高精度海洋重力測量理論與方法

⑴ 海洋重力測量的測量原理

地球上的一切物體都要受到地球的吸引力和地球自轉所產生的慣性離心力的作用。兩者的向量和即為重力。重力測量即測定地球上重力加速度（重力測量中，習慣以單位質量的質點所具有的重量定義為重力加速度，通稱重力）或其增量。從理論上講，海洋重力測量主要是查明地球質量中的那些異常質量（或稱地質質量）的分布狀況，而異常質量僅相當於地球質量的極小部分，產生的重力異常不過是全部重力的百萬分之幾，因而要求重力測量儀器必須有足夠的靈敏性和很高的精確度。
海上重力測量技術遠較陸地測量復雜。調查船在風、海流、浪涌和潮汐的作用下，隨著海洋表面水體作周期性或非周期性的運動。由於船隻的這種運動所發生的縱傾和橫搖，以及航速和航向的偏差，都對船上重力儀附加以相當強的水平干擾加速度和垂直干擾加速度，使得海上重力測量從原理、儀器直至觀測方法都表現出一定的特殊性。
船上重力儀是海洋重力測量的主要設備，是在船隻行進中連續測定重力加速度相對變化的儀器。船隻的水平干擾加速度和垂直干擾加速度，以及震動等對儀器有很大影響。此外，船向東航行時，船速增大了作用在重力儀上的地球自轉向心加速度，而向西航行時，船速減小這種向心加速度。這種導致重力視變化的作用稱厄缶（厄特渥斯）效應。這個效應的大小與航向、航速和船隻所處的地理緯度有關。克服和消除上述各項干擾效應始終是提高觀測精度的關鍵。

⑵ 海洋重力測量是做什麼的

海洋重力測量是用重力儀在調查船上或海底觀測岩層質量分布的不均勻性;通過對重力異常的分析

⑶ 海洋重力測量的發展

1903年，德國地球物理學家O.黑克爾最早在海船上用氣壓計進行重力測量，但未能獲得好的結果。1920年荷蘭大地測量和地球物理學家F.A.芬寧·梅因納斯提出海洋擺儀理論並制出可消除干擾加速度影響的三擺儀；20～30年代，在他的主持下使用潛艇進行了大西洋、印度洋和爪哇海域的海洋擺儀測量，獲取了大量海洋重力資料，發現在海溝處有明顯的負重力異常。50年代相繼製造出幾種裝在水面船隻上，航行時做連續觀測的船上重力儀。至60年代中期，這類儀器日臻完善，觀測精度高，使用簡便，從而逐漸取代了擺儀，加速了海洋重力測量的發展。

⑷ 海洋重力測量的觀測方法

海洋重力測量的方式有：用海底重力儀進行定點觀測；用海洋重力儀在船上進行連續重力測量；用海洋振擺儀在船上或潛艇內進行定點觀測。後者效率較低，精度也較差。目前主要採用前兩種方法。
海洋重力測量是測量海區重力加速度的工作。海洋重力測量技術的進步，以及重力成果的廣泛使用越來越證明海洋重力數據在大地測量學、地球科學、海洋科學、航天技術的研究和軍事上的重要意義。
充分的重力測量數據，可以求定大地水準面的形狀。現陸地重力數據比較充分，海洋重力數據不足，而且海洋面積大，一旦有了充分的海洋重力數據，就可得出較精確的全球大地水準面的形狀，這對海洋測量本身，以及研究地球形狀都是非常必要的。
海底具有不同密度的地層分界面，這種界面的起伏會導致重力的變化。因此，通過對各種重力異常的解釋，包括對某些重力異常的分析和延拓，可以取得地球形狀、地殼構造和沉積岩層中某些界面的資料，進而解決大地構造、區域地質方面的任務，為尋找礦產提供依據。
重力加速度會影響航天器的飛行，因此，重力異常數據對保證航天和遠程武器的發射是不可缺少的資料。
基本上採用走航式的連續觀測方法。海洋重力測量與陸上重力測量相比，有它的特殊要求：①需要在港口碼頭建立重力基點；②需要准確的船隻運動參數（航向、航速、位置）；③要求船隻沿著航線（測線）盡量保持勻速直線航行。另外，還要求儀器適於不同深度海區和任意航速下的觀測。當配有衛星導航系統時，船隻可晝夜連續工作，日效240～360海里。
海上重力測量的精度普遍比陸地低，近海的海底重力儀觀測精度（以均方誤差表示）為±0.2～±0.8毫伽，遠海區為±3～±5毫伽，深海遠洋區更低。其主要原因是測點位置的測定誤差很大(幾百米至幾海里不等)，以及厄特渥斯校正的偏差。

