Experiment and Forward Modeling Analysis of Microgravity Detection of Urban Underground Space
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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。Abstract: With the rapid development of national cities, the demand for urban underground space exploration development and utilization has increased. Due to the interference factors in human activities areas, traditional geophysical methods can't obtain true and accurate detection data. The microgravity method is relatively less affected by interference factors. The interference from urban buildings and human activities can be eliminated by the method of model forward correction, so as to obtain high-precision gravity collection data, and then the spatial location information of tunnel, goaf, cavity, collapse area and pipe gallery in urban underground space can be obtained through effective inversion method. In this paper, through experimental detection and analysis of the theoretically affected factors in the urban detection carried out by the ground mobile high-precision gravity measuring instrument, combined with the forward model correction research, the microgravity method shows good effect in the detection of urban underground space.
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Keywords:
- forward model. /
- urban space /
- microgravity /
- gravity detection
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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0.001×10-5 m/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（0.001×10-5 m/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，若动态试验点间的重力增量足够大时，也可利用动态试验观测结果计算多台重力仪间的一致性均方误差。一致性试验观测精度不大于相应的精度要求，各台重力仪间一致性均方误差要求不超过测点重力观测均方误差，否则可剔除偏离大的重力仪，重新进行试验或统计精度，观察多台重力仪的一致性曲线图，曲线越接近，该组重力仪的一致性越好，对比分析各台重力仪曲线与平均值曲线之间的偏离程度、各台重力仪曲线相互之间的偏离规律，从曲线上识别出偏离较大的重力仪，依据单台重力仪的观测均方误差及分析结果，对投入生产的重力仪进行优选。当某一台或多台重力仪一致性均方误差大于基点联测均方误差或测点重力观测均方误差时，不得使用该重力仪。
重力仪性能稳定，各项试验精度均满足研究的相应要求，方可进行测点观测工作，这是微重力获取真实数据的必要保证。
3. 影响因素试验与分析
城市地下空间微重力探测受人文活动、城市建筑活动、交通道路、地下建筑及城市管道等影响，我们对上述微重力影响因素进行试验测量，并对结果进行分析研究，评估现代人文活动对微重力观测值的影响。本次选用了两台高精度重力仪，分别是金属弹簧人工读数的LCR-D-88型重力仪和自动读数的CG-5-40769型重力仪，两种类型重力仪器设备分辨率均达0.001×10-5 m/s2，不同类型同等精度设备验证了测量结果不被仪器因素影响；两种仪器设备存在一定的系统误差，经过试验包含系统误差情况下（单台设备精度优于0.005×10-5 m/s2）[1]，仪器性能试验满足要求的设备，观测结果均可保证在误差范围之内，对观测结果不会产生较大影响。因此，微重力探测数据采集过程中，需要时刻保障各个环节仪器设备、观测人员、周围环境等因素不变或变化不大，降低甚至消除外在因素。
两种不同类型重力仪自身系统误差不超过0.005×10-5 m/s2，在微重力测量工作之前，重力仪器的各项校验指标、仪器各项试验精度特别关键，必须达到规范及研究地区的工作设计要求。本文研究微重力测量探测的精度最低是0.015×10-5 m/s2，因此整个观测中的误差合计不应超过0.015×10-5 m/s2，完全理想状态下识别精度可达0.005×10-5 m/s2。
3.1 人文活动密集区重力观测试验
为了完全能够在城市及周边区域开展重力探测工作，试验点选在城市闹市区（城市周边早市）进行微重力观测。试验方法：在工作时间（白天）人文活动正常时间段，没有过往车辆的影响，主要影响因素为来往人流，分别于距离人群10、20、30、40和50 m处用重力仪读数。
两台仪器同点位、同步观测。获得观测数据，通过各项改正之后（去除地形改正）数据见表1，对测点两台仪器观测值取5个平均值，进行差值计算，统计观测差值情况，下述方法相同（表1～表3）。第2个测点差值较大，可能与周围人员移动影响有关，观测结果表明人文活动远离40 m之外对重力仪观测精度影响不大（表1和图1），为排除偶然性，连续两个观测点均值之差均小于0.015×10-5 m/s2，可以进行正常测量。
