地球重力场是地球重要的基本物理场之一，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^[1-4]。海底重力数据对建立全球重力场模型至关重要，进行海洋基础地质研究、矿产资源勘查、重大工程建设选址、大地水准面精化等应用，具有不可比拟的精度优势。

山东省物化探勘查院引进全球最先进的海底重力仪(简称“INO”)，在山东省周边海域开展了浅海区海底重力测量工作，完成1∶5万～1∶25万浅海海底重力测量面积近15 000 km²，覆盖海岸线长约630 km，自海岸线向海域延伸约20 km (其中渤海海峡向海域延伸约70 km)。利用已形成的重力资料，研究了各类关联因素对海底重力测量精度的影响；同时针对海底重力测量工作的特殊性，提出了合理的质量检查精度评价方法。

主要研究了水深、海底底质、海况、平面定位精度、高程测量精度、近区地形改正等因素对海底重力测量精度的影响。通过总结不同比例尺、不同海域实达布格重力异常精度，明确了海底重力测量不同因素的影响。

本次研究区为渤海海域，为陆架浅海盆地，整个海底从辽东湾、渤海湾和莱州湾3个海湾向渤海中央浅海盆地及东部渤海海峡倾斜，坡度平缓，平均坡度0.130‰。渤海平均水深约18 m，最深处位于渤海海峡北部的老铁山水道，最深水深84 m^[5]。研究区实测水深最大达88 m。

浅海区海底重力测量与陆域、船载重力测量系统相比，存在水体波动对海底重力仪读数的影响。以10 m水深为间隔，统计0～80 m水深范围质量检查点，以布格重力异常值为评价指标，统计了各水深段重力观测均方误差和最大偏差值（表1），重力观测均方误差与水深关系曲线如图1所示。

图  1  重力观测均方误差、最大偏差与水深关系图

对不同水深下的重力测量精度进行研究表明，0～10 m超浅水域测点重力观测均方误差为±0.035×10⁻⁵ m/s²，最大差值为±0.158×10⁻⁵ m/s²，明显大于其他水深。说明超浅水域表层浪涌纵向波动传递至海底，对重力仪影响较大。实际观测时，印证了该深度水域读数精度评价指标“SD值”（实时读数精度标准差）较大，海底重力仪读数时间比深水海域明显要长，重力仪读数精度较差。随水深增加，浪涌产生的波动能量迅速衰减，对重力仪读数影响减弱；当水深增加至40～50 m时，测点重力观测均方误差降至最低±0.009×10⁻⁵ m/s²；水深大于50 m，测点重力观测均方误差和最大差值又有变大趋势，这是由于浅海区50 m以深海域多为水道，水道内海流较大，对仪器冲击力较大，影响重力仪观测精度。绘制了质量检查点在水深平面图上的分布（图2），红点越大，表明差值越大，该图能较为直观地反映出水深与测点重力观测精度的对应关系。

图  2  质检布格异常差值与水深关系分布图

总之，超浅水域水体波动对海底重力仪读数影响较大，致使海底重力仪读数稳定性差，从而影响海底重力仪的观测精度；随着深度增大，表层水体波动对仪器干扰减弱，局部深水区存在水道，海流较大，冲击干扰仪器读数。

渤黄海研究区沉积物类型主要有粉砂、粘土质粉砂、粉砂质砂、粉砂质黏土和细砂^[6]。为了减弱海流对重力仪冲击造成的影响，将所使用的海底重力仪吊笼增加配重，对于不同海底底质，在配重作用下，海底重力仪下陷时间不同，接触海底稳定性有所差异，影响海底重力仪的测量精度。统计了不同海底底质类型，测点重力观测均方误差和最大差值见表2，质量检查点差值分布如图3所示。

图  3  质检点布格异常差在不同海底底质分布图

由表2和图3可以看出，海底重力仪的读数精度与海底底质关系密切。粉砂质砂、粘土质粉砂和砂质粉砂底质，重力测量精度最差；粉砂和细砂底质，重力测量精度相对高些；而粉砂质黏土底质稳定，重力测量精度最高。海底底质变化的区域，底质不稳定，致使海底重力仪一直处于沉降状态，且沉降时间较长，重力仪的弹簧系统长时间处于摇摆状态，读数难度较大，影响重力仪观测精度。

总之，弹簧系统观测精度与重力仪稳定性直接相关，重力仪重量不变，海底底质的硬度直接影响重力仪的稳定性。当海底底质较硬时，重力仪观测精度较高；反之，观测精度低。由砂至黏土测点重力观测均方误差明显升高。

渤海海域冬、夏季风交替显著，10月至翌年3月盛行偏北季风，渤海年平均出现≥8级以上海风天数为70 d以上，主要集中在渤海海峡至龙口一带^[7]。风力对海底重力测量不产生直接影响，而由海风形成的浪涌会对海底重力测量产生影响，且不同风力产生的浪涌大小不同。

统计了6级以下风力条件下重力质量检查32点，重力观测均方误差±0.024×10⁻⁵ m/s²；6级以上风力质量检查15点，重力观测均方误差±0.015×10⁻⁵ m/s²。