⑸ 海洋重力測量

海洋重力測量是為研究地球形狀和地球內部構造、勘探海洋礦產資源、保障航天和遠程武器發射等提供重力資料，它是把重力儀安裝在船上，在航行中進行重力測量，工作效率高。

海洋重力測量分路線測量(斷面測量)和面積測量兩種方式，基本上採用走航式的連續觀測方法。與陸地重力測量相比，有特殊要求：①需要在港口、碼頭建立重力基點，重力測量採用單次觀測法，起始、閉合於這些基點；②需要准確的船隻運動參數(航向、航速及位置)；③要求船隻沿航線測線盡量保持勻速、直線航行。

⑹ 海洋重力測量的介紹

海洋重力測量（maine gravimetric survey ）是 海洋地球物理測量方法之一。重力測量以牛頓萬有引力定律為理論基礎，以組成地殼和上地幔各種岩層的密度差異所引起的重力變化為前題，通過專門儀器測定地球水域的重力場數值，給出重力異常分布特徵和變化規律，進而研究地質構造、地殼結構、地球形態和勘探海底礦產等。海洋重力測量是對儀器測得的原始數據引入各項校正計算重力異常的過程。觀測重力值在引入必要的校正後與正常重力值的偏差稱為重力異常。校正的項目很多，但可歸結為兩類：一類是為得到觀測重力值所作的校正，如厄特渥斯校正、零點漂移校正、引入絕對重力值等；另一類是為得到重力異常所附加的校正，如自由空間校正、布格校正、地形校正和均衡校正，最後是正常場校正（見海洋重力異常）。海洋重力測量最終的成果是調查海域的重力異常平面圖（等值線圖）或剖面圖，以及相應的文字說明和調查報告。

⑺ 海洋重力測量的測量儀器

有海洋擺儀和海洋重力儀兩大類。海洋擺儀是根據單擺原理設計的，藉助光學照相系統觀測擺動周期的變化。它的缺點是結構復雜、笨重低效、抗震性差、資料整理冗繁，因而逐步為重力儀所取代。海洋重力儀按工作條件的差別分為海底重力儀、水中重力儀和船上重力儀。船上重力儀以彈性系統結構劃分，有力平衡型（又分直立型和旋轉型）和振弦型。船上重力儀的結構原理是通過彈簧的伸縮量，水平擺桿的偏角，振弦的頻率變化等測定重力的相對變化。同陸上重力儀相似。

⑻ 海洋重磁測量野外工作方法

王功祥 唐衛

第一作者簡介：王功祥，男，1971年出生，物探工程師，主要從事海洋重磁、地震及各種工程測量工作。

（廣州海洋地質調查局 廣州 510760）

摘要 海洋重磁測量在海洋調查中有著重要位置，有效控制野外資料採集是海洋重磁測量的關鍵一環。本文結合野外作業的實際情況，針對海洋重磁調查中的一些干擾效應進行了對比分析，以期提高海洋重磁調查野外資料採集的質量。

關鍵詞 海洋重磁測量 干擾分析 野外作業

1 海洋重力測量

海上重力測量不同於陸地重力測量，它必須在運動的狀態下，即所謂的動基座（如船）上進行。測量重力加速度的儀器的基座，對與地球連接的坐標系作相對運動。從本質上說，海洋重力儀可算作超高精度的加速度計，它測量的是瞬時重力加速度的一個分量。和任何加速度計一樣，海洋重力儀也可以在相對基座的某個嚴格規定了的方向上記錄加速度變化，這個方向就是儀器的測量靈敏軸。