表 1 人文活动对重力观测影响试验重力值Table 1. Gravity value in the experiment of the influence of human activities on the gravity observation距离/m 重力值/（10-5m/s2） LCR-D-88# CG-5-40769# 差值 10 -0.234 -0.233 0.001 20 -0.200 -0.189 0.011 30 -0.183 -0.180 0.003 40 -0.173 -0.175 0.002 50 -0.157 -0.152 0.005 表 2 多层建筑对重力观测影响试验重力值Table 2. Gravity value of multi-storey building's influence test on gravity observation距离/m 重力值/（10-5m/s2） LCR-D-88# CG-5-40769# 差值 10 -0.034 -0.023 0.011 20 -0.004 -0.006 -0.002 30 0.032 0.035 0.003 40 0.033 0.022 -0.011 50 0.051 0.054 0.003 表 3 高层建筑对重力观测影响试验重力值Table 3. Gravity value of high-rise building's influence test on gravity observation距离/m 重力值/（10-5m/s2） LCR-D-88# CG-5-40769# 差值 10 -0.043 -0.051 -0.008 20 -0.003 -0.023 -0.020 30 0.029 0.013 -0.016 40 0.033 0.028 -0.005 50 0.054 0.052 -0.002 ![]()
图 1 人文活动对重力观测影响结果曲线图Figure 1. Curve of the influence of human activities on the results of gravity observation3.2 多层建筑区重力观测试验
选取试验地点为老式住宅家属院内，试验楼高7层，楼前有较缓坡度，无地下车库，影响因素主要为建筑楼层。试验方法：分别距离建筑物楼层10、20、30、40和50 m处读数，获得微重力观测结果，各项改正后重力值见表2。五次观测均值之差均小于0.015×10-5 m/s2，认为多层建筑物对重力观测值的影响可忽略不计，在此类地区采集微重力数据选取合适地点，可以进行正常测量（表2和图2）。
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图 2 多层建筑对重力观测影响结果曲线图Figure 2. Curve of influence of multi-storey buildings on gravity observation3.3 高层建筑区重力观测试验
现代化城市发展迅速，住宅楼（现代化小区）主要以高层建筑楼房为主，为了评价微重力观测的影响，试验地点为现代高层小区西安龙首原公园壹号附近，试验楼高34层，地下室两层车库（高约6 m），建筑长度、宽度分别约为400 m和200 m，主要因素为高层建筑及地下车库。试验方法：距离高层楼房及车库10、20、30、40和50 m处进行微重力观测读数，经各项改正获得重力观测值（表3）。根据试验结果对比统计分析，认为高层建筑物，特别是带地下室的建筑物，对重力观测值有一定影响，在50 m以外影响基本上消除，连续两个观测点均值之差均小于0.015×10-5 m/s2（图3），该距离之外可以满足城市探测需求。
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图 3 高层建筑对重力观测影响结果曲线图Figure 3. Curve of influence of high-rise buildings on gravity observation3.4 交通道路对重力观测影响试验
城市建设过程中，交通道路是人文活动最频繁区域，试验地点西安市北二环与开元路交汇处，主要因素为来往车辆、行人。试验方法：在交通主干道及交通路口、在车辆正常行驶时间段（正常工作时间段内），分别距离路口30、50、70、90和110 m五个点处沿开元路从北向南依次进行读数，两台仪器同点位、同步观测，为降低度仪器读数偶然性，每台仪器读6组数，经各项改正后获得重力观测值及该点的平均重力值（表4），对同测点两台仪器求取观测均值，计算出该点两台仪器观测值均值互差（表5），利用一致性计算公式计算得到两台仪器一致性均方误差为±0.012×10-5 m/s2，根据试验结果对比统计分析，认为交通主干道，由于车辆高速运行对重力仪观测精度有一定影响，在距离干扰源110 m以外影响基本消除（图4），可以进行正常微重力测量，实际工作中为获得高精度、小距离测点观测数据，尽可能在夜间进行该区域微重力测量工作。
表 4 交通道路对重力观测影响试验观测数据Table 4. Observational data of the impact of traffic roads on gravity observation距离/m 重力值/（10-5m/s2） LCR-D-88# 1 2 3 4 5 6 平均值 30 -0.229 -0.228 -0.228 -0.228 -0.229 -0.230 -0.229 50 -0.155 -0.155 -0.156 -0.156 -0.158 -0.161 -0.157 70 -0.123 -0.124 -0.123 -0.124 -0.124 -0.125 -0.124 90 -0.027 -0.028 -0.028 -0.029 -0.030 -0.031 -0.029 110 0.024 0.023 0.022 0.022 0.023 0.023 0.023 距离/m CG-5-40769# 1 2 3 4 5 6 平均值 30 -0.220 -0.220 -0.217 -0.218 -0.224 -0.223 -0.220 50 -0.138 -0.132 -0.128 -0.131 -0.130 -0.128 -0.131 70 -0.084 -0.083 -0.074 -0.085 -0.078 -0.082 -0.081 90 -0.035 -0.035 -0.039 -0.039 -0.044 -0.045 -0.040 110 0.038 0.035 0.038 0.036 0.038 0.039 0.037 表 5 交通道路对重力观测影响试验重力值Table 5. Gravity value in the test of the impact of traffic road on gravity observation距离/m 重力值/（10-5m/s2） LCR-D-88#均值 CG-5-40769#均值 两台仪器均值 两台仪器均值互差 30 -0.229 -0.220 -0.225 0.008 50 -0.157 -0.131 -0.144 0.026 70 -0.124 -0.081 -0.102 0.043 90 -0.029 -0.040 -0.034 0.011 110 0.023 0.037 0.030 0.014 ![]()
图 4 交通道路对重力观测影响结果曲线图Figure 4. Curve of influence of traffic roads on gravity observation4. 模型正演理论与校正方法研究
4.1 正演模型理论计算方法
鉴于上述能识别的各项对微重力观测有影响的因素之外，为了能够获得城市真实的微重力观测值，本文对城市地下车库、城市高层建筑、工厂厂房（学校、企事业单位办公院子等）、城市地铁和地下管道微重力观测的影响值进行正演模型计算与分析。其中城市地下车库、高层建筑和厂房的正演模拟采用垂直台阶模型，城市地铁和地下管道的横截面积接近圆形，采用水平圆柱体模型，进行正演模拟分析。
城市地下车库、高层建筑和厂房的正演模拟采用垂直台阶模型，坐标原点选在台阶面与地面的交线上，y轴与交线重合，x轴与之垂直，z轴垂直向下，剩余密度为σ（g/cm3），上下表面的深度分别为h2与 h1，则它在地面上任一点x处引起的重力异常为：
$$ \Delta g=G\sigma \Bigggr({18}x\;\mathrm{l}\mathrm{n}\left(\frac{{h}_{1}^{2}+{x}^{2}}{{h}_{2}^{2}+{x}^{2}}\right)+{\text{π} }\left({h}_{1}-{h}_{2}\right)+2{h}_{1}{\mathrm{tan}}^{-1}\left(\frac{x}{{h}_{1}}\right)-2{h}_{2}{\mathrm{tan}}^{-1}\left(\frac{x}{{h}_{2}}\right)\Bigggr){18} \text{，} $$ (1) 其中G为万有引力常量（6.672×10-11 N·m2/kg2），π为圆周率。
城市地铁和地下管道的横截面积接近圆形，可以用水平圆柱体模型进行分析。沿走向无限延伸的水平圆柱体可视为全部剩余质量集中在轴线上的一条物质线。当以柱体轴线在地面的投影为y轴，x轴与柱体走向垂直，z轴垂直向下时，无限长水平圆柱体在地表面x轴上任意一点产生的重力异常为：
$$ \Delta g=2G\lambda \left(\frac{{h}_{0}}{{x}^{2}+{h}_{0}^{2}}\right) \text{，} $$ (2) 其中h0为圆柱体中心埋深，λ为圆柱体单位长度的剩余质量（即剩余线密度），x是以圆柱中心在地面投影点为坐标原点的横坐标值。
城市地下车库以台阶模型进行分析。将坐标原点选在台阶铅垂面与地面的交线上，让x轴与台阶铅垂面垂直，台阶沿x轴正方向及沿y轴均为无限延伸。若台阶顶面与底面深度分别为h和H，剩余密度为σ，则由二度体的Δg公式，可得台阶在x轴上P(x,0)点处引起的重力异常为：
$$ \begin{aligned} &\qquad\qquad\qquad\Delta g=2G\sigma \int\limits _{0}^{\mathrm{\infty }}\mathrm{d}\delta \int\limits _{h}^{H}\frac{\zeta \mathrm{d}\zeta }{{\left(\delta -x\right)}^{2}+{\zeta }^{2}}= \\ &G\sigma \left(\mathrm{\pi }\left(H-h\right)+x\;\mathrm{ln}\left(\frac{{x}^{2}+{H}^{2}}{{x}^{2}+{h}^{2}}\right)+2H\;\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\left(\frac{x}{H}\right)-2h\;\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\left(\frac{x}{h}\right)\right) \end{aligned}。$$ (3) 城市高层建筑（现代小区）等效于规则长方体或正方体。沿水平方向延伸较长而横截面近于矩形的等效源，可以当成二度长方体来研究。用(x+a)与(x - a)分别代替铅垂台阶各公式中的x，并将结果相减，即获得这一长方体的重力异常，由上述两个铅垂台阶的相减得到二度铅垂柱体的例子说明，在基于质量分布的重力解释中，对不同的模型体进行灵活的叠加或相减，以研究相应的重力异常特征。计算公式：
$$ \Delta g=G\sigma \Bigggr({18}\left(x+a\right)\mathrm{ln}\left(\frac{{\left(x+a\right)}^{2}+{H}^{2}}{{\left(x+a\right)}^{2}+{h}^{2}}\right)-\left(x-a\right)\mathrm{ln}{\left(\frac{{\left(x-a\right)}^{2}+{H}^{2}}{{\left(x-a\right)}^{2}+{h}^{2}}\right)}\Bigggr){18} 。 $$ (4) 4.2 模型正演校正方法与处理
城市地下空间探测难度大，对微重力探测方法技术要求高，测量之前，通过实地探测试验，识别上述影响因素，实际工作中避开这些影响干扰源，然而很多干扰因素是无法避开，则需要在微重力测量之后数据处理上消除这些影响。本文针对广州龙归地区采空区的实际工作，列出几个无法避免的干扰因素实例，并进行模型正演校正，数据处理时利用实测重力观测值减去实际模型模拟计算的重力值即可获得真实重力异常。
