第17卷第3期地壳形变与地震Vol.17,No.3
1997年8月CRUSTAL DEFORMAT ION AND E A RTHQUAK E Aug.,1997·动态综述·
研究中的作用和应用前景
王 勇 张为民
(中国科学院测量与地球物理研究所，武汉 430077)
tv搜查线摘 要 对现代高精度绝对重力仪器的发展作了回顾，着重就高精度绝对重力测量在地壳垂直运动监测及其力学机制研究中的能力和作用等进行了分析，总结了我国目前绝对重力测量研究现状，并
讨论了高精度绝对重力测量在我国地壳运动监测和研究中的应用前景。
主题词 绝对重力测量 地壳垂直运动
随着高精度绝对重力测量技术的发展以及高精度重力测量仪器的商品化，绝对重力测量正成为大地测量的一项重要手段。在21届国际大地测量和地球物理联合会(IUGG)上，开展绝对重力测量的研究成为国际
大地测量协会(IAG)通过的几项决议之一。
绝对重力测量的传统作用是为相对重力测量提供起始基准值，建立高精度重力仪的标定基线。随着现代绝对重力仪精度的提高以及商业化、自动化和便携型仪器的开发，现代绝对重力测量不但成为建立重力测量的基础，而且广泛地应用于地球物理、地球动力学、环境监测、资源勘探和开发以及惯性导航等领域中。
1 现代绝对重力测量仪器的发展状况
绝对重力测量技术是以测量加速度的距离和时间这两个量作为基础，观测传感元件在重力场中的自由运动。20世纪以前相当长的一个时期，大地测量和地球物理研究所需要的重力资料均是由振摆的测量来提供的。这种方法曾主导绝对重力测量长达300年之久。
自本世纪60年代以来，随着激光技术和原子钟时间测量技术的进展，使以测量长度和时间为基础的绝对重力测量得到长足发展。Sakuma[1]用激光干涉法测量长度的方法，研制出了固定式上抛下落绝对重力仪。60年代末至今，不同国家先后研制出了10余台移动式自由落体式上抛下落型绝对重力仪，并经测试后投入使用[2～9]。从各种仪器测量方式来看，大致有3个类型:(1)上抛对称自由运动型，如国际计量局(BIPM)的固定式重力仪，意大利的IMGC型重力仪;(2)自由下落型，如美国的JILA型,FG5型和中国计量院的NIM型，前苏联的GABL型重力仪;(3)旋转真空筒型，日本水泽国家天文台(NAOM)新近
研制的就是这种类型仪器。
本文1997年1月7日收到
国家自然科学基金资助项目
为了对现代绝对重力仪的观测精度进行评价，不同类型的绝对重力仪曾在巴黎塞佛尔国际计量局(BIPM )进行了国际比对观测。第一次国际比对[10]于1981年10月举行，参加的仪器有BIPM 固定站重力仪,JILA 、AFGL 以及GHBL 仪器共4台。这次比对认为绝对重力测量的平均精度为±8×10-8ms -2。第二次国际比对[11]
在1988年6月举行，参加的仪器有BIPM 的固定站重力仪,JILA ,GABL ,NIM -Ⅱ,IMGC ,IGPP 。这次比对的结果出现了分现象，最大最小之差达37.7×10-8ms -2，这一现象无法以仪器本身的系统误差来解释，也未证明分是单纯与测量的方式(如上抛或下落法)有关，还是某些仪器存在着尚不清楚的较大系统误差源。因此，认为当时的绝对重力仪精度只能达到±15×10-8ms -2左右。并提出，如果要建立精度达±10×10-8ms -2的重力网，必须至少使用3台重力仪进行测量。第三次国际比对[12]于1989年11月举行，参加的仪器有10台，仪器类型有美国的JILAG —1，加拿大的JILAG —2，德国的JILAG —3，芬兰的JILAG —5，奥地利的JILAG —6，国际计量局的台站型绝对重力仪，意大利的IMGC ，日本的NAOM —2和前苏联的GABL 。这次比对得出一台仪器的绝对重力值的误差为±7.1×10-8ms -2;JIL
AG 型仪器的测量结果与其它仪器的测量结果不存在系统误差，其差值±3.8×10-8ms -2。第四次国际比对在1994年5月举行，参加比对的仪器有13台，其中有JILAG 型绝对重力仪4台,FG5型绝对重力仪7台，另外有JAE GR /GSI 和IMGC 绝对重力仪各1台，比对得出目前的绝对重力仪在一般噪声水平下能够达到3～4(10-8ms -2)的精度，并建议采用碘稳频激光器和标准的潮汐改正算法。