1.1 海洋重力測量的主要干擾因素及其分析

1.1.1 水平干擾加速度

在水平面上測量的瞬時重力值可表示為G=g+x²/2g-Δа²/2g，其中x表示水平加速度，Δа表示瞬時垂線與真垂線的夾角，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，而瞬時垂線與真垂線的夾角使重力減小Δа²/2g。為了得到重力真值，在平均測量中要引入加速度改正和傾斜改正Δg=-x²/2g+Δа²/2g。如果重力測量儀器安裝在周期比船搖晃周期小得多的常平架中，則常平架縱軸（常平架重心和相互垂直的旋轉軸交點的連線）將隨時跟蹤瞬時垂線方向。因此可以調整儀器，使其靈敏軸幾乎同瞬時垂線一致，這樣Δа即為常平架的定向誤差，採用陀螺穩定平台就是基於這個道理。海上試驗表明，對高達50Gal的加速度，由於穩定平台的周期（大於2分）比波浪周期（小於17秒）大得多，水平干擾加速度產生的誤差很小，仍可以達到1mGal的精度。

1.1.2 垂直干擾加速度

在海洋重力測量中，最大的問題是垂直加速度引起的。由於無法區分開重力加速度和垂直干擾加速度，於是在動基座上的重力測量值實際上是由兩部分組成：一部分是由重力本身引起的彈性系統變化；另一部分則是由垂直加速度作用而影響到重力儀讀數的值。但垂直加速度對重力儀主要是造成瞬間交變干擾，且幾乎按餘弦規律變化，具有周期性特點，若重力儀是線性系統，測量時垂直干擾加速度並不會造成系統誤差，這是其本身的平均值為零的緣故。在現代重力儀中都採用強阻尼措施而大大壓制了垂直干擾加速度，但這也使得在運動著的船上所測的重力異常產生幅度的減小，同時也會引起彈性系統對重力變化的反應有滯後現象，以至於對某些短時間變化的局部重力異常感應不出來，或者減小了數值。

1.1.3 厄特屋斯效應

裝在勻速航行船隻上的重力儀，其讀數除受基座干擾加速度影響外，還受厄特屋斯效應的影響，該效應同地球自轉引起的離心力有關，主要受船航速、航向影響。

1.2 野外操作及其注意事項

1.2.1 設備安裝

干擾加速度主要部分是由船上儀器安裝點的交變擺動的特徵所決定的。干擾加速度的優勢周期和幅度值取決於眾多因素：船型和排水量、儀器位置、波浪特徵、船航向和航區。對於特定的調查船及作業工區，其性能參數是無法改變的，因此儀器安裝位置及環境顯得尤為重要，一般要求將儀器安裝在船縱橫搖的中心點，越靠近艙底越好，且遠離熱源體和強電磁源（主要是由於重力儀內部安裝有用於強阻尼的永久磁鐵）。

1.2.2 碼頭准備

海洋重力儀的彈性系統均為金屬質構造，溫度發生變化，其熱脹冷縮現象顯著，因此保持感測器內部恆溫至關重要。一般來說廠家要求用戶每天24小時不間斷通電加溫，但實際上很難做到，原因是：在儀器長期處於閑置狀態時，長時間通電會導致一些指示燈燒毀，板件也會損壞，如KSS⁃31海洋重力儀控制單元ZE31的LP5.28 5V電源板曾經三次失效，所以只有在備航期間或航次間隔很短時才保持儀器的不間斷通電。啟動重力儀前究竟加溫時間多長，按實際至少是1～2天，時間太短儀器讀數不穩定，或頻繁死機，或無法正常啟動。有時候也有這種情況：儀器面板電流長時間不變化，表明內部溫度指示已達到恆溫數50℃，但實際上金屬質彈性系統並沒有達到均衡恆溫狀態。

當載體發生變化時，海洋重力儀必須做測試，包括平台拋物線測試、小球常數測試、延遲時間常數測試以及傾斜格值測試等，以確保整個系統通道的正常。

1.2.3 掉格現象

掉格是由彈性系統發生儒變或小球下掉所致，掉格現象往往瞬間發生，重力讀數突然增加或減小幾十或幾百個毫伽，在模擬記錄上會出現一條階躍曲線。掉格現象與船變速或偏航情形不同，前者加速度或擺位並無變化，後者則有相應的偏移。在儀器出現掉格時，應停止測量，立即回到掉格前的位置或回到碼頭基點進行重復觀測，以確保前期工作的可信性。

