重力勘探 海洋重力仪

1、海洋重力仪 2010年9月 海洋重力仪海洋重力仪 1海洋重力仪（海洋重力仪（marine gravimeter ）概述概述 一、kss5kss5型海洋重力仪型海洋重力仪 1957年左右，西德的阿斯卡尼亚公司试验用增加 仪器阻尼的办法改进了该公司生产的陆地重力仪陆地重力仪 gs11gs11型和型和gs15gs15型型，并安装在稳定平台上，研 制成能在普通船上工作的第一代走航式海洋重力 仪。 这一阶段的走航式海洋重力仪尚处于试验阶段， 受船只引起的加速度影响较大，只能在近海海况 较好的条件下工作。 海洋重力仪海洋重力仪 一、一、kss5型海洋重力仪型海洋重力仪 1962年，该公司的格拉夫(graf

2、)、史格(schulge)等 人对重力仪的弹性系统在结构上进行了刚性强化， 进一步增大了阻尼阻尼，建立了反馈回路滤波系统， 在仪器的读数系统中加入了一个伺服控制部分， 将悬挂重力仪的平衡架改为陀螺仪稳定平台平衡架改为陀螺仪稳定平台等。 通过多方面的改进，制成了第二代走航式海洋重制成了第二代走航式海洋重 力仪力仪gss2gss2型型。此时，仪器抗外界干扰能力大大 加强。 海洋重力仪海洋重力仪 一、一、kss5型海洋重力仪型海洋重力仪 1976年，海洋重力仪转户由波登斯威克地学系统 公司生产。此时在传感器部分又作了改进，命名 为gss20gss20，它与陀螺平台设备(kt20ke20)、 传感器的

3、控制装置ge20、数据记录系统dl20等部 件共同组成新的海洋重力仪系统，命名为kss5 型。 海洋重力仪海洋重力仪 一、一、kss5型海洋重力仪型海洋重力仪 海洋重力仪海洋重力仪 一、一、kss5型海洋重力仪型海洋重力仪 1976年，海洋重力仪转户由波登斯威克地学系统 公司生产。此时在传感器部分又作了改进，命名 为gss20gss20，它与陀螺平台设备(kt20ke20)、 传感器的控制装置ge20、数据记录系统dl20等部 件共同组成新的海洋重力仪系统，命名为kss5 型。 海洋重力仪海洋重力仪 一、一、kss5型海洋重力仪型海洋重力仪 gss20重力传感器的摆杆为扁平的铝质摆杆， 长0.

4、3m，由扭转弹簧稳定在一个平衡位置，其横 向运动受钨制的8根细丝约束。摆动时由于在磁铁 的磁场中上下运动，摆杆又为片状，摆杆上会产 生十分强的磁阻尼，另外，摆杆上会产生涡电流 而增大电阻尼，磁阻尼和电阻尼的强弱可按实测 时海况的不同由用户设定。 海洋重力仪海洋重力仪 一、一、kss5型海洋重力仪型海洋重力仪 kt20是安休兹公司的陀螺稳定平台代号。垂直陀 螺仪的偏转角信号由角度传感器输送给调节装置内 的自动同步调整装置，通过前置放大器输送给两个 伺服放大器的输入端，伺服放大器将信号转换成功 率信号传给陀螺平台双轴上的伺服电机，伺服电机 通过减速齿轮和伞形齿轮推动平台旋转，直到垂直 陀螺仪旋转轴

5、倾斜的角度输出信号逐渐减小至零为 止。 海洋重力仪海洋重力仪 一、一、kss5型海洋重力仪型海洋重力仪 陀螺仪设计有陀螺漂移的修正系统，使得陀螺轴 跟踪瞬时垂线方向，并通过在一段时间内取平均值 的方法消除周期性水平加速度对陀螺平台的影响， 使垂直陀螺轴保持在接近真垂线的方向。 海洋重力仪海洋重力仪 二、二、l&r型海洋重力仪型海洋重力仪 l&r重力仪是位于美国德克萨斯州沃斯汀 的拉科斯特隆贝格公司的系列产品，有 在陆地、井下、海底、海面、空中使用的 各种型号。 l&r海洋重力仪的第一次成功试验于1955 年在潜艇上进行，仪器悬挂在常平架上。 1958年该公司对仪器作了改进，使之能在普 通水面船

