海洋重力测量及其在重力场中的应用

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。这是上面所述外界因素使船在垂直方向上的周期性振动对重力观测的影响;⑤旋转影响。即由于波浪、风力和驾驶因素而引起的船绕三个正交轴转动而对重力观测的影响。这种影响有常量和周期两种;

⑥厄特弗斯(Eotovos)效应。由于海洋重力测量仪器随测量船相对地球在运行,这样改变了作用在仪器上的离心力而对重力观测值产生影响。

3)海洋重力测量的发展。近几十年来,随着海洋开发事业的蓬勃发展,世界各主要海洋国家普遍加强了海洋重力测量工作,在发展仪器的同时,完成了大量海区的测量工作。我国在海洋上开展了海洋重力测量工作仅30余年的历史,多数情况

是在研究近海海区的地质构造和含油情况。70年代末由于配合空间技术的研究,才对海洋重力测量提出了新的要求。目前,在我国主要开展中、小比例尺的航海重力测量。小比例尺测量多用于大范围重力场调查任务,以剖面测量为主;中比例尺测量多用于浅海大陆架地区,主要用于以石油为主的矿产资源环境的调查,以面积测量为主。

2 海洋重力测量的设计与实施

1)海洋重力测量技术设计。在开展海洋重力测量前,要收集如下有关资料:国内外出版的有关测区的各种海图和航海资料;测区及其附近已有的海洋重力测量资料和重力异常图;重点基点资料。开展海洋重力测量时,要指出海洋重力仪检验的项目和要求,以及静态试验和动态试验的时间、地点;明确测量船停靠码头比对重力基点的时间和要求,测量出重力仪至码头基点的距离和方位,并绘制略图;提出测量工作图版的图幅大小、比例尺和在图板上标定船位的方法;在工作图板上进行海洋重力测线布设,计算测线里程和航途里程,以及设计海上重力比对点、水文调查点的位置;明确导航定位和水深测量的方法和要求;提出海上重力测量资料初步整理要求,编制《海洋重力测量计算成果表》。

2)海洋重力测量测线布设。海洋重力测线布设密度和测图比例尺,要根据任务和条件来确定,主要考虑满足计算平均空间重力异常的精度要求,同时满足某些海域计算垂直偏差的精度要求测线网的主、副测线一般布成正交形,近海主测线应尽量垂直于区域地质主要构造线或海底地形走向线的方向;远洋区主测线如无特殊地质构造情况,可按南北向布设或等深线垂直方向布设。在海底构造复杂或海底地形起伏较大,其重力异常梯度大于每公里3毫伽的海区,要适当加密测线,加密程度以能完善地反映重力异常变化为原则。对测区中的岛屿四周水域,适当布成放射状网。对于相邻图幅、前后航次、不同类型仪器、不同作业单位之间的结合区要有检查测线或重复测线。

3)海洋重力测量的实施。在实施海洋重力测量前,要完成仪器的安装与调试。测量船开航前必须取得位于码头重力基点的绝对重力值、重力仪在基点处稳定后的读数、比对时的水深、重力仪弹性系统重心距当时水平面的高差及当时水平面距重力基点的高差,并绘制仪器距码头上重力基点的水平距离和方位的略图。

测量指挥员要指挥测量船在预定的测线方向上保持匀速直线航行。重力仪恒温温度要比室温高5℃-10℃,在一个航次中不要更换恒温档。重力仪时间常数的选择按海况而定,启动数据记录器,置入时间常数和重力仪格值。进入测线时,要记入测线号,检查走纸速度、环境开关等,按预定规定的时间间隔在模拟输出记录上打标,并记下点号和时间。每条测线终了后应维持原航向、航速,约10分钟后再转向。在一个航次或一个测区的测量任务完成后,最终应闭合到海洋重力基点,并取得比对数据。测量过程中要与海上已知重力点比对,以检验重力仪测量的资料有无突掉现象和系统性误差。

3 海洋重力测量在全球重力场研究中的应用

全球重力场研究主要利用海洋重力和陆地重力资料建立地球重力场位模型的理论和方法。地球重力场模型计算是自然科学中的一项基础性研究任务,它对于大地测量学、地球物理学、地球动力学和海洋科学的研究,以及空间技术的发展都有着十分重要的意义。从广义上讲,任何一种地球重力场元观测量的集合都可视为最基本的地球重力场模型,如全球重力异常、垂直偏差、大地水准面差距等。用位系数的集合表示地球重力场模型,是目前国际上最常用的在频率域范围描述全球重力场结构的一种有效方法。

随着空间技术的发展,利用卫星观测资料结合地面重力数据建立全球重力场位模型的理论和技术取得迅速进展。国际上已建立了多种不同阶次的全球重力场模型,使得大地测量确定地球形状及外部重力场的基本目标达到了一个新的历史阶段,并成为以空间大地测量为技术核心的现代大地测量发展的重要基础。

4 总结

研究海洋重力场对于了解地球形状和内部构造,起着重要作用。进行海洋重力测量能够建立地球重力场位模型,在全球重力场研究中发挥了重要作用。随着卫星技术和空间科学的不断进步与发展,其必将发挥越来越重要的作用。

参考文献

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