潮汐波浪对海洋重力仪观测数据的影响

潮汐波浪对海洋重力仪观测数据的影响

0静态观测结果海洋重力是海洋地球物理研究和研究的重要组成部分。自2002年8月中国科学院海洋研究所（以下简称海洋研究所）引入kss31m海上重力仪（sn036）以来，已经进行了四个月的静态实验室观察试验。然而，由于靠近海岸、繁忙的交通道路和地质条件，获得的观测数据并不理想。先后发表了kss31m海上重力仪室内静态观测结果。作者认为，有必要介绍在海上获得的静态观测结果，并对文献观点进行探讨，并邀请参与国内海洋重力研究的专家进行交流。1重力仪固有的“随机振荡”首先需要说明的是,目前KSS31M海洋重力仪的精度为0.1×10-5m·s-2,这是经过厂方严格检验的(海洋所重磁实验室存有一份重力仪在德国厂家平台上的观测记录纸可以证明这点).顾文的实验室静态观测结果也验证了KSS31M海洋重力仪的精度.然而,文献将实验室内重力仪0.1×10-5m·s-2的扰动解释为重力仪本身的“随机振荡”.如果这个0.1×10-5m·s-2果真是“随机振荡”的话,那么海洋所引进的这台KSS31M海洋重力仪的精度就达不到0.1×10-5m·s-2了.但在海洋所实验室内文献中重力仪的0.1～0.3×10-5m·s-2扰动确实是存在的.在作者的观测中,甚至会有更大的扰动.有一次,将引进的SeaSPY海洋磁力仪拖缆搬进实验室进行测试,引起了1.3×10-5m·s-2的扰动.实际上,这些扰动(如图1中B点和C点的重力扰动)是因为实验室地基不稳导致的.与青岛海洋地质研究所不同,海洋所毗邻海湾,地基是人工填土和第四纪海相堆积层,向下4m才到花岗岩强风化带①.在实验室内深挖4m以上达到花岗岩基岩是难以做到的,这导致目前海洋所重力仪实验室的平台达不到进行静态观测时稳定基础平台的要求.而且,重力实验室距车流量很大的南海路不到20m.因此,即便如文献中所说的“平台与地基相连”,也达不到稳定基础平台的要求.而青岛海洋地质研究所地势高,地基条件好,可以挖到花岗岩基岩,浇注了高于实验室地面的基础平台,因此获得了很好的静态观测数据,没有观测到0.1×10-5m·s-2的“随机振荡”.因此,文献将海洋所实验室平台达不到要求产生的重力扰动,解释为0.1×10-5m·s-2左右的重力仪固有的“随机振荡”是值得商榷的.2海洋重力仪的月漂移要明确的是,必须进行足够时间的观测才能对重力仪的静态漂移进行分析.然而,文献仅利用几天的观测数据就采用多种方法计算重力仪的漂移,是不恰当的,也是不可靠的.文献采用相邻两天的同时刻重力观测值计算重力仪的漂移在理论上就存在误差,因为重力固体潮的变化周期是24小时48分,不是24小时.笔者也不赞同该文“重力仪的月漂移往往很难精确判定”的认识.青岛海洋地质所进行的静态观测结果显示,KSS31M海洋重力仪的月漂移仅为1.1×10-5m·s-2.如果按照文献的计算方法对相邻两天的同时刻重力值换算月漂移,青岛海洋地质所的月漂移就会有30个值,最大达7×10-5m·s-2,显然是不符合事实的.3在海岸实验室中，重量计静态观测结果和分析3.1重力观测与重力固体潮为了验证KSS31M海洋重力仪的性能,作者于2003年3月12日～4月12日进行了重力仪实验室静态观测.图1MeasuredGravity曲线为原始重力相对观测值(以下简称为重力观测值),因为本台重力仪格值为0.9825,所以没有对原始观测值做换算.需要说明的是,我们没有对重力观测值进行平滑滤波,因此数据是具有微小起伏,幅度在0.04×10-5m·s-2左右(这个幅度的起伏可能也包含了重力仪平台不稳的影响).