以上统计结果表明，风力因素与海底重力测量精度不具有明显相关性，与船载重力测量方法相比，海底重力测量精度受风力影响较小。在超浅水域，对海底重力测量精度会产生一定的影响。在深水区仅会影响工作的安全性和效率。值得注意的是，不排除统计样本数较少的偶然性，且为安全考虑，野外工作最大风力不超过7级。

由于海洋环境的复杂性，海底重力测量过程中的海浪、海流会直接影响重力观测精度。海底重力测量与陆地重力相同，一般通过实时观察重力仪显示的“SD值”来评价环境的影响。研究分析了每个重力测点开展工作时的海浪、海流等海况信息，并根据重力仪显示的“SD值”评价不同海况条件对重力测量的影响。

当工作船抛锚固定后，在海风、海浪的叠加作用下，致使船体晃动。在海水深度小于5 m时，工作船的晃动会直接干扰重力仪读数；在海水深度大于5 m时，工作船的晃动对重力仪的直接作用力变小，但海浪会使通信和承重钢缆受力，传导至重力仪，对其产生干扰。另外，海流会直接冲击重力仪，较大海流甚至会导致海底重力仪产生晃动。当海底重力仪入水至海底的过程中，海流会使重力仪倾斜，实时检测仪器倾角，倾角越大，说明海流越大。海底重力仪下降过程中，海流对其冲击力不同，本次将仪器触底瞬间倾角大小(此时基本反映了海底底层流速对其的冲击力)进行分析研究。

海浪、海流(以倾角大小表示)对“SD值”影响的统计结果，如表3、表4所示。海浪等级分为小、中、大3个等级，“SD值”主要集中在0＜SD≤0.4格范围内，且随着海浪强度的增大，“SD值”趋于变小。分析原因为远离海岸带时海浪相对变大，海水深度则普遍大于10 m，表层的海浪对海底重力仪影响变弱，因此，对“SD值”影响也不大。

表4中，在海底重力仪倾角介于0°～3°的海流条件下，“SD值”主要在0～0.4格范围内，倾角在(3°，12°]时，“SD值”在（0，0.1]格范围内测点频率减少，“SD值”在（0.1，0.5]格范围内频率普遍增加。

表5为重力仪倾角与“SD值”关系统计表，表中“SD平均值”与“SD值”标准偏差中的变化，说明海流对“SD值”影响明显，且“SD值”与海流强度表现出明显的正相关关系，而“SD值”是重力仪弹簧系统受干扰程度的直接表现，反映了重力仪的读数精度。因此，开展海底重力测量工作前，需考虑海流对重力精度的影响，在海流较大时，可通过增加单点观测时间或提高观测次数以减弱海流干扰，提高观测精度。

平面定位精度主要包括控制测量精度、GNSS全球导航卫星系统定位精度、水下定位系统精度。表6统计了多个渤黄海研究区的平面定位实达精度，由于海流对仪器冲击会造成偏移，从表6中可以看出在研究区深水海域，采用水下定位系统能较大程度提高平面定位精度。当不使用水下定位系统时，海底测点平面定位均方误差与正常重力值正相关，平面定位误差最大为±5.85 m，影响正常重力值为±0.008×10⁻⁵ m/s²，对布格重力异常精度影响较小。

海底平面定位精度与水深正相关，水深越大，海底平面定位精度越差，在深水海域需采用水下定位系统提高平面定位精度，以满足规范要求。通过图4可以看出，平面定位精度对海底重力测量精度影响相对较小，但会影响平面成图和推断成果的位置准确性。

图  4  平面定位精度与海底重力测量精度相关曲线图

高程测量精度作为布格改正计算的重要参数，直接影响布格改正精度。高程测量精度主要包括控制测量精度、压力传感器测深精度、潮位改正精度、瞬时潮高均方误差。表7统计了多个渤黄海研究区的高程实达精度，可以看出，瞬时潮高均方误差对高程精度影响占比最大。而瞬时潮高均方误差主要与潮位改正算法有关，该算法受潮汐和潮流类型及其分布规律、验潮仪布设等因素影响，综合评判各因素综合影响，确定最弱潮位控制区，计算该区潮位改正误差，作为瞬时潮高均方误差，该误差与布格改正均方误差成倍数关系，最大程度影响重力测量精度。

布格重力异常均方误差由测点重力值均方误差、地形改正均方误差、正常重力值改正均方误差、布格改正均方误差组成，前三者的影响均有限。由布格改正均方误差占布格异常总误差的比例看，除莱州湾海域占比为57.1%外，其他海域占比达79%～92%，说明高程精度对海底重力测量精度影响最大，开展海底重力测量工作时，应依据潮汐和潮流类型及其分布规律，合理地布设验潮仪以及选择推算方法，提高瞬时潮高均方误差，进而提高布格重力异常精度。

海底重力测量时，地形起伏较大的区域，应进行近区地形改正，但采用目前技术进行海底近区地形改正难度较大，一方面水深较深海域，海底重力测点难以准确定位；另一方面能够用于近区地形改正的大比例尺精细化海底地形图较为稀缺。

