数据。绝对重力观测数据需经过内部校正才能得到单纯由观测点重力大小引起的绝对重力值。内部校正包括固体潮校正（包含海潮负荷校正）、气压校正、极移校正和光速有限校正。最后，对内部校正后的观测值进行仪器高校正，即可求得测点墩面高度处的重力值。A-10绝对重力仪分别采用红、蓝激光锁定激光腔长度来确定重力值，通过两种模式下测得的多组观测值的平均值作为最后的测量结果。

4.仪器工作状态实时监控与影响因素分析。在完成课程实验的测量任务中，需要经常架设或拆卸仪器，合理正确的安装步骤是取得精确测量数据的前提。在安装过程中通常会出现由于硬件安装或软件设置错误而导致数据非正常的离散和结果偏差，测量过程中可以针对实时采集数据的状态来判断安装的正确性，对结果的可靠性进行一个初步的考评。观测条件及环境噪声在很大程度上影响观测质量。影响观测质量的因素可分为测站条件、气象因素、人文干扰和突发事件。尤其是在野外流动观测，这些影响因素又是不可回避的，在课程后期实施中，需要对实时观测中的各种因素的影响程度进行不断的积累与总结，以消除影响因素引起的实时观测重力值的变化。

四、结语

精密重力测量仪器以及相关的测量技术使得许多自然现象引起的重力场微弱变化得以检测，如冰后回弹、地球自由振荡、陆地地下水储量变化等，因此推动了重力场理论模拟和重力观测技术的发展，并为重力学理论研究提供了基础和动力。绝对重力测量作为一项最基本的地球物理与大地测量方法，所获取的地球重力场时变重力信号反映了地球内部密度变化以及地球动力学响应等特征。绝对重力测量又是一项技术要求很高的工作，尤其在野外流动观测过程中，需要制定一套适合于各种环境的、科学合理的技术体系。由于我国引进绝对重力仪时间不长且数量有限，它的测量相关技术以及应用还在发展中。作为地球物理学专业中不可缺少的“重力学/重力勘探”课程，无论是理论教学内容还是课程实验，都需要较强的综合精密重力观测与分析能力，绝对重力观测技术有巨大的应用价值，尤其对A-10绝对重力仪这样精度高、机动性强的先进仪器设备，开展其性能特征、野外流动观测技术以及观测数据分析方法的实验与研究显得尤为重要。因此，培养具备一定的重力学理论与绝对重力观测相关知识的综合型人才是我国地球科学学科发展不可忽视的重要内容。

参考文献：

[1]郭良辉，孟小红，石磊，等.“应用重力学”课程教学与改革[J].中国地质教育，2010，（1）：110-113.

[2]曾华霖.重力场与重力勘探[M].北京：地质出版社，2005.

[3]袁颖，邵爱军，周爱红，等.勘查技术与工程专业二年级专业实习的野外教学实践与思考[J].中国地质教育，2014，（2）：84-87.

[4]王林松，陈超，杜劲松，等.10-022绝对重力仪在庐山短基线的测量试验与分析[J].测绘学报，2012，41（3）：347-352.