海洋重力水下重力测量技术进展
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海洋重力▏水下重力测量技术进展地球重力场是地球重要的基本物理特征之一,地球重力场测量对推动地球物理学、地球动力学、大地测量学、海洋测量学、空间科学等学科的发展具有重要作用。
海洋占据了地球表面的71%,是地球重力场测量的重要对象,海洋重力测量是地球重力场建模的主要数据来源。
目前广泛采用的海洋重力测量技术为船载重力测量技术,具有一定的局限性:根据谐波分析,海底重力信号强度按照e=2πΔz/λ的衰减规律向海面传播,其中,Δz为观测距离,即重力场源与重力测量设备之间的距离,λ为重力信号各傅里叶分量的波长。
因此,在船载重力测量中,水层像一个巨大的低通滤波器,随着观测距离的增加,海底重力信号中的高频(短波)分量会迅速衰减并率先消失,故而水面并不是理想的观测位置。
如果将观测位置从水面移到水下,在近海底甚至是海底进行重力测量,就可以避免高频分量的衰减,还能够获得更高强度的重力信号,这就是水下重力测量。
根据重力仪的运动状态,又可分为水下静态重力测量和水下动态重力测量。
重力信号中的低频分量主要受地球深部质量影响,反映地壳深处地质特征;高频分量主要受地球浅部质量影响,反映地壳表层地质特征。
船测重力数据无法探测到海底重力信号中的高频信息且其测得的信号强度较弱,只能用于研究有关地壳深处地质特征的理论,无法满足洋底地壳表层研究需求。
在军事领域,潜艇的水下长航时潜航需要高精度的水下导航系统,其核心是高性能惯性导航系统,随着惯性器件精度的提高,由惯性器件误差引起的定位误差所占比重逐渐减小,重力异常将成为制约高性能惯导精度的主要因素。
为进一步提高惯导精度,需要进行重力异常补偿,重力异常补偿有两种途径:一是潜艇搭载重力仪进行实时重力测量,二是利用先验重力海图进行补偿,以上两种方法都需要发展水下重力测量技术。
地球重力场还可以用于水下重力匹配导航,如采用船测重力海图作匹配参考,需将船测重力数据向下延拓至潜航器工作深度,这一过程是发散的,会引入很大误差,甚至可能导致匹配失败,水下重力测量则可直接构建水下近海底重力场模型,重力辅助导航可直接使用测量深度附近的重力场数据作为参考或采用向上延拓算法延拓至工作深度,免除了向下延拓计算存在的发散问题,提高了重力匹配导航的精度。
海洋地球物理观测技术在海洋资源勘探中的应用海洋是地球最广阔的领域之一,蕴藏着丰富的资源潜力。
然而,由于其深远和复杂的特性,对海洋资源的勘探一直是一个具有挑战性的任务。
随着科技的进步,海洋地球物理观测技术得到了广泛应用,并显著推动了海洋资源勘探的发展。
海洋地球物理观测技术是指利用物理手段对海洋内部和周边环境进行观测、探测和监测的技术手段。
它主要包括声学观测技术、电磁观测技术和重力观测技术。
下面将详细介绍这些观测技术在海洋资源勘探中的应用。
声学观测技术是利用声波在水中传播的特性进行观测和探测的技术手段。
其中,声纳技术是一种常用的声学观测技术。
通过发射声波信号,并接收和分析回波信号,可以测量海底地形、海水中的生物和地质特征等信息。
这对于海洋石油和天然气勘探中的钻井、钻孔以及蓄积构造研究具有重要意义。
电磁观测技术是利用电磁波在海水中的传播和反射等特性进行观测和探测的技术手段。
其中,电磁感应法是一种常用的电磁观测技术。
通过测量海底和水下沉积物的电阻率、磁导率、电磁响应等物理参数,可以推断出地下的油气、矿产和热液等资源的分布情况。
这对于海洋矿产资源勘探、海底沉积物的成因和演化研究等提供了重要依据。
重力观测技术是利用地球的重力场和物体间的引力作用进行观测和探测的技术手段。
在海洋资源勘探中,重力观测技术广泛应用于测量海底地形的重力异常、油气藏的重力异常等。
通过分析重力异常的特征,可以判断出潜在的油气藏和矿产资源分布的可能性,从而指导海洋资源的开发和勘探工作。