城市地下车库以重力正反演中常见的台阶模型形态模拟分析，车库大小为240 m×240 m，上顶面位于地下2 m处，下底面深度为地下9 m。车库可近似为地下空气腔体，与周围黏土密度差为1.50 g/cm3。正演地下车库产生的最大重力异常值达 -0.426×10-5 m/s2，随着观测点远离车库，重力异常迅速减小，观测点距离车库中心点150 m处重力异常几乎忽略不计（图5）。
高层大厦平面近似为梯形结构，上顶面宽度为100 m，下底面长度为200 m，大厦垂直高度130 m，且带有两层地下车库，是一个综合异常叠加元。正演模拟显示重力异常极小值位于建筑物正上方，大厦产生的重力异常的主要影响范围同样位于建筑物周边区域，即大厦周边100 m附近。随着观测点至建筑物中心距离增加，重力异常也随之增大，试验表明远离120 m外重力测量不受影响（图6）。
工厂厂址（学校、企事业单位办公院等）主要为低层建筑物，一个长宽为100 m×100 m、高为10 m的工厂正演重力异常值在 -0.591～-0.607（10-5 m/s2）（工厂里面设备情况不同），重力扰动的影响范围同样主要在建筑物附近，距厂房中心点50 m处的重力异常观测质量约为极值的20％，可以忽略不计。随着观测距离的增大，重力异常逐渐趋向于零（图7）。
广州地铁14号线隧道直径为5 m，中心埋深为12.5m（即地铁顶厢距地表10 m），通道近似为空气腔体，与周边黏土密度差异约为 -1.80 g/cm3。正演重力异常极值点位于地铁中心点正上方，产生的重力异常约0.066×10-5 m/s2左右，沿地铁中轴线向两边异常绝对值急速降低，中轴线两侧延伸至50 m处，观测异常值接近于零，可以忽略计算（图8）。
城市地下管道（根据管道的类型和实际情况做正演分析）引起重力异常值不是很大，但对异常解释有一定影响，城市地下管道采用与地铁相似的圆柱体模型，考虑到管道一般埋藏较浅，管网径宽有限，设定管道半径为1 m，管道中心埋深为3 m（即管道上顶端距地表2 m，图9）。模型采用的密度差异同样为 -1.80 g/cm3。重力异常极值点位于管网中心点正上方，约为 -0.022×10-5m/s2左右，沿管道中轴线向两边异常绝对值骤然降低。由于管道直径较小，且埋藏深度浅，中轴线两侧约5 m处，重力异常值已经降低到极值的20％ 以下，继续延伸至20 m处，观测异常值已趋于零，认为不会对观测产生影响。
通过前期影响因素识别，结合对城市地下车库、城市高层建筑、工厂厂房、城市地铁和地下管道等模型正演分析，消除重力在测量过程中干扰引起的异常，获得城市地下空间微重力观测的真实有效重力值，确保能够准确识别异常位置、形态、空间分布特征等信息。
利用正演模型计算的方式对外业务干扰异常进行校正，进而消除掉浅地表干扰源异常，获得真实微重力异常值。整个正演模型校正计算重力异常是一个难度大、方法技术复杂、编程处理融合的工作过程[30-34]，国内外学者在该领域也做了很多研究[35-40]。
4.3 广州龙归地区试验效果分析
基于上述研究，选取广州白云区龙归地区地下空洞情况作进行探测分析，该地区位于广州市白云机场附近，大兴物流转运基地，白天车辆较多，对微重力测量产生影响巨大，数据采集时段采用晚上22点至凌晨5点钟进行，避开全部影响因素测量，获得最初数据结果比较凌乱（图10），无法进行处理解释。
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图 10 未经模型数据校正的布格重力异常图Figure 10. Bouguer gravity anomaly map uncorrected by model data通过影响因素识别、试验与分析，地形模型改正，正演模型分析校正，再将得到的数据进行各项改正获得重力布格数据，通过高斯低通滤波处理形成重力布格异常GRD文件，经过重力场分离，结合各项反演结果，获得布格重力剩余异常图（图11），准确得到地下空洞的平面位置，划分了空洞圈闭34处，这与该区域已经发现39处大型盐穴基本对应，另外5处在研究区外围。
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图 11 剩余布格重力异常与空洞位置图Figure 11. Remaining Bouguer gravity anomaly and location map of voids5. 结论
通过前人及团队多年重力测量研究，识别了微重力在城市地下空间探测工作中常见的人类活动、建筑物、交通道路等客观影响因素，在实际观测中能够尽量避开外界干扰，合理布设探测区域的观测尺度。客观存在的地下车库、高层大厦、城市管道、地下通道等无法避开的干扰因素，在测量结果中带入了这些存在的假异常，可以通过实际模型正演校正的方法消除假异常，从而获取探测真实微重力异常值，对地下异常体准确解释，为城市物探工作者提供了一个微重力探测技术方法支撑。
本文的研究结合广州龙归地区地下空洞探测的微重力测量试验，研究了实际测量中遇到的不同干扰因素，为后面工作者给出了一些不必要的工作情况和一些模拟校正方法。通过对试验数据的处理和分析，以确保使用高精度重力仪观测数据能够正确发现地下空间位置（人防、古墓、大型管道与通道、空洞等）。团队将继续研究微重力测量数据定量反演地下空洞的位置、大小形态、空间分布特征等情况。该方法的研究推广将适合新时期绿色环保探测发展方向，具有不错的研究利用价值。
在城市建设发展的过程中，尤其是“十四五”规划中提出的安全城市、健康城市，这些都需要我们共同建设。目前在城市地下空间探测、城市活动断层探查、城市塌陷区等探查都需要安全可靠的物探手段，微重力测量将能够发挥一定的作用。通过多种物探手段综合探测与研究，建立全要素精细勘测、全资源整体评价、全空间协同规划、全环境监测预警、构建理论与技术体系，以有效提升城市地下空间利用率，促进城市经济的稳定发展，建设安全城市、健康城市、绿色城市。
致谢：感谢中国地震局第二监测中心张佩博士对文章理论模型的指导；感谢中国地质大学（武汉）地球物理与空间信息学院张恒磊教授对反演效果分析的指导，邓小峰和周琪硕士研究生进行数据整理和图件校对。
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图 1 人文活动对重力观测影响结果曲线图
Figure 1. Curve of the influence of human activities on the results of gravity observation
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图 2 多层建筑对重力观测影响结果曲线图
