重力仪/重力梯度仪应用

重力加速度g是一个随时间和空间变化的关键重力场参数。精确测量重力加速度是监测地球重力场变化的重要手段之一，为分析重力场的变化规律、地壳的运动和结构、地表的重力场参数等提供试验数据。高精度的重力测量已经成为地球物理、空间科学、海洋探测等领域必不可少的重要观测手段。在资源勘探方面，通过探测地表重力的异常变化可以用于寻找自然资源，例如油气和矿产资源等；在地球物理学方面，重力场是地球的基本物理场之一，对重力场的研究也可以用于研究地球的内部构造、海平面变化、地下水资源、冰川的消融等等；在导航方面，对重力的精密测量也可以服务于重力辅助导航。此外，在地震学研究中，重力也是重要的研究手段。人们早在20世纪初就发现地震前后会伴随着重力的异常变化，包括重力的变化、重力梯度的特征分布，但是，目前这些异常并不适用于所有地震，现在还没有完整的理论来说明地震发生和重力异常之间的联系。

为了解决我国高精度重力测量的难题，为相关重力研究提供技术支撑，本设施开放了重力仪/重力梯度仪应用服务，旨在提供基准级绝对重力测量（不确定度2μGal）、移动绝对重力测量（不确定度5-10μGal）和航空重力测量（精度0.5mGal）等服务。

重力仪/重力梯度仪应用服务提供各种不同精度的重力以及重力梯度测量服务，其中提供绝对重力测量服务的主要有基准型原子重力仪、小型化微伽级原子重力仪以及A10绝对重力仪等；提供相对重力测量服务的主要有CG-6相对重力仪和iGrav超导重力仪，提供重力梯度测量服务的主要是CG-6相对重力仪；另外，本装置还可以提供内符合精度0.5mGal的航空重力测量服务。

以上服务中，基准型原子重力仪可以提供基准点的重力绝对值监测数据，其精度可达2 μGal；小型化微伽级原子重力仪和A10绝对重力仪精度稍差，为5-10 μGal，不过可以其实现移动或定点的绝对重力测量；CG-6主要用于相对重力测量，引值测量和重力梯度测量，其重复性可达到5μGal；iGrav超导重力仪主要用于提供长期连续相对重力观测服务。

各个服务的性能参数如下表所示：

表7-1 重力仪/重力梯度仪服务性能参数

应用案例

案例一：基准点重力绝对值监测服务

基准型重力仪放置在山洞实验室125房间，该重力仪可以测量重力的绝对值，其B类不确定度在2μGal 以内，同时其灵敏度也可达到2μGal@200s。

图7-1 基准型重力仪

如图7-2左侧所示是重力仪在2022年6月22日开始记录到的重力变化，其中黑色点是重力测量值g-g₀，其中g₀是一个固定的偏置，红色线则是潮汐模型。将测量数据中的一些跳点（3σ之外）剔除，并以一个小时或一天的数据长度内进行了平均，所得数据如图7-2右侧所示。

图7-2 基准型重力仪观测的重力潮汐以及残差

在长期的重力测量过程中，仪器测得的重力残差基本上保持在±2 μGal的范围内，对长期的测量结果进行统计，得到其标准差为1.0 μGal，这也体现了重力仪的长期稳定性水平。

案例二：长期连续相对重力观测

超导重力仪是灵敏度最高的重力仪，其年漂移量可好于好于6μGal/年，可用于对基准点进行长期连续相对重力观测。

图7-3 超导重力仪

如图7-4所示是超导重力仪观测到的重力潮汐，以及扣除潮汐模型之后重力值的波动。

图7-4 超导重力仪观测到的重力潮汐以及残差

案例三：利用CG-6测量重力梯度

CG-6型相对重力仪具有轻便易携带的特点，可以用于测量不同位置处的重力段差，并计算出重力梯度等信息。

图7-5 CG-6相对重力仪

以下展示了用CG-6型相对重力仪在某点位上测量重力梯度的实例，实验首先在该点位上来回测量了不同高度（0.15m、0.55m以及0.947m）下的重力值，其结果如图7-6所示。

图7-6 重力仪探头位置处不同高度下的相对重力值

对不同高度下的重力值做线性拟合即可得到该点的梯度。实验进行了五次重力梯度的测量，并对所有的数据进行平均，就得到了该点位的重力梯度大小，如图7-7所示，为-281.4(6) μGal/m。

图7-7 多次梯度测量的结果

案例四：对外服务

精密重力测量国家重大科技基础设备建设及运行期间采购及研制了大量高精度的重力仪，已多次开展对外服务，包括CG6型相对重力仪，A10型绝对重力仪以及自研原子绝对重力仪，部分测量如下图所示。

图7-8 2021年7月CG6相对重力仪三江航天野外重力测量服务

图7-9 2023年5月冷原子绝对重力仪野外定点测量

图7-10 2024年5月A10型绝对重力仪华北野外标定场测量