除了上述的声学观测技术、电磁观测技术和重力观测技术,海洋地球物理观测技术还包括磁观测技术、地电观测技术等。
这些观测技术在海洋资源勘探中的应用,不仅拓宽了研究手段,提高了勘探效率,还为制定科学的开发策略和资源评价提供了可靠的依据。
总的来说,海洋地球物理观测技术在海洋资源勘探中发挥着重要作用。
它们通过对海洋内部和周边环境进行准确观测,为海洋资源的勘探提供了科学的依据和技术支持。
海底水文地球物理探测技术的研究进展近年来,随着人们对海洋资源的需求越来越高,对海底地质和地球物理探测的需求也日益增加。
海底水文地球物理探测技术,是指利用地球物理、水文和海洋学等科学技术手段对海底进行探测和研究,主要包括测深、磁、重力、电、声等方法。
本文将介绍海底水文地球物理探测技术的研究进展。
一、测深技术测深技术是指通过测量水深来了解海底形态的一种技术手段。
近年来,新型测深技术得到了迅速发展。
例如机载深水激光测深技术、卫星高程数据测深技术等。
其中,机载深水激光测深技术是目前最为成熟和应用最广泛的一种测深技术。
该技术能够快速、高精度地获取水深数据,适用于对海底地形进行高精度测量和建模。
另外,卫星高程数据测深技术也是一种新兴的测深技术。
该技术利用卫星激光高程探测仪对海洋表面高程进行测量,可以实现全球范围内海洋高分辨率的水深测量。
二、磁测技术磁测技术是指根据海底地壳中的磁性物质对地球的磁场的反应特性,通过一定的方法测量地壳磁场的强度和磁性方向,从而识别海底地壳的结构和性质的一种技术手段。
近年来,高精度磁场探测技术得到了快速发展。
例如,磁性测量无人机、磁性测量地移测量技术等。
这些新技术的应用,使海底磁场测量能够更加高效、高精度地进行,为海底地球物理探测提供了重要的技术支撑。
三、重力测技术重力测技术是通过测量海面现场的重力值,反推出底部岩石的质量密度,从而推断出海底地质的构造以及地下水、油气等物质的分布和状况。
近年来,重力测技术仪器的微型化和智能化使得重力测技术得到了很大的提升。
例如,自主移动重力仪、无人机遥感重力测量等。
这些新技术的应用,使得重力测技术能够更加高效、高精度地进行,为海底地球物理探测提供了重要的技术保证。
四、电测技术电测技术是指利用电测仪器在海底或海洋底质中记录电场、地电场或电磁场,多用于海底油气勘探和勘察矿产资源的一种技术手段。
新技术的应用和发展,使电测技术不仅具备高灵敏、高分辨率、高效益等特点,还开展出一系列新颖的电磁方法技术如海底地震探测技术、磁电测技术等。
海洋勘探的发展与展望重力勘探什么是重力勘探?重力勘探地球物理勘探方法之一。
是利用组成地壳的各种岩体、矿体间的密度差异所引起的地表的重力加速度值的变化而进行地质勘探的一种方法。
它是以牛顿万有引力定律为基础的。
只要勘探地质体与其周围岩体有一定的密度差异,就可以用精密的重力测量仪器(主要为重力仪和扭秤)找出重力异常。
然后,结合工作地区的地质和其他物探资料,对重力异常进行定性解释和定量解释,便可以推断覆盖层以下密度不同的矿体与岩层埋藏情况,进而找出隐伏矿体存在的位置和地质构造情况。
重力数据的处理和解释野外获得的重力数据要作进一步处理和解释才能解决所提出的地质任务,主要分3个阶段:野外观测数据的处理,并绘制各种重力异常图:重力异常的分解(应用平均法﹑场的变换﹑频率滤波等方法),即从叠加的异常中分出那些用来解决具体地质问题的异常:确定异常体的性质﹑形状﹑产状及其他特徵参数。
解释分为定性的和定量的两个内容,定性解释是根据重力图并与地质资料对比,初步查明重力异常性质和获得有关异常源的信息。
除某些构造外,对一般地质体重力异常的解释可遵循以下的一些原则:极大的正异常说明与围岩比较存在剩馀质量;反之,极小异常是由质量亏损引起的。
靠近质量重心,在地表投影处将观测到最大异常。
最大的水平梯度异常相应于激发体的边界。