Figure 2. Curve of influence of multi-storey buildings on gravity observation
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图 3 高层建筑对重力观测影响结果曲线图
Figure 3. Curve of influence of high-rise buildings on gravity observation
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图 4 交通道路对重力观测影响结果曲线图
Figure 4. Curve of influence of traffic roads on gravity observation
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图 10 未经模型数据校正的布格重力异常图
Figure 10. Bouguer gravity anomaly map uncorrected by model data
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图 11 剩余布格重力异常与空洞位置图
Figure 11. Remaining Bouguer gravity anomaly and location map of voids
表 1 人文活动对重力观测影响试验重力值
Table 1 Gravity value in the experiment of the influence of human activities on the gravity observation
距离/m 重力值/（10-5m/s2） LCR-D-88# CG-5-40769# 差值 10 -0.234 -0.233 0.001 20 -0.200 -0.189 0.011 30 -0.183 -0.180 0.003 40 -0.173 -0.175 0.002 50 -0.157 -0.152 0.005 
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表 2 多层建筑对重力观测影响试验重力值
Table 2 Gravity value of multi-storey building's influence test on gravity observation
距离/m 重力值/（10-5m/s2） LCR-D-88# CG-5-40769# 差值 10 -0.034 -0.023 0.011 20 -0.004 -0.006 -0.002 30 0.032 0.035 0.003 40 0.033 0.022 -0.011 50 0.051 0.054 0.003
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表 3 高层建筑对重力观测影响试验重力值
Table 3 Gravity value of high-rise building's influence test on gravity observation
距离/m 重力值/（10-5m/s2） LCR-D-88# CG-5-40769# 差值 10 -0.043 -0.051 -0.008 20 -0.003 -0.023 -0.020 30 0.029 0.013 -0.016 40 0.033 0.028 -0.005 50 0.054 0.052 -0.002
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表 4 交通道路对重力观测影响试验观测数据
Table 4 Observational data of the impact of traffic roads on gravity observation
距离/m 重力值/（10-5m/s2） LCR-D-88# 1 2 3 4 5 6 平均值 30 -0.229 -0.228 -0.228 -0.228 -0.229 -0.230 -0.229 50 -0.155 -0.155 -0.156 -0.156 -0.158 -0.161 -0.157 70 -0.123 -0.124 -0.123 -0.124 -0.124 -0.125 -0.124 90 -0.027 -0.028 -0.028 -0.029 -0.030 -0.031 -0.029 110 0.024 0.023 0.022 0.022 0.023 0.023 0.023 距离/m CG-5-40769# 1 2 3 4 5 6 平均值 30 -0.220 -0.220 -0.217 -0.218 -0.224 -0.223 -0.220 50 -0.138 -0.132 -0.128 -0.131 -0.130 -0.128 -0.131 70 -0.084 -0.083 -0.074 -0.085 -0.078 -0.082 -0.081 90 -0.035 -0.035 -0.039 -0.039 -0.044 -0.045 -0.040 110 0.038 0.035 0.038 0.036 0.038 0.039 0.037
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表 5 交通道路对重力观测影响试验重力值
Table 5 Gravity value in the test of the impact of traffic road on gravity observation
距离/m 重力值/（10-5m/s2） LCR-D-88#均值 CG-5-40769#均值 两台仪器均值 两台仪器均值互差 30 -0.229 -0.220 -0.225 0.008 50 -0.157 -0.131 -0.144 0.026 70 -0.124 -0.081 -0.102 0.043 90 -0.029 -0.040 -0.034 0.011 110 0.023 0.037 0.030 0.014
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-
