海洋重磁测量野外工作方法
发布网友
发布时间：2022-04-20 18:36
共1个回答
热心网友
时间：2023-07-14 20:11
王功祥 唐卫
第一作者简介：王功祥，男，1971年出生，物探工程师，主要从事海洋重磁、地震及各种工程测量工作。
（广州海洋地质调查局 广州 510760）
摘要 海洋重磁测量在海洋调查中有着重要位置，有效控制野外资料采集是海洋重磁测量的关键一环。本文结合野外作业的实际情况，针对海洋重磁调查中的一些干扰效应进行了对比分析，以期提高海洋重磁调查野外资料采集的质量。
关键词 海洋重磁测量 干扰分析 野外作业
1 海洋重力测量
海上重力测量不同于陆地重力测量，它必须在运动的状态下，即所谓的动基座（如船）上进行。测量重力加速度的仪器的基座，对与地球连接的坐标系作相对运动。从本质上说，海洋重力仪可算作超高精度的加速度计，它测量的是瞬时重力加速度的一个分量。和任何加速度计一样，海洋重力仪也可以在相对基座的某个严格规定了的方向上记录加速度变化，这个方向就是仪器的测量灵敏轴。
1.1 海洋重力测量的主要干扰因素及其分析
1.1.1 水平干扰加速度
在水平面上测量的瞬时重力值可表示为G=g+x2/2g-Δа2/2g，其中x表示水平加速度，Δа表示瞬时垂线与真垂线的夹角，g表示重力真值。由上式可以看出水平加速度使重力增加x2/2g，而瞬时垂线与真垂线的夹角使重力减小Δа2/2g。为了得到重力真值，在平均测量中要引入加速度改正和倾斜改正Δg=-x2/2g+Δа2/2g。如果重力测量仪器安装在周期比船摇晃周期小得多的常平架中，则常平架纵轴（常平架重心和相互垂直的旋转轴交点的连线）将随时跟踪瞬时垂线方向。因此可以调整仪器，使其灵敏轴几乎同瞬时垂线一致，这样Δа即为常平架的定向误差，采用陀螺稳定平台就是基于这个道理。海上试验表明，对高达50Gal的加速度，由于稳定平台的周期（大于2分）比波浪周期（小于17秒）大得多，水平干扰加速度产生的误差很小，仍可以达到1mGal的精度。
1.1.2 垂直干扰加速度
在海洋重力测量中，最大的问题是垂直加速度引起的。由于无法区分开重力加速度和垂直干扰加速度，于是在动基座上的重力测量值实际上是由两部分组成：一部分是由重力本身引起的弹性系统变化；另一部分则是由垂直加速度作用而影响到重力仪读数的值。但垂直加速度对重力仪主要是造成瞬间交变干扰，且几乎按余弦规律变化，具有周期性特点，若重力仪是线性系统，测量时垂直干扰加速度并不会造成系统误差，这是其本身的平均值为零的缘故。在现代重力仪中都采用强阻尼措施而大大压制了垂直干扰加速度，但这也使得在运动着的船上所测的重力异常产生幅度的减小，同时也会引起弹性系统对重力变化的反应有滞后现象，以至于对某些短时间变化的局部重力异常感应不出来，或者减小了数值。
1.1.3 厄特屋斯效应
装在匀速航行船只上的重力仪，其读数除受基座干扰加速度影响外，还受厄特屋斯效应的影响，该效应同地球自转引起的离心力有关，主要受船航速、航向影响。
1.2 野外操作及其注意事项
1.2.1 设备安装
干扰加速度主要部分是由船上仪器安装点的交变摆动的特征所决定的。干扰加速度的优势周期和幅度值取决于众多因素：船型和排水量、仪器位置、波浪特征、船航向和航区。对于特定的调查船及作业工区，其性能参数是无法改变的，因此仪器安装位置及环境显得尤为重要，一般要求将仪器安装在船纵横摇的中心点，越靠近舱底越好，且远离热源体和强电磁源（主要是由于重力仪内部安装有用于强阻尼的永久磁铁）。
1.2.2 码头准备
海洋重力仪的弹性系统均为金属质构造，温度发生变化，其热胀冷缩现象显著，因此保持传感器内部恒温至关重要。一般来说厂家要求用户每天24小时不间断通电加温，但实际上很难做到，原因是：在仪器长期处于闲置状态时，长时间通电会导致一些指示灯烧毁，板件也会损坏，如KSS⁃31海洋重力仪控制单元ZE31的LP5.28 5V电源板曾经三次失效，所以只有在备航期间或航次间隔很短时才保持仪器的不间断通电。启动重力仪前究竟加温时间多长，按实际至少是1～2天，时间太短仪器读数不稳定，或频繁死机，或无法正常启动。有时候也有这种情况：仪器面板电流长时间不变化，表明内部温度指示已达到恒温数50℃，但实际上金属质弹性系统并没有达到均衡恒温状态。
当载体发生变化时，海洋重力仪必须做测试，包括平台抛物线测试、小球常数测试、延迟时间常数测试以及倾斜格值测试等，以确保整个系统通道的正常。