1.2.4 基點比對

基點的作用在於：控制重力測量點的觀測精度，避免誤差的積累；檢查重力儀在某一段工作時間內的零點漂移，確定零點漂移校正系數；推算工區重力測點的相對或絕對重力值。海洋測量時由於距離陸地路途遙遠，不可能經常性地往返基點測量，只能航段性地進行基點比對。為了控制零點線性漂移，海洋重力儀普遍採用了線性系統，即重力讀數變化嚴格正比於重力變化的彈性系統。調查船出航和返航均需比對基點，在基點比對時要記錄好各相關數據，包括重力感測器距基點的垂直、水平距離；調查船左、右舷距水面高度；碼頭距水面高程；儀器讀數及比對時間等。在實際比對基點時有幾個因素我們不得不考慮：基點周圍建築物群的變化；停靠或過往的附近船隻。所有這些干擾物體的相互引力影響，均會造成儀器相對讀數的降低。以廣州海洋地質調查局的海洋四號和探寶號為例，當兩艘大船靠在一起時，多次觀測表明兩船的引力影響導致重力讀數降低2～3毫伽。在海上作業時不可避免地遭遇台風影響，在外港避風時期，觀測收集各地港口、錨地的相對重力值或基點值，對於我們了解、控制儀器掉格情況也是很有幫助的。

圖1 海洋重力模擬記錄

Fig.1 Marine gravity simulation record

1.2.5 實時觀測

在海上工作期間，重力調查質量監控主要是通過模擬記錄來實現（如圖1），即觀察感測器在船運動姿態下感應的縱橫加速度，一般海況下縱橫加速度的變化表現在模擬記錄紙上基本上在以中心點1～2格的范圍內擺動；在惡劣海況下則有3～6格的變化。當船變速或偏航時，縱橫加速度或重力值均會發生變化；由於新型海洋重力儀均直接接入實時定位數據（包括點位、速度、航向），當導航信號不穩定時，重力顯示數據會發生急劇變化，因此將這些變化信息及時記載，對室內處理的幫助是很大的。一般來說，重力測量模擬記錄曲線比較平滑，南北向重力讀數變化大，東西向則較小；對曲線變化較大的地方應多加關注，如海山影響會導致重力數值降低，再如隆起或凹陷，由於剩餘質量的虧損或盈餘會導致重力讀數的減少或增加。在海上，養成與地震資料、水深資料或多波束資料對比觀察的良好習慣，對於提高我們海洋重磁觀測的質量控制不無裨益。另外，了解我國各海區區域相對重力場，對於控制重力測量的野外變數也很有幫助，以KSS⁃31型海洋重力儀為例，如東江口碼頭相對測量值為-1900毫伽左右；南海相對測量值為-1400～-1700毫伽；東海相對測量值為-800～-1000毫伽；黃海相對測量值為-500～-800毫伽左右。

2 海洋磁力測量

2.1 海洋磁力測量的主要干擾因素及其分析

2.1.1 系統雜訊

該誤差與儀器本身固有特性有關，往往不可預測，是一個固定值。電子干擾在船上通常是一個很大的雜訊源，這要取決於儀器設備的安裝條件，尤其是接地，但也會隨著雜訊源的開啟和關閉而變化。

2.1.2 船磁方位效應

方位誤差是由船磁在感測器上的效應引起。在海洋環境中主要由兩個因素引起：一種是船的永久磁場。調查船處於地磁場環境中必然要被磁化，而且磁化後產生的附加磁矩特別強，因而呈現出很強的磁性，磁性一旦形成很難消失，這就組成了船的永久磁場；另一種是船上滲透性物質在地磁場作用下的感應磁場。隨著調查船所處的地磁場變化以及測量船相對地磁場的空間方位的變化，船磁也在不斷變化，這部分瞬時變化的附加磁場就組成了船磁的感應磁部分，感應磁場的方向與地磁場方向一致。在海上測量時，調查船航向的變化只是影響了船磁的感應磁部分。船的永久磁場是由船的固有磁矩產生的，因此大小應該一樣，但隨調查船的航向變化而改變方向。文獻指出：調查船的永久磁場是一個典型的餘弦曲線，感應磁場是一個典型的正弦曲線，而且感應場的影響要比永久磁場大得多。因此船磁的總體影響也應該是一個典型的正弦曲線，也就是我們在實際進行船磁方位試驗時通常見到的「W」形狀。