[1] 路利春, 周明霞, 李小龙, 等. CG-5重力仪外业工作中常见问题及解决方法[J]. 地质装备, 2018,19(4): 28−31. doi: 10.3969/j.issn.1009-282X.2018.04.012 LU L C, ZHOU M X, LI X L, et al. Common problems and solutions in field work of CG-5 gravimeter[J]. Geological Equipment, 2018, 19(4): 28−31. (in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1009-282X.2018.04.012
[2] 焦新华, 吴燕冈. 重力与磁法勘探[M]. 北京: 地质出版社, 2009. [3] 孟玲顺, 杜晓娟. 勘探重力学与地磁学[M]. 北京: 地质出版社, 2008. [4] 罗孝宽, 郭绍雍. 应用地球物理教程—重力磁法[M]. 北京: 地质出版社, 1991. [5] 王谦身, 安玉林, 张赤军, 等. 重力学[M]. 北京: 地震出版社, 2003. [6] 陈善. 重力勘探[M]. 北京: 地质出版社, 1986. [7] 方俊. 重力测量与地球形状学[M]. 北京: 科学出版社, 1975. [8] 何绍基. 重力测量学[M]. 北京: 测绘出版社, 1957. [9] 许厚泽, 王谦身, 陈益惠. 中国重力测量与研究的进展[J]. 地球物理学报, 1994,(S1): 339−352. XU H Z, WANG Q S, CHEN Y H. Progress of gravity survey and research in China[J]. Chinese Journal of Geophysics, 1994, (S1): 339−352. (in Chinese).
[10] 王艺霖, 刘宽厚, 刘晓兰. 大型地面重力仪设备的现状比较及优化配置[J]. 地质装备, 2017,18(2): 22−24. doi: 10.3969/j.issn.1009-282X.2017.02.004 WANG Y L, LIU K H, LIU X L. Status comparison and optimal configuration of large ground gravimeter equipment[J]. Geological Equipment, 2017, 18(2): 22−24. (in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1009-282X.2017.02.004
[11] 陈明. 微重力测量观测精度提高方法探讨[J]. 华南地震, 2020,40(3): 76−83. DOI: 10.13512/j.hndz.2020.03.011. CHEN M. Discussion on improving the observation accuracy of microgravity measurement[J]. South China Earthquake, 2020, 40(3): 76−83. DOI: 10.13512/j.hndz.2020.03.011. (in Chinese).
[12] 李玉君, 任芳祥, 杨立强, 等. 稠油注蒸汽开采蒸汽腔扩展形态4D微重力测量技术[J]. 石油勘探与开发, 2013,40(3): 381−384. doi: 10.11698/PED.2013.03.19 LI Y J, REN F X, YANG L Q, et al. 4D microgravity measurement technology of steam cavity expansion in steam injection recovery of heavy oil[J]. Petroleum Exploration and Development, 2013, 40(3): 381−384. (in Chinese). doi: 10.11698/PED.2013.03.19
[13] 卢鹏羽. 二维微重力测量与目标发现率研究[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2010,40(S1): 1−5. LU P Y. Two-dimensional microgravity measurement and target detection rate research[J]. Journal of Jilin University (Earth Science Edition), 2010, 40(S1): 1−5. (in Chinese).
[14] 贾民育. 微重力测量技术的应用[J]. 地震研究, 2000,23(4): 452−456. doi: 10.3969/j.issn.1000-0666.2000.04.014 JIA M Y. Application of microgravity measurement technology[J]. Seismological Research, 2000, 23(4): 452−456. (in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1000-0666.2000.04.014
[15] 岳建华, 刘树才, 于景村. 煤矿井下微重力测量方法与应用[J]. 中国煤田地质, 1995,(4): 93−96. YUE J H, LIU S C, YU J C. Measurement method and application of microgravity in coal mine[J]. China Coalfield Geology, 1995, (4): 93−96. (in Chinese).
[16] 王谦身, 周文虎, 武传真, 等. 微重力方法在考古工程中的应用──明茂陵地下陵殿探查[J]. 地球物理学进展, 1995,(2): 85−94. WANG Q S, ZHOU W H, WU C Z, et al. Application of microgravity method in archaeological engineering: Exploration of Ming Mausoleum[J]. Progress in Geophysics, 1995, (2): 85−94. (in Chinese).