6、只上实施走航式测量。 海洋重力仪海洋重力仪 二、二、l&r型海洋重力仪型海洋重力仪 拉科斯特高精度航空及海洋拉科斯特高精度航空及海洋 重力仪重力仪 海洋重力仪海洋重力仪 二、二、l&r型海洋重力仪型海洋重力仪 此时的仪器仍然悬挂在常平架上，借助于两个2 分钟周期的长周期摆来确定近似垂线的偏角。该 仪器只能在垂直附加加速度小于50伽的环境下使 用，测量精度可达4毫伽。 1965年该公司又全面系统地对仪器作了改进，并 安装在霍尼威尔(honeywell)陀螺平台上工作。 海洋重力仪海洋重力仪 二、二、l&r型海洋重力仪型海洋重力仪 l&r摆杆式海洋重力仪是根据立式地震仪原理设计 的。重力仪传感器中

7、的摆杆为近似于水平放置的横杆， 它可以绕水平轴旋转。横杆的另一端斜挂着一根弹簧， 弹簧的上端连接着测微螺旋。通过改变弹簧端点的位 置(即改变弹簧的张力)来平衡重力对摆杆的作用。空 气阻尼器对摆杆产生高阻尼，以减少垂直附加加速度 对重力测量的影响。 海洋重力仪海洋重力仪 二、二、l&r型海洋重力仪型海洋重力仪 l&r海洋重力仪的陀螺平台由水平加速度计、陀 螺仪、伺服放大器、转矩马达和陀螺进动装置等 部件构成修正回路和稳定回路。两个水平加速度 计起长周期水平仪的作用，成为两个陀螺仪的基 准，修正陀螺漂移。水平加速度计的输出值还被 用来进行交叉耦合改正计算。交叉耦合改正在乎 静海况和中等海况下一般可

8、以充分改正掉，但在 恶劣海况下有时改正不彻底会含有误差。 海洋重力仪海洋重力仪 二、二、l&r型海洋重力仪型海洋重力仪 拉科斯特还了1974年在陀螺平台上增加了第三个 陀螺，将它固定在仪器罩上。这个陀螺将平台稳 定在南北方向上。由伺服放大器驱动力矩马达使 陀螺平台成为一个回转罗盘，始终保持北向，成 为惯性导航系统。 海洋重力仪海洋重力仪 附：新型的附：新型的i&r海底重力仪海底重力仪(h型型) 这种仪器的遥控已经完全实现了自动化，由一台 便携式微机记录观测数据并自动控制重力仪系统。 这种海底重力仪已在深于4000m的海底进行过试验， 获得了良好的观测数据。 海洋重力仪海洋重力仪 三、三、kss

9、30型海洋重力仪型海洋重力仪 kss30型海洋重力仪是西德波登斯威克公司继 kss5型海洋重力仪之后推出的新型海洋重力仪， 具有精度高、重量轻、抗风浪能力强、自动化程度高、 体积小等优点。仪器系统的结构见图 海洋重力仪海洋重力仪 三、三、kss30型海洋重力仪型海洋重力仪 kss30型海洋重力仪传感器的主弹簧和管状圆柱 质块由五根细金属丝控制，使质块只能在垂直方向上 作无摩擦的运动。质块的重量约30g，由于做成轴对 称状，所以不受交叉耦合效应的影响。 此图为参考图此图为参考图 海洋重力仪海洋重力仪 三、三、kss30型海洋重力仪型海洋重力仪 kss30海洋重力仪使用的陀螺平台是单悬臂式， 包括

10、垂直陀螺k30、平台kt30和电子控制系统 ke30。垂直陀螺的偏移由加速度计测定，并由控 制电路修正，陀螺的漂移由船上的导航信息输给补 偿电路对其进行补偿。这种陀螺稳定平台的机械结 构无法避免纵向和横向轴的摩擦。 19861987年期间，kss30的陀螺稳定平台改用 和l&r海洋重力仪相类似的形式，并将仪器命名为 kss50。kss50和kss30两种型号除陀螺平台 以外其他部件均无变化。 海洋重力仪海洋重力仪 三、三、kss30型海洋重力仪型海洋重力仪 kss30海洋重力仪的数据处理系统除可对传感器 和陀螺平台进行各种信号处理、补偿计算和各项改 正以外，还可以对观测重力资料进行各种处理，包

