[发明专利]重力梯度仪

说明书

背景技术

主要(不仅仅)在自然资源勘探领域，需要测量重力在给定点和区域梯度的绝对值和变化，从而检测地下异常的存在，这种地下异常会产生被测重力值的变化。为了提供一种便携、精确、高效和有成本效益的测量方法，可以将一种重力传感装置配置于各种交通工具，例如(用于示例而非限制为)飞机或直升机，由运动传感装置实施补偿以减小或消除振动和交通工具移动以及结构弯曲对重力和重力梯度测量数据的影响。

为了助于讨论本发明的背景技术，采用以下定义和运算：

一个标准重力定义为物体在平均海平面以及纬度为45.5°时的自由落体加速度，为9.80665m/s²。在国际标准单位中，一伽是加速度的单位，等于1厘米/秒平方。因而一毫伽(一伽的1/1000，写作mGal)是1cm/s²的1/1000。因而1mGal为1.0197μg，一个标准重力为980.665伽。

地球表面上方的垂直重力梯度(随高度变化)大约为每米高度3.1μGal，导致从珠穆朗玛峰顶端到海平面大约2伽的最大偏差。纬度和海拔的改变引起重力值(一般)从976到983伽的变化。

在地势为平均海平面以及纬度为时重力的测量

然而，重力传感器将在平均海平面上方(AMSL)(一般为)100米处飞行。对该公式的第一次校正因而为自由空间校正(FAC)，其缘于不同的海拔高度。重力随着高度的增加以一定的比率减小，即在地表附近为线性外推法，由此得出在高度为地球半径的一半处重力为零，即，该比率为9.80665m·s^-2每3086km。由此：

其中h＝平均海平面上方的高度(米)。

注意到，对于海拔高度平坦的地区，由于额外质量，要为重力增加第二条件。为此，额外质量可以近似为无限水平平板，每个单位面积得到2πG倍的质量，即4.2×10^-10m³·s^-2·kg^-1(0.042μGal·kg^-1·m²)(布格(Bouguer)校正)。

对于平均岩石密度(比如说)2.67g·cm^-3得出1.1×10^-6s^-2(0.11mGal·m^-1)。结合自由空间校正，这意味着地势每升高一米，表面处的重力就减小大约2μm·s^-2(0.20mGal)。(注意到，在表面岩石密度为整个地球平均密度的4/3倍时，这两个效果将相互抵消。)

对于地表以下的重力，我们必须采用自由空间校正和双倍布格校正。对于无限平板模型，这是由于在平板以下移动观察点会改变重力，因为它到达一个相反值。

采用地质学示例，密度差为300kgm^-3、尺寸为200米、埋在100米深度的矿体的重力异常大约为2*10^-6ms^-2，或者是正常地球重力场的0.00002％(0.2μg)。

注意到，重力梯度仪数据通常以厄缶(Eo)为标度表示，其中1Eo为0.1mGal/km。因此厄缶是重力梯度的单位，而1厄缶相当于10^-9s^-2。

现有技术中有很多例子采用机械结构测量重力(重力计)(即：拉科斯特&隆贝格-先达利公司(LaCoste&Romberg-Scintrex，Inc.)，空-海Ⅱ动力重力仪(AIR-SEAⅡDynamic Gravity Meter))。在最简单的(以及可能是最老式的)结构中，可以使用附加在横梁或弹簧上的质量块，横梁或弹簧的自然(线性)挠曲与作用于横梁或弹簧以及关联质量块的重力场的值成比例。将阻尼度作用于横梁或弹簧，减小灵敏度和稳定时间。

在更近的时期，MEMS(微电子机械系统)加速度计和关联的电子接口提供了一种测量以上讨论级别的小加速度的方法。