延伸异常相应于延伸的异常体,而等轴异常相应于等轴物体在地表的投影。
对称异常曲线说明质量相对于通过极值点的垂直平面是对称分布的;反之,非对称曲线是由于质量非对称分布引起的。
在平面上出现几个极值的复杂异常轮廓,表明存在几个非常接近的激发体。
定量解释是根据异常场求激发体的产状要素建立重力模型。
一种常用的反演方法是选择法,即选择重力模型使计算的重力异常与观测重力异常间的偏差小于要求的误差。
由于重力反演存在多解性﹐因此﹐必须依靠研究地区的地质﹑钻井﹑岩石密度和其他物探资料来减少反演的多解性。
重力异常和重力改正观测重力值除反映地下密度分布外,还与地球形状﹑测点高度和地形不规则有关。
海洋矿产勘探开发装备的重力与磁性测量技术随着地球上陆地矿产资源的日益减少,对海底矿产资源的开发呈现出越来越大的潜力和重要性。
海洋矿产勘探开发装备的重力与磁性测量技术,作为一种重要的海洋勘探手段,在近年来得到了广泛的应用。
重力与磁性测量是通过测量地球引力场和地磁场的变化,以获取地下矿产资源的分布情况。
重力测量是指通过测量在某一点上物体所受到的引力来确定沉积物或矿体的存在与储量大小;磁性测量则是通过测量地球磁场的变化,来判断地下是否存在具有磁性的矿物质。
这两种技术在海洋矿产勘探中发挥着不可替代的作用。
首先,重力与磁性测量技术具有快速性和高效性的特点。
相比于传统的海底钻探等勘探方式,重力与磁性测量技术无需大规模的人力投入和设备搭建,能够快速获取大范围的地下信息,为后续的勘探工作提供重要的参考依据。
其次,重力与磁性测量技术具有非破坏性的优势。
传统的海底钻探等勘探方式往往需要破坏海底环境和生态系统,而重力与磁性测量技术几乎没有对环境造成损害,对海洋资源的保护具有积极的意义。
此外,重力与磁性测量技术在勘探结果的准确性方面也具备一定的优势。
重力与磁性测量技术通过测量地球引力场和地磁场的变化,可以较为准确地判断地下蕴藏的矿产资源的分布情况。
通过将重力与磁性测量结果与其他地质勘探数据相结合,可以进一步提高勘探结果的精度和可靠性。
在实际应用过程中,重力与磁性测量技术也存在一些挑战和难点。
首先,海洋环境的复杂性使得测量设备和技术要求更高。
海洋中的水流、海底地貌等因素都会影响测量结果的准确性,需要设计和使用更加稳定和精密的测量设备,以确保数据的可靠性。
其次,重力与磁性测量技术还需要克服数据解释的困难。
重力和磁性数据的解释比较复杂,需要结合地质、地球物理等多学科的知识,进行深入分析和综合判断。
这就要求相关专业人员具备较高的专业素质和综合能力,才能对数据进行科学合理的解读。
此外,重力与磁性测量技术在应用过程中还需要注意数据的处理和引用方法。
海洋重力测量及其在重力场中的应用摘要海洋重力测量是在海上或海底进行连续或定点观测的—种重力测量方法。
近几年来,随着卫星技术的发展,精密的海洋重力仪不断出观,海洋重力得到迅速的发展。
简要介绍海洋重力测量的特点及其发展,阐述其技术设计与实施,分析其在全球重力场研究中的重要作用。
关键词海洋重力测量;重力场;应用海洋占地球面积的71%,要准确研究地球形状与地球内部构造,勘探海洋丰富的矿产资源,保障航天和远程武器发射等,就必须了解海洋重力场精细结构。
高精度的海洋重力测量正是解决这些问题的重要手段之一。
近年来,卫星技术取得了较大的进展。
未来海洋重力场的精细结构,可以利用卫星测高、卫星重力梯度测量和海洋重力测量相结合的方法来研究。
1 海洋重力测量1)重力测量的重要性。
自然界的一切现象几乎都与重力有着密切的联系,因此重力测量的应用范围很广。
例如,在地球物理勘探中,由于岩石和矿石的密度不同所引起的重力场的变化,可用来寻找矿藏和了解地质构造;在地球物理学中,可以利用重力测量的数据去测定地球的弹性、密度及地壳的构造;在大地测量学中,要用重力数据去归算观测成果和研究地球形状;在导弹与航天技术中,重力测量资料可为空间飞行器的轨道计算和惯性导航服务,提高导弹的命中率。
