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微重力探测城市地下空间试验及正演模拟分析

摘要：随着国家城市快速发展，城市地下空间探测与开发利用需求加大，传统物探方法在人文活动区域受干扰因素较多，无法获取真实准确的探测数据。微重力方法相对而言受干扰因素较小，对于城市建筑物和人类活动遗迹干扰可以通过模型正演校正的方法消除，从而获取高精度重力数据，进而通过有效的反演方法，可以获得城市地下空间的隧道、采空区、空洞、塌陷区、管廊等空间位置信息。本文用地面移动式高精度重力测量仪器，进行城市探测中受影响的因素进行试验性探测与分析，并结合正演模型校正研究，微重力方法在城市地下空间探测上有不错的效果。

关键词：正演模型；城市空间；微重力；重力探测

重力方法作为传统的地球物理勘探方法之一，是物探学科中的一个重要分支学科，随着科学技术的快速发展，该方法应用广泛，如矿产、油气、地质构造、地震研究等方面[1]。近年来在工程地质调查、城市地质调查方面应用效果也不错[2-8]。随着高精度重力仪器的出现，重力设备精度较高[9-10]，仪器分辨率能达到0.001×10-5m/s2，足以满足微重力探测工作需求。

微重力方法是研究微伽级重力异常。采用先进的微伽级重力仪器设备进行数据采集、利用有效的数据处理、图像分析方法，准确地进行异常场分离并进行反演解释，充分展现出微重力方法在解决细小地质异常体领域里的优势。20世纪80年代至今，许多学者在微重力方法研究及应用中做了很多实际工作，在工程勘察、岩溶、采空区、考古探测、城市空洞等各方面取得很好的效果[11-19]。微重力探测城市地下空间或塌陷区是观测区域内重力场的微小变化来实现的，通过反演得出地下物质的空间分布特征，达到探测地下空间目标[20]。目前重力仪器设备具有先进性能、较高精度和使用上的巨大轻便性，让微重力探测研究应用更多领域，在浅地表地热勘查、岩土工程勘察、地下水和环境调查、考古综合地球物理

研究、煤田采空区及城市塌陷区等各个不同领域广泛应用[21-23]。实际应用中存在各种不同的干扰因素，如交通、地形、气候气象、人文活动等均会出现不同的干扰影响，这就要求技术人员通过分析研究，正确处理这些干扰问题才能保质获得高精度的微重力数据，从而得到准确的异常信息解译。

1微重力方法

微重力法探测是应用高精度重力仪（0.001×10-5m/s2）测量岩体密度差异，来探查城市地下空间、煤田采空区、塌陷区和空洞等[24]。当前，良好的仪器设备让测量精度大幅提高，能够增强对微小探测对象的分辨能力和低缓微弱异常的识别能力[25-29]。同时，微重力探测具有精度高、分辨率高、探测速度快、成本低效率高、环保绿色等优点，干扰因素相对也少，已在诸多领域获得广泛应用，属于绿色探测方法技术，弥补其他物探方法的不足。

微重力法以地下介质间的密度值差异作为其物理基础，通过研究局部密度不均体引起的重力加速度变化数值、范围及规律来解决地质问题，微重力法不受电磁场干扰和接地条件的影响及工作场地大小等因素的限制，对埋深浅、探测目标微小的异常体具有较好分辨能力。

城市地下空间微重力探测分为地面微重力测量、重力水平梯度测量和垂直梯度测量3种不同的探测方式。微重力识别上覆松散介质密度值与下伏完整稳定岩层密度值存在差异的地质体，利用重力场的变化规律来推测接触带的深度、形状、微弱层厚度、完整基岩分布、地质体空间分布位置。对于低密度体（人防、岩溶、采空区、陷落柱、地铁、管廊等）及其影响带与其周围完整地质体存在密度差异，并产生相应的重力微弱异常，通过微重力探测及有效的反演解释方法即可获取地下空间的空间位置及特征、中心深度与空间分布特征。

2重力仪器性能试验

微重力探测工作中，仪器性能直接影响采集数据的质量，从而对结果产生很多不准确性，所有重力仪在工作前均要求进行静态试验、动态试验和多台重力仪间的一致性试验。在外业数据采集结束后，要求对重力仪进行动态试验和多台重力仪间一致性试验，确保仪器性能校验精度达到相应标注及相关要求，才可以获得高精度的重力数据。

重力仪性能试验主要有：仪器校验、静态试验、动态试验、一致性试验，仪器各项性能试验均应在研究区（或周边）完成，动态试验要求采用多点动态试验或两点动态试验方式均可。实际工作应以国家行业标准和工作实施方案为依据。

根据重力仪器试验结果，参加试验的重力仪，静态试验曲线呈线性，在判定的闭合时间内，静态零点位移曲线与直线的最大偏差必须小于测点重力观测均方误差，否则判定该重力仪不合格。动态试验曲线呈线性，无突掉现象，重力仪动态试验均方误差要求不大于测点重力观测均方误差。用于基点联测的重力仪，动态试验均方误差满足的条件下，若动态