[17] 张赤军. 微重力测量的应用及其改善[J]. 地球物理学进展, 1988,(4): 1−6. ZHANG C J. Application and improvement of microgravity measurement[J]. Advances in Geophysics, 1988, (4): 1−6. (in Chinese).
[18] 刘平利, 乔天荣, 张鸿祥. 老旧防空洞探测方法与分析[J]. 测绘与空间地理信息, 2021,44(4): 189−191. doi: 10.3969/j.issn.1672-5867.2021.04.051 LIU P L, QIAO T R, ZHANG H X. Detection methods and analysis of old air-raid shelters[J]. Surveying and Mapping and Spatial Geographic Information, 2021, 44(4): 189−191. (in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1672-5867.2021.04.051
[19] 卢进延. 微重力测量及浅层地震在岩溶勘查中的应用[J]. 广东化工, 2020,47(20): 124−126. doi: 10.3969/j.issn.1007-1865.2020.20.056 LU J Y. Application of microgravity measurement and shallow earthquake in Karst exploration[J]. Guangdong Chemical Engineering, 2020, 47(20): 124−126. (in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1007-1865.2020.20.056
[20] 胡强, 伍吉仓, 郑二龙, 等. 利用微重力测量探测城市地下孔洞[J]. 工程勘察, 2015,43(11): 74−78. HU Q, WU J C, ZHENG E L, et al. Detecting urban underground holes by microgravity measurement[J]. Engineering Investigation, 2015, 43(11): 74−78. (in Chinese).
[21] 曹金国, 王来鹏, 翟广卿, 等. CG-5重力仪及应用[M]. 北京: 解放军出版社, 2007. [22] 吴天彪. 国外新型重磁仪器述评[J]. 地质装备, 2002,(3): 3−7. doi: 10.3969/j.issn.1009-282X.2002.03.001 WU T B. Review of foreign new gravity and magnetic instruments[J]. Geological Equipment, 2002, (3): 3−7. (in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1009-282X.2002.03.001
[23] 耿启立. 重力仪器国外代表产品及国内研发最新进展[J]. 地质装备, 2016,17(1): 27−30. doi: 10.3969/j.issn.1009-282X.2016.01.006 GENG Q L. Foreign representative products of gravity instruments and latest research and developmentprogress in China[J]. Geological Equipment, 2016, 17(1): 27−30. (in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1009-282X.2016.01.006
[24] 王延涛, 潘瑞林. 微重力法在采空区勘查中的应用[J]. 物探与化探, 2012,36(S1): 61−64. WANG Y T, PAN R L. Application of microgravity method in goaf exploration[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2012, 36(S1): 61−64. (in Chinese).
[25] 陈贻祥. 地面微重力方法在地质灾害调查中的应用效果[J]. 中国岩溶, 1995,(2): 176−185. CHEN Y X. Application effect of ground microgravity method in geological disaster investigation[J]. Karst in China, 1995, (2): 176−185. (in Chinese).
[26] 陈贻祥. 地面微重力测量在工程地质勘察中的应用效果[J]. 水文地质工程地质, 1995,(4): 43−46. CHEN Y X. Application effect of ground microgravity survey in engineering geological survey[J]. Hydrogeology and Engineering Geology, 1995, (4): 43−46. (in Chinese).
[27] 高好林. 微重力测量在地裂缝探测中的应用[J]. 物探与化探, 2005,(5): 414−417. GAO H L. Application of microgravity measurement in ground fissure detection[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2005, (5): 414−417. (in Chinese).
[28] 路利春, 胡登攀, 张冲, 等. 概率成像技术在重力位场中的应用研究[J]. 矿产与地质, 2018,32(5): 888−894. doi: 10.3969/j.issn.1001-5663.2018.05.015 LU L C, HU D P, ZHANG C, et al. Application of probabilistic imaging technology in gravity potential field[J]. Minerals and Geology, 2018, 32(5): 888−894. (in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1001-5663.2018.05.015
[29] 路利春, 文博, 程斌, 等. 成像技术在矿区重力勘探中的应用研究[J]. 地质与资源, 2018,27(1): 99−102,88. doi: 10.3969/j.issn.1671-1947.2018.01.014 LU L C, WEN B, CHENG B, et al. Study on the application of imaging technology in gravity exploration in mining areas[J]. Geology and Resources, 2018, 27(1): 99−102,88. (in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1671-1947.2018.01.014
[30] 路利春, 赵炳坤, 周明霞, 等. 高精度重磁测量在渭河盆地氦气调查中的应用研究[J]. 陕西地质, 2017,35(2): 52−59. doi: 10.3969/j.issn.1001-6996.2017.02.009 LU L C, ZHAO B K, ZHOU M X, et al. Application of high-precision gravity and magnetic survey in helium survey in Weihe Basin[J]. Shaanxi Geology, 2017, 35(2): 52−59. (in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1001-6996.2017.02.009
[31] 王园, 陈丽森, 戴山岭, 等. 重力异常模型的建立和精度分析[J]. 大地测量与地球动力学, 2017,37(2): 160−162. WANG Y, CHEN L S, DAI S L, et al. Establishment of gravity anomaly model and accuracy analysis[J]. Geodesy and Geodynamics, 2017, 37(2): 160−162. (in Chinese).