2.1.3 涌浪和感測器運動干擾

該誤差來源是一種動態環境：來自於海涌的磁性振盪以及拖曳系統中流體的不穩定性因素。海浪雜訊是由於海水中地磁場中的傳播媒介的周期性運動而引起的，這種效應在磁場中產生的周期性變化是很大的，通常10～20秒的周期性海浪運動會產生好幾個納特的磁場變化。但是通常海洋調查有和海浪同樣周期（4～11秒）的采樣率，而且系統雜訊水平也有半個納特，因此涌浪雜訊可能不被識別。另一種誤差源是由於拖曳系統中流體不穩定性引起的，導致了感測器旋轉周期的旋進信號進行周期性調諧，海洋調查對於感測器這種非穩定性因素造成的影響也很難從系統雜訊中分辨出來。

2.2 野外作業及其注意事項

2.2.1 電纜長度的確定

磁力拖曳電纜究竟施放多長目前並無理論上推導，一般經驗法則是：做總場調查時為2～3倍船長，做梯度測量時為3～5倍船長。2000年在南海做亞太光纜調查時，由於水深較淺，平均20m，為保證水面設備安全，我們做了如下試驗：奮斗四號船長85m，施放電纜為170m時，磁力數據非常紊亂；施放電纜為200m時，磁力數據稍好一點，但仍然有點亂；施放電纜為220m時，磁力數據比較平穩；2002年在租用20m小船做淺水物理調查時，當施放磁法電纜到50m時，磁力數據才穩定。這說明只有在拖曳電纜至少為2.5倍船長時，才能採集到正常的磁力數據。

2.2.2 甲板電纜鋪設

甲板電纜是拖曳電纜與磁力設備之間的連接電纜，盡管甲板電纜採用了屏蔽措施，但如果鋪設位置及走向不合適，就會對採集的數據造成影響，特別是在甲板強電磁場區，如架有高壓電纜、集束通訊通信電纜等地方，一定要盡量避開；如實在無法避開，最好使甲板電纜與干擾電纜呈垂直走向通過。野外實際對比觀測表明，如果甲板電纜鋪設不當，往往會有1～3納特的數值附加在正常磁力數據上，嚴重的會有7～8納特的干擾，甚至會造成磁力設備無法正常運轉。

2.2.3 海底日變站的設立

在高精度的海洋磁測中，地磁周日變化是一種嚴重干擾場，在南沙，由於距離海南地磁台太遠，交點均方差往往達到27納特以上，因此在工區附近建立海底日變站非常迫切且重要。海底日變站必須設立在地形平坦且地磁場相對平靜的地方，其結構如圖3所示。2004年廣州海洋地質調查局從加拿大引進一套SENTINEL陸地/海洋日變站觀測系統，5月海洋四號利用該日變數據繪制的船磁方位曲線非常理想，也就是說海底日變站的建立基本上剔除了野外磁力調查過程中的日變影響，如圖2所示。

圖2 南海東沙海域船磁方位曲線。左圖是日變改正之前的曲線，右圖是日變改正之後的曲線

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

圖3 地磁日變觀測錨系結構

Fig.3 Anchor system structure of geomagnetism time variety observation

2.2.4 船磁方位試驗

為了消除船體在地磁場磁化作用下產生的感應磁場影響，同時為了方便對不同航次相鄰測線的磁場進行水平調整，在作業工區必須做45°八方位定點偏向航行觀測。由於白天日變及電磁干擾較大，船磁方位試驗最好選在晚上或凌晨進行，試驗點應選擇在局部地磁場平靜的地方，試驗順序：0°→225°→90°→315°→180°→45°→270°→135°→0°→225°→90°→315°→180°→45°→270°→135°→0°。

試驗前要精確計算定位點距離磁力感測器位置，以方便偏距調整。試驗主要採集圓中心（如圖4所示）數據，因此在船進入中心點前一定要確保船航行在測線上並已走直，並且磁力電纜已拉直。