上述的四次国际比对，可以说以1989年第三次国际比对为界，现代绝对重力测量真正达到了10-8ms -2的精度。进入90年代，美国标准和科技研究所和AXIS 仪器公司在对JILAG 绝对重力仪改型的基础上，又研制出了新一代商业化、可移动式自由落体FG5型绝对重力仪，经测试，该仪器精
度可以达到1～2(10-8ms -2)[8]。它是目前在测量精度、商业化和自动化程度等方面最高的绝对重力仪，现已由美国Micrg Soulflns 公司生产。目前，加拿大、德国、日本、奥地利、芬兰等国纷纷引进FG5型绝对重力仪。我国中科院测量与地球物理研究所在1995年底引进了一台FG5/112型绝对重力仪。
2 高精度绝对重力测量在地壳垂直运动研究中的作用
监测和研究地球动力学过程和工程建设以及环境因素等引起的地壳垂直运动，传统的方法是采用几何水准测量，这是目前常规大地测量方法中精度最高的一种方法。但是，做为一种准差分的方法，它在研究地壳垂直运动中存在着明显的不足:(1)水准测量取决于重力场;(2)由于受仪器观测方法和环境条件
有线电视解码器的影响，随着距离的增加，误差积累非常严重;(3)作业效率低，费用高，在高山区难以作业;(4)做为一种相对测量技术，它只能提供地表的相对变化或倾斜，而不能测量绝对运动。
随着近代空间技术的发展，空间大地测量技术如甚长基线(VLBI )，人卫激光测距(SLR )和全球定位系统(GPS )等日益广泛地应用在地壳运动的监测和研究之中。然而，利用空间技术在监测和研究地壳垂直运动及其动力学机制方面存在着一些障碍:(1)VLBI 和SLR 技术能给出高分辨率的地壳垂直运动信息，但它非常昂贵，目前全球仅有几十个VLBI 和SLR 观测站。(2)当前应用最广泛的是GPS 测量技术,GPS 测量得到的高程变化是几何空间变化信息。由于受到空间坐标系与地固坐标系转换和地球质心的随时间变化，以及受到大气层高度变化等影响，它测定地壳垂直运动的精度只能达到几个厘米，尚不能达到几何水准的测量精度。(3)由VIBI 和GPS 得到的是纯几何高程变化，不能得到地壳内部物质运动信息。
99第3期 王勇等：高精度绝对重力测量在地壳垂直运动研究中的作用和应用前景
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目前，高精度的FG5型绝对重力仪已能达到1～2(10-8ms-2)的精度，在假定地球内部无质量移动的情况下,1cm的地面垂直运动引起的重力变化约为3×10-8ms-2。也就是说,FG5型绝对重力仪可以监测出5～10mm的地壳垂直运动。因此，可以认为它是一种快速、经济的监测地壳垂直运动的手段[13～16]。
另外，在研究地壳垂直运动的动力学机制方面，与纯几何空间形变测量技术和相对测量技术(相对重力测量和几何水准)等相比，它具有以下两个方面的优势:(1)高精度绝对重力测量不仅能够提供地壳垂直运动信息，而且能反映地壳内部质量运动的信息。如果将几何形变测量与高精度重力测量相结合，便可对地壳运动机制的研究由静力学、运动学研究发展为运动学—动力学研究，将三维空间研究扩展到四维空间。(2)与一些常规相对大地测量技术相对比，绝对重力测量是一种“点技术”，它测量的是地表直接到物理质心的变化。它可以做为一种附加的和独立的与地心有关的垂直参考基准。而相对测量技术是建立在一个时间上稳定的外部参考基准上，由于稳定参考基准难以确定，这给测量结果的处理、分析和评价等带来困难。另外在某种意义上讲，绝对重力测量仅取决于标准长度和时间的测量，不存在像相对重力测量那样各测点之间有误差传播和积累。
尽管高精度的绝对重力测量在地壳垂直运动及其动力学机制等方面具有某些优势，但是，在观测方面不如一些相对测量(如相对重力测量)灵活方便，尚不能完全提供所需采样密度的观测值。另外，目前在理论研究方面，还不能将绝对重力测量结果中所包含的地壳垂直运动和内部质量运动信息完全准确的分离开[17～21]。所以，有必要将它与几何形变测量相结合，共同研究地壳运动的动力学机制。
3 高精度绝对重力测量在地壳垂直运动监测和研究中的应用前景近年来，一些拥有高精度绝对重力仪的国家正致力于将绝对重力测量应用于地壳垂直运动及其动力学机制的研究，制定了研究计划。