2)海洋重力测量与陆上测量的不同。
海洋重力测量与陆上测量不同,它是在海洋环境下进行的连续动态测量。
因此,在克服外界干扰,提高测量精度方面,有着自己特殊的考虑;在仪器设备和测量实施等方面也与陆上测量有着很大的差别。
海洋重力测量开展较晚的原因是在于它不同于陆地重力测量,海洋重力测量必须在运动状态下,即所谓的动基座上进行。
因此,它会受到外部条件的干扰。
这种干扰可以概括为以下六个方面:①径向加速度影响。
这是由于测量船的航迹为曲线所产生的径向加速度对重力观测的影响;②航行加速度影响。
这是因为测量船的航速不均匀产生加速度对重力观测的影响;③周期性水平加速度影响。
这是由于波浪起伏及机器震动等因素引起的船在水平方向上的周期性振动对重力观测的影响;④周期性垂直加速度影响。
重力法在海洋勘探中的应用资工11204 方世祥地球的表面的3/4被海洋覆盖,海底是世界上最大的资源宝库,大量的石油、天然气及各种矿产蕴含其中,海底资源探测对人类的生存和发展及其重要;另外,海洋空间的利用也越来越迫切,涉及到海底工程勘察,海底管线探测,浅海水深探测、浅海底电导率填图、咸水-淡水分界面探测,探测化学污染区,承压含水层盐渍或污染探测等领域,海洋地壳上覆盖着深浅不同的海水,所以地球物理方法是探测研究海底的必不可少的手段之一。
除了地震方法之外,海洋重力法是一种主要的海洋地球物理方法,它适用于地震方法不易分辨而重力勘探拥有优势的区域。
要准确研究地球形状与地球内部构造,勘探海洋丰富的矿产资源,保障航天和远程武器发射等,就必须了解海洋重力场精细结构,高精度的海洋重力测量正是解决这些问题的重要手段之一。
近年来,卫星技术取得了较大的进展。
未来海洋重力场的精细结构,可以利用卫星测高、卫星重力梯度测量和海洋测量相结合的方法来研究。
1、什么是重力勘探?重力勘探地球物理勘探方法之一。
重力勘探是测量与围岩有密度差异的地质体在其周围引起的重力异常﹐以确定这些地质体存在的空间位置﹑大小和形状﹐从而对工作地区的地质构造和矿产分布情况作出判断的一种地球物理勘探方法。
它是以牛顿万有引力定律为基础的。
只要勘探地质体与其周围岩体有一定的密度差异,就可以用精密的重力测量仪器(主要为重力仪和扭秤)找出重力异常。
然后,结合工作地区的地质和其他物探资料,对重力异常进行定性解释和定量解释,便可以推断覆盖层以下密度不同的矿体与岩层埋藏情况,进而找出隐伏矿体存在的位置和地质构造情况。
2、运用领域在区域地质调查﹑矿产普查和勘探的各个阶段都可应用重力勘探﹐要根据具体的地质任务设计相应的野外工作方法。
3、应用条件应用重力勘探的条件是﹕被探测的地质体与围岩的密度存在一定的差别﹔被探测的地质体有足够大的体积和有利的埋藏条件﹔干扰水平低。
4、重力仪marine gravimeter 是船舰上或潜水艇内使用的重力仪。
重力法在海洋勘探中的应用重力法在海洋勘探中的应用资工11204 方世祥地球的表面的3/4被海洋覆盖,海底是世界上最大的资源宝库,大量的石油、天然气及各种矿产蕴含其中,海底资源探测对人类的生存和发展及其重要;另外,海洋空间的利用也越来越迫切,涉及到海底工程勘察,海底管线探测,浅海水深探测、浅海底电导率填图、咸水-淡水分界面探测,探测化学污染区,承压含水层盐渍或污染探测等领域,海洋地壳上覆盖着深浅不同的海水,所以地球物理方法是探测研究海底的必不可少的手段之一。
除了地震方法之外,海洋重力法是一种主要的海洋地球物理方法,它适用于地震方法不易分辨而重力勘探拥有优势的区域。
要准确研究地球形状与地球内部构造,勘探海洋丰富的矿产资源,保障航天和远程武器发射等,就必须了解海洋重力场精细结构,高精度的海洋重力测量正是解决这些问题的重要手段之一。
近年来,卫星技术取得了较大的进展。
未来海洋重力场的精细结构,可以利用卫星测高、卫星重力梯度测量和海洋测量相结合的方法来研究。