2.2.5 實時觀測

對於質子磁力儀，如G801、G821、SeaSPY等，在接收線圈內其感應訊號的電壓為V（t₁）=Cκ_pH₀γ_psin²θsin（γ_pT t₁）e^-A，其中θ為線圈軸線與地磁場T之間的夾角。當θ=45°時，訊號幅度只降低了一半，因此對於探頭定向只要求大致與T相垂直。但是，θ接近於零度，則是探頭的工作盲區。

光泵磁力儀運用電子躍遷和光泵泵激原理，採用感應靈敏元件和同步調諧迴路，其靈敏度比質子磁力儀更高。但其存在工作盲區，如圖5所示，當地磁場與感測器光泵中心軸線夾角為±15°時，感應不到信號，因此為了獲得工區各測線方向上的最大信號強度，必須實時調節感測器的角度。在我國海域通常在旋轉0°和傾斜0°情況下各測線方向一般能感應到有效信號。2005年海洋四號在執行南海中南部海域重磁測量時，發現磁力模擬記錄有周期性鋸齒狀出現，G880光泵磁力儀感應的信號只有400左右。該區域地磁傾角21°，由於測線的近南北、東西向展布，運行CSAZ演示程序後才知道，由於工作盲區的存在，使得在該區域感測器只能保持旋轉90°和傾斜0°姿態，調整後信號強度達到800以上，數據相當穩定。

圖4 船磁方位示意圖

Fig.4 Sketch map of shipˊs magnet orientation

海上磁力質量的監控主要是通過在儀器面板上指示的信號強度以及模擬記錄（圖6）顯示的抖動度。各種類型的海洋磁力儀指示的信號強度的標准並不一致，對於質子磁力儀信號強度至少要求130；對於光泵磁力儀信號強度至少要求450。磁力數據的抖動度只能作為一種相對參考，如2004年我們在執行汕頭南澳島大橋路由調查中發現，磁力抖動基本在2～3納特之間，但儀器信號又很穩定，架設的日變站也無法正常工作，後來才知道整個南澳島及周邊區域基底出露的是磁性很強的玄武岩。野外觀測實際表明，磁力數據出現大的抖動（一般大於2納特）時，往往由如下幾個因素引起：通訊干擾、電焊焊弧，這是人為電磁波信號的擾動；探頭尾翼松動或脫落，或掛上漁網、漁標等雜物，導致拖魚無法控制平衡；過往船隻附加的船磁影響；甲板電纜鋪設不當導致的電磁干擾；磁暴，這是太陽黑子周期出現的徵兆，其影響是全球性的，災難性的，1997年在南沙作業時曾監控過一次，模擬記錄上顯示的是一條條急劇變化的平行線，持續時間約10個小時；地質背景場或斷裂破碎帶，2004年南澳島作業就是這種情況，在我國黃海、南中國海域，斷裂發育豐富，磁力模擬記錄上觀測到的急劇變化的平行線非常多，但與磁暴不同的是，這種現象往往持續時間很短；惡劣海況或雷電天氣也會造成磁力數據的跳變。

圖5 光泵磁力儀盲區示意圖

Fig.5 Sketch map of dead zone for optical pumping magnetometer

圖6 磁力模擬記錄

Fig.6 Marine magnetism simulation record

3 結論

重磁測量資料包含了豐富的信息，無論是地殼深部構造與地殼均衡狀態的研究，還是普查、勘探多種礦產資源，或是在水文、工程（乃至考古等）方面的應用等諸多地質任務，都有可能利用重磁資料來加以研究或解決。野外重磁資料採集的質量監控，其根本目的就是保證野外採集資料的真實性、可靠性，盡可能地防止無用的或無意義的信息疊加在有用的地質體信息之上，以方便室內資料的處理。

參考文獻及資料

海軍海洋測繪研究所.1990.海洋重力測量，92～95

羅孝寬，郭紹雍等.1990.應用地球物理教程.北京：地質出版社，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