11、 括厄特弗斯改正、空间重力异常计算、布格重力异 常计算和转弯补偿。转弯补偿是通过接收导航信息 (船艏方向、航向、航速)，自动纠正航向和航速变 化所引起的畸变干扰影响，保证仪器在海上作业时 不受航迹的限制。 当船转弯在附加垂直加速度达1580伽时，通过转 弯补偿，所得重力测量结果的精度可达25毫伽。 数据处理的结果可以通过磁带机、打印机和双笔模 拟记录器输出。 海洋重力仪海洋重力仪 三、三、kss30型海洋重力仪型海洋重力仪 1981年以来，德国的地球科学研究机构、汉堡 大学，法国的国家海洋开发中心和加拿大的海 洋研究所均使用kss30海洋重力仪进行海洋地 球物理调查。我国中科院南海海洋研究所也

12、是 使用这种型号重力仪。 海洋重力仪海洋重力仪 四、四、bgm3型海洋重力仪型海洋重力仪 bgm3型海洋重力仪是位于美国纽约州布法罗 的贝尔航空公司生产的。贝尔型重力仪传感器最初 是为惯性导航系统研制的。 后来，该公司与美国海军海洋局等单位签订了在 海上进行重力测量的合同，经过对仪器有关电子线 路的改进，并将仪器安装在陀螺平台上，用以进行 海洋重力测量。1967年以后，该型仪器被美国海军 及各石油勘探公司所使用。到1984年，该仪器已发 展到bgm3型。 海洋重力仪海洋重力仪 四、四、bgm3型海洋重力仪型海洋重力仪 海洋重力仪海洋重力仪 四、四、bgm3型海洋重力仪型海洋重力仪 bgm3海洋

13、重力仪传感器系统包括加速度计和 附属电子电路。该型仪器的加速度计采用xi型加速 度计，由两块永久磁铁和一个包在线圈中、只能在 两块永久磁铁中间作垂直运动的检验质块组成。传 感器设计的物理原理是：作用于检验质块上的重力 和线圈中感应的电磁力之间存在着平衡，这种力的 平衡使得检验质块保持在一个不变的零位置。线圈 中的电流随着垂直加速度的改变而成比例地变化。 海洋重力仪海洋重力仪 五、五、 chz型海洋重力仪型海洋重力仪 chzchz型海洋重力仪是中国科学院测量与地球物理型海洋重力仪是中国科学院测量与地球物理 研究所研制的轴对称型海洋重力仪。该仪器于研究所研制的轴对称型海洋重力仪。该仪器于19851

14、985 年研制成功并进行比对试验。年研制成功并进行比对试验。 海洋重力仪海洋重力仪 五、五、 chz型海洋重力仪型海洋重力仪 chz海洋重力仪包括三个部分：重力传感器、电 子控制部分和数据采集部分。其结构及工作原理简 述如下： 重力传感器安装在一个双层恒温的金属壳体内，采 用了零长弹簧悬挂系统和硅油阻尼。 传感器的质块弹簧系统由一个管状的质块和一根垂 直悬挂的主弹簧组成。六根拉丝和二根绷紧弹簧把 质块联接在仪器的壳体上。这些拉丝分层次并从质 块出发按互成120的角度拉到壳体上，从而限制 着质块只能沿着仪器的灵敏轴平动，并伴随着微小 的转动。 海洋重力仪海洋重力仪 五、五、 chz型海洋重力仪型

15、海洋重力仪 拉丝及绷簧的粗细和张力的分布均对称于垂直轴， 也就是弹簧及管状质块的轴。使用零长弹簧既可以 获得较高的位移灵敏度，还可以消除在水平加速度 作用下弹簧弯曲所引起的误差。这种悬挂系统严格 地轴对称，在水平和垂直加速度的作用下不产生交 叉耦合效应。同时，这种系统不受水平加速度的影 响，能在水平加速度200伽时工作。 这种系统工作时实际上是无摩擦的，质块被约束 在垂直方向上作无摩擦运动。 海洋重力仪海洋重力仪 五、五、 chz型海洋重力仪型海洋重力仪 chz型海洋重力仪能在垂直附加加速度500伽及水 平加速度200伽的恶劣海况下工作。在实验室内垂 直附加加速度为250伽的情况下，该仪器的非

16、线性 误差小于1毫伽。海上试验与德国kss30型海 洋重力仪测量结果之间不符值的均方差为1.4毫 伽。 海洋重力仪海洋重力仪 六、六、 chekan-am海洋重力仪海洋重力仪 chekan-am重力仪在 俄罗斯圣彼得堡设计生产。 生产商是俄罗斯顶尖高精度 重力、陀螺仪、航海仪器的 研究所。此研究所提供一系 列的研发服务，是俄罗斯航 海部门公认的生产和测试仪 器设备的官方实验室。 海洋重力仪海洋重力仪 六、六、 chekan-am海洋重力仪海洋重力仪 仪器组成：chekan-am由一个重力传感器和一个内 置微观控制器和陀螺稳定平台组成。重力传感器由 两个石英弹簧系统组成，内有线性ccd光电转换器