1.2.3 掉格现象
掉格是由弹性系统发生儒变或小球下掉所致，掉格现象往往瞬间发生，重力读数突然增加或减小几十或几百个毫伽，在模拟记录上会出现一条阶跃曲线。掉格现象与船变速或偏航情形不同，前者加速度或摆位并无变化，后者则有相应的偏移。在仪器出现掉格时，应停止测量，立即回到掉格前的位置或回到码头基点进行重复观测，以确保前期工作的可信性。
1.2.4 基点比对
基点的作用在于：控制重力测量点的观测精度，避免误差的积累；检查重力仪在某一段工作时间内的零点漂移，确定零点漂移校正系数；推算工区重力测点的相对或绝对重力值。海洋测量时由于距离陆地路途遥远，不可能经常性地往返基点测量，只能航段性地进行基点比对。为了控制零点线性漂移，海洋重力仪普遍采用了线性系统，即重力读数变化严格正比于重力变化的弹性系统。调查船出航和返航均需比对基点，在基点比对时要记录好各相关数据，包括重力传感器距基点的垂直、水平距离；调查船左、右舷距水面高度；码头距水面高程；仪器读数及比对时间等。在实际比对基点时有几个因素我们不得不考虑：基点周围建筑物群的变化；停靠或过往的附近船只。所有这些干扰物体的相互引力影响，均会造成仪器相对读数的降低。以广州海洋地质调查局的海洋四号和探宝号为例，当两艘大船靠在一起时，多次观测表明两船的引力影响导致重力读数降低2～3毫伽。在海上作业时不可避免地遭遇台风影响，在外港避风时期，观测收集各地港口、锚地的相对重力值或基点值，对于我们了解、控制仪器掉格情况也是很有帮助的。
图1 海洋重力模拟记录
Fig.1 Marine gravity simulation record
1.2.5 实时观测
在海上工作期间，重力调查质量监控主要是通过模拟记录来实现（如图1），即观察传感器在船运动姿态下感应的纵横加速度，一般海况下纵横加速度的变化表现在模拟记录纸上基本上在以中心点1～2格的范围内摆动；在恶劣海况下则有3～6格的变化。当船变速或偏航时，纵横加速度或重力值均会发生变化；由于新型海洋重力仪均直接接入实时定位数据（包括点位、速度、航向），当导航信号不稳定时，重力显示数据会发生急剧变化，因此将这些变化信息及时记载，对室内处理的帮助是很大的。一般来说，重力测量模拟记录曲线比较平滑，南北向重力读数变化大，东西向则较小；对曲线变化较大的地方应多加关注，如海山影响会导致重力数值降低，再如隆起或凹陷，由于剩余质量的亏损或盈余会导致重力读数的减少或增加。在海上，养成与地震资料、水深资料或多波束资料对比观察的良好习惯，对于提高我们海洋重磁观测的质量控制不无裨益。另外，了解我国各海区区域相对重力场，对于控制重力测量的野外变数也很有帮助，以KSS⁃31型海洋重力仪为例，如东江口码头相对测量值为-1900毫伽左右；南海相对测量值为-1400～-1700毫伽；东海相对测量值为-800～-1000毫伽；黄海相对测量值为-500～-800毫伽左右。
2 海洋磁力测量
2.1 海洋磁力测量的主要干扰因素及其分析
2.1.1 系统噪声
该误差与仪器本身固有特性有关，往往不可预测，是一个固定值。电子干扰在船上通常是一个很大的噪声源，这要取决于仪器设备的安装条件，尤其是接地，但也会随着噪声源的开启和关闭而变化。
2.1.2 船磁方位效应
方位误差是由船磁在传感器上的效应引起。在海洋环境中主要由两个因素引起：一种是船的永久磁场。调查船处于地磁场环境中必然要被磁化，而且磁化后产生的附加磁矩特别强，因而呈现出很强的磁性，磁性一旦形成很难消失，这就组成了船的永久磁场；另一种是船上渗透性物质在地磁场作用下的感应磁场。随着调查船所处的地磁场变化以及测量船相对地磁场的空间方位的变化，船磁也在不断变化，这部分瞬时变化的附加磁场就组成了船磁的感应磁部分，感应磁场的方向与地磁场方向一致。在海上测量时，调查船航向的变化只是影响了船磁的感应磁部分。船的永久磁场是由船的固有磁矩产生的，因此大小应该一样，但随调查船的航向变化而改变方向。文献指出：调查船的永久磁场是一个典型的余弦曲线，感应磁场是一个典型的正弦曲线，而且感应场的影响要比永久磁场大得多。因此船磁的总体影响也应该是一个典型的正弦曲线，也就是我们在实际进行船磁方位试验时通常见到的“W”形状。
2.1.3 涌浪和传感器运动干扰