⑼ *海洋衛星測高與海洋重力

衛星測高技術是20世紀70年代發展起來的。它利用人造衛星上裝載的微波雷達測高儀、輻射計和合成孔徑雷達等儀器，藉助空間信息技術、光電技術和微波技術、衛星遙感遙測技術等高新技術的發展，通過實時測量衛星到海面的距離等參數，研究大地測量學、地球物理學和海洋學方面的問題。其工作原理是：由星載微波雷達測高儀向海面發射雷達微波脈沖信號，這種脈沖信號經海面反射後，再被雷達測高儀接收。根據雷達脈沖的返程時間、回波信號的波形、幅值來確定海平面的高度、海流速度、有效波高、海面向後擴散系數、風場等，進而確定海洋大地水準面，推算海域重力場模型、推算海底地形及構造，確定洋流，估算大洋潮汐等。

美國海軍於1985年3月12日發射了GEOS-3和SEASAT衛星。其第一期即大地測量任務（GM），讓衛星在軌道上漂移，使其在洋面上的軌跡不是有規律地重復，其地面軌跡格網的平均間隔為4 km。經過18個月的運行，衛星在72°S到72°N間的全部洋域內，得到了2億公里的洋面地形剖面，積累數據達2.7億個，交疊點數據達0.35億個。1986年10月1日，GEOSAT衛星軌道被調整，並於11月8日開始第二期即精密重復任務（ERM）。軌道每17天重復一次，重復精度在1km以內，直到1989年10月衛星上的磁帶記錄儀完全失效為止；共收集了62個完整的17天重復周期的數據，衛星地面軌跡在赤道上的間隔為150km。

1986年在處理SEASAT衛星數據時發現了太平洋和印度洋存在著所謂的線條式重力異常。在肯定原始觀測數據正確的前提下，對印度洋的重力線條進行譜分析，推斷這種線條是由小規模地幔對流引起的。由於印澳板塊絕對運動速度較快，使對流形成縱向環。在對太平洋7個區域的短波重力線條做頻譜分析後，把這些線條的方向與過去和現在的板塊絕對運動方向比較，發現其中有6個區域的重力線與過去和現在的板塊絕對運動方向非常一致。這意味著重力線條與地幔內成柱狀或環狀的對流運動有關，它是小規模地幔對流的證據。而較老的線條可能是位於許多地幔柱上方的早期火山活動在地殼上的表徵。

據衛星測高剖面所獲得的呈顯著線性的大地水準面異常，可認為它是由海洋斷裂帶和轉換斷層產生的。將這些數據與磁異常剖面和海洋測深剖面相結合，就可改善海洋板塊的重建。利用南大西洋15個小斷裂帶的SEASAT剖面進行的斷裂帶大地水準面標識與古板塊邊界之間關系的研究發現，每一衛星剖面的谷方向與斷裂帶軸大致一致，且大地水準面谷的深度與形成時的擴張速度成正比。同時，可以清楚地看出沿著活動轉換斷層的大地水準面谷和重力谷。它們連同測深剖面和地震滑動向量即可確定出121個轉換斷層方位角，從而建立起現代板塊運動模型NUVEL-1。在詳細地重建海洋板塊過程中，由衛星測高剖面推導的斷裂帶標識線可為古板塊擴張方向提供嚴格制約。此外，磁異常判識也可為海底年齡和擴張速度提供重要信息，但其密度不足以確定擴張方向。SEASAT和GEOSAT衛星數據以及海洋測深數據的稀疏覆蓋，極大地改進了南太平洋白堊紀-新生代的板塊重建。同時，衛星測高剖面所得的新斷裂帶約束已用於西南和東南印度洋海嶺從白堊紀到現在的板塊重建。

比較全球或區域的大地水準面高與地形，會發現兩者間有很強的相關關系。若採用Airy模型，即可確定這兩者譜之間的相關系數以及平均補償深度（約為30km）。此外，對北太平洋中10個海底隆起和海底高原的大地水準面與地形比的研究，發現最大值為5.5m/km，較小值范圍為1m/km～2m/km，其中最大值在夏威夷隆起的東南端。從夏威夷熱點順流而下，比值變小，直至完成Airy補償的海底高原處得到最小值。1988年，對全球20處海底隆起和海槽的研究發現大地水準面高與地形的比值隨著板塊年齡的平方根增大而增加。1990年，又研究了23個海底隆起，證實了這一結果。這一比例關系被解釋成：由於軟流圈黏度隨著岩石圈年齡增大而不斷增加；或者是軟流圈黏度恆定而岩石圈厚度增加。