该研究区地处渤海海域，渤海的整体海底地势由辽东湾、渤海湾、莱州湾向渤海海峡倾斜，莱州湾内海底地形极为平缓，而渤海海峡受到峡内众多岛屿及水道的影响，表现为沟脊相间的海底地形。因此，本次研究以海底斜面地形为例，建立海底斜面地形模型，计算不同坡角下的海底重力测量近区地形改正理论值（图5），以探讨海底重力测量近区地形改正的必要性。受目前海底地形图主流比例尺大小所限，近区地形改正半径设定为0～100 m。

图  5  坡度与近区地形改正值曲线图

山东周边海域中，渤海平均坡降0.13‰，黄海平均坡降0.39‰，水道区域坡降可达10‰～35‰（约0.6°～2.0°）。渤黄海域，以水道区域最大坡度角2.0°计算，近区地形改正值为0.002×10⁻⁵ m/s²，对海底重力测量精度影响极小，可不进行近区地形改正。

海底重力测量质量检查工作应按“一同三不同”(同点位、不同闭合单元、不同仪器、不同操作员)方式进行，但海底重力测量质量检查与陆地有所不同，受当前技术所限，海底无法建立标志物，且工作船抛锚后受海流影响会产生移动，经试验，检查点与原测量点距离控制在15 m之内已属不易。因此，在质量检查时，海底重力仪无法准确到达原观测点位。且海面受潮汐影响不断地涨落，随时间变化，每个测点的原始观测点潮高、水深观测值和检查点也随之不同，因此，其“同点位”应包括定位误差的同点位。

考虑海底重力测点观测误差影响因素，提出了3种质量检查方法，即相对重力值法(δ_相对)、布格重力异常值法(δ_布格)、重力异常插值法(δ_插值)，评估3种质量检查方法的优缺点。相对重力值法(δ_相对)是通过零点位移改正后计算的相对重力值进行质量检查，陆域重力采用该方法。海底重力质量检查点与原始测量点位不一致会引起高程的变化，不同闭合单元测点的水深不同，由于重力值未经过高度、中间层等各项改正，从而影响到测点重力观测均方误差准确性。布格重力异常值法(δ_布格)是经过零点位移改正和布格改正后计算的布格重力异常值进行质量检查。由于进行了高度改正、中间层改正，该方法从理论上消除了质量检查点与原始测量点位的高程和水深变化的影响。但在海底重力测量中，布格改正精度会受海底高程精度的影响。重力异常插值法(δ_插值)是利用原观测点周边的布格重力异常值，根据质量检查点与原观测点坐标相对位置关系，以距离为权重，通过3个以上重力测点计算该质检点坐标位置的布格重力异常值，将原实际观测值和计算值进行对比。从理论上看，该方法的质量检查点与原始观测点平面坐标重合，但由于海底重力测量平面定位具有一定误差，其计算重力异常值引入了平面定位误差。

用相对重力值法(δ_相对)、布格重力异常值法(δ_布格)、重力异常插值法(δ_插值)分别计算了40个质量检查点与原始观测差值。采用3种方法测量的重力观测误差分别为±0.033×10⁻⁵ m/s²、±0.027×10⁻⁵ m/s²、±0.036×10⁻⁵ m/s²。3种质量检查方法观测与原始观测差值曲线见图6，3种评价方法计算的重力测量精度差异不大，且具有明显的同步性。用重力异常插值法进行质量检查时均方误差最大，其受重力场特征影响亦最为明显，尤其是在重力场梯级带上，用该方法进行质量检查时具有跳跃、离散的特点。通过3种质量检查方法对比，无论从理论上还是试验效果上，采用布格重力异常值法更合理，既包括了重力观测精度，又包括了定位精度、验潮及水深测量精度的一部分。

图  6  3种质量检查方法差值曲线图

通过总结不同比例尺、不同海域实达布格重力异常精度，明确了海底重力测量过程中不同因素的影响。①在超浅水域，环境干扰对海底重力测量精度影响较大；水深较大且存在水道区域，海流冲击对海底重力测量影响亦较大。②海底底质较硬区域，海底重力测量精度较高且效率较快。③安全作业范围内的风力，基本不影响海底重力测量精度；海浪、海流会在一定程度上影响观测精度，但只要多次重复观测能满足要求即可开展海底重力测量工作。④满足规范要求的平面定位精度对海底重力测量精度影响相对较小，但会影响平面成图和推断成果位置的准确性。⑤高程是海底重力测量精度影响最大的因素，最大程度提高高程测量精度是提高重力精度的关键，需依赖可靠的潮位改正算法和高精度的水深测量系统。⑥在渤黄海浅海区，海底地形较为平缓，近区地形改正对重力精度影响可忽略不计。

评估了相对重力值法、布格重力异常值法、重力异常插值法3种质量检查方法，采用布格重力异常值法作为海底重力测量质量检查方法更合理，既包括了重力观测精度，又包括了定位精度、验潮及水深测量精度的一部分。