1、什么是重力勘探?重力勘探地球物理勘探方法之一。
重力勘探是测量与围岩有密度差异的地质体在其周围引起的重力异常﹐以确定这些地质体存在的空间位置﹑大小和形状﹐从而对工作地区的地质构造和矿产分布情况作出判断的一种地球物理勘探方法。
它是以牛顿万有引力定律为基础的。
只要勘探地质体与其周围岩体有一定的密度差异,就可以用精密的重力测量仪器(主要为重力仪和扭秤)找出重力异常。
然后,结合工作地区的地质和其他物探资料,对重力异常进行定性解释和定量解释,便可以推断覆盖层以下密度不同的矿体与岩层埋藏情况,进而找出隐伏矿体存在的位置和地质构造情况。
2、运用领域在区域地质调查﹑矿产普查和勘探的各个阶段都可应用重力勘探﹐要根据具体的地质任务设计相应的野外工作方法。
3、应用条件应用重力勘探的条件是﹕被探测的地质体与围岩的密度存在一定的差别﹔被探测的地质体有足够大的体积和有利的埋藏条件﹔干扰水平低。
海洋重力▏水下重力测量技术进展地球重力场是地球重要的基本物理特征之一,地球重力场测量对推动地球物理学、地球动力学、大地测量学、海洋测量学、空间科学等学科的发展具有重要作用。
海洋占据了地球表面的71%,是地球重力场测量的重要对象,海洋重力测量是地球重力场建模的主要数据来源。
目前广泛采用的海洋重力测量技术为船载重力测量技术,具有一定的局限性:根据谐波分析,海底重力信号强度按照e=2πΔz/λ的衰减规律向海面传播,其中,Δz为观测距离,即重力场源与重力测量设备之间的距离,λ为重力信号各傅里叶分量的波长。
因此,在船载重力测量中,水层像一个巨大的低通滤波器,随着观测距离的增加,海底重力信号中的高频(短波)分量会迅速衰减并率先消失,故而水面并不是理想的观测位置。
如果将观测位置从水面移到水下,在近海底甚至是海底进行重力测量,就可以避免高频分量的衰减,还能够获得更高强度的重力信号,这就是水下重力测量。
根据重力仪的运动状态,又可分为水下静态重力测量和水下动态重力测量。
重力信号中的低频分量主要受地球深部质量影响,反映地壳深处地质特征;高频分量主要受地球浅部质量影响,反映地壳表层地质特征。
船测重力数据无法探测到海底重力信号中的高频信息且其测得的信号强度较弱,只能用于研究有关地壳深处地质特征的理论,无法满足洋底地壳表层研究需求。
在军事领域,潜艇的水下长航时潜航需要高精度的水下导航系统,其核心是高性能惯性导航系统,随着惯性器件精度的提高,由惯性器件误差引起的定位误差所占比重逐渐减小,重力异常将成为制约高性能惯导精度的主要因素。
为进一步提高惯导精度,需要进行重力异常补偿,重力异常补偿有两种途径:一是潜艇搭载重力仪进行实时重力测量,二是利用先验重力海图进行补偿,以上两种方法都需要发展水下重力测量技术。
地球重力场还可以用于水下重力匹配导航,如采用船测重力海图作匹配参考,需将船测重力数据向下延拓至潜航器工作深度,这一过程是发散的,会引入很大误差,甚至可能导致匹配失败,水下重力测量则可直接构建水下近海底重力场模型,重力辅助导航可直接使用测量深度附近的重力场数据作为参考或采用向上延拓算法延拓至工作深度,免除了向下延拓计算存在的发散问题,提高了重力匹配导航的精度。
一、技术概述水下重力测量是较早开展的海洋重力测量,1923年,有关文献指出Vening Meinesz首次在潜艇上使用海洋摆仪进行水下静态重力测量实验,并取得了比较满意的效果,但潜艇重力测量存在耗时长、成本高、下潜深度有限、推广困难等问题。
为了解决这些问题,科学家们采取了很多措施对陆地重力仪进行水下适应性改进:起初,陆地重力仪被安装在舷侧三脚架或小型载人潜水钟中,采用人工调平和读数,入水深度很小;随后,科学家们设计出远程操作和读数系统,将重力仪装入水下承压舱中,使重力仪的测量深度达到几百米量级。
目前,水下静态重力测量精度可与地面重力测量精度相媲美,测量深度可达到千米量级,但这种逐点测量方式单点测量时间长、单次下潜测量点数有限,不能进行大面积重力测量。