[32] 冯兰天. 台阶(断层)模型重力异常正演计算的一种新算法[J]. 世界地质, 2014,33(2): 477−483. doi: 10.3969/j.issn.1004-5589.2014.02.026 FENG L T. A new algorithm for forward calculation of gravity anomaly in step (fault) model[J]. World Geology, 2014, 33(2): 477−483. (in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1004-5589.2014.02.026
[33] 王芃, 张忠杰, 张晰, 等. 基于Matlab平台实现二维复杂地质模型多边形网格建模及重力异常正演计算[J]. 桂林理工大学学报, 2014,34(2): 254−259. doi: 10.3969/j.issn.1674-9057.2014.02.006 WANG P, ZHANG Z J, ZHANG X, et al. Realization of polygon mesh modeling and gravity anomaly forward calculation of 2D complex geological model based on Matlab platform[J]. Journal of Guilin University of Technology, 2014, 34(2): 254−259. (in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1674-9057.2014.02.006
[34] GIANI L, MIRANDA T, PIATTELLA O F. Cosmology and Newtonian limit in a model of gravity with nonlocally interacting metrics[J]. Physics of the Dark Universe, 2019, 26: 100357. doi: 10.1016/j.dark.2019.100357
[35] GHOMSI F, SEVERIN N, MANDAL A, et al. Cameroon's crustal configuration from global gravity and topographic models and seismic data[J]. Journal of African Earth Sciences, 2020, 161(Jan.): 103657.1−103657.13.
[36] 张瑞芳, 贾全山, 路利春. 高精度质子磁力仪性能校验与干扰因素分析[J]. 地质装备, 2020,21(5): 23−28. doi: 10.3969/j.issn.1009-282X.2020.05.005 ZHANG R F, JIA Q S, LU L C. Performance check of high-precision proton precession magnetometer and analysis of interference factors[J]. Geological Equipment, 2020, 21(5): 23−28. (in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1009-282X.2020.05.005
[37] 王立发, 雷晓东, 何祎. 平原区深层隐伏岩溶的重力正演模拟[J]. 城市地质, 2018,13(4): 19−23. doi: 10.3969/j.issn.1007-1903.2018.04.004 WANG L F, LEI X D, HE Y. Gravity forward modeling of deep hidden Karst in plain area[J]. Urban Geology, 2018, 13(4): 19−23. (in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1007-1903.2018.04.004
[38] 贾敦新. 基于重力模型的重庆及周边城市群关系研究[J]. 地理空间信息, 2019,17(2): 48−50,10. doi: 10.3969/j.issn.1672-4623.2019.02.013 JIA D X. Study on the relationship between Chongqing and its surrounding urban agglomerations based on gravity model[J]. Geospatial Information, 2019, 17(2): 48−50,10. (in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1672-4623.2019.02.013
[39] 张洪波, 赵珞成, 邓洪涛. 相对重力测量虚拟仿真系统的建立与模型研究[J]. 地理空间信息, 2018,16(10): 51−53,66. doi: 10.3969/j.issn.1672-4623.2018.10.015 ZHANG H B, ZHAO L C, DENG H T. Establishment of virtual simulation system for relative gravity measurement and model research[J]. Geospatial Information, 2018, 16(10): 51−53,66. (in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1672-4623.2018.10.015
[40] 刘璇, 刘艳芳, 张梦珂, 等. 基于改进重力模型的镇域网络化规划研究[J]. 地理空间信息, 2017,15(3): 8−11,133. LIU X, LIU Y F, ZHANG M K, et al. Research on town network planning based on improved gravity model[J]. Geospatial Information, 2017, 15(3): 8−11,133. (in Chinese).
-
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1. 杨敏，徐新强，陈明，纪晓琳，王万银，赵东明，周巍，张义蜜. 基于高精度重力勘探对地下空洞的探测研究. 物探与化探. 2024(03): 876-883 . 
百度学术
2. 周俊杰，朱鹏飞，高爽. 地下空间微重力异常聚焦反演方法研究及应用. 世界核地质科学. 2024(05): 977-987 . 百度学术
3. 徐佳，卢琪. 采空区高层住宅区的岩土工程勘察研究. 工程技术研究. 2023(14): 210-212 . 百度学术
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