為了試圖更多地了解在海底特徵形成時板塊的結構和強度，對個別地區作了較深入的研究。在研究海嶺和海丘下的補償機制和撓曲剛度時，採用了容納法，但仍難以區分各種補償機制。因此，有人利用線性濾波法研究大西洋加那利群島和百慕大海丘的補償情況，結合熱流觀測，證實了塞內加爾的維德角海丘必然或至少得到了地幔對流柱的動力支持。利用大地水準面高和地形數據以及海面波觀測結果，提出了南太平洋的超隆起地區得到了廣闊地幔上升流的動力支持。在這里，大地水準面高與地形比為負值，這與岩石圈下存在著低黏滯層的想法一致。

1991年7月歐空局發射了ERS-1衛星，1992年夏美國和法國聯合發射了TOPEX/POSEIDON衛星，其目的在於以更高的精度和解析度來觀測海面地形，從而研究大洋流和大洋潮，以支持全球海洋學的研究以及全球氣候研究計劃等大規模實驗。

近年來由衛星測高剖面推算出全球大地水準面模型和重力異常模型進展很大。這些模型在1000km的區域尺度內是相當精確的，並已用於岩石圈隨年齡的冷卻以及海底隆起和海底高原的補償深度等研究中。

在石油勘探中應用方面，由GEOSAT/ERM任務所得的測高剖面在赤道上間距為160km，覆蓋過於稀疏。GEOSET/GM任務雖使間距縮短為4km，但數據絕大部分是保密的。因此，當稀疏的大地水準面剖面內插得到均勻格網時，分辨力要受到損失。為解決這一問題，有人對SEASAT衛星測高剖面的標識線條進行了判識，當某一線條通過沒有衛星觀測數據的區域時，就根據它來增加數據點數，並指導內插計算，可以極大地改進所得的大地水準面和重力異常，但也可能導致錯誤的傾向。此外，還有人將GEOS-3、SEASAT和GEOSAT的衛星測高剖面聯合起來製作格網重力異常圖，也獲得了成功。這種格網重力異常圖對於發現海洋厚的沉積積累很有價值。為了得到更好的海洋大地水準面和重力場資料，歐空局發射了ERS-1 衛星和美國/法國聯合發射了TOPEX/POSEIDON衛星。GEOSAT/GM任務的結果證實它能提供尺度大於10km的所有海底地殼特徵。

目前由衛星測高數據反演海洋重力異常（或擾動）方法主要有5種：①最小二乘配置法；②Stokes公式逆運演算法；③垂線偏差法；④Hotine公式逆運演算法；⑤直接求解法等。其中，最小二乘配置法屬典型的傳統方法，可結合多類數據求解出離散型或網格型的重力異常，但它需要預先確定各參量之間的協方差並解算大型矩陣。Stokes公式逆運演算法是根據Stokes公式原理進行逆運算，將大地水準面起伏恢復成重力異常。垂線偏差求解法最早由Haxby提出，並經Sandwell等人的改進，逐漸成為目前國際較為流行的思想。Hotine公式逆運演算法與②類似，但其求解的是擾動重力而非重力異常。直接求解法是基於物理大地測量的基本公式與Bruns公式，在波數域內利用FFT技術直接求取重力擾動。

衛星測高數據覆蓋范圍廣、解析度高、測量速度快，可以從更高更廣的角度上真正將地球作為一顆星球來研究。利用衛星重力資料將使確定地球重力場和大地水準面的精度提高一個數量級以上，還可測定高精度的時變重力場。因此，衛星測高技術對研究地球的形狀及演化及其動力學機制、地球參考系及全球高程系統、地球的密度及地幔物性參數、洋流和海平面變化、冰融和陸地水變化、地球各圈層的變化及相互作用等，有其他地球物理方法不可替代的作用，由其引出的衛星重力學是繼全球定位系統（GPS）之後大地測量學的又一重大進展，也是大地測量和地球物理的熱點和前沿，具有廣泛的應用前景。

⑽ 海洋重力測量是怎樣的

海洋重力測量是用重力儀在調查船上或海底觀測岩層質量分布的不均勻性；通過對重力異常的分析，研究地球形狀、莫霍面起伏，計算異常地質體及其密度界面的產狀和埋藏深度，研究地殼均衡現象，以及地球內部的動力作用。