20世纪60年代,陀螺稳定平台的出现和高阻尼传感器的发展有效消除了水面舰船船体所受干扰加速度的影响,船载走航式重力测量逐渐取代水下静态重力测量,发展至今已成为海洋重力测量的中流砥柱,是海洋重力场数据的重要来源。
到20世纪90年代,船测数据已不能满足人类探索海洋日益增长的需求,潜入水中、贴近海底、获得更丰富的重力信息再一次成为研究热点,但不再是简单的回归,为解决水下静态重力测量成本高、效率低、覆盖面积小等问题,人们开始开展水下动态重力测量研究,并发展出两种主流测量方案:分别采用ROV和AUV作为水下测量平台,两种方案各有优缺点,表 1进行了详细对比。
二、国外水下重力测量技术进展目前,国外利用水下静态重力仪监测海底重力异常随时间的变化,据此分析和预测海底地壳变动的时间变化规律。
Glenn S Sasagawa团队设计了用于监测海底气田海水侵入情况的水下静态重力仪ROVDOG,他们将安装在常平架上的CG-3M陆地重力仪装入水下承压舱中,搭载在ROV上,通过船载操控系统远程监控、读取数据,根据ROVDOG在海底的同一地点测得的随时间变化的重力数据来推断海水侵入气田的情况。
1998年7月,他们进行了第一次海试,在32个站点进行了75次测量,重力异常重复测量精度达到0.026mGal;随后他们在原来的基础上又增加了两个重力传感器,能同时采集3组数据,然后输出平均值作为测量结果;2000年8月的海试中,在68个站点进行了159次测量,重力异常重复测量精度达到0.019 mGal。
此外,他们还设计了一个深度上限达4500m的承压舱,2000年11月搭载在Alvin载人潜航器上在2700m的深度进行了水下测量实验。
国外水下动态重力测量现在仍处在实验阶段,还未达到商业化实用水平。
1995年加州大学的Mark A Zumberge等在圣迭戈海沟开展了基于二级拖体的水下近海底重力测量实验,核心部件为L&RS型海空重力仪,平均入水深度935 m,测量位置接近海底,航速1~2节,其水下拖体结构如图 1所示。
两个球形压力箱分别保护电气系统和传感器系统,玻璃浮球和复合泡沫材料为拖体提供浮力,上升把手便于母船吊装,稳定尾有利于拖体保持平衡,拖曳索连接处可以自由旋转,能够有效减小外部晃动作用在拖体上的干扰加速度。
图 2展示了其二级拖体结构,一级拖体安装有深度计、下探声呐等设备,便于母船根据反馈信息收放拖缆,防止重力仪与海底发生碰撞,此外,它还起到配重作用,可以有效隔离母船的干扰加速度,使重力仪大致处于悬浮状态,提供平稳的重力测量环境。
图 1 加州大学海空重力仪水下拖体结构图 2 水下拖曳装置示意图加州大学的实验探索了新的重力测量模式,但其对重力仪的测速定姿定位并不精确,在重力解算中进行了一系列的近似:一是通过母船位置和拖曳装置的直角三角形几何关系估算重力仪的位置并通过声呐进行修正;二是忽略水平加速度引起的重力测量误差;三是重力仪的速度由母船的速度和绞车收放线缆的速度计算所得;四是近似认为重力仪的航向与母船航向相同。
有关文献将测量结果用于建立简单的洋底地理特征模型,但由于没有精确的位置信息,这些测量结果不能进行重力场建模或其他需要精确重力数据的应用场合。
1995年James R Cochran等将一台BGM-3航空重力仪安装在DSV Alvin载人潜航器上,在东太平洋一处海底山附近进行了近海底水下动态重力测量实验,单条测线长达8 km,重复测线间的侧向偏差控制在20~30 m之内,航速为1~2节,距离海底3~7m。
通过设置重力异常固定参考点,测得同一位置不同航次的内符合精度优于0.3mGal,测线上重力异常的分辨率为130~160m。
他们采用3个水声应答器进行水下导航,导航过程中出现的短暂丢帧采用插值法补齐位置数据。