17、。 软件：软件和仪器同时使用，提供完全甲板操作， 对测量结果进行准确的估计，对重力制图的预计能 够准确到1毫伽。 chekan-am可以测知、记录、实时传输重力数 据和航海数据，然后绘制成高精度的重力地图。 chekan-am具有很高的可靠性，重量轻，在任何的 环境中，都可以测量到高精度的重力偏移。 海洋重力仪海洋重力仪 七、振弦型海洋重力仪七、振弦型海洋重力仪 振弦型海洋重力仪与前几种类型海洋重力仪不同振弦型海洋重力仪与前几种类型海洋重力仪不同 的是：它不是在陆地重力仪或惯性导航设备的基础的是：它不是在陆地重力仪或惯性导航设备的基础 上经过改进以适应海洋观测条件的，这种类型仪器上经过改进以适

18、应海洋观测条件的，这种类型仪器 一开始设计就是来进行海洋重力测量的。最有代表一开始设计就是来进行海洋重力测量的。最有代表 性的振弦型海洋重力仪是日本的性的振弦型海洋重力仪是日本的tssgtssg型和美国的型和美国的 mitmit型。型。 海洋重力仪海洋重力仪 七、振弦型海洋重力仪七、振弦型海洋重力仪 振弦型海洋重力仪与前几种类型海洋重力仪不同 的是：它不是在陆地重力仪或惯性导航设备的基础 上经过改进以适应海洋观测条件的，这种类型仪器 一开始设计就是来进行海洋重力测量的。最有代表 性的振弦型海洋重力仪是日本的tssg型和美国的 mit型。 （一）tssg型海洋重力仪 tssg型海洋重力仪是日本东

19、京大学地球物理所研 制的，全称为“tokyo surface ship gravity meter”。 海洋重力仪海洋重力仪 七、振弦型海洋重力仪七、振弦型海洋重力仪 tssg型海洋重力仪是一种单弦重力仪，使用一根 长为25mm、直径为0.01mm、重为15g的铍铜细丝作 为振弦。细丝在与它成直角的直流磁场中振动。细 丝的前端是质量为m的质块。为了防止质块的水平 运动，在质块与仪器箱之间有4根吊丝连接。 海洋重力仪海洋重力仪 六、振弦型海洋重力仪六、振弦型海洋重力仪 海洋重力仪海洋重力仪 七、振弦型海洋重力仪七、振弦型海洋重力仪 该重力仪的检测部分利用了弦的固有频率随其张 力而变化的性质。设弦

20、线密度为、长度为l，质块 质量为m，弦的横向振动频率在重力加速度为g时 可用下式表示： 弦的频率大约为1800hz。每隔时间0.6秒，输 送出一个信号。在两个信号之间(即弦振荡1024次 的时间内)用石英钟作为基准来测定。 mg l f 2 1 海洋重力仪海洋重力仪 七、振弦型海洋重力仪七、振弦型海洋重力仪 如果在一个时间间隔内石英钟的振荡差一次，相 应于重力加速度差100毫伽。在间隔内的石英钟振 荡次数用记数器自动记录，每一间隔，开始及终了 时所发出的信号分别开启及关闭记录器。在10分钟 内连续记录下1000个这样的记录，就完成了一个点 的观测。 仪器通过直接安装在垂直陀螺仪上来保持垂直。

21、频率转换为加速度值后，进行数字低通滤波。这种 仪器60年代在西北太平洋作过许多次重力测量，测 量精度约为2毫伽。 海洋重力仪海洋重力仪 七、振弦型海洋重力仪七、振弦型海洋重力仪 (二) mit型海洋重力仪 mit型海洋重力仪是美国麻省理工学院的wing等 人于1966年研制成功的振弦型海洋重力仪，也称文 氏海洋重力仪。 这种仪器原来是为导弹上的加速度仪而研 制的， 以后用同样的基本零件制成一种安装在陀螺平台上 的仪器，当作海洋重力仪来使用。仪器的传感器由 十条相当软的弹簧连接两根振动弦组成联合装置。 海洋重力仪海洋重力仪 七、振弦型海洋重力仪七、振弦型海洋重力仪 单振弦型海洋重力仪传单振弦型海洋重力仪