该误差来源是一种动态环境：来自于海涌的磁性振荡以及拖曳系统中流体的不稳定性因素。海浪噪声是由于海水中地磁场中的传播媒介的周期性运动而引起的，这种效应在磁场中产生的周期性变化是很大的，通常10～20秒的周期性海浪运动会产生好几个纳特的磁场变化。但是通常海洋调查有和海浪同样周期（4～11秒）的采样率，而且系统噪声水平也有半个纳特，因此涌浪噪声可能不被识别。另一种误差源是由于拖曳系统中流体不稳定性引起的，导致了传感器旋转周期的旋进信号进行周期性调谐，海洋调查对于传感器这种非稳定性因素造成的影响也很难从系统噪声中分辨出来。
2.2 野外作业及其注意事项
2.2.1 电缆长度的确定
磁力拖曳电缆究竟施放多长目前并无理论上推导，一般经验法则是：做总场调查时为2～3倍船长，做梯度测量时为3～5倍船长。2000年在南海做亚太光缆调查时，由于水深较浅，平均20m，为保证水面设备安全，我们做了如下试验：奋斗四号船长85m，施放电缆为170m时，磁力数据非常紊乱；施放电缆为200m时，磁力数据稍好一点，但仍然有点乱；施放电缆为220m时，磁力数据比较平稳；2002年在租用20m小船做浅水物理调查时，当施放磁法电缆到50m时，磁力数据才稳定。这说明只有在拖曳电缆至少为2.5倍船长时，才能采集到正常的磁力数据。
2.2.2 甲板电缆铺设
甲板电缆是拖曳电缆与磁力设备之间的连接电缆，尽管甲板电缆采用了屏蔽措施，但如果铺设位置及走向不合适，就会对采集的数据造成影响，特别是在甲板强电磁场区，如架有高压电缆、集束通讯通信电缆等地方，一定要尽量避开；如实在无法避开，最好使甲板电缆与干扰电缆呈垂直走向通过。野外实际对比观测表明，如果甲板电缆铺设不当，往往会有1～3纳特的数值附加在正常磁力数据上，严重的会有7～8纳特的干扰，甚至会造成磁力设备无法正常运转。
2.2.3 海底日变站的设立
在高精度的海洋磁测中，地磁周日变化是一种严重干扰场，在南沙，由于距离海南地磁台太远，交点均方差往往达到27纳特以上，因此在工区附近建立海底日变站非常迫切且重要。海底日变站必须设立在地形平坦且地磁场相对平静的地方，其结构如图3所示。2004年广州海洋地质调查局从加拿大引进一套SENTINEL陆地/海洋日变站观测系统，5月海洋四号利用该日变数据绘制的船磁方位曲线非常理想，也就是说海底日变站的建立基本上剔除了野外磁力调查过程中的日变影响，如图2所示。
图2 南海东沙海域船磁方位曲线。左图是日变改正之前的曲线，右图是日变改正之后的曲线
Fig.2 Curve of shipˊs magnet orientation in dongsha south China sea.Left figure is the curve before time variety correction，right figure is the curve after time variety correction
图3 地磁日变观测锚系结构
Fig.3 Anchor system structure of geomagnetism time variety observation
2.2.4 船磁方位试验
为了消除船体在地磁场磁化作用下产生的感应磁场影响，同时为了方便对不同航次相邻测线的磁场进行水平调整，在作业工区必须做45°八方位定点偏向航行观测。由于白天日变及电磁干扰较大，船磁方位试验最好选在晚上或凌晨进行，试验点应选择在局部地磁场平静的地方，试验顺序：0°→225°→90°→315°→180°→45°→270°→135°→0°→225°→90°→315°→180°→45°→270°→135°→0°。
试验前要精确计算定位点距离磁力传感器位置，以方便偏距调整。试验主要采集圆中心（如图4所示）数据，因此在船进入中心点前一定要确保船航行在测线上并已走直，并且磁力电缆已拉直。
2.2.5 实时观测
对于质子磁力仪，如G801、G821、SeaSPY等，在接收线圈内其感应讯号的电压为V（t1）=CκpH0γpsin2θsin（γpT t1）e-A，其中θ为线圈轴线与地磁场T之间的夹角。当θ=45°时，讯号幅度只降低了一半，因此对于探头定向只要求大致与T相垂直。但是，θ接近于零度，则是探头的工作盲区。