与加州大学的工作相比,他们实现了视距范围内测量,可以同步观测海底地形地貌信息,将重力数据与其他地球物理信息进行联合研究。
在2000年的改进型实验中,他们为潜航器添加了DVL辅助导航,将测线上重力异常的分辨率提高到100m。
日本东京大学的Hiromi Fujimoto等在AUV水下动态重力测量领域做了大量的工作。
2000年,他们将一台改造的CG-3M重力仪安装在一艘名为R-ONE Robot的AUV上进行实验:重力仪被安装在光学陀螺稳定平台上,温控系统将温度保持在60℃,并为其配备了减震系统,更重要的是,AUV 配备了INS/DVL组合导航系统,并用水声定位作为补充,用于进行精确的导航定位和厄特沃斯修正。
他们在实验室进行了水箱实验,又在港口进行了船载系泊实验,精度可达1 mGal。
由于陀螺性能和系统机械原因,水下航行试验并未成功。
2009年,他们重启项目,在原来的基础上进行改进和完善,换用了Micro-G Lacoste公司新式的重力仪L&RS-174,这是从Lacoste海空重力仪改造而来的版本:量程缩小为原来的1/10,即±20 Gal,去除温控和磁屏蔽,尽可能减小重力仪体积,然后将重力仪安装在陀螺稳定平台上,在稳定平台外加温控和磁屏蔽,光纤陀螺稳定平台通过PID控制器在静态条件下能将重力仪垂向精度稳定在0.000 4°以内,温控系统将温度精确地控制在60.4℃,用坡莫合金包裹住重力仪和稳定平台的直流伺服电机,将磁场影响由0.2mGal降低到0.001mGal;承压舱为直径50cm的钛合金球体,最大能够承受4200m的水深压力。
AUV对系统进行供电,测量船通过与AUV之间的声学通信链路实现水下系统的控制与监测,测量得到的原始数据经过低通滤波后以100 Hz存储滤波后结果,AUV 水下动态重力测量示意图如图 3所示。
图 3 AUV水下动态重力测量示意图2012年,这套系统进行了第一次海试,AUV定速定深进行了两次重复测线测量实验,测试结果表明,与之前在此水域进行的水面重力测量结果相比,该系统能够探测出更精细的由地形起伏所产生的重力变化,重复线精度可达0.1mGal。
在150s低通滤波、航速2节的条件下,测线上重力异常分辨率可达75 m。
2014年,第二代系统进行了一次海试,下潜一次,在长约8h的时间里进行了15条测线的调查,高效地获得了高质量的数据。
三、国内水下重力测量技术进展早期我国的海洋重力调查主要设备为自行研制的三脚架、潜水重力钟等,后来又研制成功遥控重力仪、SG型海底重力仪等设备,主要勘探区域为近海浅滩。
1958~1961年,由中原和广东物探大队等单位将陆地重力仪改装为海底重力仪,在南海沿海进行了小范围重力测量。
1965年石油部组成海洋地质调查一大队,使用西安石油地质仪器厂以金属弹簧重力仪改装的海底重力仪,在渤海海域进行了1:20万的海底重力测量,并据重力资料进行了含油构造的解释与研究。
1981年,为了探讨渤海基底结构特征,中科院海洋研究所调查船“海燕号”用КДГ-Ⅱ型海底石英重力仪和国产ZH641型金属弹簧重力仪在渤海进行了联合观测。
1995年,地质矿产部物化探研究所采用引进和自主开发相结合的方法,开发研制出我国首批用于浅海高精度重力测量的设备,用于环渤海各油田浅海高精度重力测量中,取得了丰富的信息,对这些地区的油气进一步开发提供了重要依据。
此外,国内还有很多其他从事水下重力测量研究的单位,中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所的卢景奇工程师曾撰文介绍其多年从事海底重力测量工作时从大量海上作业摸索总结出来的经验,并在浅海重力测量中得到了有效的应用。
到目前为止,我国所开展的都是水下静态重力测量实验,且基本都在浅海海域,尚未进行水下动态重力测量实验。
但已开始相关的理论研究,分别对AUV方案和ROV方案展开了论证分析,为下一步的样机研制积累了一定的基础。