从图1可见,在重力观测值上叠加了很多振幅达0.2～0.3×10-5m·s-2的扰动,如前所述,是平台不稳受震动引起的.其中,高达1.3×10-5m·s-2的扰动(A点)是受磁力仪拖缆搬运产生震动引起的,其它为室内人员进出开关门、外面车辆通过、楼道搬运物品等因素引起的.总体看,重力观测值具有与重力固体潮理论值(图1中CalculatedSolidEarthTideGravity曲线)相同的周期变化特征,重力观测低值对应于重力固体潮低值,反之亦然.但重力观测值和重力固体潮计算值的高低值与海潮高低潮值(Maxandminseatide)和每小时观测值相位并不完全相同.但是,重力观测值表现出与我们常认为的线性漂移明显不同的曲线变化形态:在71d至72d,重力观测值由-1151.8陡直下降到-1152.5,幅度高达0.7×10-5m·s-2;随即至第81d,重力观测值比较平缓,幅度在1×10-5m·s-2;而从81d开始,至102d,重力读数由-1152.7增加到-1151.1,随即又下降到-1152.0,表现出明显的拱形曲线特征.这个曲线的幅度高达1.5～1.7×10-5m·s-2,无法用重力固体潮理论值的周期变化来解释特征,因为重力固体潮值的幅度仅为0.2～0.3×10-5m·s-2.从图1可以明显看到,在3月28日至4月11日之间的重力观测值明显表现出半周期的拱形,恰好对应于天文海潮的14d周期.因此,作者将幅度高达1.5～1.7×10-5m·s-2的拱形曲线解释为海潮海浪的间接效应影响.但定量计算海潮对重力观测的影响比较复杂,若有学者对此感兴趣,作者愿意提供观测数据做定量的计算.3.2月漂移值的确定虽然存在这干扰和非线性变化,但长达32d的重力观测数据仍显示:KSS31M海洋重力仪室内静态观测的月漂移小于每月3×10-5m·s-2的国家标准.如果以观测期间的最低值和最高值之间的差值作为月漂移值,KSS31M海洋重力仪在中国科学院海洋研究所重磁实验室的月漂移是1.7×10-5m·s-2.若扣除固体潮理论重力值和潮汐海浪对重力观测值的影响,重力仪本身的漂移应该更小.3.3重力观测与日变周期本文在这里所说的重力日变包括固体潮、海潮间接效应和其它的二级效应.从图1可以看出,重力观测值与重力固体潮理论值相位相同,清晰地反映出固体潮的影响.尤其显著的是,重力观测值与固体潮理论重力值具有一致的变化特征,都同时显示了W型或M型的变化.W型指每个周期内的重力低具有相近的幅度,而M型指每个周期内一个重力低较小,甚至很微弱.但重力观测值振幅比重力固体潮理论值普遍大0.05～0.1×10-5m·s-2,作者认为是海洋重力仪精度低于陆地重力仪(mGal)、在海边受海潮间接效应影响引起的.从第90d至95d稳定的重力观测值,可以推算出海洋重力仪观测值的变化周期约为24小时40～50分,与固体潮理论重力值变化周期吻合.遗憾的是,由于重力观测值含有很多小的扰动,利用重力观测数据严格计算出重力仪观测值日变的周期比较困难,有待于利用优秀的数据做计算.3.4固体潮理论值变化和局部潮水动力特性与重力效应从图1和图2中可以看出,KSS31M海洋重力仪可以精确地记录到重力固体潮理论值变化和局部潮汐海浪的重力效应.从其变化特征看,重力仪的精度优于0.1×10-5m·s-2.但受重力仪平台不稳定的影响,叠加了大量的高达0.2～0.4×10-5m·s-2的震动引起的扰动.4重力观测系统的稳定性(1)重力仪观测值不仅可以清晰地反映固体潮的变化特征,并且变化幅度也比较接近.因此可以得出结论:重力仪的精度优于0.1×10-5m·s-2,栾文中的“随即振荡”不