光泵磁力仪运用电子跃迁和光泵泵激原理，采用感应灵敏元件和同步调谐回路，其灵敏度比质子磁力仪更高。但其存在工作盲区，如图5所示，当地磁场与传感器光泵中心轴线夹角为±15°时，感应不到信号，因此为了获得工区各测线方向上的最大信号强度，必须实时调节传感器的角度。在我国海域通常在旋转0°和倾斜0°情况下各测线方向一般能感应到有效信号。2005年海洋四号在执行南海中南部海域重磁测量时，发现磁力模拟记录有周期性锯齿状出现，G880光泵磁力仪感应的信号只有400左右。该区域地磁倾角21°，由于测线的近南北、东西向展布，运行CSAZ演示程序后才知道，由于工作盲区的存在，使得在该区域传感器只能保持旋转90°和倾斜0°姿态，调整后信号强度达到800以上，数据相当稳定。
图4 船磁方位示意图
Fig.4 Sketch map of shipˊs magnet orientation
海上磁力质量的监控主要是通过在仪器面板上指示的信号强度以及模拟记录（图6）显示的抖动度。各种类型的海洋磁力仪指示的信号强度的标准并不一致，对于质子磁力仪信号强度至少要求130；对于光泵磁力仪信号强度至少要求450。磁力数据的抖动度只能作为一种相对参考，如2004年我们在执行汕头南澳岛大桥路由调查中发现，磁力抖动基本在2～3纳特之间，但仪器信号又很稳定，架设的日变站也无法正常工作，后来才知道整个南澳岛及周边区域基底出露的是磁性很强的玄武岩。野外观测实际表明，磁力数据出现大的抖动（一般大于2纳特）时，往往由如下几个因素引起：通讯干扰、电焊焊弧，这是人为电磁波信号的扰动；探头尾翼松动或脱落，或挂上渔网、渔标等杂物，导致拖鱼无法控制平衡；过往船只附加的船磁影响；甲板电缆铺设不当导致的电磁干扰；磁暴，这是太阳黑子周期出现的征兆，其影响是全球性的，灾难性的，1997年在南沙作业时曾监控过一次，模拟记录上显示的是一条条急剧变化的平行线，持续时间约10个小时；地质背景场或断裂破碎带，2004年南澳岛作业就是这种情况，在我国黄海、南中国海域，断裂发育丰富，磁力模拟记录上观测到的急剧变化的平行线非常多，但与磁暴不同的是，这种现象往往持续时间很短；恶劣海况或雷电天气也会造成磁力数据的跳变。
图5 光泵磁力仪盲区示意图
Fig.5 Sketch map of dead zone for optical pumping magnetometer
图6 磁力模拟记录
Fig.6 Marine magnetism simulation record
3 结论
重磁测量资料包含了丰富的信息，无论是地壳深部构造与地壳均衡状态的研究，还是普查、勘探多种矿产资源，或是在水文、工程（乃至考古等）方面的应用等诸多地质任务，都有可能利用重磁资料来加以研究或解决。野外重磁资料采集的质量监控，其根本目的就是保证野外采集资料的真实性、可靠性，尽可能地防止无用的或无意义的信息叠加在有用的地质体信息之上，以方便室内资料的处理。
参考文献及资料
海军海洋测绘研究所.1990.海洋重力测量，92～95
罗孝宽，郭绍雍等.1990.应用地球物理教程.北京：地质出版社，209～210
GEOMETRICS，INC.1997.G⁃880 CESIUM MARINE MAGNETOMETER Operation Manual
The Field Employment Method of Marine Gravity ＆ Magnetism Survey
Wang Gongxiang Tang Wei
（Guangzhou Marine Geological Survey，Guangzhou，510760）
Abstract：The proction of marine gravity and magnet detection plays an important role of ma⁃rine survey.Itˊs a basilica factor about how to actually control data collection ring marine gravi⁃ty ＆ magnetism survey.This article devotes to satisfying the readers through contrastively analyzing some disturb effects ring marine gravity＆magnetism survey，simultaneity opening out depiction by use.
Key words：Marine gravity ＆ magnetism survey Disturb effects analysis Field employment