德国用FG5/101绝对重力仪、超导重力仪和GPS连续监测Wettzell基准点的垂直形变，并从1994年起在11个验潮站进行重复绝对重力测量，以研究地壳垂直运动和海平面变化。美国自1988年以来在Churchill地区进行了多次重复绝对重力测量，监测Laur entian冰川、冰后回弹引起的地壳隆升信息。自1994年沿东海岸和Honolulu地区的几个验潮站附近开始了绝对重力测量工作，以期在1996年以前得出这些地区更加稳健的地壳垂直运动速率值。加拿大自1988年至1994利用JI-LAG型绝对重力仪,1994以后利用FG5型绝对重力仪，在一些测量点进行了长期重复绝对重力测量，用以监测和研究冰后回弹、冰雪覆盖区和构造活动带的地壳垂直运动和质量运动信息。日本国土地理院自1990年以来在十余个点进行了重复绝对重力测量，用来监测与构造运动、地震、火山活动有关的地壳运动和火山岩浆流活动等信息。
我国自90年代以来，利用国内外6种绝对重力仪，先后在全国17个省市自治区的37个测点上开展了几次实际绝对重力测量[22～25]。表1给出了各次绝对重力测量的时间、测点、测量仪器类型和测量精度。
表1 我国绝对重力测量资料
观测时间
使用仪器测 点 位 置精度(10-8ms -2)1981
IMGC (意大利)玉渊潭 南宁 黑龙潭 西安 郑州长沙 福州 广州 青岛 上海151986
N IM —Ⅱ(中国)白家瞳 香山 黑龙潭 野毛山弥渡 丽江 下关101987
N IM —Ⅱ(中国)乌鲁木齐 灵山 哈尔滨 长春 沈阳101990JILAG —3(德国)
野毛山 黑龙潭 保山 楚雄 香山白家瞳 武汉5JILAG —5(芬兰)
白家瞳 哈尔宾 拉萨 昆明 南宁广州 上海 西宁51992JILAG —3(德国)
白家瞳 香山 黑龙潭 野毛山 楚雄下关 丽江 洱源 保山51993FG5/101
(德国)
白家瞳 哈尔宾 西安 武汉 拉萨乌鲁木齐 南宁 广州31995JILAG —3(德国)
关于文学的资料野毛山 黑龙潭 保山 楚雄 下关 洱源 腾冲51996
FG5/112(中国)武汉 宜昌 恩施 郫县 姑咱西昌 攀枝花 丽江 洱源 下关
楚雄 黑龙潭 南宁3纵观我国的绝对重力测量，在观测精度方面最高的是1993年国家测绘局和德国
合作，用FG5/101仪器的观测结果以及1996年中科院测量与地球物理研究所用FG5/112型仪器观测的结果。我国的绝对重力测量的作用主要是为相对重力测量提供起始基准点，建立重力测量基准。只有国家地震局与德国汉诺威大学合作，用德国JILAG —3仪器在滇西地震试验场3次重复绝对重力测量，以及中科院测量与地球物理研究所在丽江地震后用FG5/112仪器在滇西地震实验场的绝对重力测量，是用于测定与地震孕育有关的地壳垂直运动和质量运动信息。
三星笔记本r439从目前我国绝对重力测量现状来看，尚未在地壳运动研究中发挥其应有的作用。其主要原因是在1995年以前，我国尚未有高精度、高自动化的绝对重力仪。最近引进的FG5/112型仪器，为我国今后用高精度重力测量进行地壳运动研究创造了必要条件。根据我国地球动力学、地球物理等方面研究的需要，可主要应用于以下几个方面:
(1)地震重点监视地区监测地壳垂直运动和质量运动，为地震研究提供必要资料。
(2)现代青藏高原的隆升速率的测定和动力学机制研究。
(3)沿海地区尤其在验潮站附近的高精度重复重力测量，监测地壳垂直运动，研究绝对海平面变化以及为海洋环境研究提供服务。
(4)区域高程基准有关问题的研究。
(5)环境变化监测和研究，主要研究和检测与开采石油、天然气、地热，抽取地下水，采煤和采矿，大型水库(如三峡工程)的蓄水和排放等引起的地面沉降和地表下质量移动导致的地球内部的补偿过程。这些过程又与沉积压实或岩石崩塌、滑坡等灾害及地下水系变化等有关。
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第3期 王勇等：高精度绝对重力测量在地壳垂直运动研究中的作用和应用前景
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